WRK200型天气雷达的常见故障分析与总结

摘 要：天气雷达在航空气象领域一直发挥着重要作用。民航华东空管局引进的WRK200型C波段双偏振多普勒天气雷达为上海虹桥、浦东两场的航空气象短临预报以及监测预警提供了重要参考。自2014年建成投入使用以来，该雷达出现过发射放大单元故障、灯丝电源故障、固态调制器故障以及伺服系统故障等几次典型故障案例，本文通过总结分析现有故障案例，为天气雷达维护维修机务工作提供技术经验和参考。

关键词：航空气象；天气雷达；典型故障；维护维修

中图分类号：P412.25 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）08-0063-03

Abstract：Weather radar has been playing an important role in aviation meteorology. The WRK200 C band dual polarization Doppler weather radar introduced by the East China Civil Aviation Administration of Civil Aviation has provided an important reference for the short term forecast of aeronautical meteorology and monitoring and warning in Hongqiao and Pudong，Shanghai. Since it was put into use in 2014，the radar has appeared several typical failure cases such as the fault of transmitting and amplifying unit，the fault of the filament power supply，the fault of the solid-state modulator and the fault of the servo system. By summarizing and analyzing the existing fault cases，this paper provides the technical experience and reference for the maintenance and maintenance work of the weather radar.

Keywords：aviation meteorology；weather radar；typical faults；maintenance and repair

0 引 言

在航空領域，气象因素对飞行安全一直是重要的影响因子。同时，伴随着中国民航事业的快速发展，华东地区尤其是上海虹桥、浦东两场航班量快速增长，天气原因导致的航班不正点率也逐年攀升。在这种情况下，航空气象预报的高准确率、气象探测要素的高精确率以及气象产品多样化的高需求问题日益显现。多普勒天气雷达尤其是双极化雷达能为有效监测和预警暴雨、雹云、龙卷风和台风等灾害性天气提供重要帮助。

为此，上海虹桥机场于2014年引进芬兰Vaisala生产的WRK200型C波段双偏振多普勒天气雷达，该雷达除提供常规多普勒天气雷达提供的强度、速度、谱宽这些探测要素外，还可提供差分反射率、相关系数、差分相位、差分相位系数、线性退极化比等双偏振参数，从而得到更多、更准确的气象雷达产品。这为提高上海地区的航空气象临近短时预报准确率、有效实时监测预警服务提供了更加有力的探测技术支持。本文针对该型天气雷达出现过的常见故障以及日常维护操作进行总结分析，为机务工作者对雷达故障排除以及维护事项提供了一些技术参考，旨在提高天气雷达的正常运行率。

1 雷达结构概述

WRK200型双偏振多普勒天气雷达主要由天线和伺服系统、波导系统、雷达机柜、主供电单元和不间断电源（UPS）等部分组成，其中雷达机柜内又包含了发射机、接收机、波导充气单元、控制工作站、功率分配单元等分系统。该雷达主要结构框图如图1所示。

1.1 天线和伺服系统

WRK200型天气雷达的天线和伺服系统安装于雷达塔顶，并且始终被天线罩所覆盖。雷达天线主要由反射面、馈源、馈源支架和波导等结构组成。该雷达天线反射面直径为4.5米，其中间的正交馈源连接着水平和垂直极化波导，能同时发射和接收H（水平）和V（垂直）极化波。在天线基座里，安装有水平和俯仰电机、驱动器、旋转关节、滑动连接环和控制模块等器件。伺服系统作为一个机械部件，随使用时间的增长，其部件老化的现象不可避免，通常是一个常见故障点。

1.2 波导系统

波导为矩形的金属管件，从雷达机柜连接到天线。WRK200型双极化雷达拥有两段独立的波导。在天线端，这两段波导从馈源支架的顶端与馈源连接，并通往天线反射面背部，在天线基座下能以任何方向通往雷达机柜。两段波导都配备带通和谐波滤波器来滤除干扰信号。为使衰减尽可能的小，波导部件需通过波导法兰和波导扼流槽连接，并尽量缩短传输距离。

1.3 雷达机柜

该雷达机柜是一个专用于电子设备的双通道机柜，机柜内安装真空速调管发射机、接收机、电源分配单元、波导充气机、主供电单元以及雷达控制工作站。其中雷达发射机由于其结构复杂，且长时间工作在高压强电状态，其故障率相比其他分系统也相对较高。

