CFL-06型風廓線雷達數據間隔性缺測原因分析研究

溫顯罡 劉佳明 李 樂

(1.福建省龍巖市新羅區氣象局 福建龍巖 364000；2. 福建省龍巖市氣象局 福建龍巖 364000)

0 引言

風廓線雷達WPR(Wind Profile Radar)是我國氣象部門近年才配備的現代化探測設備，它采用微波輻射遙感技術，應用多普勒原理對大氣進行探測，能夠不間斷地提供探測高度范圍內的大氣水平風場、垂直氣流、大氣虛溫以及大氣折射率結構常數等氣象要素隨高度的分布。龍巖風廓線雷達為CFL-06型風廓線雷達，它能連續提供150m～6km探測高度范圍內的大氣水平風場、垂直氣流和大氣折射率結構常數等氣象要素隨高度的分布，還能連續獲取探測地域的大氣折射結構波動和湍流起伏等氣象信息[1]。該風廓線雷達的穩定運行可以加強對當地各種中小尺度災害天氣系統等提供準確的大氣風場垂直結構、輻合、輻散等氣象綜合信息，大大提高局部性災害性天氣的監測預警水平，對提高閩西山區局地天氣預測預報能力具有重要意義。因此，做好風廓線雷達的運行維護保障，確保觀測數據的完整性也是至關重要。但該雷達在剛安裝試運行的前期，每運行一段時間(12～15天)就會停止探測，這樣對設備運行穩定率、數據可用率和數據傳輸質量都帶來較大影響，從而影響到觀測質量考核。據了解，有部分該型號的風廓線雷達也會出現此類問題。

1 工作原理

CFL-06型風廓線雷達是以大氣湍流為探測目標的晴空探測脈沖多普勒雷達。按邏輯功能由有源相控陣天線分系統(以下簡稱天線分系統)、接收分系統、頻綜分系統、信號處理分系統(即主控機)、數據終端分系統(即終端機)、監控分系統、標定分系統和電源分系統等組成，如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

CFL-06型風廓線雷達工作時，首先由主控計算機按照設定的工作模式控制頻綜產生高頻探測脈沖信號，該信號經發射機放大后，經環行器由天饋系統輻射出去。按照Bragg散射原理，電磁波在空間傳播過程中遇到尺度為其波長一半的大氣湍流后將會產生最大后向散射，一部分電磁波能量將會反射到風廓線雷達的天線處，天線接收到回波信號后經收發模塊中的低噪聲放大輸出到高頻接收系統中，高頻接收系統對回波進行混頻、濾波和中頻放大，再以60MHz中頻信號傳輸到數字化中頻接收機，在數字化中頻接收機中進行濾波、放大和混頻并進行取樣、模數轉換、數字正交相檢、數字濾波、數據抽取。在信號處理器中對回波信號進行視頻積累、脈沖壓縮、去直流、加窗處理、譜分析(FFT)和譜積累后形成湍流回波信號的功率譜。該功率譜再通過計算機對其進行零譜去除、半屏面對消和干擾譜剔除，并根據噪聲功率電平形成自適應信號檢測門限，進行風譜信號提取和風譜信號的估值，求出風譜質心，計算出相應的徑向速度，并在計算機的控制下，分別得到其它天線指向上的徑向風速值[2](詳見圖2)。在進行多次同樣的探測后得到多組對應不同波束的徑向風速，對這些數據進行一致性檢驗和質量控制后，進行野值剔除，最后根據幾何關系和相關計算方程式計算出各高度層上的風速、風向[3]。

圖2 CFL-06型風廓線雷達工作原理框圖

2 故障現象分析

龍巖風廓線雷達于2019年1月22日建成并開始試運行，試運行的前期每運行一段時間(12～15天)就會停止探測，導致探測數據無生成。從圖3可以看出，2020年12月14日18時30分的探測數據文件生成上傳后，從18時36分開始便無探測數據文件生成，19時26分后經人工重啟風廓線雷達數據處理軟件后才會恢復探測，19時30分開始才有探測數據文件生成上傳；接著就是12天后的12月26日19時42分開始的停止探測，2021年1月7日20時48分開始的停止探測和1月19日21時48分開始的停止探測。每當遇到這狀況時，都需人工在風廓線雷達數據處理軟件重新建立主控機與數據處理終端計算機的連接或重啟風廓線雷達數據處理軟件后才會恢復探測。

圖3 故障現象圖

3 故障分析排查

3.1 風廓線雷達的功能

CFL-06型風廓線雷達按邏輯功能由有源相控陣天線分系統、接收分系統、頻綜分系統、信號處理分系統(主控機)、數據終端分系統(數據處理終端計算機)、監控分系統、標定分系統和電源分系統等組成。CFL-06型風廓線雷達工作時，首先由主控機按照設置的工作模式控制相關分系統進行探測和信號處理后得到湍流回波信號的功率譜，傳給數據處理終端計算機，再由數據處理終端計算機處理得到各高度層上的風速和風向。主控機與數據處理終端計算機通過以太網(直連)連接，進行網絡通信，傳輸控制命令、探測參數和探測數據。

3.2 風廓線雷達軟件的功能

風廓線雷達控制軟件安裝在雷達系統的主控工業控制計算機(主控機)上，是設備的專用軟件，用來完成對該設備的系統運行控制和探測數據的錄取處理任務。它實現了對該設備的參數設置、工作過程控制、風信號處理、原始數據錄取、在線監測、系統標定、數據通信、數據管理以及后端遙控等功能，是保證系統運行的重要組成部分。

