机载气象雷达的原理及常见故障分析

齐荣林

【摘 要】雷达的种类繁多，用途各异。机载气象雷达的基本功用是探测航路上的雷暴雨、冰雹、湍流、风切变等恶劣气象区域。机载气象雷达（WXR）的安全性直接影响整机系统和飞行的安全。机载气象雷达是机载导航系统的重要组成部分，是民航客机上的一种重要导航设备。气象雷达出现故障极易造成飞机滑回、返航甚至坠毁等事故，因此必须加强对WXR的维护。本论文通过对机载气象雷达（WXR-700）基本工作原理的系统性总结，来全面地理解机载气象雷达相关知识，并对常见故障进行了总结、分析。

【关键词】机载气象雷达；WXR-700；故障分析

【Abstract】There are many kinds of Radar，their uses are not the same.The basic function of airborne weather radar is to detect the route of thunderstorms， hail， wind shear， turbulence and other bad weather area.The safety of Airborne Weather Radar （WXR） directly affects the whole aircraft system and flight safety.Airborne Weather Radar is an important part of the airborne navigation system is an important navigation equipment of civil airplane. If there is something wrong with Weather Radar，it may easily cause aircraft sliding back，return airport even crashes and other accident，so we must enhance the maintenance of WXR. This article summarizes the working principle of WXR（WXR-700） briefly to understand the related knowledge of WXR，and analysis，summarizes the common faults.

【Key words】Airborne Weather Radar； WXR-700； Fault analysis

0 机载气象雷达概述

机载气象雷达是人们为防范气象风险，保证飞行安全而应用现代科学技术成果而研制的航空电子设备。机载气象雷达对保障飞行安全具有十分重要的作用，人们不遗余力地对设备进行改进、更新，使气象雷达的性能在近20年来得到了本质的提高。

目前装备飞机的最新气象雷达除了能探测雷雨等气象区域外，已经实现了对风切变、湍流的有效探测，进一步提高了在各种气象条件下的飞行安全性。正是凭借性能优越的机载气象雷达等一系列先进的航空电子设备，使飞行员能够“眼观千里，耳听八方”，驾驶飞机绕过各种危险的气象区域，安全、准确、舒适地把旅客和货物送往目的地。

不同型号的气象雷达所包含的组件可能不同，他们在各型飞机上的配置也有单系统、双系统等多种形式。气象雷达的基本组件为雷达收发机（Transceiver；缩略：XCVR），控制盒（Controller；缩略：CONT），天线驱动机构（ANTENNA DRIVE），支架，天线（ANTENNA），波导管（WAVE GUIDE）以及显示器（IND）等组成。

1 机载气象雷达的基本工作原理

1.1 气象雷达方程

上式集中地表明了气象雷达最大作用距离与雷达系统的技术特性及目标性质的关系，对雷达使用和维护人员均具有实际指导意义。

1.2 气象雷达基本工作原理

机载气象雷达主要用于探测航路上的恶劣气象区域。空中的雷雨区、暴雨区、冰雹、湍流、风切变等恶劣气象区域，就是机载气象雷达所要探测的目标，图1为气象雷达基本工作原理示意图。

雷达发现目标并测定其位置，基于无线电波传播所具有的以下基本规律：

（1）无线电波可以定向辐射和接收；

（2）无线电波遇到障碍物发生反射，产生回波；

（3）无线电波以光速在空间直线传播（实际上，电波在真空中 的传播速度等于光速，在空气中的传播速度略小于光速，但通常视为近似光速）；

（4）发射机产生电磁波信号（如正弦波短脉冲），由天线辐射到空中；

（5）发射的信号一部分被目标拦截并向许多方向再辐射；

（6）向后辐射再回到雷达的信号被雷达天线采集，并送到接收机；

（7）在接收机中，该信号被处理以检测目标的存在并且确定其位置；

（8）通过测量雷达信号到目标并从目标返回雷达的时间，得到目标的距离；

（9）目标的角度位置可以根据收到的回波信号幅度为最大时，窄波束雷达天线所指的方向而获得；

（10）如果目标是运动的，由于多普勒效应回波信号的频率会发生偏移。该频率偏移与目标相对于雷达的速度（径向速度）成正比。

1.3 WXR-700型机载气象雷达原理

机载气象雷达主要用于探测航路上的恶劣气象区域。空中的雷雨区、暴雨区、冰雹、湍流、风切变等恶劣气象区域，就是机载气象雷达所要探测的目标。

WXR-700型机载气象雷达是美国罗克韦尔国际公司和柯林斯运输航空电子部（Rockwell International，Collins Transportation Avionics）研制的典型的现代机载彩色气象雷达。

三组件的WXR-700X单系统的基本组件为：WRT-701X收发组、WXI-711显示器和天线组（包括WFA-701X平板天线和用于驱动、安装平板天线的天线基座WMA-701X）。

机载气象雷达通过收发组（R/T）产生9.33GHz的射频脉冲（RF），经天线发射出去，发射的脉冲遇到带有水分的云或者地面目标时，一部分能量信号被反射回来，形成回波信号，回波信号经天线接收并传送到R/T，R/T将信号放大处理后形成气象和地形视频输出送到符号发生器处理，在EHSI（波音飞机的水平状态指示器）或者ND（空客飞机的导航显示器）上显示。当气象雷达探测到风切变时向机组发送警告信息。

2 机载气象雷达故障统计分析

雷达维护过程中主要有以下注意事项：第一，散热问题，组件局部温度的增高会引起元件性能的变化，导致发射频率漂移、电路工作不稳定或其它性能的下降。第二，防磁，工作中应注意避免影响雷达收发组的磁性，防止其它元件被磁化。第三，电磁辐射及其它维护、使用雷达时要特别注意天线及发射机的电磁辐射，微波波束会伤害人体的健康，还容易引起易燃蒸气的燃烧。

