天气雷达回波弱的分析研究

民航贵州空管分局 郑迎宾 黄飞翔

天气雷达回波弱的分析研究

民航贵州空管分局 郑迎宾 黄飞翔

雷达是靠测量目标物的散射现象来判断确定目标的位置、形状、大小和速度等，这些信息都包含在目标回波中。在天气雷达回波里，不仅包含了有用目标物云雨信息，还包含了地物和其他杂波，雷达回波的变弱将影响我们对目标物特性的判定。文章首先从雷达方程原理引入，叙述了导致雷达回波减弱的多种因素，最后通过实例分析，给出了排除天气雷达回波变弱问题的一般处理过程与方法。

天气雷达；回波弱；故障分析

随着雷达技术的发展，天气雷达的任务不只是测量目标物云雨的距离、方位、仰角和强弱，而且还包括云雨移动的速度，以及从回波中获取更多有关目标的信息。当我们使用雷达时，终端上扫描回显出雷达回波，它一方面显示出天气持续过程，另一方面则能反应出雷达设备本身工作状态是否正常。当终端显示回波明显偏弱时，我们就要从各方面进行研究与分析，判定雷达工作状态并及时排故。

1.雷达气象方程[1]

云雨等气象因子对雷达投射波束的后向散射就是气象雷达回波。回波强度不仅取决于雷达系统各参数的特性，而且和被观测的气象因子类型、距离以及其间的大气状况有关，雷达气象方程由此而产生。利用雷达气象方程，可以根据回波的强度判断降水区的物理状况，并正确地选择雷达的参数。在瑞利散射条件下，雷达气象方程如式（1）所示。

式中，Pr为接收功率，Pt为发射功率，G为天线增益，θ1为水平波束，φ1为垂直波束，h为脉冲长度，R为距离。式（1）中从左至右依次包含常数项，雷达参数项，距离因子项，充塞因子项，气象因子项，衰减因子项，用“”分隔表示。

2.导致回波减弱的多种原因及处理方式

通常，我们用对比之前已存储的地物回波图像或数据来判定天气雷达回波变化情况。诊断天气雷达回波变弱故障，可牵涉雷达的多个系统，例如馈线、天线、伺服、接收机、发射机、信号处理和人为使用不当因素等[2]。

2.1 馈线系统

现代天气雷达馈线系统大都采用波导传输，波导损耗过大将影响回波信号的接收。波导损耗包含每一单位长度波导的损耗、拐弯波导的损耗、旋转环节的损耗、天线收发开关的损耗、波导连接处元器件（例如放电管）的损耗等[3]。因此，波导扭曲或波导内有打火现象、方位/俯仰关节损坏、由于工作环境造成的波导内壁潮湿生锈以及放电管等波导连接元器件损坏都能导致雷达回波减弱。

当我们判定雷达收发系统正常，且检查馈线及连接处没有变形时，一般采用太阳法来检验馈线系统工作状态。在非雨天气状况下，开启雷达终端，当回波显示有明显的太阳亮线时，说明馈线通路无故障；反之，则有故障。

2.2 天线系统

由天线理论知道，天线增益G和有效面积A之间有如下关系：

当天线变形时，有效面积减少，天线增益下降，导致回波信号的强度变小。

另外，天线传动装置维护不到位，磨损过快，导致俯仰/方位转速不稳定也会影响雷达回波变弱。可通过听天线运转是否有异常声音来排除。

2.3 伺服系统

伺服系统俯仰定标的准确度会影响回波情况，如果实际定标仰角比正确的仰角偏小，会导致回波偏弱，偏大，则会导致回波偏强。通过太阳法可以来标定俯仰和方位角度。

2.4 接收系统

接收机噪声系数会影响雷达的作用距离和探测信号强度[3]。由接收机中的馈线、放电保护器、高频/中频放大器、混频器等损坏或老化导致接收机噪声变大，影响接收机输出端“信噪比”，进而使接收回波信号变弱。另外，频率综合器（激励和本振）信号输出偏小、接收机的频率响应和发射信号匹配不好引起的匹配损失也会导致回波偏弱。

