清远CINRAD/SA-D型气象雷达天线动态故障解析

高必通，李少远，钟凌辉，邓福兴

(广东省连州市气象局，广东 清远 513400)

0 引言

双线偏振雷达现已成为世界各国及气象组织天气雷达技术升级的发展方向，其对暴雨监测、降水估测精度等方面具有明显优势。北京敏视达公司CINRAD/SA-D 雷达系统生成丰富的气象产品可满足各级气象部门短时临近预报、降水评估和测量、强对流天气的识别和解析、大气风场分析和大气切变识别等预报业务和咨询服务的需要。目前世界各国及气象组织都在积极升级双偏振雷达的背景下，国内也逐步搭建双偏振天气雷达网。广东省气象局为实现气象现代化不断升级技术，逐步升级省内天气雷达以高标准进行气象现代化建设。预计在未来几年内，广东省双偏振雷达网将全面建成。随着双偏振雷达升级改造工程的不断推进，机务维修人员维护维修新型雷达的技术技能迫切需要提高，以提高雷达数据的业务可用性和时效性。希望本次天线动态故障的排查过程和解决故障的过程，能够给同行业的雷达机务人员解决此类故障的参考。

1 故障现象

2017年9月11日17时42分—20时连州市雷达站受局地强对流天气影响，雷暴云团过境本站。在18时前后开始雷达5A6数控单元轴角显示面板天线角码闪码，18时36分开始频繁出现天线座动态维护告警(告警码： 340 PEDESTAL DYNAMIC MAINTAIN)，但由于报警时间较短，报警清除快，并未引起雷达停机或声光报警。之后出现雷达天线角码闪码较为严重且恢复较为缓慢现象，从而引发天线座动态故障继而强制雷达待机(告警码：398 STANDBY FORCED BY INOP ALARM)，雷达值班人员通过手动重启RDA计算机后恢复，此后大约每隔3 h强制待机一次[1-2]。9月12日15时36分—15时42分出现一次产品缺角。

2 S波段交流天伺结构

在排查天线故障之前，首先了解本CINRAD/SA-D气象雷达交流天伺系统结构，如图1所示。

图1 S波段交流天伺系统Fig.1 S-band ac pedestal system

RDA计算机通过串口传输天线方位俯仰角码命令到DAU大底板，DAU大底板通过线缆传输到DCU控制单元，DCU控制单元的数字板收到角码命令，转换成控制功率放大器的模拟信号注入DCU模拟板的前端。DCU模拟板的输出分别驱动方位电机俯仰电机的功率放大器，经过大线缆直连天线罩方位俯仰的电机。这里由于天线的物理结构限制，俯仰的驱动和反馈的信号都要经过滑环。电机带动各自减速机，转动装置。后端同步箱光电码盘和轴角盒生成天线角码状态报警通过上光端机光纤传输到接收机下光纤板，经DAU大底板分别传输到RDA计算机和DCU控制单元。RDA计算机根据返回的雷达天线方位俯仰角码的状态，决定方位电机与俯仰电机的加速减速或者停止[3-4]。

3 故障分析及排查

根据北京敏视达雷达公司提供的报警码技术手册说明，PEDESTAL DYNAMIC FAULT 天线动态故障的报警条件如下：

①接收机内RDA工作站电脑对雷达天线发送变换仰角的信号，通过3个采样点计算雷达天线方位角速度，在规定时间(7.5 s)，雷达天线角度未在设定的偏差区域(实时天线速率与设定天线速率的比值大于等于0.9并小于等于1.015)内则会提示告警此故障信息。

②雷达天线俯仰位置差小于0.1°。

因此雷达机务人员需要了解故障时刻，雷达天线运行的具体情况，这就需要清楚方位电机与俯仰电机运行时的角码[5]。

CINRAD/SA-D气象雷达的双偏振基数据集成了体扫时间内天线方位俯仰的角码。雷达机务人员使用BaseData Analysis Tool Version 7.0基数据解析软件解析故障出现时的基数据，从而获取到故障时刻天线角码数据，如下面图2所示。

图2 故障时的天线角码数据Fig.2 Pedestal Angle code data in case of failure

天线方位俯仰角码图中纵轴左边为仰角，右边为上一个仰角切换到此仰角用的时间，横坐标是方位角度。如果天线在要求的时间没有达到指定位置或者指定的速度，角码图就会表示该段运行为红色。根据2017年9月11日18时06分(天线角码图时间为世界时)的天线方位俯仰角码图可知，图中的红点均出现在横轴上，可以初步定位故障的通路为天伺系统的方位通路[6-9]。

从图1中可知，天线方位角码传输通路与通路各部件的位置如下：方位轴角盒(天线座方位舱内壁上)—上光端机(天线座底部仓位或底部地板)—上光纤板(上光端机内)—光纤(经线缆保护器到波导小屋到机房)—下光纤板(接收机柜RDA计算机显示器上方)—DAU大底板(接收机柜RDA计算机显示器上方)—DCU控制单元和DCU数字板(接收机柜的5A6数控单元组件内)[10]，再结合之前2017年9月11日强雷暴过程，天线部分除轴角盒以及上下光纤板除外，其余均实现了光电隔离，故而初步判断为方位轴角盒以及上、下光纤板故障[11-12]。

4 故障修复

初步确定故障部件数量和类型后，雷达站工作人员立即向广东省气象局探测数据中心申请维修部件，同时通过重启RDA计算机让雷达继续运行，以便于观察。9月13日14时05分，广东省气象局探测数据中心快递的轴角盒、光纤板已到雷达站。雷达站工作人员立即停机更换方位轴角盒，更换完毕后开机，雷达未出现报警，接着拷机运行1 h。然而雷达站工作人员通过继续解析雷达基数据以及雷达log日志文件发现，天线闪码情况仍然存在。15时48分，更换上光纤板，更换完毕后开机检查，未出现报警，天线闪码现象消失，拷机运行1 h后通过解析基数据以及日志文件发现闪码现象消失(如图3所示)。17时21分，雷达运转正常，故障修复。

图3 正常运行的天线角码数据Fig.3 Pedestal Angle code data in case of normal

5 结论与讨论

通过本文的分析，得到以下结论：

主要出现问题是方位轴角盒和上光纤板。维修过后，拆开方位轴角盒和上光纤板，没有明显的灼烧的印记，但是由于芯片受到雷暴电磁感应高电压的冲击，导致轴角盒产生角码的芯片和上光纤板与方位轴角盒通信的两个芯片26LS31、26LS33性能下降，导致雷达天线闪码严重，引起雷达天线动态故障，从而雷达接收机柜RDA计算机强制停止雷达工作。

此次维修过程可以总结出以下经验：

①根据报警日志和基数据解析角码确定哪一个通路故障。

②同时出现问题时，检查两条通路公共部件,如上下光纤板，DCU数字板等。

③其中一条通路有问题，可以用另一条通路的部件对调测试，如功率放大器，轴角盒等。

通过这样每个链路逐个排查，可以准确定位雷达故障部件或器件，提高雷达机务人员维修的效率，极大缩短雷达停机时间，从而提高雷达的业务可用性。