黔江CINRAD/CD雷達幾起故障的診斷

■ 唐聰 李文英

黔江新一代天氣雷投入業務應用13年，雷達運行期間，出現大小故障30余次，經統計梳理，接收系統的事故中，頻綜故障，天饋系統的旋轉關節、天線無規則抖動故障，伺服系統的俯仰角碼錯誤、仰角抬升等故障占黔江雷達故障的80%以上。

黔江新一代天氣雷達于2007年投入業務應用，已運行了13年，在中小尺度天氣監測中發揮著十分重要的作用。雷達運行期間，出現大小故障30余次，經統計梳理，接收系統的事故中，頻綜故障，天饋系統的旋轉關節、天線無規則抖動故障，伺服系統的俯仰角碼錯誤、仰角抬升等故障占黔江雷達故障的80%以上。本文結合多年維修經驗，對故障進行系統分析，找到了故障的排除方法、應對措施以及思路拓展。

1 接收系統故障

1.1 數字中頻故障

故障現象。雷達回波異常（圖1），噪聲系數為6.57 dB，關高壓后異常回波依然存在。

圖1 雷達回波拼圖

故障分析與處理。根據回波異常情況，初步判斷接收機故障，依次對靈敏度、噪聲系數、動態進行測量：靈敏度為-102 dBm（1μs），噪聲系數為6.50 dB，動態范圍為-18-(-102)=84 dB，不滿足靈敏度≤-107 dBm（1μs）、噪聲系數≤4.0 dB、動態范圍≥85 dB要求，進一步說明故障點為接收機故障，于是按照接收機故障診斷流程圖進行逐一排查故障準確位置。

1）用“直接觀察法”通過眼看、耳聽、鼻聞、手摸等直觀方法對接收機通道故障部位進行定位。觀察聯接器件連接頭無虛焊、破皮、接觸不良等現象；細聽無異常；鼻聞無燒焦和其他異味；手摸各器件無異常發熱現象；接收機電源風扇正常運轉，無器件有明顯燒焦發脹現象。2）將接收通道所有聯接頭進行緊固（擰松）處理，同時觀察雷達終端回波發現無明顯變化。3）通過接收監控面板查看各路電源電壓均正常，頻綜指示燈均正常，頻綜狀態正常；測量XT501、XT502電壓測試端，測量值均符合正常工作對電壓的誤差要求。4）檢查場放電流是否變化。5）檢查單刀雙擲開關、混頻器等是否正常。首先用萬用表測量微波組件中單刀雙擲微波開關插頭內±5 V電源，再用“短接法”將放電管輸出端直接和場放連接跳過單刀雙擲開關，開機測試故障依然存在；再次通過“代替法”更換單刀雙擲開關，開機測試故障依然存在；排除單刀雙擲開關故障。同樣通過“代替法”更換預選器、混頻器、前中后開機測試故障依然存在，證明從單刀雙擲開關前端到前中后端整個通道工作正常。6）檢查數中是否正常。根據要求，數中上兩個鈕子開關在正常工作時應將SW1和RUN都置于“B”檔上，經確認符合要求；UPLINK和READY燈均常亮，確認符合要求。最后檢查數中電源，通過翻閱資料可知數中分機采用交流220 V供電，產生±12 V和+5 V電壓（本站只用+5 V電源）。用萬用表對交流220 V端進行測量，測量結果為223 V，符合要求；再對+5 V端進行測量，發現直流電壓僅為+4.18 V，低于正常電壓16.4%，斷開負載測量為5.37 V，證明電源沒問題，懷疑數中有過載問題，將+5 V電源電壓拉低，電壓低導致數中工作不正常，噪聲大，靈敏度降低，表現在回波出現異常，噪聲系數偏大等。更換數中后，測得數中+5 V端電壓為+5.14 V，靈敏度測試值為-107 dBm（1μs），滿足指標≤-107 dBm（1μs）要求；噪聲系數測試值為1.45 dB，滿足≤4.0 dB要求；動態測試值為88 dB，滿足指標≥85 dB要求。此故障排除，開機加高壓后回波正常。數中安裝在電磁密封的金屬外殼中，以獲得良好的抗外部電磁噪聲干擾能力；其內使用的A/D變換器是14位的AD6645，其采樣速率為72 MHz；其電源是一個低噪聲、低紋波、整流的設備，使用+5V電源供電。AD6645要求AVcc必須保持在5 V的5%范圍內才能保證該A/D正常采樣。

