民航气象多普勒天气雷达双机热备设计浅析

王国强（民航山东空管分局气象台,济南 250107）



民航气象多普勒天气雷达双机热备设计浅析

王国强
（民航山东空管分局气象台,济南 250107）

摘 要：本文通过借鉴航管二次雷达硬件设计上的方案，对传统意义上的气象雷达进行双机热备设计的探讨，通过对发射分系统、接收分系统、信号处理分系统、监控分系统、数据处理分系统以及电源分系统的分析、设计，实现气象雷达双机热备配置，从而大大提高气象雷达的运行冗余程度，提高雷达系统的可靠性。

关键词：民航气象；多普勒天气雷达；双机热备设计

1 引言

传统意义上，民航气象雷达多为单通道设计，即天馈分系统（含天线罩、天线转台和馈线）、发射分系统、接收分系统、信号处理分系统、监控分系统、伺服分系统、数据处理与显示分系统（也称终端分系统）以及电源分系统均为单套系统，一旦某个分系统出现故障，就会造成整机故障停机，造成气象业务的中断。

随着天气因素对航空安全运行的影响越来越大，作为监视危险天气重要手段的天气雷达，其不间断运行的要求也越来越高。目前，民航系统内多套气象多普勒天气雷达正在建设过程中。借鉴航管二次雷达硬件设计上的方案，实现气象雷达双机热备配置，可以大大提高气象雷达的运行冗余程度，提高雷达系统的可靠性。

2 多普勒天气雷达基本工作原理

多普勒天气雷达通过发射高功率的高频脉冲信号，借助于云、雨等气象目标的后向散射来检测、分析和确定降水目标。根据回波信息，测量其强度以及运动的径向速度和速度谱宽。

多普勒天气雷达系统一般由天馈分系统（含天线罩、天线转台和馈线）、发射分系统、接收分系统、信号处理分系统、监控分系统、伺服分系统、数据处理与显示分系统（也称终端分系统）以及电源分系统8个部分组成。

激励源输出的高频激励信号，送入发射机，经固态功率放大器后，进入速调管放大，输出高频脉冲信号，经过馈线送至天线向空间定向辐射。定向辐射的电磁波遇到气象目标时，便会发生后向散射，形成气象目标的高频回波信号被天线接收。

接收到的微弱高频回波信号，经过馈线送往接收分系统，经过两路高频放大和变频（高灵敏度通道和低灵敏度通道），成为60MHz的中频回波信号，直接进行中频采样。经中频接收机处理后送往信号处理分系统。

信号处理分系统将两路I、Q正交信号，作平方律平均处理、地物杂波对消处理，和拼接处理后，得到反射率的估测值；并通过脉冲对处理（PPP）或快速傅里叶变换（FFT）处理，从而得到散射粒子群的平均径向速度V和速度的平均起伏即速度谱宽W。并将处理后的回波数据通过网络传输至终端系统。

伺服分系统接收到控制指令，完成天线的方位和俯仰扫描控制；同时它将天线的实时方位角、仰角数据送往信号处理分系统。

终端分系统对于信号处理分系统送来的雷达探测的气象目标回波的原始数据、天线角度信号，以及GPS时钟进行采集、处理，以PPI、RHI、体扫等工作方式，实时显示回波图像，并可将数据存储下来，自动生成航空气象保障所需的各种天气预报和天气监测用的图像、图形、曲线等丰富的气象产品。

3 气象雷达双机热备设计

（1）概述。双机热备设计即是采用双通道体系硬件结构，即除了天线罩、天线、转台的系统硬件外，发射、接收、信号处理和监控均进行双套系统冗余设计，各分系统包括两套独立的设备，互为冗余备份，可通过冗余控制电路进行自动重组、无缝切换，并可在线维修，减少故障时间，提高雷达系统的可靠性。

（2）系统设计。多普勒气象雷达系统双机热备功能主要通过波导开关和二选一切换开关实现。双机热备包括数据处理服务器的切换和雷达硬件的切换。数据处理服务器具备自动/人工切换功能，可以人工切换服务器主备用状态；波导切换开关具有手动切换手柄。

数据处理服务器双机热备份：服务器的热备份是通过服务器之间的网络通信来实现的。主备机通过周期性的发出相互检测的网络测试包，来互相确认对方的运行状态。如果主机出现故障，备机在连续丢失设定数目的测试包后，会认为主机出现故障，备机则根据已设定的规则，启动备机的相关服务，完成双机热备的切换。同时会将此信息通过网络通知网络节点上计算机。当主用服务器修复后，作为备用服务器使用。切换服务器工作状态不影响整个雷达系统正常工作。

雷达硬件切换：当监控单元检测到雷达的发射机、接收机、信号处理器出现故障时，监控单元发送关高压、并通过交换机、串口服务器控制切换波导开关和控制信号选择组件，将硬件系统切换到备份系统，切换到位后发送反馈指令到监控单元，监控单元开高压，雷达正常工作。

雷达工作周期内，两套雷达的监控单元之间通过交换机周期性的发送握手信号，互相监测运行状态，其目的是为了监测备用的雷达系统在不工作情况下的运行情况，并在终端软件中显示备用系统状态。

整个切换过程包括雷达报警、关闭高压发射、波导开关切换、主备服务器切换、开启雷达高压和状态标校，整个过程除了波导切换开关是机械动作，其他都是电讯号动作，所需时间控制在30s以内。

具体各分系统设计如下：

发射分系统：两套互为冗余的发射系统，通过大功率波导转换开关选择其中一套发射机高压工作，另一套处于开机预热状态。每套发射机包含发射配电单元、监控单元、高压电源单元、固态调制器单元、脉冲变压器、速调管、钛泵电源、脉冲旁路器、固态放大器组合、发射组合电源单元和散热风机；

接收分系统：两套独立接收系统（接收通道单元、频率源单元、激励源单元），对原有BIT单元、标定单元进行改进，满足为两套接收机提供高品质标定信号及监测两套接收机的工作状态；两套互为备份的接收机始终通电工作，回波信号经冗余开关控制进入其中一套接收机，经处理得到中频信号后送往数字处理系统进行后续处理。

信号处理、监控分系统：采用模块化设计，将信号处理板、监控板、数字接收机配置在一个单元内，组成信号处理单元，同时增加冗余控制插件，负责整个系统冗余功能控制，实现系统故障时自动切换备份通道功能。

数据处理终端：包括数据处理服务器软件、控制和维护软件、显示终端软件；软件设计应包含多终端热备份工作功能，主终端故障时，可自动切换到备份终端，不影响数据处理，并可对故障终端进行维修。

电源分系统：包括不间断电源、遥控配电箱、电网滤波分机和分布于各分系统的线性电源和开关电源等；双备份系统中各独立分系统均单独供电，达到故障系统可在线维修，不影响系统正常工作。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.222