黔江CINRAD/CD雷达几起故障的诊断

■ 唐聪 李文英

黔江新一代天气雷投入业务应用13年，雷达运行期间，出现大小故障30余次，经统计梳理，接收系统的事故中，频综故障，天馈系统的旋转关节、天线无规则抖动故障，伺服系统的俯仰角码错误、仰角抬升等故障占黔江雷达故障的80%以上。

黔江新一代天气雷达于2007年投入业务应用，已运行了13年，在中小尺度天气监测中发挥着十分重要的作用。雷达运行期间，出现大小故障30余次，经统计梳理，接收系统的事故中，频综故障，天馈系统的旋转关节、天线无规则抖动故障，伺服系统的俯仰角码错误、仰角抬升等故障占黔江雷达故障的80%以上。本文结合多年维修经验，对故障进行系统分析，找到了故障的排除方法、应对措施以及思路拓展。

1 接收系统故障

1.1 数字中频故障

故障现象。雷达回波异常（图1），噪声系数为6.57 dB，关高压后异常回波依然存在。

图1 雷达回波拼图

故障分析与处理。根据回波异常情况，初步判断接收机故障，依次对灵敏度、噪声系数、动态进行测量：灵敏度为-102 dBm（1μs），噪声系数为6.50 dB，动态范围为-18-(-102)=84 dB，不满足灵敏度≤-107 dBm（1μs）、噪声系数≤4.0 dB、动态范围≥85 dB要求，进一步说明故障点为接收机故障，于是按照接收机故障诊断流程图进行逐一排查故障准确位置。

1）用“直接观察法”通过眼看、耳听、鼻闻、手摸等直观方法对接收机通道故障部位进行定位。观察联接器件连接头无虚焊、破皮、接触不良等现象；细听无异常；鼻闻无烧焦和其他异味；手摸各器件无异常发热现象；接收机电源风扇正常运转，无器件有明显烧焦发胀现象。2）将接收通道所有联接头进行紧固（拧松）处理，同时观察雷达终端回波发现无明显变化。3）通过接收监控面板查看各路电源电压均正常，频综指示灯均正常，频综状态正常；测量XT501、XT502电压测试端，测量值均符合正常工作对电压的误差要求。4）检查场放电流是否变化。5）检查单刀双掷开关、混频器等是否正常。首先用万用表测量微波组件中单刀双掷微波开关插头内±5 V电源，再用“短接法”将放电管输出端直接和场放连接跳过单刀双掷开关，开机测试故障依然存在；再次通过“代替法”更换单刀双掷开关，开机测试故障依然存在；排除单刀双掷开关故障。同样通过“代替法”更换预选器、混频器、前中后开机测试故障依然存在，证明从单刀双掷开关前端到前中后端整个通道工作正常。6）检查数中是否正常。根据要求，数中上两个钮子开关在正常工作时应将SW1和RUN都置于“B”档上，经确认符合要求；UPLINK和READY灯均常亮，确认符合要求。最后检查数中电源，通过翻阅资料可知数中分机采用交流220 V供电，产生±12 V和+5 V电压（本站只用+5 V电源）。用万用表对交流220 V端进行测量，测量结果为223 V，符合要求；再对+5 V端进行测量，发现直流电压仅为+4.18 V，低于正常电压16.4%，断开负载测量为5.37 V，证明电源没问题，怀疑数中有过载问题，将+5 V电源电压拉低，电压低导致数中工作不正常，噪声大，灵敏度降低，表现在回波出现异常，噪声系数偏大等。更换数中后，测得数中+5 V端电压为+5.14 V，灵敏度测试值为-107 dBm（1μs），满足指标≤-107 dBm（1μs）要求；噪声系数测试值为1.45 dB，满足≤4.0 dB要求；动态测试值为88 dB，满足指标≥85 dB要求。此故障排除，开机加高压后回波正常。数中安装在电磁密封的金属外壳中，以获得良好的抗外部电磁噪声干扰能力；其内使用的A/D变换器是14位的AD6645，其采样速率为72 MHz；其电源是一个低噪声、低纹波、整流的设备，使用+5V电源供电。AD6645要求AVcc必须保持在5 V的5%范围内才能保证该A/D正常采样。

