基于信号处理与电路原理的多普勒雷达发射机故障分析

马云龙，樊希斌，董海涛，王 浩，孟 鑫，范佳文

(1.丹东市气象局，丹东 118000；2.东港市气象局，丹东 118300)

0 引言

在CINRAD/SA新一代多普勒天气雷达成为中国天气雷达组网的主要雷达之后，为保证气象观测数据的稳定上传，从事雷达相关工作的人员需要熟悉雷达信号流程以及各分机模块关键点信号波形和参数，并具备利用示波器等仪器测量、采集和处理报警信息等解决停机故障的能力[1，2]。

雷达发射机故障率在分机系统中最高，长期运行稳定性差，关键器件参数值不达标后，性能下降较快，严重影响全地区短期强降水过程观测业务，直接导致加密观测气象数据段缺测，同时造成雷达器件损伤[3]。

文章归纳并总结了辽宁省丹东市新一代CINRAD/SA型多普勒天气雷达7 a观测历史当中发生过的1次发射机故障现象，利用电路原理以及信号与系统原理进行研究，确定了故障产生端口及元器件，并提出了相应解决方法[4，5]。

1 发射机系统主要电路组件及信号流程

在雷达设备端问题、数据质量、产品应用、探测环境影响、雷达综合管理等业务检查当中，最亟待改善的是设备端问题，雷达设备问题占业务检查存在问题的80%以上。关键器件性能老化、质量不稳定、调制器参数异常、相位噪声不达标和自检定功能缺乏都是雷达设备容易出现故障的根本原因。

CINRAD/SA发射机在汛期连续加密观测的工作环境下，运行负担很大，电路稳定性差，极易出现运行故障，例如脉宽问题造成的发射机打火等典型故障现象[6]。雷达发射机在新一代雷达分机系统当中的元器件最为繁多，是高频通道信号监控流程极其复杂的模块之一。

雷达发射机主要由两大信号部分组成，包括高频放大链信号流程(图1)和全固态调制器信号流程(图2)。

图1 高频放大链信号流程

图2 全固态调制器信号流程

雷达发射机接收的同步信号，包括射频激励和起始触发信号、调制器的放电及充电触发信号、灯丝电源同步触发信号、窄脉冲选择、脉冲频率编码、后充电整形触发信号以及接收机处频率综合RF输出激励信号等。同时输出RF采样信号和发射机RFD测试信号到接收机的频率源、RF测试和信号源的选择位置[7]。

雷达发射机须接受雷达数据采集单元DAU的高压开关命令和波导开关控制，进行高压关闭本地控制。故障发生时，发射机输出故障报警循环，此时同样进行自动高压开关控制，发射机停止运行使得雷达整机异常停机，进而导致气象观测数据上传停止，严重影响雷达系统运行质量乃至汛期气象观测质量体系[8]。

1.1 高频放大链信号流程

高频放大链信号流程分为两部分，首先是固态放大器3A4，即由射频激励信号XS2输入到定向耦合器A2，信号与发射机+40 V直流电源的输入端经过转换N1、振荡器N6、整流RC滤波后的电源N4以及+8 V脉冲电压同时输入到微波功率放大器A1处，通过隔离器W1到达两级微波功率放大器A3，再经隔离器W2，输出到定向耦合器A4。

其次经过脉冲形成器3A5，上述信号输出到E3功分后，受到高频起始触发信号经差分接收和宽窄脉冲延时调整，驱动器处理后形成的控制脉冲，同时输出到调制器W2、W3，通过功率合成手段和相移调整，到达射频衰减器，最后输出至发射机速调管。

高频放大链的故障定位必须通过示波器等仪表测量，包含信号流程各功能模块的输入、输出信号功率，射频包络波形，与额定参数值和标准波形进行比较，确定故障位置。

雷达发射机故障经常存在无高频脉冲输出或由于包络波形不正常导致输出功率降低到正常值以下的情况，原因是高频放大链故障经常导致发射机无输出功率或功率极低。高压通道故障导致人工线电压失去高压或达不到额定值以及低压电源故障的无法加压。发射机定标正在检查、功率超限值、测试信号定标等一系列不同种类相关报警的发生，使得业务人员在对高频放大链的关键点参数进行故障分析的同时，还需仔细测量同步时序等各项参数值。此外，射频功放模块或相关电路元件也容易出现不同故障现象[9]。

1.2 全固态调制器信号流程

全固态调制器(solid state modulator)工作原理如图3所示。由线性稳压电源G1输出到触发驱动电路A2，变压后和高压电源分机的充电电路输出至均压电路处，通过可控硅新材料开关、反峰值电路以及人工线电路到达脉冲变压器。其中由充电触发脉冲组件3A2触发后，高压脉冲充电变压器储能电流，充电电流不断上升使充电变压器储存的能量达到技术标准值时，断开充电元件电流输入，人工线充电值约达到5 kV。

