CINRAD／CC 天气雷达一次发射系统故障实例分析

黎 霖，舒 斌，郑 芬，王顺江

（1.文山壮族苗族自治州气象局，云南 文山 663009；2.云南省大气探测技术保障中心，云南 昆明 650034）

随着科技的不断进步和现代化建设发展的需要，新一代天气雷达已经逐渐成为天气预报预警中不可或缺的重要工具，具有广泛的应用价值。我国气象部门在全国范围许多区域均布设了新一代天气雷达，新一代天气雷达成为重要的综合气象探测系统装备。

文山壮族苗族自治州气象局当前使用的新一代天气雷达为大修升级后的CINRAD/CC 型单偏振全相参脉冲多普勒天气雷达，大修升级后的CINRAD/CC 天气雷达能够大幅提升气象要素以及天气现象探测资料的完整性及准确性，为热带气旋、暴雨、龙卷、冰雹、雷暴等复杂天气的预报预警以及人工影响天气工作的开展，提供了特别有效的数据参考。

CINRAD/CC 天气雷达探测的精准性和运行稳定性，得益于升级后雷达的发射系统、接收系统、伺服系统、信号处理系统、监控系统的控制电路模块。相对上一代天气雷达，新一代CINRAD/CC 天气雷达的结构更加精细集成化、参数显示可视化更高、模块与终端更加精密，在使用和维护方面更科学合理，故障发生率更低，得到越来越多的区域布网投入使用[1]。

2022 年，新一代CINRAD/CC 天气雷达出现了一次较为典型的发射系统故障，现对此次典型的发射系统故障进行分析研究。

1 新一代CINRAD／CC天气雷达工作原理及故障背景

1.1 工作原理

新一代CINRAD/CC 天气雷达发射水平极化电磁波，并接收从气象目标散射的电磁波以发现气象目标，同时测定空气中的气象目标的距离、方位和仰角。通过发射系统的主振动放大，由接收机提供调制后射频信号以作激励，而射频发射脉冲是通过调制器控制射频功率放大器（速调管）形成的。该天气雷达由晶体振荡器产生稳定的单频连续波，同时方波脉冲由晶体震荡信号通过各种转换，例如分频、倍频、整形后得到，再通过方波脉冲调制，前后重复周期的相续射频发射脉冲之间具有确定的相位关系，因此，相射脉冲信号具有相位相参性。

气象目标的回波信号相对于在接收的时限段内对发射的载波脉冲调频和调幅，气象目标粒子在径向运动过程中相对于发射信号的散射过程中也发生了频率调制。

雷达的脉冲信号在探测到气象目标时，发射脉冲信号的载波频率为f0，它接收到的回波脉冲信号的频率为f0+fd，其中fd为多普勒频率，与目标相对于雷达的径向运动速度Vr以及雷达发射脉冲信号的波长λ 有关。即

因此，当脉冲多普勒天气雷达探测气象目标时，某一时刻的回波信号是由有效照射体所有降水粒子的回波合成的。由于降水粒子的大小、运动速度和方向各不相同，这就意味着通过对两个接收通道的幅度和相位进行处理，可以获得多差分反射率因子、差分传播相移、相关系数等偏振参数，进而演算出多普勒雷达回波信号包含了强度、速度和普宽等信息。

然而，相对应探测的数字信号、模拟信号则需要雷达的各个分系统来运算。雷达系统包括：发射分系统、接收分系统、伺服分系统、监控分系统、数据系统与显示分系统等9 个分系统。

接收分系统输出频率遥控可改变C 波段射频激励信号，射频激励信号送入发射分系统后，先进行整形放大再送入速调管，输出峰值功率＞250 kW的射频脉冲信号，经过馈线到达天线向控件定向辐射。天线定向辐射的电磁波遇到云、雨等降水目标时，便会发生后向散射，形成气象目标的射频回波信号被天线接收。

监控分系统采用基于网络总线的分布式监控设计，自动检测、搜集雷达各个分系统的故障信息、工作参数以及回波数据，并送往数据处理与显示分系统。

1.2 故障背景

新一代CINRAD/CC 天气雷达出现的这次典型发射系统故障，主要呈现出无法正常显示雷达回波强度、无法加载高压、KLY 温度异常，监控分系统显示多模块故障等现象。

