CLC-11-D型风廓线雷达故障处理与运行维护

苏添记，夏润芳，刘笑，潘旭光，孙俊

（1.烟台市气象局，山东烟台　264003；2.蓬莱市气象局，山东蓬莱　265600）

CLC-11-D型风廓线雷达故障处理与运行维护

苏添记1，夏润芳2，刘笑2，潘旭光1，孙俊2

（1.烟台市气象局，山东烟台264003；2.蓬莱市气象局，山东蓬莱265600）

通过对CLC-11-D型边界层风廓线雷达的主要故障分析，找出故障发生的原因，并提出相应的处理方法。

风廓线雷达；雷达故障；数据探测

风廓线雷达的使用为天气预报用户提供了高时间分辨率的风廓线数据，一定程度上填补了探空系统留下的观测区域空白［1-4］。保障风廓线雷达的正常运转，确保获取探测资料的可靠性，随之也成为台站业务人员的基本业务工作［5］。了解风廓线雷达的工作原理，掌握基本的维护维修方法，是雷达业务人员开展工作的基础［6］。

1　基本探测原理

风廓线雷达主要以晴空大气作为探测对象，雷达回波信号强弱与表征大气折射率分布的大气折射率结构常数Cn2直接相关联。对于局地均匀、各向同性湍流的惯性子散射体，单位体积的散射截面与Cn2有如下简单的函数关系：

（1）式中，单位体积的散射截面η的单位为m2/m3，Cn2的单位为m-2/3，雷达工作波长λ的单位为m。

式（1）代入弥散目标的雷达气象方程，得到适用于风廓线雷达的雷达气象方程：

（2）式中，Pr是雷达回波功率，Pt是雷达发射功率，h是雷达的取样长度（h=1/2cτ，其中c是光速，τ是雷达发射的脉冲宽度），Ge是天线增益，L是雷达天馈系统的损耗，R是回波距离［7-8］。

2　系统组成

CLC-11-D型边界层风廓线雷达主要由相控阵天线、馈线系统、发射（接收）机、频率源、信号处理器、数据处理和监控分机等几部分组成。图1为CLC-11-D型边界层风廓线雷达的系统框图。其中相控阵天线、发射机柜（含波控）、T/R组件机柜安放于室外［9］。

2.1相控阵天线

相控阵天线由行列20×20共400组双极化微带振子组成，各振子辐射的电磁能量在空中进行合成，形成具有角度指向和一定波瓣性能的波束。天线阵面上，各辐射单元激励电流的相位分布起着控制波束指向和波束扫描的作用，相对于机械扫描，此可称为电扫描［10］。激励电流的相位分布受波控系统控制。

2.2发射与接收

发射机由前级功放、T/R组件T通道功放、控保单元等组成，其作用是将频率源送来的射频激励信号放大，产生符合雷达系统要求的相参的雷达探测信号，通过馈线系统馈送到相控阵天线并辐射出去。它采用全固态有源相控阵体制，具有高效率、低损耗、高可靠性、体积小重量轻和维护方便等优点。

它由低噪放、由接收通道、频率源、信号产生、中频采样、激励源、时钟与控制等部分组成。将天线接收的微弱回波信号经过放大、变频、滤波及数字化等一系列处理，从中提取目标物信息，CLC-11-D型风廓线雷达采用分布式发射和接收。

2.3T/R组件

T/R组件集发射、接收、波控功能为一体，主要由移相器、T/R（行列转换）开关、隔离器、功率放大器、限幅器与LNA（低噪声放大器）、环行器、定向耦合器和波束控制单元组成。其主要功能有：提供发射状态下的功率增益和输出功率；提供接收状态下的低噪声信号放大；进行波束（行列）切换；实现收发状态下的移相功能。

T/R组件是CLC-11-D型风廓线雷达的最核心部件，共有20只3种不同功率规格的T/R组件，分别为8只40W，6只120W和6只160W。T/R组件为高功率输出单元，可产生高温，是本雷达的故障高发部位。

3　风廓线雷达故障处理

图1　固定式边界层风廓线雷达系统框图

CLC-11-D型边界层风廓线雷达各组件高度集成，发射机实现全固态化，天线为相控阵，且有较完善的机内检测功能组件（BIT）及软件监测。BIT对接收机、发射机、信号处理机、T/R组件状态和发射功率等均自动进行故障检测，检测信息在雷达控制软件终端用不同的颜色表示不同的雷达工作状态。当系统提示故障时，可通过“控制程序”界面中的BIT颜色指示来判定故障源，再进行更换设备和维修。该系统可以通过直接更换模块化的组件来排除故障，使故障的处理变得相对简单。因此，比起常规雷达，它的故障排除快，其可用性更好。

蓬莱CLC-11-D型固定式边界层风廓线雷达自2011年9月投入业务运行以来，至2014年只出现过7次影响雷达系统正常工作的硬件故障。

3.1T/R组件故障

蓬莱风廓线雷达系统的20只T/R组件安放在两个机柜中，机柜位于室外天线阵面正下方，与环境无任何隔绝，机柜为半封闭，经过特殊的结构设计，以防海雾腐蚀昂贵的T/R组件。机柜通过附带安装的小空调进行控温。