風廓線雷達數據處理軟件安裝在一臺通用PC機(數據處理終端計算機)上，用于完成該設備的數據實時處理和歷史數據瀏覽等任務，它實現了對風廓線雷達系統的遠端控制、參數設置、在線監測、數據通信、數據處理和保存、文檔管理、處理結果顯示和查詢等功能。

CFL風廓線FTP程序是用于上傳探測數據到指定FTP服務器上程序，程序可自動監視風廓線雷達數據處理軟件生成的探測數據文件并上傳。

3.3 引起故障的可能原因

根據CFL-06型風廓線雷達的工作原理，引起此故障的原因可能有：

1)雷達設備問題；

2)主控機及軟件問題；

3)數據處理終端計算機及軟件問題；

4)主控機與數據處理終端計算機網絡連接問題；

5)主控機和數據處理終端計算機硬件配置偏低問題。

3.4 處理故障的具體措施

3.4.1 前期排查

風廓線雷達發生故障時，最基本的判斷設備故障的方法是觀察后端機是否有風廓線合成，如果沒有，則觀察前端機是否有譜線生成，如果前端機有譜線生成，則說明只是前后端機之間的網絡故障或軟件故障；如果前端機沒有譜線生成，則可以采用以下方法進行故障判斷：

1)觀察后端機風廓線雷達數據處理軟件“監測信息”項中的指示燈顏色，綠色表示正常，紅色表示對應的指示項目有故障；

2)觀察預放組合，正常工作時“直流電源”常亮，射頻輸入和射頻輸出指示燈間隔一定時間亮或者滅，其余指示燈均常滅。如果“過占空比”、“駐波”、“溫度”等指示燈亮，則表示該功能故障；

3)觀察監控組合，正常工作時“加電”指示燈為常亮；“-12V”、“+12V”、“+5V”的指示燈為常亮，“運行”指示燈間隔一定時間就閃爍；

4)觀察接收機組合，正常工作時“加電”指示燈為常亮；“電源”、“接收機”“晶振”、“標頻”和“本振”等指示燈均為常亮，在波束轉換時，“發射”指示燈閃爍；

5)觀察波控組合，正常工作時“加電”指示燈為常亮。

如果設備產生故障，通過后端機上風廓線雷達數據處理軟件的“監測信息”界面和組合面板上的指示燈，基本上就可以對設備故障定位。為了解決“間隔性中斷觀測”問題，首先利用前人的一些研究經驗利用理論分析、觀察和測試等步驟排查了是否為雷達設備問題[4-8]。由于風廓線雷達設備基本采用模塊化、固態化設計，在確定了雷達設備本身無故障并確定主控機和數據處理終端計算機的系統無錯誤提示后，利用替換法對故障進一步排查：

1)在系統正常的情況下分別重裝了風廓線軟件；

2)分別更換了主控機和數據處理終端計算機；

3)更換了連接主控機與數據處理終端計算機的網線；

4)同時更換了主控機和數據處理終端計算機。

3.4.2 后期排查和處理

若常見問題都排查了，仍未解決問題。考慮到主控機和數據處理終端計算機也許會像地面觀測業務機一樣需要定期重啟，然后利用每周一次的地面周維護時間一起把主控機和數據處理終端計算機都重啟一下，因為每周固定重啟一次，結果發現不再出現間隔性中斷觀測，即找到了原因。

因為每重啟一次會導致缺6min資料，為了更好地解決這問題減少重啟次數保證更完整的觀測時間，最后采用了升級更換主控機的辦法：把原來的處理器Pentium(R)Dual-Core CPU E5300@2.60GHz，內存2.00GB的主控機，更換為處理器Intel(R) Pentium(R) CPU G2030@3.00GHz，內存4.00GB的主控機。現在，只要每月利用月維護時把主控機和數據處理終端計算機都重啟一下就可以把“間隔性中斷觀測”問題徹底決解。

4 排查方法與原因分析

由于風廓線雷達設備基本采用模塊化、固態化設計，在遇到故障時，利用替換法對故障逐步排查是不錯的選擇，所謂替換法，就是對某個被懷疑有可能發生故障的元器件或模塊使用正常的元器件或模塊進行替換，從中找到故障的部位，及時排除故障的方法。在使用替換法時，要注意安全性原則，不要使故障范圍擴大；也要本著由簡到繁，先易后難的原則。應盡可能使用和原機參數相同的元器件，若沒有，可根據實際條件用跟原機參數相近或等級更高一些的元器件替換。

“間隔性中斷觀測”問題出在主控機上，對計算機性能影響比較大的硬件是處理器和內存，計算機運行久了會產生垃圾文件，緩存會被垃圾文件占用，各硬件也會發熱，導致系統運行變慢，特別是硬件配置較低的計算機，容易出現長時間超負荷工作情況，此時發熱量更大，甚至出現“死機”現象。為了保證計算機的性能和穩定運行，應該避免計算機長時間開機工作，當遇工作需要必須長時間不間斷運行時，可采用定期重啟計算機和升級計算機配置的方法得以解決。

5 結束語

通過對該故障的排查處理，得到關于間隔性中斷觀測問題，有以下經驗跟各位同仁討論，不足之處敬請批評指正。

1)引起間隔性中斷觀測的原因可能有：雷達設備問題，主控機及軟件問題，數據處理終端計算機及軟件問題，主控機與數據處理終端計算機網絡連接問題和相關計算機配置較低的問題；

2)排查中斷觀測，可按照引起故障原因，利用理論分析、觀察、測試和替換法等步驟逐項排查；

3)計算機運行久了會產生垃圾文件，緩存會被垃圾文件占用，導致系統運行變慢，當計算機硬件配置較低時可能出現時序混亂的問題；可采用定期重啟計算機和升級計算機配置的方法得以解決。