2.1 机载气象雷达故障统计

对气象雷达系统各部件故障的统计。部件包括天线平板/驱动器、收发机、波导、控制板和显示器。

说明：

由于机型对雷达系统各部件的工作效能没有影响，本统计中各个部件的故障数目是3种机型飞机雷达系统各个部件的故障总和。

由图2可以分析出：

收发机的故障最多，达到77次，占故障总数的42%。这是由于收发机是雷达系统的核心部件，负责处理并控制雷达系统的所有功能，因此它发生故障的概率最大。

不确定故障达到62次，占故障总数的35%，其原因主要是航线维护时间短，维护人员没有充足时间对各个部件进行测试以判定故障原因，或者由于飞行员操作不当，误报为故障，维修测试后雷达工作实际是正常的。另外气象雷达系统还与大气数据惯性基准组件、无线电高度表等系统交联，其他系统也极易引起气象雷达系统故障，这些均造成雷达系统故障的原因不明。

天线故障达到19次，占故障总数的10%，维修中发现这些故障全部发生在驱动组件上，未发生1起天线平板故障。

其他部件如控制板和显示器所发故障并不多，而波导的故障最少，15个月仅发生了2起，显然它们不是造成雷达系统故障的主要因素。

机载气象雷达的维护非常重要，对防止重大故障的发生可起到未雨绸缪的作用。对于气象雷达各部件的备件应准备充足，防止因缺少备件而影响及时维修，从而导致雷达系统不断出现故障而延误航班。

2.2 机载气象雷达故障分析

（1）显示信息“WXR FAIL”的故障

首先在气象雷达控制面板上做自检，如果出现故障代码，则依据故障代码进一步排故；如果没有故障代码，则视为瞬时故障，此时为了判断故障类型需对串或更换雷达收发机。

（2）气象雷达的瞬时故障

在检查收发机的同时须仔细检查雷达收发机支架上的冷却风扇，工作中经常出现由于冷却风扇出风小引起收发机过热，此时需更换支架。另外，气象雷达页面上经常出现“WXR DSPY”信息一般并非由收发机过热引起，而是由于显示组件过热。

（3）显示信息“PWS FAIL”的故障

存在故障可能的组件有：天线驱动组件、气象雷达收发机左右ADIRU、左右RA、自动油门微动电门组件包。工作中应首先检查收发机冷却风扇，若冷却风扇完好，再按照故障隔离的步骤，依次检查以上所列部件，直至故障排除。

（4）气象雷达回波弱的故障

存在原因有以下三种：收发机故障，即射频脉冲的发射源出现问题，收发机性能衰减，导致发射的射频信号不够强，自然在遇到障碍物时所产生的回波也十分微弱；雷达罩性能衰减，通透率下降，造成射频波在经过雷达罩后强度大打折扣；波导管故障，即收发机到天线之间传输脉冲的线路故障，收发机产生的射频脉冲有相当一部分在传输线路上损耗了。

（5）气象雷达图像显示不正确

可能的原因有：收发机内部电路工作不正常；显示器工作不正常；平板天线或波导管内有灰尘或水气等杂物。排故方法是：确信显示器工作正常；详细目视检查各插头、插座，波导管连接处以及天线安装等是否异常；视情清洁收发机，通风管、波导管及平板天线等。

2.3 机载气象雷达的微波辐射和应注意的防护事项

气象雷达工作时，对处于雷达天线后部飞机设备的人员没有危险，但对于暴露在雷达波束中的人员如受到过量的辐射，特别是高强度的微波辐射，对健康有损害，在某些条件下，雷达波束能引起电火花。破碎的雷达收发转换器、收发两用机和显示器的管子会放出少量的放射物质，雷达使用高电压，也是一个潜在的威胁。机务人员要特别重视对有害电波的防护。

各型飞机气象雷达的使用注意事项，在有关维护手册、使用手册中均有明确规定。使用人员、维护人员应当仔细阅读有关内容，严格按规定执行。某型号机载气象雷达注意事项示意图如图3所示。

操作某型号机载气象雷达注意事项：

（1）飞机前方左右两侧5米±90°弧形危险区域内，不能有金属障碍物，例如机库或飞机。

（2）确保距离天线1.5米，飞机两侧±135°弧形范围内没有任何人。

（3）周围100米范围内，当有飞机加油或者进行加油操作时，不能打开雷达系统。

【参考文献】

[1]李柏，郑国光.气象雷达原理[M].气象出版社，2011.

[2]Mark E.Weber.Advances in Operational Weather Radar Technology.LINCOLN LABORATORY JOURNAL， 2006[Z].

[3]陈伯孝，等.现代雷达系统分析与设计[M].西安电子科技大学出版社，2012.

[4]何晓薇.航空电子设备[M].西南交通大学出版社，2002.

[5]严利华，姬宪法，梅金国.机载雷达原理与系统[M].航空工业出版社，2005.

[6]胡焱，徐亚军，沈家庆.ALNEAS机载导航设备与系统[M].中国民航飞行学院.

[7]焦中生，沈超玲，张云.气象雷达原理[M].气象出版社，2005.

[8]蔡秀梅.气象雷达技术论文集[M].气象出版社，2011.

[9]雷达原理与气象雷达系统讲义[Z].中国民航飞行学院.

[10]A319/A320/A321 TECHNICAL TRAINING MANUAL.The Airbus Company[Z].

[11]北京飞机维修有限公司[Z].Fault Analysis and Maintenance on Civil Airborne Weather Radar， 2009.

[责任编辑：杨玉洁]