WXR-270 氣象雷達典型故障分析

周國棟 付旭東 劉鑄/凌云科技集團有限責任公司

0 引言

氣象雷達是飛行中的重要一環，為飛行員提供前方航線的氣象依據。氣象雷達出現故障，將導致飛行員無法正確判斷前方是否有惡劣氣象，嚴重時可能造成飛機返航，因此需重視其維護。近幾年，隨著裝機年限的增加，WXR-270氣象雷達的故障率越來越高，內外場出現雷達目標弱、雷達跟蹤不穩定等多發性典型故障。為此，對其進行故障原因分析，為從事該項維護工作的人員提供思路和方法。

1 WXR-270 氣象雷達工作原理

氣象雷達是利用雨滴、云狀滴、冰晶、雪花等目標對電磁波的散射作用來探測大氣中的降水，因此，包含有較大雨滴的空中降雨區域會對氣象雷達天線所輻射的X 波段的電磁波產生一定程度的反射，形成降雨區域的雷達回波。在飛行時，垂直陀螺將姿態信號送入天線實現空域穩定功能，收發機的發射部分產生高能量的射頻脈沖并通過天線向外輻射，天線輻射高能量的射頻信號并接收從雷達目標（降雨、地形、信標等）反射回來的回波信號，接收機接收、檢測從天線來的回波信號，經放大、檢波后轉換成數字形式的信號送到顯示器。雷達的簡要工作原理如圖1 所示。

WXR-270 氣象雷達主要由WXT-250A/B 收 發 機、ANT-312/318 天 線、IND-270 顯示器和波導組成。

2 典型故障1

2.1 故障現象

飛行時雷達顯示目標偏少,雷達目標弱。

2.2 原因分析

雷達最大作用距離：

依據雷達方程，目標變弱可考慮最小可檢測信號Simin變大或者雷達發射峰值功率Pt變小等因素。雷達方程中，當其他因素一定時，Pt越大則作用距離越遠，顯示器上目標越強。發射機峰值功率受調制電路控制，眾多高頻高壓器件如磁控管、脈沖電容、脈沖變壓器等均影響整機的發射功率。調制器組件產生磁控管所需的高壓脈沖，當振蕩電路開始工作時，給脈沖形成網絡（由電容器C1 ～C11 及電感L1 組成）充電，當充電到一個門限（典型值為-330V）后，經過T1 放電生成一個+4500V 的二次脈沖施加到磁控管的陽極，激發磁控管產生所需要的高頻脈沖。通過給RD-301A雷達綜合測試儀外接一個頻譜分析儀來檢測磁控管的信號，發現信號波瓣正常、中心頻率漂移正常，整個頻譜穩定無畸變，由此判定磁控管工作正常。根據信號流向溯源至脈沖形成網絡，用雙蹤示波器分別監控近、遠距脈沖信號，發現遠距（C1 ～C11）波形基本正常，但是上升沿和下降沿有畸變，判定其中存在電容充放電異常情況。

2.3 排除方法

用雙蹤示波器監控近距（C1 ～C2）波，形成山峰狀畸變，由此鎖定電容中有一個已經損壞。檢測分析電容的損失角D 和沖擊電壓等參數后，確定C1 電容性能失效，更換后故障排除。

圖1 雷達工作簡圖

3 典型故障2

3.1 故障現象

飛行時雷達跟蹤不穩定，顯示目標時偶發性出現強弱變化。

3.2 原因分析

在外界參數一定的情況下，影響雷達目標跟蹤穩定的因素為發射機的發射峰值功率Pt和接收機的最小檢測門限 Simin。影響發射峰值功率Pt的主要元器件是調制電容C1 ～C11；影響Simin參數的因素主要有信號帶寬和檢測需要的信噪比，信號帶寬波動超出容限可導致顯示器上目標帶出現明顯的強弱變化，而信噪比則直接影響信號的接收門限，信噪比與信號帶寬需要嚴格匹配。該雷達故檢發現最小可檢測信號Simin浮動較大。信號帶寬、信噪比受收發機內A5中頻/視頻板調控，中頻電路主要是從中頻信號中檢波并分離出雷達目標信息，再將其處理成相應的視頻信號供雷達顯示器用。

首先分析發射峰值功率Pt因素。影響發射峰值功率Pt的主要元器件是調制電容C1 ～C11，使用的調制電容為金屬化塑料薄膜電容，其材質被高壓擊穿后，只要移去高壓即可自行恢復原功能。由于金屬化薄膜電容不像電解電容那樣可以通過測量充放電來判別電容的好壞，電容檢測只能看其容值是否在范圍內、損失角是否正常等，故采用雙蹤示波器分別監控近、遠距脈沖信號來判定電容好壞。檢查發現C1 ～C11 波形正常，未發現異常。