1.4 不间断电源（UPS）

不间断电源（UPS）是天气雷达的重要组成部分。当市电正常供电时，UPS将市电稳压后供应给雷达使用，同时向电池充电；当雷达站点供电中断时，UPS立即将电池直流电能通过逆变器切换转成交流电，使雷达正常工作，并且起到保护雷达软、硬件的功能。

2 常见故障分析

2.1 发射放大单元故障

此次发射放大单元出现故障，导致天气雷达无法加高压，发射机无法正常工作输出功率。该单元将雷达接收机传输的高频信号经高频激励器、脉冲形成器、可变衰减器等部件后形成一个功率和波形最佳的可输入速调管的高频脉冲信号。根据WRK200型天气雷达速调管性能参数表，该雷达输入速调管的高频脉冲信号最佳功率为1.32W，换算为31.2dBm。

该单元出现故障时，使用示波器测量接入该单元输入端的高频信号，得到0.5μs、1μs、2μs、5μs四种脉宽的正常激励信号，但输出端并不能测得任何信号。进一步检查前发现发射放大单元内部接线点存在烧毁痕迹，更换该模块并调试后，雷达正常开启高压，恢复工作。

2.2 燈丝电源故障

灯丝电源分机位于WRK200型天气雷达的高压供电（HVPS）模块中。灯丝电源通过灯丝中间变压器和位于油箱中的脉冲变压器及灯丝变压器为雷达速调管提供灯丝电流，其核心是斩波器和振荡器，斩波器实现稳流功能，振荡器使输出电压/电流方波与发射机同步。该部件出现故障时，雷达发射机预热后开高压失败，并在控制工作终端显示灯丝电源告警。

该型雷达灯丝电源正常输出值为5.84V/5.96A，本次故障时输出为0。检测灯丝电源分机中斩波器整流桥的4个MOS管中的其中一个击穿。此外，本次出现故障时位于速调管油箱中的变压器外围的6个电容中的其中一个存在击穿故障。更换击穿烧毁的MOS管，并将油箱中故障电容断连取出后（剩余其他电容仍能维持正常工作），雷达能正常开启高压。

2.3 固态调制器故障

固态调制器是发射机的重要组成部分。其将交流电能转化能直流电能，并形成峰值功率固定的脉冲能量。调制器输出的调制脉冲馈至高压脉冲变压器初级，经脉冲变压器升压，在次级产生50kV负高压脉冲，加在速调管阴极，提供速调管工作所需的电压和能量。由于长期工作在高压状态，固态调制器中的大功率IGBT模块极其容易老化击穿。在本场雷达的例行维护中，曾发现3对并联IGBT模块中的其中一对击穿无法工作，雷达仍能正常工作，但需及时维修更换，以免造成雷达宕机。由于固态调制器中电路板件电压高，往往容易受到灰尘静电等影响，故维护过程中需格外注意防护，以免造成电路器件击穿以及人员伤害。

2.4 伺服系统故障

天气雷达伺服系统使雷达天线在方位、仰角上以及转速根据控制终端发送的指令转动，其由方位伺服系统和俯仰伺服系统两大部分组成。本场雷达实际应用中，曾出现雷达产品显示终端中基本反射率产品图长时间存在异常环状回波，如图2所示。现场检测发现俯仰伺服电机与俯仰轴承间皮带断裂，导致天线始终维持在高仰角状态，并不受指令控制，从而出现雷达只能探测到站点周边上空气象目标风的情况。更换安装俯仰电机皮带后天线俯仰驱动恢复正常。值得注意的是，该电机皮带安装过紧或者过松都容易导致皮带断裂，需把握好正确尺度，日常维护中也需经常关注皮带松紧度。

3 结 论

芬兰Vaisala公司WRK200型天气雷达是国内少有的天气雷达型号，故其技术资料储配缺乏，雷达维护维修工作也对天气雷达机务员业务水平提出了更高的要求。本文针对该雷达曾出现的发射放大单元故障、灯丝电源故障、固态调制器故障以及伺服系统故障描述分析故障排除过程，为天气雷达机务员提供参考。通过日常例行维护以及维修案例，机务员可在工作当中更深刻地理解该天气雷达的结构及工作原理，并在维修排故实例中掌握测试仪器以及测试方法，为将来的维护维修工作提供更多的技术经验。

参考文献：

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作者简介：范凯波（1989-），男，浙江舟山人，助理工程师，硕士研究生。研究方向：气象雷达及大气遥感设备维护维修及数据处理。