724XD多普勒天气雷达发射机系统故障诊断及检修方法

舒 童，王娟娟，张新刚，舒 毅

(1.焦作市气象局，焦作 454003；2.泉州市气象局，泉州 362000；3.修武县气象局，修武 454350)

0 引言

X波段天气雷达是探测中小尺度强对流天气系统的有效工具之一。724XD多普勒天气雷达是由中国船舶重工集团第七二四研究所研制生产的一款X波段中频相参体制的脉冲多普勒雷达，它不仅能够探测云高、云厚、云底高、云内含水量、云中流场径向分量及风暴中的气流和湍流的活动区，而且对300 km 的中尺度风暴、强的风切变、冰雹、龙卷风和大风等灾害性天气具有实时监测和报警的能力，同时具有探测晴空大气获得环境风场的能力[1]，在一些地区性实时气象业务和科研的外场试验、重大工程建设的气象保障和防灾抗灾的气象服务中发挥着重要的作用。

张凯[2]等对724XD移动雷达车及其应用进行了总体介绍；李毅聪[3]等列举了X波段车载多普勒天气雷达系统常见的问题和相应的解决办法；马建华[4]等就X波段数字化雷达发射机的基本原理及故障检修进行了分析。但目前国内尚未对724XD多普勒天气雷达发射机系统开展较全面的故障诊断和检修方法的分析研究。文章通过分析724XD多普勒天气雷达发射机系统组成及工作原理，结合雷达工作信号流程，总结出该型号雷达发射机系统的故障诊断分析方法及检修流程，为724XD及与其类似雷达的日常维护维修工作提供参考。

1 724XD天气雷达主要信号流程及发射机系统组成与功用

1.1 主要信号流程

724XD多普勒天气雷达属于车载雷达，其整机工作主要信号流程框架简图如图1所示。

图1 724XD天气雷达主要信号流程框架

全机操控命令信号由雷达终端经千兆以太网络下达至信号处理系统，再由信号处理系统分别传送至发射机、接收机和伺服系统，各分机状态参数再由信号处理系统汇集上传至雷达终端。全机所需的高稳定基准频率信号均来自信号处理系统。

1.2 发射机系统组成及功用

1.2.1 发射机系统组成

根据724XD天气雷达发射机系统器件组成，可以将发射机系统分为电源分系统、调制和控保分系统以及大功率微波器件系统3部分(图2)。

图2 724XD天气雷达发射机系统组成

1.2.2 724XD天气雷达发射机系统各部分功用

1)电源分系统

电源分系统主要分为高压电源和低压电源。高压电源主要由整流滤波、触发器、逆变器、变压器、比较放大和检测保护电路组成，220 V/50 Hz的交流电源经过变压器升压和整流滤波后输出1 kV的直流高压，为调制器提供高电压和大电流，以便调制器能够提供所需功率的高压脉冲信号驱动磁控管正常工作。当输入的220 V/50 Hz交流电源或负载变化时，输出电压也会变化，通过比较放大电路引发触发器控制逆变器调节工作频率来保证输出电压的稳定。当高压电源的负载发生过载或短路时，其检测保护电路会引发触发器动作，关断高压电源，同时切断220 V交流电源，调制和控保分系统中的高压故障指示灯亮起。

低压电源用于向控保电路提供15 V、26 V和35 V 3种直流电源。

2)调制和控保分系统

该雷达发射机调制器是可变换脉宽的固态调制器，调制器向磁控管提供约12 kV的阴极调制脉冲，灯丝电源随工作比不同提供磁控管所需的灯丝电压，保证磁控管正常发射。调制和控保分系统有以下功能：

①脉冲放大：放大定时器触发脉冲，驱动调制器开关管。

②过流保护：对磁控管脉冲电流取样并与基准值比较，若高于基准值，则关断高压。

③预热控制：利用定时电路进行5 min延时，以保证磁控管有足够的预热时间。预热完成后，预热指示灯亮，允许施加高压。

④人工线脉宽控制：通过电子开关控制真空继电器，实现人工线的脉宽控制。

⑤灯丝控制：通过电子开关控制微型继电器动作，对灯丝提供不同的电源电压，以适应不同的工作方式。

⑥调制电路：发射脉冲刚结束时，调制电路充电；经过1个充电周期后，进入等待状态；触发脉冲到来后，进入放电阶段。

⑦故障保护：将高压电源、磁控管等过流故障汇集到1个门电路，当出现故障时，门电路通过继电器动作自动关断高压。

3)大功率微波器件系统

724XD天气雷达采用了同轴磁控管结合数字自频调和数字相位校正、数字中频、数字鉴相等技术。整部雷达除了射频脉冲的初始相位随每个发射脉冲有随机抖动外，其他的信号相位都是相参的。在定时脉冲的同步下，同轴磁控管受脉冲调制器的控制，振荡产生一定脉宽的射频信号，在由TR管和四端环流器组成的收发开关的控制下，经馈线和天线系统发射出去。