再分析接收機最小檢測門限Simin因素。雷達的中頻峰值響應頻率為60MHz，混頻信號通過J1、J2 接入中頻板60MHz 前置放大電路，經輸入調諧、前置放大調整及輸出調諧模塊處理后送入下一級電路。TP1 上為某一帶有信息的60MHz 載波信號，監測時信號較為穩定，示波器監測下的波形曲線平滑穩定，經調整調諧電容C7、C8至最佳狀態，將故障隔離至下一級處理電路。STC（靈敏度時間控制）單元將前置放大器輸出的信號與第二本振Y1（50.4MHz）混頻，產生9.6MHz 第二中頻信號，并將其施加到第1、2 中頻放大器U5、U6，信號進入該級電路后，經過2 次混合、1 次9.6MHz 放大、2 次放大模塊處理輸出，由Q11 組成的視頻檢波器電路從信號中檢出視頻信息，并提供一種脈沖形式輸出的信號，也代表著目標回波信號。監控發現其輸出信號穩定正常，末端還需經過U20（1558）進行信號放大后輸出。通過監測TP3 檢測信號發現放大后輸出異常，由此判定U20 故障。

3.3 排除方法

更換U20 后信號正常，目標跟蹤穩定。

4 典型故障3

4.1 故障現象

氣象狀態收發機運行不正常，自檢畫面滿屏紅色。

4.2 原因分析

收發機不正常首先需確定WX（氣象）工作模式是否接通。通過對WX 接通電路進行檢查，發現三輸入與非門芯片U8 輸出端在WX 狀態時仍然是高電平，而電路中為低電平有效，說明U8在處理控制信號時出錯。同時，監控P/O J202 連接件10 腳信號，發現其一直處在高電平位置，往外的STBY 低電平有效信號無輸出，由此將故障隔離在顯示器，排除收發機故障因素。后級電路中模式選擇控制信號還經過了非門芯片U6 處理，示波器檢測到其兩端亦無高低電平信號轉換，故判定U6、U8 故障。更換后，故障現象變為自檢狀態一直顯示TEST 字符但無自檢畫面，收發機處于WX 工作模式。由于字符信號由數據選擇器U7 控制，用示波器多路同時檢查其模式控制信號正常，判定這是由于功能信號未輸入導致的故障。P/O J201連接件12 腳輸出TEST 信號，在前級控制電路中經過非門U5。測量其11 和10 腳信號沒有輸出，由此判定故障是由U5 引起的。更換U5 后氣象狀態收發機運行正常。

解決氣象狀態收發機運行不正常故障后，依然出現自檢畫面滿屏紅現象。STBY 以外的狀態一直滿屏紅、TEST狀態在自檢畫面出現之前滿屏紅（正常應為背景黑色）。因此，從顯示器A3信息處理板三色視頻輸出信號入手，逆向檢查各級處理模塊。P/O P301 連接件21/22/23 號腳分別對應紅、綠、藍三色，前級經過數據緩存、解碼、緩沖、數據計算、數據選擇、數據存儲、移位寄存、信號平滑、顏色處理，最后經過輸出門電路。逐級向前檢測各模塊的信號輸入輸出：顏色處理模塊U46 芯片12 腳輸出信號無規律→平滑電路U44的4/12 輸出異常→數據緩沖移位模塊U42 芯片4/12 腳輸入信號均為雜波信號→數據計算選擇模塊U35 芯片2/3 輸入腳無信號→預選邏輯處理電路U30 芯片3/6/11 腳有無規則的邏輯信號輸出。再向前推即為P/O P301 連接件16/17/18腳VIDEO1/2/3 信號，該信號由收發機內部提供，因收發機在上述分析中已確定無故障，針對此情況，決定查找顯示器信息處理單元A3 的相關外圍電路。預選邏輯處理電路U30 芯片為2 輸入或門，另一路輸入邏輯信號由時鐘處理模塊提供。檢查外圍時鐘電路，發現PRF（脈沖重復頻率）時鐘信號輸出為不規則的雜波信號，由此判定外圍時鐘處理電路故障導致了視頻信號處理的異常。用TDS1012 示波器監控輸出時鐘前級U83 非門電路，9 腳輸入有120Hz 的方波信號，8 腳輸出端為雜波信號，故判定U83 故障。由于三色信號共用一個時鐘信號，時鐘信號異常會導致用到該信號的芯片輸入頻率錯誤，無法正常處理輸入信息，最終導致輸出異常，誘發滿屏紅色顯示。