因此，处理本次故障通过围绕接收系统、发射系统进行排查处理。

在排查故障过程中，会出现多个故障同时爆发出现在监控系统的情况，无形当中给解决故障问题增加了一定难度和干扰。

2 故障过程

雷达强度回波出现跳线状况转移。等待一个完整体扫结束，停止雷达运行。查看雷达状态模块的数据，发现雷达参数数据均无跳变现象。点击“复位”，重启雷达体扫模式。在启动雷达运行后，出现雷达伺服系统的方位和仰角在正常运转，却没有正常显示强度回波[2]。

停止体扫，退出高压运行查看雷达状态模块，雷达功率271.0 kW（≥250 kW 正常），其余参数正常。远程关闭接收机，30 s 后重新启动（曾用此方法处理过回波跳线现象的问题），仍然无雷达回波呈现。

退出、重启雷达维护终端软件系统，雷达处于退出高压保持在“准加”状态。查看雷达状态，雷达不显示发射功率，无法加载高压。

对雷达进行自动强度标校AutoTest，不能正常完成标校动作，标校结果均不合格。标准输出控制器出现“KLY 温度异常”的报警信息，雷达状态模块也同时出现该信息，同时雷达状态文件明显出现“发射系统”的报警信息，点击发射分系统，更具体的出现“泵钛故障”[3]。

3 故障处理过程

到雷达机上查看控制面板显示屏界面上的各参数，除了发射功率值外，其余参数读值基本达标。发射系统指示灯、负载指示灯出现“故障”状态，而接收机指示灯显示“正常”状态，初步判断是发射系统的问题。

根据故障现象和雷达状态模块的报警信息综合分析，分析得出雷达速调管是最可能出现问题的。拆下速调管散热风机风管，速调管收集极处装有一个温度维电器，该维电器为断开状态；检查排风口通风情况为正常通风状态，判断可能是收集极温度过高引起雷达发射机报“KLY 温度异常”故障。

检测发射机速调管外接测试口测试发射机功率，1 μs 发射功率为正常值268.0 kW，测试收集极电流均到正常值，基本排除是发射机速调管的问题。

检查监控板，没有发现有被击穿或损坏的现象，监控板工作正常。

排查波导控制开关。发现波导开关处于加载负载状态，调试加高压，无波导开关无断开/闭合的切换动作反应。重新启动本地负载电源开关，波导开关仍然处于负载的状态，当再切换负载时，波导开关能顺利闭合，可实现切换负载指令动作。通过排查基本可以断定此次故障是由于波导开关触发信号引起的。

重启雷达终端控制软件，设置雷达参数，复位并加载高压，查看雷达状态模块，各个雷达参数正常，报警信息停止，标准输出控制器报警信息停止。启动体扫模式Ⅱ，显示强度回波正常，雷达正常运行。

4 故障分析

4.1 钛泵故障

当钛泵电源输出欠压或过流时，发射系统会报出钛泵故障。钛泵欠压是由于钛泵电源的输出能力下降，当其输出电压低于所要求的电压时，会报出故障；当速调管的真空度下降时，对于钛泵电源而言相当于负载由轻载变为重载，此时钛泵电源所处的整个回路中电流会变大，当回路中的电流超过阈值时，就会报出故障。

因此，当出现钛泵故障时，需要判断是欠压故障还是过流故障导致的。钛泵欠压对应的故障器件是钛泵电源，过流故障则对应的是速调管真空度故障。

检查时，可通过断开钛泵电源与其负载（速调管的钛泵）之间的连接，使钛泵处于空载状态下再进行通电，观察钛泵是否还报故障。若钛泵还报故障，说明是钛泵欠压故障，因为此时的钛泵电源处于空载状态，没有负载，不构成回路，没有电流就不会有过流故障。

然而，在空载状态下，钛泵电源不报故障，说明速调管的真空度下降，此时应排查速调管是否漏气，雷达的工作环境是否过于潮湿[4]。

4.2 终端不显示发射功率数值

图1 为速调管工作示意图。

图1 速调管工作示意图

由图1 可知，若要速调管正常工作，需要满足3 个条件：一是大小合适的激励信号；二是幅值符合速调管要求的阴极调制脉冲；三是激励信号与阴极调制脉冲在时间关系上相嵌套。

