气象雷达原理及故障维护

刘 康，陈 阳

（广东省肇庆市气象局，广东 肇庆 526000）

气象雷达是探测气象情况以及其他气象信息，可以及时了解到探测目标的轮廓、雷雨区的强度、雷雨区的方位和距离等信息，并且将信息反馈到显示设备上。气象雷达在天气预警和预报过程中的应用十分广泛，是各种天气系统的主要探测工具之一，常规的雷达装置主要包括定向天线、发射机、接收机、天线控制器、显示器等部分，每一个装置协调发挥作用，在各种灾害性、突发性天气的预报和警报中具有极其重要的作用。

1 气象雷达的工作原理

气象雷达的基本原理是通过目标对雷达波的反射情况来确定目标的位置和特性，如果目标物体的导电性能越好，则目标物体对雷达波的反射能力也就越强，反射的面积也越大，反射能量越高。物体的几何尺寸和波长相差很大的时候，反射的能量将会变弱，如果目标物体的反射面的直径可以和雷达波的波长相比拟，则反射的能量也会明显升高。目前用于气象探测的雷达的工作频率一般都为200～10 000 MHz。气象雷达的工作原理具体包括以下几个方面[1]。

1.1 距离测定

对目标物体与底地面之间的距离进行测定是气象雷达的主要任务，气象雷达发射的电磁波是以光速在空中传播的，通过测量之后可以接收到目标回波信号，接收到回波信号与发射脉冲之间的时间间隔为t，则可以计算得出测量目标与飞机之间的距离为L=ct/2，其中c为光速。目标物体的距离的分辨力主要决定于脉冲的宽度，如果先要提高区分近距离目标的能力，则必须要使用比较窄的脉冲宽度。

1.2 方位测定

对目标物体的方位进行测定，主要是通过测定雷达天线波束轴的瞬时方位来确定的。雷达天线所形成的波束呈圆锥形，宽度较窄，当雷达的天线指向某一个特定的方位的时候，只有在这一个方位上的物体产生的目标回波才能被雷达接收到，并且由雷达装备将接收到的回波信号传输给显示器，在显示器上显示出实际方位。雷达的方位分辨能力主要取决于天线水平面内的波束宽度，宽度越窄，分辨能力也就越好。

1.3 降水探测

气象雷达（见图1）是监测气象状况的主要工具，因此对降水进行探测是气象雷达监测的重要内容。雨、冰雹、雪等物质都属于导电的水物质，气象雷达可以探测到雨滴或者比较潮湿的冰雹，但是对于云、雾、干燥的冰雹等无法探测到，含水的物质可以对雷达发射出来的射频脉冲能量进行吸收，并且还会有一部分能量被损耗，其余的能量将被反射回来。在雷达的有效监测范围内，都可以对反射的信号进行接收，具有一定直径和密度的降雨区域可以产生有效的回波，从而被气象雷达监测出来。根据气象雷达监测到的发射信号的强弱，可以推断出目标物体的含水量，在显示器上可以区分出不同的目标性质、强弱状态等。

图1 气象雷达

1.4 湍流检测

湍流指的是大气中运动的、多变的气流，气流的变化对于飞机的平稳飞行有很大影响，会使进入湍流中的飞机产生颠簸现象，甚至可能对飞机的结构造成破坏，一般暴雨天气会伴随湍流出现，其危害十分严重。在气象雷达检测过程中，对湍流的监测也异常重要。湍流的监测主要是根据多普勒原理实现的，因为多普勒频移与相对速度之间的偏差成正比，具体公式为f=2v/λ。雷达接收机可以接收到相应的信号，对信号的多普勒频谱宽度和规定的参数之间进行对比，如果实际得到的值比参数值大，则可以判定出目标是湍流，并且给出相应的报警信息。需要注意的是，气象雷达并不能探测到干燥的湍流。