1.2 频综故障造成地物回波无法过滤

故障现象。终端报相参基准源故障，加滤波器（1#～7#）后地物回波无法消除。

故障分析与处理。地物无法消除，报相参基准源故障，首先检查频率综合器面板上故障指示，打开接收机后柜，可以看到频综合器面板上有4个故障指示，分别为本振源、30 MHz相参基准源、测试源、激励源的正常与否。当其被监测对象正常工作时，面板上的指示灯发光，如出现故障指示灯熄灭。本次故障30 MHz相参基准源故障灯熄灭，更换频综后故障解除。30 MHz相参信号早期雷达采用频综直接送30 MHz相参信号给信号处理器，后期雷达采用发射样本信号和频综输出的本振信号混频后送给信号处理器，30 MHz相参信号正确与否牵涉到发射机输出信号，频综本振信号和混频器等。

常见的导致地物回波消除不彻底的原因有雷达极限改善因子不合格、频综激励极限改善因子、功放输出极限改善因子和发射机输出信号用频谱仪测试，任一个达不到指标要求都可能导致结果发生。此外，信号处理器出错会导致地物回波滤不掉（少见），放电管有问题会导致地物回波滤不掉（少见）。30 MHz相参信号不正常还有一个明显现象就是速度杂乱。30 MHz相参基准信号为正弦连续波，可用示波器测量，Vpp值为1.5 V，当Vpp值小于0.7 V时，触发故障，面板上30 MHz相参基准源指示灯熄灭，同时终端显示故障，如出现此类故障只能送厂家返修。

2 天馈系统故障

2.1 旋转关节故障

故障现象。雷达回波明显变弱，尤其是地物回波变弱得特别明显。

故障分析与处理。1）看测试信号强度，去滤波器，选择标校检查，去距离校正通，显示强度场，强度73 dBz，对应场放输入信号-40 dBm，正常，判定接收机和信号处理器RVP8无问题。注：RVP7状态下雷达的功率基准为-30 dBm，对应基准强度为80 dBz左右；RVP8/RVP9/DRSP状态下的功率基准为-40 dBm，对应基准强度为70 dBz左右。2）检查标校校正值，1μs时为-32，和出厂验收及现场验收时基本一致，正常，排除终端软件校正问题。3）用示波器和检波器检查发射脉冲检波包络，基本矩形，顶部基本平整；并检查发射监控分机上注电流，脉冲重复频率PRF为1000 Hz时约为38 mA，在30～45 mA范围内，基本正常，排除发射机问题。4）观察频综（即频率合成器）故障检测，并结合第一步，基本判断频综无问题。5）检查放电管，-600 V电源电流为约为100 μA，在60 ～120 μA正常范围内，拆下放电管（拆卸过程中注意保持各紧固螺钉受力均匀，以免放电管密封玻璃窗口破裂），发现放电管密封玻璃窗口破裂，证明该放电管已经损坏，更换放电管后，回波依然很弱。证明不只是放电管的问题。6）手摸四端环行器的吸收负载，触手很烫，怀疑发射功率反射较严重（发射馈线驻波偏大），遂上天线罩内检查天线座内馈线，方位旋转铰链端盖正常，但是其上部连接直波导（配做件）严重扭曲成麻花状，并且方位旋转铰链与该波导连接处有少许变形。找到原因。7）更换方位旋转铰链和直波导，回波恢复正常。

一般以当地地物回波来判定回波的变化。所以，以前存储的地物回波图像或数据是判断回波是否变弱的依据。回波变弱故障可牵涉多个系统。

1）馈线系统：波导扭曲或波导内有打火现象（少见）、方位/俯仰关节损坏（少见）、波导内壁有冷凝水（室内外温差大的地方常见）和放电管损坏（常见）等都可能导致回波偏弱。当判定收发正常时，一般采用太阳法来检验馈线，非雨天当终端有明显的太阳亮线时，说明馈线通路无故障；反之，则有故障。

2）伺服系统：俯仰定标不正确（少见），实际仰角比正确仰角偏小会导致回波偏弱，实际仰角比正确仰角偏大会导致回波偏强。通过太阳法来标定俯仰和方位角。

3）接收系统：场放损坏（常见）、场放前端二选一开关损坏（少见）、混频器损坏（少见）、前置中频放大器损坏（少见）、回波通路高频电缆破损（少见）、频综信号（激励和本振）输出偏小（少见）等会导致回波偏弱。通过标校检查、分段测试和短接法来判定。

4）发射系统：功放损坏（少见）、速调管输出功率偏小（常见）、调制器高压不够（常见）等会导致回波偏弱。通过目测发射监控表、测试调制波形、测试检波包络和测试功率来判断发射系统故障点。