因此，检查速调管的工作状态分3 个步骤进行：首先是检查速调管的输入激励信号；其次是检查速调管的阴极调制脉冲（通过观察速调管收集极电流大小实现）；最后是检查速调管的激励信号与阴极调制脉冲的嵌套关系。

速调管的激励信号是由来自接收机的激励信号经发射功放放大后，送至速调管的激励入端口的。而发射功放需要在激励信号、+15 V 直流电源和门套信号的共同作用下才能正常工作。当发射功放前面板的指示灯为绿灯常亮时，表示+15 V 直流电源供电正常，确定供电正常后再测量来自接收机的激励信号和门套信号。图2 为激励信号和门套信号测量示意图。

图2 激励信号和门套信号测量示意图

由图2 可知，来自接收机的激励信号经检波器连接，信号被送至示波器的通道1；门套信号用示波器探头进行测量，信号被送至示波器通道2。示波器通道1 测量到的信号为一个脉冲信号，示波器通道2 测量到的信号为一个脉冲信号，两路脉冲信号在时间关系上为嵌套关系。若其中一路信号异常或没有嵌套上，则发射功放无法正常工作。

在功放供电正常、激励信号和门套信号均正常的情况下，对发射功放的输出进行测量。图3 为发射功放的输出进行测量图。

图3 发射功放的输出进行测量图

由图3 可知，按上图顺序进行发射功放连接时，示波器应该能够测量到一个脉冲信号，否则，发射功放很有可能发生故障。

确定发射功放的数据正确输出后，同时对速调管的激励信号（即发射功放的输出）和阴极调制脉冲进行测量。一是可以通过观察收集极电流的大小，判断阴极电压是否已经加到合适的幅值；二是可以判断激励信号和阴极调制脉冲两者之间在时间关系上是否嵌套。由于速调管的阴极是在脉冲变压器中，无法直接对其进行测量，因此采用测量收集极电流的方式进行间接测量[5]。图4 为测试收集极电流示意图。

图4 测试收集极电流示意图

由图4 可知，示波器通道1 测量到的应该为一个脉冲信号，示波器通道2 测量到的应该是一个幅值在1 600～1 700 mV 之间的脉冲信号。两者的嵌套关系见图5。

图5 收集极电流波形图

确认所测波形数值和位置关系均正确无误后，速调管应该可以正常工作，此时用功率计对馈线中相应的耦合器端口进行测量，以确认速调管是否有输出[6]。

在整个馈线系统中，波导开关的前端和后端均有一个波导耦合器。依次对波导开关前端的耦合器I 和耦合器II 进行测量。图6 为耦合器I 进行测量示意图。图7 为耦合器II 进行测量示意图。

图6 耦合器I 进行测量示意图

图7 耦合器II 进行测量示意图

由图6、图7 可知，从耦合器I 和耦合器II 测量到的峰值功率值都应≥250 kW。如果从耦合器I测量到的峰值功率值远远低于250 kW，则表示速调管的放大能力可能已经下降；若从耦合器I 测量到的峰值功率正常，但从耦合器II 测量到的峰值功率远远低于250 kW，则表示很有可能是波导开关故障。

5 结论

掌握基本的发射机原理知识和信号流程，遵循正确诊断原则和正确诊断流程，充分利用各种状态信息和报警信息，熟练使用仪表测量各测试点信号，可以快速找到发射机故障。

此次查找故障之前，虽然查看到负载显示为故障状态，但是查找工作的方向重点放到了排查速调管方面。因此，查找波导开关与负载故障的方法，处理波导导通，是解决在状态信息中报泵钛故障，且无发射功率显示状况这类问题的一个有效可行的办法。

当发射系统出现严重故障，远程控制无效时，可通过本地控制显示屏进行雷达发射机本地的操作命令、控制命令以及设置发射机各种参数。如果在高压开启时出现故障，该故障检测电路能够控制发射机立即关闭高压，确保人身安全、速调管安全以及其他设备的安全。

在查找发生波导开关故障的原因时，复盘操控雷达软件的整个过程动作需符合技术规范的要求。波导开关在没有受到损坏的情况下，后期能持续长时间正常工作。

在此次故障中，仅在查看UPS 电池组的事件记录中发现，在雷达重启运行的同一时间段出现“负载过载”的记录，这是否与产生波导开关故障直接关联，目前尚无法求证，需要进一步排查发射机内部供电线路的安全隐患，关注发射机内部供电线路安全。