1.2 頻綜故障造成地物回波無法過濾

故障現象。終端報相參基準源故障，加濾波器（1#～7#）后地物回波無法消除。

故障分析與處理。地物無法消除，報相參基準源故障，首先檢查頻率綜合器面板上故障指示，打開接收機后柜，可以看到頻綜合器面板上有4個故障指示，分別為本振源、30 MHz相參基準源、測試源、激勵源的正常與否。當其被監測對象正常工作時，面板上的指示燈發光，如出現故障指示燈熄滅。本次故障30 MHz相參基準源故障燈熄滅，更換頻綜后故障解除。30 MHz相參信號早期雷達采用頻綜直接送30 MHz相參信號給信號處理器，后期雷達采用發射樣本信號和頻綜輸出的本振信號混頻后送給信號處理器，30 MHz相參信號正確與否牽涉到發射機輸出信號，頻綜本振信號和混頻器等。

常見的導致地物回波消除不徹底的原因有雷達極限改善因子不合格、頻綜激勵極限改善因子、功放輸出極限改善因子和發射機輸出信號用頻譜儀測試，任一個達不到指標要求都可能導致結果發生。此外，信號處理器出錯會導致地物回波濾不掉（少見），放電管有問題會導致地物回波濾不掉（少見）。30 MHz相參信號不正常還有一個明顯現象就是速度雜亂。30 MHz相參基準信號為正弦連續波，可用示波器測量，Vpp值為1.5 V，當Vpp值小于0.7 V時，觸發故障，面板上30 MHz相參基準源指示燈熄滅，同時終端顯示故障，如出現此類故障只能送廠家返修。

2 天饋系統故障

2.1 旋轉關節故障

故障現象。雷達回波明顯變弱，尤其是地物回波變弱得特別明顯。

故障分析與處理。1）看測試信號強度，去濾波器，選擇標校檢查，去距離校正通，顯示強度場，強度73 dBz，對應場放輸入信號-40 dBm，正常，判定接收機和信號處理器RVP8無問題。注：RVP7狀態下雷達的功率基準為-30 dBm，對應基準強度為80 dBz左右；RVP8/RVP9/DRSP狀態下的功率基準為-40 dBm，對應基準強度為70 dBz左右。2）檢查標校校正值，1μs時為-32，和出廠驗收及現場驗收時基本一致，正常，排除終端軟件校正問題。3）用示波器和檢波器檢查發射脈沖檢波包絡，基本矩形，頂部基本平整；并檢查發射監控分機上注電流，脈沖重復頻率PRF為1000 Hz時約為38 mA，在30～45 mA范圍內，基本正常，排除發射機問題。4）觀察頻綜（即頻率合成器）故障檢測，并結合第一步，基本判斷頻綜無問題。5）檢查放電管，-600 V電源電流為約為100 μA，在60 ～120 μA正常范圍內，拆下放電管（拆卸過程中注意保持各緊固螺釘受力均勻，以免放電管密封玻璃窗口破裂），發現放電管密封玻璃窗口破裂，證明該放電管已經損壞，更換放電管后，回波依然很弱。證明不只是放電管的問題。6）手摸四端環行器的吸收負載，觸手很燙，懷疑發射功率反射較嚴重（發射饋線駐波偏大），遂上天線罩內檢查天線座內饋線，方位旋轉鉸鏈端蓋正常，但是其上部連接直波導（配做件）嚴重扭曲成麻花狀，并且方位旋轉鉸鏈與該波導連接處有少許變形。找到原因。7）更換方位旋轉鉸鏈和直波導，回波恢復正常。

一般以當地地物回波來判定回波的變化。所以，以前存儲的地物回波圖像或數據是判斷回波是否變弱的依據。回波變弱故障可牽涉多個系統。

1）饋線系統：波導扭曲或波導內有打火現象（少見）、方位/俯仰關節損壞（少見）、波導內壁有冷凝水（室內外溫差大的地方常見）和放電管損壞（常見）等都可能導致回波偏弱。當判定收發正常時，一般采用太陽法來檢驗饋線，非雨天當終端有明顯的太陽亮線時，說明饋線通路無故障；反之，則有故障。

2）伺服系統：俯仰定標不正確（少見），實際仰角比正確仰角偏小會導致回波偏弱，實際仰角比正確仰角偏大會導致回波偏強。通過太陽法來標定俯仰和方位角。

3）接收系統：場放損壞（常見）、場放前端二選一開關損壞（少見）、混頻器損壞（少見）、前置中頻放大器損壞（少見）、回波通路高頻電纜破損（少見）、頻綜信號（激勵和本振）輸出偏小（少見）等會導致回波偏弱。通過標校檢查、分段測試和短接法來判定。

4）發射系統：功放損壞（少見）、速調管輸出功率偏小（常見）、調制器高壓不夠（常見）等會導致回波偏弱。通過目測發射監控表、測試調制波形、測試檢波包絡和測試功率來判斷發射系統故障點。