5）终端软件：标校参数设置错误会导致回波偏强或偏弱（常见）、距离订正未选上会导致远处回波偏弱，（常见）、标校校正参数设置错误会导致回波偏强或偏弱（常见）。

2.2 天线剧烈抖动故障

故障现象。天线正常运行期间，突然出现无规律剧烈抖动，声音响，振动幅度大。

故障分析与处理。结构件卡滞一般情况是有规律抖动，现场发现故障雷达方位角码即使在抖动时运转正常，而俯仰角码在抖动前发生了剧烈变化，伴随俯仰误差电压剧烈变化。说明俯仰角码信号有问题，导致误差电压变化，引起天线剧烈抖动。打开天线座窗门发现汇流环上有不少油污，并有流入信号环的痕迹，拆开相应的信号环，清洗油污后，雷达恢复正常。故障原因为油浴转台加入过多的油产生溢出，脂润滑转台加了过量油脂，温度变化导致融化滴落，油污将角码信号污染导地引起。

雷达伺服系统的工作流程为：给定天线的位置（输入角码），通过伺服系统来控制天线负载的位置，通过测量元件及角码变换器获得的当前角码与输入角码联系起来加以比较，相符合时系统处于静止状态，当不符合时即产生角码误差（±⊿D），此误差在监控系统中伺服驱动单元上数模变换变成误差电压±⊿U，再经电压放大及功率放大后，作用在执行电机上，使其朝减小误差的方向运动。本故障雷达突变大，造成产生角码误差（±⊿D）突变，执行电机转动突变，致使天线抖动。故在维护时，油浴转台和脂润滑转台必须按要求加入适量的润滑油和润滑脂，千万不能过量。

3 伺服系统故障

3.1 俯仰角码故障

故障现象。俯仰角码无规律跳变，导致无法完成体扫，方位角码正常。

故障分析与处理。方位角码正常，说明方位和俯仰共用的励磁110 V电压正常。问题出在俯仰角码信号通路。先检查了俯仰发送器，并更换了同步机，故障未消除。再用万用表测试俯仰同步机上的110 V励磁电压，只有60 V，而方位同步机上的110 V励磁电压为120 V，说明问题出在天线座配电箱至俯仰同步机这一段线路。检查从配电箱到俯仰箱之间连接情况，用万用表测试通断，发现汇流环输出插座处有两根芯线脱落，一根为110 V励磁电压，另一根为地线。故障原因为汇流环插座处焊接线用线扎拉紧后长期受力产生疲劳而脱落，也有虚焊的原因。焊接好后雷达恢复正常。

当角码出现问题时，特别是方位和俯仰角码同时出现问题时。首先检查输入同步机的110 V激磁电压是否正常，正常范围在100～130 V。然后检查同步机输出信号，天线静止时同步机输出端（D1、D2和D3）两两之间的电阻一样，用三用表测试在RVP8或伺服驱动单元输入测量，当电阻不一样时要查明原因，特别是当电阻为无穷大时，说明电路在某处有断路现象。

3.2 仰角停止抬升故障

故障现象。雷达在正常体扫期间，停止在某一仰角不再抬升，无法完成体扫。

故障分析与处理。首先检查伺服状态，驱动电压，俯仰误差电压是否正常，未发现明显故障。做PPI扫描改变仰角检查俯仰到位精度等，到位精度满足0.1°的指标要求，追摆小于3次，均未发现异常。恢复体扫观察发现数据采集机有突然断网和连接提示。经查发现数据采集机网线松动，瞬间断开并连接，重新连接好网线后恢复正常。因仰角不抬升引起体扫完不成的故障现象时常发生，因网络问题导致较多，故障点在交换机、网内发生冲突、网线连接不好等。另外，因仰角精度不够、追摆次数太多也会造成体扫不畅。精度不够、追摆次数太多主要原因是伺服未调整好、汇流环太脏或者电机故障造成。

4 结语

本文涉及的几起故障，多由于雷达使用年限较长，系统老化，出现元器件损坏、线缆断裂所致。所以，技术保障人员在日常维护过程中不仅要勤于维护，更要严格按照规定动作进行，避免引发更大的故障甚至人员伤亡。同时，要充分利用雷达报警信号、定标信号等信息规范化维修的方法对故障现象进行分析判断，并综合运用各种诊断方法和工具来验证，才能快速定位和排除故障。

深入阅读

柴秀梅, 2011. 新一代天气雷达故障诊断与处理. 北京: 气象出版社: 5-6.

龚雪鹏, 陈焰犊, 罗红, 2014. 毕节CINRAD/CD天气雷达一次天线俯仰失控的分析与处理. 贵州气象, 38(3): 46-48.

汪章维, 2014. 新一代天气雷达培训及维修. 北京: 气象出版社:47-55.