2 724XD天气雷达发射机系统故障诊断方法及检修流程

2.1 故障诊断方法

通过图1可以看出，发射机系统的故障可能来自发射机系统自身，也可能来自发射机系统外部，文章结合终端回波显示和软件终端的实时控制及系统状态面板显示进行综合判断。

当系统状态面板的“发射机故障”指示灯亮起，其他系统状态参数正常，同时实时控制面板“系统控制”栏的“发射状态”指示灯显示为红色时，点击“发射状态”的“复位”按钮，若发射机系统恢复正常，则故障可能是偶然性的；若不能恢复正常，则发射机系统自身出现故障。

当系统状态面板的“发射机故障”指示灯亮起，其他系统状态参数不正常时，除发射机系统自身故障外，还应检查与之相关联的信号处理系统是否发生故障。

因此，当发射机系统出现故障时，多表现为终端画面无回波显示，并伴随有发射机系统的故障指示。

2.2 故障检修流程

结合发射机系统的组成和故障诊断方法[5，6]，可以总结出检修724XD天气雷达发射机系统相关电路的流程如图3所示。

图3 724XD天气雷达发射机系统故障检修流程

当判定为发射机系统故障时，应从系统的控制保护电路开始检修[5-7]，而向控制保护电路提供直流电压的低压电源则是首个被检修对象，首先检修低压电源对应的保险丝是否断开，相应的开关是否打开。若低压电源正常，则应检修控制保护电路对应的各继电器等是否正常。

在控制保护电路正常的情况下，应分别检修为调制电路提供电压的高压电源和灯丝电源是否正常。检修高压电源时，也是首先检修电源输入保险丝是否断开，其次检查调压电位器是否正常，最后依次检查整流滤波电路、控制与驱动电路、初级功率电路和高频功率变压器工作是否正常。

灯丝电源与调制器在同一层机柜，检修灯丝电源的同时还应检查调制器电路的充电电感、人工线、脉冲变压器工作情况和脉冲放大电路及反峰阻尼电路是否工作正常[8，9]。

无源气体放电管(TR管)的检修：一是检测其工作时是否加载有800 V的直流电压；二是通过检测其测试电极上的电流大小判断其好坏，TR管正常工作时，电流为50～100 μA。

磁控管的检修可以通过实际功率及重复频率测量与终端“系统状态”显示相结合进行检修，磁控管正常工作状态的脉冲功率为50～75 kW，工作分两种脉宽，对应不同的重复频率，脉宽为1 μs时，重复频率为500 Hz；脉宽为0.5 μs时，重复频率为1500 Hz/2000 Hz单重频和2000 Hz/1500 Hz、1500 Hz/1125 Hz双重频。

当发射机系统出现故障，而发射机系统各独立电路运行正常时，则应检修连接各电路的电缆、馈线、波导等是否异常。

3 724XD天气雷达发射机系统故障检修实例分析

3.1 故障实例一

故障现象：终端画面无回波显示，终端实时处理软件系统状态面板的“发射机故障”指示灯亮起，其他系统状态参数正常，且实时控制面板“系统控制”栏的“发射状态”指示灯显示为红色。

故障检修过程：首先点击“复位”按钮对高压进行复位，发现故障未被排除，说明不是偶然性故障；其次检查低压电源保险丝，发现保险丝没有断开，低压电源工作正常；然后检查控保电路的各继电器，查看是否为继电器故障引发的误动作，检查结果为各继电器均正常；最后检查高压电源电路，发现高压电源电路中的维修开关置于“OFF”，而正常情况应是置于“ON”，将开关重新置位后，雷达重新开机，恢复正常。

故障原因诊断分析：终端画面无回波显示，发射机和接收机系统都存在发生故障的可能性，但通过终端画面和软件处理系统指示分析，判断为明显的发射机系统故障。逐级检查时发现是因雷达例检时将维修开关置于“OFF”后忘记置回，导致功率电路电源被切断，高压电源不能工作，从而发射机系统不能产生高压脉冲。

3.2 故障实例二

故障现象：雷达在正常运行过程中，终端回波画面突然消失，显示面板上的“过流”指示灯亮起，“发射状态”指示灯显示为红色。

故障检修过程：将雷达重新开机，故障现象仍然存在。首先尝试对高压进行复位，故障未被排除；其次检查输入的交流电源正常，各保险丝并没有断开；然后围绕“过流”现象依次检测高压电源输出和磁控管输出，均没有发现问题；最后检查调制器的控保电路是否有误动作，更换新的控保电路板后，雷达重新开机，故障被排除。

故障原因诊断分析：过流现象故障将维修人员引入1个过流故障的误区，因为控保电路中是将多个过流故障信号进行汇集后进行显示，但其中只要有1个过流故障信号就会有过流故障指示，因此不得不逐一逐级进行排除，然后才能确定故障问题出现的位置。

4 结束语

724XD天气雷达电路多为集成电路，出现故障时，采用替换法通常能很好地查出故障并解决问题[10]，但该方法对备件量要求较高。而在采用正确测试方法的基础上，结合合理的诊断方法和判断流程检修故障，是故障检修的基本方法。掌握发射机系统的部件组成及相关工作流程是判断其故障的基础，但在进行故障检修过程中还应综合考虑，逐级分段分析问题产生的原因。