深圳CINRAD/SA-D天气雷达标定系统故障的分析与处理

刘承径，邓正林，罗鸣，曾俊威

（1.深圳市气象服务有限公司，广东 深圳 518040；2.深圳市国家气候观象台，广东 深圳 518040）

0 引言

超大城市灾害性天气监测和预报越来越重要，天气雷达的作用也越来越凸显。因此雷达基本是每天 24 h 连续运转，因此，发生故障的概率相当高。同时随着信息技术的不断进步，天气雷达也在不断升级，功能在不断完善，内部结构复杂、元器件多，其故障的诊断和维修十分困难[1]。深圳新一代天气雷达为S波段天气雷达，采用双偏振全相参多普勒技术，是国内最先进且具有国际领先水平水平的气象雷达，探测分辨率从原来单偏振1公里提高到125米，能更好地描述云中粒子尺寸、形状、降水已经天气类型，特别是有效提高了雷达估计降水效率和识别冰雹、龙卷、雷暴等中小尺度灾害性天气能力，同时，深圳创新采用双通道信号处理技术。本文针对异常信号源故障处理进行剖析。

1 双偏振基本原理与标定系统

雷达方程以球形粒子为假设条件，但实际上粒子并非总是球形。偏振（极化）雷达可以通过极化合成，获得被测目标的极化散射矩阵；由于极化散射矩阵可将目标散射的能量特性、相位特性和极化特性统一起来，相对完整的描述了目标的电磁散射特性，进而增强了雷达对目标信息的获取能力。在线偏振中，若垂直分量Ey=0,就称为水平偏振，若水平分量Ex=0，就称为垂直偏振；因此能够发射水平及垂直偏振两种波的雷达为双偏振雷达图1所示。

图1 双偏振雷达发射电磁波情况

新一代双偏振天气雷达数据主要组成部分：发射系统、接收系统、天线及伺服系统、信号处理与监控软件系统、标定系统。它的主要功能是生成和发射射频脉冲，接收目标物对这些脉冲的反射能量，并通过数字化形成基数据[2]。对回波信号的数据处理和雷达各分系统的控制是信号处理与监控系统的主要功能，其工作的效率和稳定程度直接决定了雷达的性能[3]。标定系统方法涵盖自动在线标定（噪声电平、噪声温度、反射率、差分反射率、查发传播相移、速度/谱宽、发射机峰值功率、相位噪声、发射机脉冲宽度）、手动离线标定（太阳法、天顶标定、收发支路损耗、动态范围）、其他标定（金属球）。

2 标定系统故障筛查

（1）故障现象。2021年9月14日强雷暴天气过程中，机务人员发现深圳新一代天气雷达PUP的多种产品显示异常，雷达多个报警无法正常出图，严重影响台站雷达业务的正常运行，根据CINRAD/SA-D雷达的基本原理，雷达机务人员对雷达故障情况检查和维修过程进行描述。故障出现后，当天雷达报警文件记载报警文件有7条[4]：483 VELOCITY/WIDTH CHECK DEGRADED（速度/谱宽检查变坏）；472 I/Q AMP BALANCE DEGRADED（I/Q幅度平衡变坏）；523 LIN CHAN RF DRIVE TST SIGNAL DEGRADED（线性通道射频激励测试信号变坏）；470 LIN CHANNEL NOISE LEVEL DEGRADED （线性通道噪声电平变坏）；471 SYSTEM NOISE TEMP DEGRADED （系统噪声温度变坏）；476 IF ATTEN CAL INHIBITED - INVALID DATA（禁止中频衰减器标定-无效数据）；478 TS DIFFERENTIAL REFL CAL DEGRADED（TS差分反射率标定变坏）；参看rda/opt/log目录下的20210914开头的Calibration.log标定文件，Status.log状态日志文件，发现在故障后文件里记录反射率期望值与实测值偏差较大[5]。