1.5 风切变检测

风切变指的是在一个区域范围内风速和风向突然发生改变的情况，这种情况对于飞机的飞行也有十分严重的危害，是造成事故的主要原因，尤其是低空风切变，对飞机起飞、着陆等有很大的安全隐患。气象雷达可以进行风切变检测，具体原理是根据风切变区域产生的回波信号的多普勒频移的频谱特征来确定风切变情况。

2 气象雷达的故障维护

气象雷达的利用率很高，日常使用比较频繁，而且与气象雷达相关联的其他系统也比较多、复杂，所以气象雷达使用过程中出现故障也是不可避免的。在气象雷达的使用过程中，常见的故障有以下几种[2-3]。

2.1 雷达不扫描

气象雷达不能扫描是雷达使用过程中的常见故障，主要是由于天线组故障引起的。天线组有扫描和俯仰两个通道，扫描通道主要用于对波束进行扫描，可以完成具体的目标的探测，如果扫描通道不能扫描，则天线组无法正常工作。天线组包括电机、机械传动装置等部分，主要的故障原因是电机损坏以及卡阻，所以在检测故障的时候要观察电机是否损坏，如果电机损坏，要及时进行更换，如果电机中有异物导致电机被卡阻，则要及时清除异物。

2.2 雷达图像显示不正确

造成雷达的图像显示错误的原因主要有3种：第一种是显示器出现故障，第二种是雷达的收发机内部的电路出现异常，第三种是平板天线或波导管内有灰尘以及其他杂物。在维护的时候，首先检查显示器，看显示器能否正常显示，如果显示器出现故障，不能正常显示，则要及时更换显示器；然后检查插头、插座、波导管连接处等位置，发现松动、异常情况时要及时处理；最后再定期对收发机、通风管、波导管、平板天线等进行清洁。

2.3 雷达不能正常运行

雷达不能正常运行的主要原因有两个方面，一个是由于雷达的供电系统出现故障，另一个则是由于收发机的内部电路不能正常工作。在维护过程中，首先要检查雷达系统的相关开关是否出现在正确的状态，然后对控制盒进行确认，并且对雷达进行操作调试，确保雷达的天线底座上的马达以及驱动机构可以正常工作。如果完成以上步骤之后故障还是存在，则需要及时更换收发机，然后进行操作测试。

2.4 气象雷达的散热问题

气象雷达使用过程中会产生较高的温度，散热是否良好，对气象雷达的工作性能有较大影响。比如雷达的显示器如果散热不好，则会导致显示器超温，图像丢失，当显示器的温度超过80 ℃的时候就会切断气象雷达的显示。影响其通风散热效果的主要原因是后部的滤纸堵塞，在雷达的运行过程中，必须要随时检查其后部的滤纸是否被堵塞，一旦发现有堵塞状况，要及时进行清理。另外，散热不好还会影响显示图像的强弱，此时要关注显示器的背景色旋钮是否在对应位置上，确保其处于正常位置。

2.5 接收信号故障

外部环境对雷达的运行有很大影响，比如当雨水进入波导管之后可能会导致波导管被烧毁；雷达的平板天线都采用缝隙天线阵，每一个缝隙都是一个半波对称振子，如果有积水则会改变雷达天线的介电常数，使得每一个缝隙的等效长度不能再作为半波振子，天线方向上得不到最大辐射电场，所以雷达天线接收到的目标反射波能量就很小，导致雷达接收机处理信号后误认为前方雷雨或天线故障。针对这种问题，必须要加强对雷达的日常保护，注意雷达罩的密封良好，无破损。气象雷达故障一般发生在气候多变时期，尤其是降水量较大的春季和夏季，雷达超负荷工作会导致故障率升高，所以在这些时期必须要加强对雷达系统的严格检查。

3 结语

综上所述，气象雷达是对气象信息进行监测的主要设备，在气象检测领域具有十分重要的作用。气象雷达通过发射脉冲波，被目标物体反射之后由雷达设备接收反射回波，进而对目标物体的位置、方位、强度等进行测试。在气象雷达的使用过程中，要及时对设备进行检测、维护，确保设备可以正常运行。