图3 全固态调制器工作原理

2 发射机典型电路原理和信号流程故障排查

2.1 发射机电路原理和信号处理流程

雷达发射机典型故障现象包括雷达峰值功率过低、电压异常和无法加压等。

根据电路原理，每个系统检修电路电源部分都需要测量电源输出电压额定值和各节点电流通过值。系统短路造成电流过大，分级电源故障导致电压过低，保护负载短路导致电流过载等问题经常和故障现象结合分析。此外，以上问题往往还会造成电路中元件打火，这种现象在雷达发射机故障当中极其常见。

根据信号与系统原理，测量功能模块的输入、输出信号功率，射频包络波形，与额定参数值和标准波形进行比较，可以确定故障类型和发生端口位置。发射机面板参数和波形分为开关组件系列端口、触发器系列端口、灯丝电源面板、调制器端口等。各面板以及端口又包含反峰电流、初级脉冲电压和电流、充电电压和电流、雷达人工线电压和电流、载波信号、驱动等参数值。发射机测试信号波形主要为脉冲信号，包括矩形脉冲、尖脉冲、梯形脉冲等相似但不同形状图形，需要示波器配合信号生成器进行测量。

发射机元器件信号流程复杂，端口众多，电路参数繁杂，其中取样位置也十分关键，包括比较器输入端子，人工线取样处，调制器、脉冲振荡器输入输出、灯丝等。

测试电压分为灯丝电压、速调管电压、钛泵电压、聚焦线圈等。电流的分类测试又分为调制器反峰电流、速调管束流、人工线充电等。由于对应不同端口，采样设定值众多，测试值繁琐，需要了解测量信号采样位置的同时调整各接口位置以及表的不同数值进行测量分析。

包络测试由t7、t8时序，即高频激励器3A4、高频脉冲形成器3A5的输出高频包络、发射机输出高频包络等组成。信号包含高频脉冲起始信号、高频激励触发、调制器充电、后充电平等。

2.2 雷达站1次发射机停机故障实例

雷达正常运行过程中，数据上传停止，立即观察RDA终端，检测到雷达停机，告警信息为雷达异常待机。经检查发现高压供电失效，机房高压开关控制失效。检测到高压、波导等开关异常。

根据电路原理和发射机高压供电信号流程，考虑高压供电开关、电源组件、K1～K6开关组件、Z1滤波器和发射机相关组件，包含速调管、聚焦线圈和机柜风机等出现短路问题。检查高压流程关键部分全固态调制器的充电开关组件3A10，同时须测量数个端口的充放电电流、电压和脉冲的采样值。波形检测包括充电电压波形、充电触发脉冲、放电触发脉冲等。其中磁场电源、高压电容、高压整流等电源元器件的规范检测同样重要。

按流程首先测量起始处高压供电Q1处的电压值与信号输出，发现无异常，因此考虑机柜M1和速调管M3以及聚焦线圈的风机电路是否短路，经测试均正常。随后测量Z1滤波器电路同样未发生短路和断路。万用表检查K1～K6开关组件，工作情况良好。随后使用示波器检查固态调制器中的高压整流组件3A2的各端口信号、波形和电流电压参数，根据电路图和信号流程确定FU16-18等3处均正常。通过测试磁场变压器处输入电流值，判定Fu4-6等3处为正常，简化维修步骤。

至此，可断定问题出现在+510 V输出到充电开关组件3A10过程中。重点检测充电开关组件3A10。根据额定参数和标准波形。检查并测量开关组件ZP1～ZP5的触发、定时脉冲，电流、电压采样，人工线充电电流采样。其中EXB841驱动控制输入的宽脉冲值异常，与该型号雷达设定数值不吻合，其余包络和波形均正常，电流、电压数值近似额定值，均达标，至此确定故障位置。经数据查证，其中ZP2充电定时脉冲的信号应为460 μs宽脉冲值。通过更换相关元器件后，信号测试通过充电变压器3A7T2处的数值恢复正常，雷达开机加压正常，发射机恢复运行，雷达整机维修完毕，数据恢复上传。

文章总结维修过程，可知雷达设备数据的关键参数测量复杂，定标很难直观地展示出来，发射机又是汛期连续高压运行指标改善空间很大的部件，故障率极高，技术人员熟知其电路原理和信号系统，并利用理论知识简化和迅速处理突发故障，保障汛期气象连续观测数据上传，对国家气象观测和灾害预防至关重要。

3 结束语

发射机是CINRAD/SA天气雷达信号流和元器件组成最复杂的部分，长期高压运行性能下降，多种组件极易发生故障，因此观测数据上传的稳定性与发射机紧密相关。记录各端口波形特征、参考数值和分系统电路中信号流程和功能元件的原理能够提高雷达维修维护效率，从而保持数据传输质量，使得业务人员在发生停机故障时，能根据各种故障类型，迅速找到解决方案和需要更换的元器件。