5）終端軟件：標校參數設置錯誤會導致回波偏強或偏弱（常見）、距離訂正未選上會導致遠處回波偏弱，（常見）、標校校正參數設置錯誤會導致回波偏強或偏弱（常見）。

2.2 天線劇烈抖動故障

故障現象。天線正常運行期間，突然出現無規律劇烈抖動，聲音響，振動幅度大。

故障分析與處理。結構件卡滯一般情況是有規律抖動，現場發現故障雷達方位角碼即使在抖動時運轉正常，而俯仰角碼在抖動前發生了劇烈變化，伴隨俯仰誤差電壓劇烈變化。說明俯仰角碼信號有問題，導致誤差電壓變化，引起天線劇烈抖動。打開天線座窗門發現匯流環上有不少油污，并有流入信號環的痕跡，拆開相應的信號環，清洗油污后，雷達恢復正常。故障原因為油浴轉臺加入過多的油產生溢出，脂潤滑轉臺加了過量油脂，溫度變化導致融化滴落，油污將角碼信號污染導地引起。

雷達伺服系統的工作流程為：給定天線的位置（輸入角碼），通過伺服系統來控制天線負載的位置，通過測量元件及角碼變換器獲得的當前角碼與輸入角碼聯系起來加以比較，相符合時系統處于靜止狀態，當不符合時即產生角碼誤差（±⊿D），此誤差在監控系統中伺服驅動單元上數模變換變成誤差電壓±⊿U，再經電壓放大及功率放大后，作用在執行電機上，使其朝減小誤差的方向運動。本故障雷達突變大，造成產生角碼誤差（±⊿D）突變，執行電機轉動突變，致使天線抖動。故在維護時，油浴轉臺和脂潤滑轉臺必須按要求加入適量的潤滑油和潤滑脂，千萬不能過量。

3 伺服系統故障

3.1 俯仰角碼故障

故障現象。俯仰角碼無規律跳變，導致無法完成體掃，方位角碼正常。

故障分析與處理。方位角碼正常，說明方位和俯仰共用的勵磁110 V電壓正常。問題出在俯仰角碼信號通路。先檢查了俯仰發送器，并更換了同步機，故障未消除。再用萬用表測試俯仰同步機上的110 V勵磁電壓，只有60 V，而方位同步機上的110 V勵磁電壓為120 V，說明問題出在天線座配電箱至俯仰同步機這一段線路。檢查從配電箱到俯仰箱之間連接情況，用萬用表測試通斷，發現匯流環輸出插座處有兩根芯線脫落，一根為110 V勵磁電壓，另一根為地線。故障原因為匯流環插座處焊接線用線扎拉緊后長期受力產生疲勞而脫落，也有虛焊的原因。焊接好后雷達恢復正常。

當角碼出現問題時，特別是方位和俯仰角碼同時出現問題時。首先檢查輸入同步機的110 V激磁電壓是否正常，正常范圍在100～130 V。然后檢查同步機輸出信號，天線靜止時同步機輸出端（D1、D2和D3）兩兩之間的電阻一樣，用三用表測試在RVP8或伺服驅動單元輸入測量，當電阻不一樣時要查明原因，特別是當電阻為無窮大時，說明電路在某處有斷路現象。

3.2 仰角停止抬升故障

故障現象。雷達在正常體掃期間，停止在某一仰角不再抬升，無法完成體掃。

故障分析與處理。首先檢查伺服狀態，驅動電壓，俯仰誤差電壓是否正常，未發現明顯故障。做PPI掃描改變仰角檢查俯仰到位精度等，到位精度滿足0.1°的指標要求，追擺小于3次，均未發現異常。恢復體掃觀察發現數據采集機有突然斷網和連接提示。經查發現數據采集機網線松動，瞬間斷開并連接，重新連接好網線后恢復正常。因仰角不抬升引起體掃完不成的故障現象時常發生，因網絡問題導致較多，故障點在交換機、網內發生沖突、網線連接不好等。另外，因仰角精度不夠、追擺次數太多也會造成體掃不暢。精度不夠、追擺次數太多主要原因是伺服未調整好、匯流環太臟或者電機故障造成。

4 結語

本文涉及的幾起故障，多由于雷達使用年限較長，系統老化，出現元器件損壞、線纜斷裂所致。所以，技術保障人員在日常維護過程中不僅要勤于維護，更要嚴格按照規定動作進行，避免引發更大的故障甚至人員傷亡。同時，要充分利用雷達報警信號、定標信號等信息規范化維修的方法對故障現象進行分析判斷，并綜合運用各種診斷方法和工具來驗證，才能快速定位和排除故障。

深入閱讀

柴秀梅, 2011. 新一代天氣雷達故障診斷與處理. 北京: 氣象出版社: 5-6.

龔雪鵬, 陳焰犢, 羅紅, 2014. 畢節CINRAD/CD天氣雷達一次天線俯仰失控的分析與處理. 貴州氣象, 38(3): 46-48.

汪章維, 2014. 新一代天氣雷達培訓及維修. 北京: 氣象出版社:47-55.