4.3 排除方法

更換U5、U6、U8 后氣象狀態收發機運行正常，更換U83 后自檢畫面正常。

5 典型故障4

5.1 故障現象

目標顯示畫面扇形缺失及目標影像不能保持。

5.2 原因分析

某型飛機在飛行時WXR-270 氣象雷達出現顯示畫面異常情況，表現為目標顯示畫面扇形缺失及目標影像不能保持。飛機返場后在地面反復通電檢查，故障現象沒有復現。

從雷達工作原理及其故障現象分析，出現這種情況的可能原因有：垂直陀螺故障，直接影響輸送給天線的姿態信號，導致飛行時空域穩定功能不好，即雷達天線上下擺動或一直有角度地上仰或下俯，不能保持向飛機正前方發射高頻脈沖波束；天線故障，影響天線平板的姿態，導致空域穩定功能不好，與垂直陀螺故障情況類似；收發機產生的高能量射頻脈沖通過天線向外輻射并接收、檢測從天線來的回波信號，經處理后送至顯示器，發射脈沖的品質及接收機處理信號能力的好壞都直接影響收發機的性能，可能導致該故障的出現；顯示器視頻處理電路故障，數據轉換電路故障都會導致雷達顯示異常。從以上分析可知，垂直陀螺、天線、收發機、顯示器及相關線路故障均會導致此故障現象的發生。

進一步分析，如果故障出現在垂直陀螺或天線上，從原理來看，只有在天線進行大角度的俯仰擺動或者天線一直上仰或一直下俯才會出現目標扇形缺失及目標丟失情況，而且天線的俯仰擺動頻率和顯示器上顯示缺失的頻率應該是一致的。但根據飛行人員拍攝的故障圖像來看，扇形缺失現象呈現在一個33°的扇形區域內（其他區域沒有大的目標影像），在這個區域內的目標圖像上均勻分布著7 道丟失目標的扇區（俗稱打嗝），而天線的方位掃描范圍是120°，時間為4.5s，33°的扇掃時間是1.24s 左右，在這1.24s 的時間里天線需要做7個大角度的俯仰擺動，則天線每一個俯仰擺動時間為0.18s，這是天線機械結構無法實現的，故此排除垂直陀螺和天線發生故障的可能性。

發射機發射脈沖不穩定或接收機接收目標回波信號處理電路發生故障可能造成目標打嗝和目標丟失，顯示器的視頻處理電路、數據轉換電路和目標增益電路出現故障也會造成目標顯示不正常。鑒于在地面故障現象不能復現，將收發機和顯示器拆下送至修理車間反復進行振動試驗、高低溫試驗，測得的所有數據沒有任何異常，基本可以排除收發機和顯示器發生故障的可能性。

從以上分析大致可排除氣象雷達發生故障的因素，只剩線路沒有排查。根據線路圖測量機上電纜，用萬用表反復進行電纜導線導通性測量，均無異常；用兆歐表進行電纜插頭絕緣測量，也未發現異常。再次分析查找原因，對存在故障可能的連接電纜線做進一步檢查，稍稍用力晃動電纜后再用萬用表檢查，終于發現機上收發機線纜插頭t 腳與飛機殼體之間的連接處于時通時斷的狀態。

收發機t腳線與顯示器46腳線相連，其導線連接定義為寬窄波束信號轉換。寬窄波束轉換是指收發機工作時的兩種脈沖寬度狀態，即遠距近距時的脈沖寬度轉換。如果這根導線和機體（地線）搭接，則脈沖信號和地線短路，將造成回路信號消失，從而丟失目標，那么正好與故障現象吻合。

對拆下的這根導線（收發機線纜插頭t 腳與顯示器46 腳相連的導線）進行檢查，發現導線表皮部分破損，但是破損面積很小，導線的芯線和屏蔽套尚有空隙，因此在用戶地面通電、開車時故障現象都未能復現。但當飛機在空中飛行時，線路隨飛機機體的固定頻率振動，再加上飛機的各種姿態動作，最終導致t腳線與屏蔽線防波套快速接通和斷開，形成了有規律的打嗝現象。在地面通電時雖然也有開車和振動，但振動頻率與飛行時不同，也無飛機姿態的變化，因此t 腳線沒有與防波套短接，故障現象就不能復現。

5.3 排除方法

更換該故障電纜，經過多次飛行后故障均未重現，故障得到了徹底排 除。

6 結束語

針對WXR-270 氣象雷達的四例典型故障進行了原因分析，制定了解決措施，有助于在今后類似故障發生時能快速有效地定位和排除故障，具有一定的實際應用價值和借鑒意義。