湛江天气雷达一次天线失控的故障排除

邝家豪，陈基浩，吴保华，许聪

（湛江市气象局，广东湛江 524000）

雷达双偏振技术在天气雷达领域应用是趋势所在，根据气象现代化部署，截至2020年，广东天气雷达全部升级成双偏振雷达［1-2］。湛江天气雷达（CINRAD/SA-D）于2017年12月完成双偏振升级改造，采用成熟的、业务上应用广泛的双发双收模式，发射机输出信号功分两路，分别以水平和垂直极化方式同时发射［1］。双偏振升级改造后雷达设备进入一个磨合期间，局部小问题较多。根据统计分析，S波段雷达故障中天线伺服系统故障发生比例非常高［3］。在雷达天线伺服系统出现故障时，如何能快速、准确找出故障部位，排除故障，是雷达机务值得探讨的问题。黄彬等［1］、黄裔诚等［2］、高必通等［3］在雷达故障分布规律、天线故障等方面进行了分析，本研究的天线失控排查过程不仅能够给机务员解决此类故障提供参考，还总结了一套雷达天线故障排查的步骤。

1 故障现象

2018年7日13：00（北京时，下同）雷达出现报警，如表1所示。雷达故障停机，天线无法到达初始位置，重启雷达软件RDASC，重新标定出现多项错误，无法正常开启雷达，无法对天线进行控制。天线伺服面板无报警灯亮起。综合以上报警信息及故障现象，主要故障现象为雷达天线无法到达指定位置，处于失控状态。

表1 雷达报警信息

在排查故障前，首先需要对S波段天气雷达天线伺服系统的结构进行深入了解，如图1所示。由图1可知，雷达RDA计算机的天线方位、俯仰角码信号通过DAU大底板、DCU及大线缆传输到方位、俯仰电机和各自减速机并执行。由于天线的物理结构限制，俯仰支路的信号需要通过滑环来传递。同步箱将天线位置信息由光电码盘和轴角盒生成为角码状态信息，经上、下光端机、DAU大底板传输到RDA计算机和DCU控制单元。RDA计算机计算返回的角码状态信息，并发出下一步天线转动的指令［4-5］。

图1 S波段天气雷达天线伺服系统示意图

2 分析检查

2.1 天线控制通道分析

雷达天线处于失控状态，先分析一下天线的控制通道：测速机（测量天线方位与俯仰位置信号）→轴角盒（将天线方位与俯仰位置信号转化为可直接读取的数字信息）→上光端机（天线与发射机、接收机的所有信号传输通过光纤传输）→上光纤板→光纤→下光纤板→DAU大底板（转换光纤转过来的天线方位与俯仰位置信号）→RDA计算机和DCU控制单元（信号再转换到RDA计算机进行处理）。

在CINRAD/SA-D天气雷达设计时，考虑到人员的安全性，天线转动还有一个重要前提条件，即在只有收到天线罩门关闭的确认信号后，天线才处于控制状态［6］。

2.2 检查测试

从雷达报警信息入手，结合故障现象对雷达各部位检测是故障定位最直接的办法，按先电源后机械，先硬件后软件顺序。

①检查接收机、伺服面板上的各项指示灯均显示正常，说明电源和机械部分在天线停止状态下是正常的。

②对机械部分进一步检查。关断配电机柜伺服电源，到天线罩内检查雷达天线位置情况，并推动天线，天线转动正常，无阻力异常现象。数字控制单元（5A6）的方位和俯仰角码显示与推动后位置一致，伺服面板上的各项指示灯均显示正常，说明雷达天线机械硬件部分在转动状态下也是正常。再检查一下关键部位——天线罩门开关，天线罩门开关弹压正常，无弹压不到位现象。

③检查上、下光纤板和数字控制单元DCU里的模拟板、数字板，无异常情况，并重新拨插，故障现象依旧，天线无法到达指定位置，说明相关电路板不存在物理故障和接触问题。

④用软件进行各项测试。进入雷达维护（RDASOT）界面，开启天线控制程序，雷达天线控制程序自检正常，但天线不能使RDASC软件受控，无法到达指定位置，说明雷达天线控制信号无法执行。进入雷达维护（RDASOT）中的DAU控制界面，波导开关切换异常，伺服强电开关切换异常。波导开关及伺服强电开关是在得到天线罩门关闭的确认信号后才能正常转换，如果两者切换同时异常说明没有收到天线罩门关闭的确认信号或者两者同时存在硬件问题，根据观察，波导开关及伺服运行正常。因此，根据以上故障现象可以初步判断天线罩门开关确认的信号异常，导致波导开关切换异常和伺服强电无法加上，从而使天线处于不可控状态。

2.3 故障确定

根据2.1节对天线罩门开关的检查结果，说明罩门开关不存在机械问题，因此故障问题的焦点就在于天线罩门开关信号的传输上。先了解罩门开关信息传输的流程：天线罩门开关→上光端机（开关信号传输通过光纤传输）→上光纤板→光纤→下光纤板→DAU底板（读取开关信号）→DCU（信号再转换到RDA计算机进行处理）。根据以上检查测试结果，天线罩门开关、光纤链路、DCU未发现其它异常现象，因此重点检查部位是DAU底板。再对DAU大底板进行检查，测量XK1继电机中AX1和A02的电压均为28 V直流电压；测量XK2继电机中PED和SW#1的电压均为零。根据雷达DAU大底板电气线路（图2），在天线罩门关闭状态时，XK2继电机中PED和SW#1的电压应为28 V直流电压，才能传递天线罩门开关信号。根据以上检测，可以判断XK2继电机故障，导致天线罩门开关确认信号无法得到确认，进而波导开关无法切换，且伺服强电无法加上，导致天线处于失控状态。

图2 雷达DAU大底板电气线路图

2.4 故障处理

发生故障时正处于汛期，雷达需24 h全天候开机观测。在无备件情的情况下，可以采用屏蔽相关信号方法，使雷达能正常运行，待备件到站后再更换故障部位。根据DAU大底板XS9的电气图，将XK1继电机中的A01和A02进行短接（图3），屏蔽掉XK2故障的状态，返回雷达系统一个天线罩门关闭的信号，经过短接后，雷达恢复正常运行。

图3 DAU大底板短接现状图

3 故障总结

该次故障原因：DAU大底板XK2继电器故障，导致天线罩门开关信号无法传输给接收机，雷达天线处于不可控制状态。CINRAD/SA-D天气雷达有一套完善的自检系统，但有时还是不能准确的判断出故障部位。

该次故障采用逐步排查方法进行确定，根据故障现象做大范围的、相关的检查测试，寻找检查测试异常部位，突击检查异常点，逐步缩小故障范围，最后确定故障位置，在条件允许的情况下尽快解决故障。通过该次故障和查询历史雷达故障个例的分析，可以总结出雷达天线伺服系统故障检测排查的一般步骤，如图4所示。

图4 雷达天线伺服系统故障检测流程示意图

雷达保障人员在日常工作中，应对雷达伺服系统增强维护和保养意识，全方面了解伺服系统的工作流程，才能在伺服系统故障时结合其工作原理和控制流程，通过测试逐步缩小故障范围的办法，分析并找出故障部位，排除故障。