以上这些故障，可以通过进行标校检查[4]、分段测试和短接法来判定和排除。

2.5 发射系统

从雷达方程知道，雷达发射功率会影响回波信号强度。发射机中所用的发射管（速调管、磁控管等）的参数不尽相同，发射管在波段范围内的输出功率也不一样；发射管使用时间长短也会影响其输出功率。此外，发射系统中功率放大器的损坏、调制器高压不够等也会导致回波偏弱。

通过监测发射系统监控表盘指数、测试调制波形、测试检波包络和测试功率来判断和排除发射系统故障点[5]。

2.6 软件配置及使用方面

如果终端软件配置不当，会使得回波信号看起来变弱。例如，标校参数设置错误、标校校正参数设置不当会导致回波偏强或偏弱。

当雷达天线仰角、重复频率、发射脉冲等参数设定完毕后，开始进行PPI扫描时，如发现回波偏弱，在扫描软件设置上，要判断所加载的滤波器类型是否适当、距离订正选项是否勾选。加载不同的滤波器，会对雷达回波有相应的影响。例如，地物、弱性天气过程等回波会被特定滤波器过滤掉，从而使得回波看起来偏弱；未勾距离订正，会导致远处回波偏弱。

3.案例分析

故障现象：714CDP型天气雷达回波明显变弱。

一般情况下，我们在处理雷达故障时遵循的原则是由易到难，此次故障分析与处理过程如下：

3.1 检查测试信号强度是否正常。在终端扫描软件上进行如下配置：选择标校检查、去滤波器、去距离校正通断、选择强度场，测试强度为72dBZ，对应场放输入信号-40dBm，测试正常。由此判定接收机和信号处理器（RVP9）工作正常。

备注：信号处理器（RVP9）的功率基准为-40dBm，对应基准强度为70dBZ左右。

3.2 检查标校校正值：双收双发状态下，脉冲宽度为1μs时，此值为-37；脉冲宽度为2μs时，此值为-40；和出厂数据基本一致，排除终端软件校正问题。

3.3 检查发射机柜监控分机上注电流，当脉冲重复频率为1000Hz时，注电流约为37mA（正常范围为30mA～45mA），基本正常；用示波器和检波器检查发射脉冲检波包络，包络为矩形形状、顶部基本平整，排除发射机问题。

3.4 目测并用手触摸波导器件（接收机柜和天线罩内），没有发现变形和发烫；用手触摸四端环行器的吸收负载，温度适中，波导工作正常。

3.5 检查放电管，发现-600V双电源电流V1路为110μA，V2路为160μA，正常范围为60μA～120μA。拆下V2路放电管，发现放电管密封玻璃窗口破裂，证明该放电管已经损坏，更换放电管后，并将V2路电流调到100μA，回波恢复正常。

4.结束语

造成天气雷达回波变弱的原因是多方面的，只有熟悉雷达回波的信号流程走向，才能清楚并快捷的找到故障点，及时排故。作为维护人员，要不断学习和增强维护雷达系统知识及意识，掌握的故障排查方法及技巧，要养成经常进行检查和标校雷达各项参数的好习惯，才能使雷达工作在稳定高效状态。

[1]张培昌,杜秉玉,戴铁丕.雷达气象学[M].北京:气象出版社,2001: 70-88.

[2]周红根,柴秀梅,胡帆,等.新一代天气雷达回波异常情况分析[J].气象,2008,34(6):112-115.

[3]丁鹭飞,耿富录.雷达原理(第四版)[M].西安:西安电子工业出版社,2012.

[4]柴秀梅,潘新民,汤志亚等.新一代天气雷达回波强度异常分析与处理方法[J].气象,2011,37(3):379-384.

[5]杨传凤,袁希强,黄秀韶,等.CINRAD/SA雷达发射机故障诊断技术与方法[J].气象,2008,34(2):115-118.

郑迎宾（1982-），男，安徽宿州人，硕士研究生，民航贵州空管分局工程师，研究方向：气象雷达系统维护维修及气象装备维护。