2012年5月25日和7月12日，蓬莱风廓线雷达控制软件监测显示有T/R组件故障，5月25日为第二T/R机柜中的一只40W的T/R组件故障，7月12日为第一T/R机柜中的一只160W的T/R组件故障。由于T/R组件是集成器件，可通过更换相应组件来排除故障，以上两次故障通过更换T/R组件得到排除。需要说明的是，只要故障的T/R组件不超过5个，即使雷达波的副瓣电平升高，最大探测高度降低，影响探测效果，但不会影响雷达的正常运转。因此，虽然T/R组件是故障高发部分，但不是致命故障。

3.2T/R机柜温度超标

2011年10月19日、2012年2月9日和4月22日，蓬莱风廓线雷达控制软件监测监测到TR1机柜温度报警，其中2011年的一次为温度超标报警，监测温度为87℃，2012年两次为温度故障报警。经查，2011年10月的温度超标是因为TR1机柜的空调故障所致。雷达工作时半封闭的机柜内温度迅速升高，达到控保温度时雷达自动停机进行自我保护，此时软件监测的雷达激励信号、发射功率和驻波均为零。机柜空调故障排除后，雷达也恢复正常。2012年的两次温度故障报警，当班的值班人员到站检查后发现机柜空调工作正常，温度也正常，重新启动雷达系统后报警依然保持。最后把故障定位在机柜温度传感器上，更换温度传感器后故障排除。蓬莱风廓线2012年的第一次TR1机柜温度传感器故障，极有可能是因TR1机柜在2011年长时间过温，传感器迅速老化所致，而第二次故障是因第一次故障时换上的传感器性能不好。

3.3其它故障

2012年7月23日，雷达工控机无法启动，由于信号处理板安装在工控机内，雷达无法获取控制时序和进行信号处理，导致雷达停机。雷达工控机的框架是一台微机，经检查，其故障现象是不能开机，电源指示灯不亮，判断为电源故障。之后，厂家更换工控机，故障排除。工控机返修后发现确是电源损坏。故障出现时，该站尚未配备大功率UPS，导致市电停电时，雷达设备会突然掉电而停机。当市电短时恢复而雷达各开关又处于合上状态时，雷达又经历突然全加电状态。故障后分析，工控机电源故障主要是受外电源电压波动所致。

2014年6月13日，雷达控制软件监测显示，TR组件全处于故障状态，输出功率为零，雷达无产品生成。检查两个TR机柜，温度正常，判断20只T/R组件同时损坏的可能性极小，应将故障定位在T/R组件之前的发射前级，用功率计测试前级各节点的功率，发现发射前级无激励输入，再检查发射机，发现功率总输出端线缆接头处有烧糊，判断为连接线过细致大功率击穿，更换连接线后，故障排除。

4　风廓线雷达的运行维护

对于CLC-11-D型固定式边界层风廓线雷达，日常维护工作需要在合适天气和时间进行。每月的例行维护对雷达系统的正常运转相当重要，避开特殊天气找一晴好天进行停机维护。维护内容包括：检查室内设备，维护室外设备。维护步骤：按照关机程序关机，清洁室内设备表面灰尘，查看设备；清除T/ R组件机柜内外的灰尘，避免机柜的进出风口堵塞；检查空调制冷情况，定期添加氟利昂；检查天线屏蔽网，拉线和天线支架，天线底部，给暴露的金属上油。需要工具：干净毛巾、螺丝刀、活动扳手、自来水、防锈油、手电。

雷达系统机内监测系统比较完善，通过控制软件即可监控雷达的工作状态，从而实现了全天候24h无人值守运行。因此，雷达业务人员应密切监视控制软件的运行，定时检查记录雷达的工作状态。

5　小结

雷达台站的重要工作是监控雷达的运行状态，出现故障及时发现并进行故障定位排除。雷达的相关配套设施对雷达的稳定性至关重要，必须配足并确保运行正常。

早期的CLC-11-D型边界层风廓线雷达为减少功率的衰减，将T/R组件等部分组件放置到室外的天线下，采用机柜与外界环境隔离，但增加了冷却、防腐蚀、防尘、防风雨的难度。蓬莱风廓线因为这种设计的缺陷出现过多的故障。后期建设的雷达设置了雷达机房，除了天线布设在室外的房顶，其它设备均布设到室内，解决了上述问题。

T/R组件是此雷达的故障高发点，但只要损坏少于5只T/R组件，不影响雷达的正常工作，只对探测高度等性能有所影响。因T/R组件价格昂贵，建议，对过了保质期的雷达，取其仍良好的部件储备。

为雷达配备功率足够大的UPS设备，以确保雷达的连续运行，避免出现突然断电导致浪涌电流对雷达设备的损害。

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Fault handling and operation maintenance of the CLC-11-D wind profile radar

Su Tian-ji，Xia Run-fang，Liu Xiao，Pan Xu-guang，Sun-jun
（1.Yantai Municipal Meteorological Service，Yantai Shandong 264003；2.Penglai Municipal Meteorological Service，Penglai Shandong 265600）

Based on analysis of the CLC-11-D wind profile radar main faults，the causes were found out to put forward the corresponding maintenances.

wind profile radar；fault；detection

P49

A

1673-8411（2016）02-0088-03

2016-01-25

苏添记（1980-），男，汉族，广西梧州人，本科，工程师，主要从事气象雷达运行保障工作。