1456D边界层风廓线雷达故障诊断与分析

缪明榕，鲍磊磊，刘俊，吴嘉伟，姜淑杨

(1.南通市气象局，江苏南通，226001；2.泰州市气象局，江苏泰州，225300)

1 风廓线雷达的工作原理

风廓线雷达工作时，首先由主控计算机控制产生高频探测脉冲信号，该信号在发射前级和T/R组件中经过移相放大后，再经过天馈系统辐射出去，在空间进行功率合成，将能量集中到天线的某一波束方向上。

风廓线雷达波束方向共有五种，分别是：天顶、偏东15°、偏西15°、偏南15°、偏北15°五个波束方向。波束的发射顺序包括数量可以由操作人员设定，但在为了能够计算出风矢量，通常情况下至少应该包括一个垂直波束和两个正交的倾斜波束。按照发射顺序轮转一遍叫做一次取样。每一个距离门的数值都是大量取样的平均值。

2 1456D型边界层风廓线雷达系统组成

1456D型边界层风廓线雷达主要由相控阵天线、馈线统、发射（接收）机、频率源、信号处理器、数据处理和波控、UPS等几部分组成[1]。其中相控阵天线、发射机柜（含波控）、T/R组件机柜放于室外。

2.1 相控阵天线

1456D型边界层风廓线雷达天线阵面由4个子阵面构成，每个子阵面包含10×10组辐射单元，安装时4个子阵面构成一个大的正方形阵面，行列均为20组辐射单元。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用相对于机械扫描，因此称为电扫描。

2.2 风廓线雷达发射机和接收机

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应的高频雷达探测信号，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。接收机由低噪放、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，1456D型边界层风廓线雷达采用分布式发射和接收。接收机的主要用途就是将微弱信号无失真地变频和放大到信号处理机所能处理和发现目标的程度[2]，并给系统提供全机时钟，还给发射系统和RASS提供激励信号。

2.3 T/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[3]。其主要功能：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1456D型边界层风廓线雷达的最核心部件，共有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，也是本雷达的故障高发部位。

3 1456D边界层风廓线雷达故障处理

（1）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，检测信息在风廓线雷达控制软件终端用不同的颜色表示不同的风廓线雷达工作状态。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。

（2）故障检查逻辑

通过故障检测逻辑，能很清晰的快速找到解决问题的路径。

图1 故障检查逻辑图

（3）通过目测检查风廓线雷达各电源模块的工作电流值，与已记录的风廓线雷达系统正常工作时各电源模块相应的值比较，即可判断各相关分机的工作情况。发现分机电源工作电流偏小，可在系统关机情况下检查分机所有电缆的连接情况。

南通1456D边界层风廓线雷达自2010年10月份投入运行以来，发生几次故障。

3.1 T/R组件故障

南通风廓线雷达系统的20只T/R组件安放在室外正面天线下方，机柜处于半封闭状态，由4个自带工业风扇降温。由于24小时不间断运行，风扇口容易积累灰尘。这样散热会有问题，容易使T/R组件发生故障。

几次通过软件监测发现T/R组件故障，由于T/R组件是集成器件，通过更换T/R组件来排除故障[4]。一般只要故障的T/R组件不超过5个，不会影响雷达的正常运行，只是雷达波的副瓣点平升高，影响探测高度。

3.2 发射前级故障

一次，南通风廓线雷达控制软件监测显示，T/R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T/R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。

另一次南通风廓线雷达在低模式下，控制软件监测显示，大部分T/R组件处于故障状态，输出功率为零，但移相正常。在高模式下，雷达运行正常，输出功率正常，有产品输出。判断大部分T/R组件同时损坏的可能性极小，故将故障初步定位在T/R组件之前的发射前级与1分10功分网络。逐个开始排查，前级一个输入一个输出，输入是接收机给它的激励信号，用频谱仪测试后没有问题。再用功率计测试输出口，发现低模式时功率没有，高模式时功率偏小。拆开前级，输出总口是通过铜片相连，发现由于温度过高，铜片过小，使总口脱焊，铜片脱落，只靠焊锡相连，低模式电流小不可以通过，所以没有功率。高模式电流大可以通过，选一个较大的铜片，并且用焊锡加固，雷达恢复正常。

3.3 噪声干扰

2016年经过6-7份跟踪观察发现南通风廓线雷达间歇性的探测高度只有1000多米，低于正常的探测高度。经过检测后发现雷达本身无故障。怀疑雷达招到到了干扰。探测高度明显过低时，我们请了南通市无线电管委会的工作人员对我们雷达外部环境进行检测，发现雷达外部有一个很强的1.09GHZ的干扰信号。虽然跟雷达1.28GHZ中心频点有些距离，但干扰信号很强，影响到雷达的正常信号。后来我们联系厂家给雷达增加了滤波器，故障解决，雷达正常运行。

3.4 其他故障

南通风廓线雷达位于南通兴东国际机场旁边，由于我们接的旁边兴东镇的农用电，电压时常不稳定，特别是夏天用电负荷高时就导致断电。断电后UPS能正常给雷达供电，但是偶尔会出现，农用电刚送上，雷达停机。后来分析刚送电的时候农用电电流过大，电压不稳，UPS电源会停机自我保护。因为UPS是串联在线路中，UPS停机后雷达就不能正常工作。出现这样的情况，等市电稳定后，手动对UPS开机，使雷达正常运行。

4 总结语

对于风廓线雷达台站的重要工作是监控雷达的运行状态，出现故障及时定位故障和排除故障。雷达的相关配套设备对雷达的稳定运行也极其重要，必须配足并确保运行正常。

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。

南通风廓线雷达的T/R组件放置在室外的天线下机柜里，防腐蚀、防尘、防风雨、降温一直是个问题，使得一些器件快速老化，容易发生故障。计划今年对雷达进行改造，将T/R组件机柜等一些设备移至设备机房内，室外就留天线，解决上述问题。