深圳CINRAD/SA-D天氣雷達標定系統故障的分析與處理

劉承徑，鄧正林，羅鳴，曾俊威

（1.深圳市氣象服務有限公司，廣東 深圳 518040；2.深圳市國家氣候觀象臺，廣東 深圳 518040）

0 引言

超大城市災害性天氣監測和預報越來越重要，天氣雷達的作用也越來越凸顯。因此雷達基本是每天 24 h 連續運轉，因此，發生故障的概率相當高。同時隨著信息技術的不斷進步，天氣雷達也在不斷升級，功能在不斷完善，內部結構復雜、元器件多，其故障的診斷和維修十分困難[1]。深圳新一代天氣雷達為S波段天氣雷達，采用雙偏振全相參多普勒技術，是國內最先進且具有國際領先水平水平的氣象雷達，探測分辨率從原來單偏振1公里提高到125米，能更好地描述云中粒子尺寸、形狀、降水已經天氣類型，特別是有效提高了雷達估計降水效率和識別冰雹、龍卷、雷暴等中小尺度災害性天氣能力，同時，深圳創新采用雙通道信號處理技術。本文針對異常信號源故障處理進行剖析。

1 雙偏振基本原理與標定系統

雷達方程以球形粒子為假設條件，但實際上粒子并非總是球形。偏振（極化）雷達可以通過極化合成，獲得被測目標的極化散射矩陣；由于極化散射矩陣可將目標散射的能量特性、相位特性和極化特性統一起來，相對完整的描述了目標的電磁散射特性，進而增強了雷達對目標信息的獲取能力。在線偏振中，若垂直分量Ey=0,就稱為水平偏振，若水平分量Ex=0，就稱為垂直偏振；因此能夠發射水平及垂直偏振兩種波的雷達為雙偏振雷達圖1所示。

圖1 雙偏振雷達發射電磁波情況

新一代雙偏振天氣雷達數據主要組成部分：發射系統、接收系統、天線及伺服系統、信號處理與監控軟件系統、標定系統。它的主要功能是生成和發射射頻脈沖，接收目標物對這些脈沖的反射能量，并通過數字化形成基數據[2]。對回波信號的數據處理和雷達各分系統的控制是信號處理與監控系統的主要功能，其工作的效率和穩定程度直接決定了雷達的性能[3]。標定系統方法涵蓋自動在線標定（噪聲電平、噪聲溫度、反射率、差分反射率、查發傳播相移、速度/譜寬、發射機峰值功率、相位噪聲、發射機脈沖寬度）、手動離線標定（太陽法、天頂標定、收發支路損耗、動態范圍）、其他標定（金屬球）。

2 標定系統故障篩查

（1）故障現象。2021年9月14日強雷暴天氣過程中，機務人員發現深圳新一代天氣雷達PUP的多種產品顯示異常，雷達多個報警無法正常出圖，嚴重影響臺站雷達業務的正常運行，根據CINRAD/SA-D雷達的基本原理，雷達機務人員對雷達故障情況檢查和維修過程進行描述。故障出現后，當天雷達報警文件記載報警文件有7條[4]：483 VELOCITY/WIDTH CHECK DEGRADED（速度/譜寬檢查變壞）；472 I/Q AMP BALANCE DEGRADED（I/Q幅度平衡變壞）；523 LIN CHAN RF DRIVE TST SIGNAL DEGRADED（線性通道射頻激勵測試信號變壞）；470 LIN CHANNEL NOISE LEVEL DEGRADED （線性通道噪聲電平變壞）；471 SYSTEM NOISE TEMP DEGRADED （系統噪聲溫度變壞）；476 IF ATTEN CAL INHIBITED - INVALID DATA（禁止中頻衰減器標定-無效數據）；478 TS DIFFERENTIAL REFL CAL DEGRADED（TS差分反射率標定變壞）；參看rda/opt/log目錄下的20210914開頭的Calibration.log標定文件，Status.log狀態日志文件，發現在故障后文件里記錄反射率期望值與實測值偏差較大[5]。