（2）系统检查。接收机断电重启，rda电脑重启，进行几组反射率标定和动态范围测试反射率最大差值在-250左右浮动；关闭RDA状态监控后反射率标定最大差值在0.66和动态范围测试102。关闭伺服电源，到天线罩将上光端机的XS2线缆取下，中断标定信号源的供电和控制信号路径；RDA状态监控、伺服恢复供电，发射机各项状态复位同时本控切换遥控，确定发射机各项无报警显示[6]。rda电脑删除RDACALIB.DAT文件，config文件夹中将rdasc.conf文件ts_enable=1改成0，使得TS 差分反射率标定处于关闭状态。

3 故障排查思路

天气雷达的标定控制信号流程路图2所示。雷达运行由RDA计算机发出的命令驱动后，通过上下光纤板将命令经RS232串口送到数字控制单元DCU并控制功放单元，实现对天线的姿态控制[7]；通过DAU大底板、上下光纤板反馈运行状态信息。雷达的运行过程中标定信号来自两个位置，标定信号1为传统单偏振的CW/RFD/NOISE/KD信号，标定信号2为天线上的在线标定信号源，经过旋转关节进入接收机，两个标定信号互补，避免因标定信号本身的问题带来的误修订。大体判定是由于雷达电磁脉冲造成标定信号源、上、下光纤板、控制线路的故障，需进一步进行排查。

图2 天气雷达的标定控制信号流程路图

4 检查维修过程

按步骤做如下检查：

（1）上光纤板清洁和检查。切断天线、上光端机供电后用毛刷吸尘器对上光端机箱内电源模块、上光纤板的灰尘进行清洁，检查光纤板的每一控制模块芯是否对应针脚，控制信号线电源线插头稳固，以免成接触不良。

（2）采用排查法对控制模块检查。将备用上光纤板的控制模块换到U9（33）和U10（31）位置，注意检查芯片的正反，对脚座的缺口，逐一进行控制标定检查。最后整块上下光纤板更换。反射率标定最大差值在-200左右浮动[8]。

（3）标定信号2模块检查。标定信号2安装在天线反射体背面，信号源受 WRSP信处控制，在每个 PPI间隔处于开启状态，即天线抬仰角时就可以完成一次标定，以VCP21D为例，一个体扫可以标定9次。标定结果包含了关节随方位带来的幅度和相位的变化。幅度随方位360度旋转，变化了0.04dB。相位随方位360度旋转，变化了1.10度。将上标定信号源2、上光纤板、下光纤板全部更换完之后，反射率标定和动态范围测试均在正常范围；config文件夹中将rdasc.conf文件ts_enable=0改回1，每个体扫间隔做一次标定。用机内的CW连续波信号检查两个接收通道的幅度差异。报警值478 TS DIFFERENTIAL REFL CAL DEGRADED（TS差分反射率标定变坏）已经消除，恢复雷达的正常运行[9]。

5 总结分析

标校信号源也是双偏振雷达新增加的部件，通过双通路关节及接收通路定标。该次故障为强雷暴天气过程中，电磁脉冲将信号源、上光纤板及下光纤板中的内部元件击穿，导致信号源处于常开状态，使得产品出现强回波坏图。这次雷达故障的排除过程，从雷达报警信息及标定控制信号流程路图进行故障排查和处理，有助于提高并加快解决雷达故障[10]。

6 结语

天气雷达在防灾减灾中发挥着重要作用，新一代双偏振多普勒气象雷达相对单偏振雷达增加很多部件，需要熟练掌握其组成结构及工作原理，准确分析故障原因，及时排除故障。气象工作人员要在实践中，积极地探索和总结，不断地提高业务素质，更好地为气象工作服务。同时探测装备对于直击雷的防护相当成熟，但对于雷电电磁脉冲的防护还有很大的进步空间；且雷达站多处在地势较高处，同时各省市雷暴天气均有区域分布，可根据区域性差异进行备件的存储，进一步提高故障处理的时效。