（2）系統檢查。接收機斷電重啟，rda電腦重啟，進行幾組反射率標定和動態范圍測試反射率最大差值在-250左右浮動；關閉RDA狀態監控后反射率標定最大差值在0.66和動態范圍測試102。關閉伺服電源，到天線罩將上光端機的XS2線纜取下，中斷標定信號源的供電和控制信號路徑；RDA狀態監控、伺服恢復供電，發射機各項狀態復位同時本控切換遙控，確定發射機各項無報警顯示[6]。rda電腦刪除RDACALIB.DAT文件，config文件夾中將rdasc.conf文件ts_enable=1改成0，使得TS 差分反射率標定處于關閉狀態。

3 故障排查思路

天氣雷達的標定控制信號流程路圖2所示。雷達運行由RDA計算機發出的命令驅動后，通過上下光纖板將命令經RS232串口送到數字控制單元DCU并控制功放單元，實現對天線的姿態控制[7]；通過DAU大底板、上下光纖板反饋運行狀態信息。雷達的運行過程中標定信號來自兩個位置，標定信號1為傳統單偏振的CW/RFD/NOISE/KD信號，標定信號2為天線上的在線標定信號源，經過旋轉關節進入接收機，兩個標定信號互補，避免因標定信號本身的問題帶來的誤修訂。大體判定是由于雷達電磁脈沖造成標定信號源、上、下光纖板、控制線路的故障，需進一步進行排查。

圖2 天氣雷達的標定控制信號流程路圖

4 檢查維修過程

按步驟做如下檢查：

（1）上光纖板清潔和檢查。切斷天線、上光端機供電后用毛刷吸塵器對上光端機箱內電源模塊、上光纖板的灰塵進行清潔，檢查光纖板的每一控制模塊芯是否對應針腳，控制信號線電源線插頭穩固，以免成接觸不良。

（2）采用排查法對控制模塊檢查。將備用上光纖板的控制模塊換到U9（33）和U10（31）位置，注意檢查芯片的正反，對腳座的缺口，逐一進行控制標定檢查。最后整塊上下光纖板更換。反射率標定最大差值在-200左右浮動[8]。

（3）標定信號2模塊檢查。標定信號2安裝在天線反射體背面，信號源受 WRSP信處控制，在每個 PPI間隔處于開啟狀態，即天線抬仰角時就可以完成一次標定，以VCP21D為例，一個體掃可以標定9次。標定結果包含了關節隨方位帶來的幅度和相位的變化。幅度隨方位360度旋轉，變化了0.04dB。相位隨方位360度旋轉，變化了1.10度。將上標定信號源2、上光纖板、下光纖板全部更換完之后，反射率標定和動態范圍測試均在正常范圍；config文件夾中將rdasc.conf文件ts_enable=0改回1，每個體掃間隔做一次標定。用機內的CW連續波信號檢查兩個接收通道的幅度差異。報警值478 TS DIFFERENTIAL REFL CAL DEGRADED（TS差分反射率標定變壞）已經消除，恢復雷達的正常運行[9]。

5 總結分析

標校信號源也是雙偏振雷達新增加的部件，通過雙通路關節及接收通路定標。該次故障為強雷暴天氣過程中，電磁脈沖將信號源、上光纖板及下光纖板中的內部元件擊穿，導致信號源處于常開狀態，使得產品出現強回波壞圖。這次雷達故障的排除過程，從雷達報警信息及標定控制信號流程路圖進行故障排查和處理，有助于提高并加快解決雷達故障[10]。

6 結語

天氣雷達在防災減災中發揮著重要作用，新一代雙偏振多普勒氣象雷達相對單偏振雷達增加很多部件，需要熟練掌握其組成結構及工作原理，準確分析故障原因，及時排除故障。氣象工作人員要在實踐中，積極地探索和總結，不斷地提高業務素質，更好地為氣象工作服務。同時探測裝備對于直擊雷的防護相當成熟，但對于雷電電磁脈沖的防護還有很大的進步空間；且雷達站多處在地勢較高處，同時各省市雷暴天氣均有區域分布，可根據區域性差異進行備件的存儲，進一步提高故障處理的時效。