CFL-06型风廓线雷达数据间隔性缺测原因分析研究

2023-01-09温显罡刘佳明

火控雷达技术 2022年4期

温显罡刘佳明李乐

(1.福建省龙岩市新罗区气象局福建龙岩 364000；2. 福建省龙岩市气象局福建龙岩 364000)

0 引言

风廓线雷达WPR(Wind Profile Radar)是我国气象部门近年才配备的现代化探测设备，它采用微波辐射遥感技术，应用多普勒原理对大气进行探测，能够不间断地提供探测高度范围内的大气水平风场、垂直气流、大气虚温以及大气折射率结构常数等气象要素随高度的分布。龙岩风廓线雷达为CFL-06型风廓线雷达，它能连续提供150m～6km探测高度范围内的大气水平风场、垂直气流和大气折射率结构常数等气象要素随高度的分布，还能连续获取探测地域的大气折射结构波动和湍流起伏等气象信息[1]。该风廓线雷达的稳定运行可以加强对当地各种中小尺度灾害天气系统等提供准确的大气风场垂直结构、辐合、辐散等气象综合信息，大大提高局部性灾害性天气的监测预警水平，对提高闽西山区局地天气预测预报能力具有重要意义。因此，做好风廓线雷达的运行维护保障，确保观测数据的完整性也是至关重要。但该雷达在刚安装试运行的前期，每运行一段时间(12～15天)就会停止探测，这样对设备运行稳定率、数据可用率和数据传输质量都带来较大影响，从而影响到观测质量考核。据了解，有部分该型号的风廓线雷达也会出现此类问题。

1 工作原理

CFL-06型风廓线雷达是以大气湍流为探测目标的晴空探测脉冲多普勒雷达。按逻辑功能由有源相控阵天线分系统(以下简称天线分系统)、接收分系统、频综分系统、信号处理分系统(即主控机)、数据终端分系统(即终端机)、监控分系统、标定分系统和电源分系统等组成，如图1所示。

图1 系统组成框图

CFL-06型风廓线雷达工作时，首先由主控计算机按照设定的工作模式控制频综产生高频探测脉冲信号，该信号经发射机放大后，经环行器由天馈系统辐射出去。按照Bragg散射原理，电磁波在空间传播过程中遇到尺度为其波长一半的大气湍流后将会产生最大后向散射，一部分电磁波能量将会反射到风廓线雷达的天线处，天线接收到回波信号后经收发模块中的低噪声放大输出到高频接收系统中，高频接收系统对回波进行混频、滤波和中频放大，再以60MHz中频信号传输到数字化中频接收机，在数字化中频接收机中进行滤波、放大和混频并进行取样、模数转换、数字正交相检、数字滤波、数据抽取。在信号处理器中对回波信号进行视频积累、脉冲压缩、去直流、加窗处理、谱分析(FFT)和谱积累后形成湍流回波信号的功率谱。该功率谱再通过计算机对其进行零谱去除、半屏面对消和干扰谱剔除，并根据噪声功率电平形成自适应信号检测门限，进行风谱信号提取和风谱信号的估值，求出风谱质心，计算出相应的径向速度，并在计算机的控制下，分别得到其它天线指向上的径向风速值[2](详见图2)。在进行多次同样的探测后得到多组对应不同波束的径向风速，对这些数据进行一致性检验和质量控制后，进行野值剔除，最后根据几何关系和相关计算方程式计算出各高度层上的风速、风向[3]。

图2 CFL-06型风廓线雷达工作原理框图

2 故障现象分析

龙岩风廓线雷达于2019年1月22日建成并开始试运行，试运行的前期每运行一段时间(12～15天)就会停止探测，导致探测数据无生成。从图3可以看出，2020年12月14日18时30分的探测数据文件生成上传后，从18时36分开始便无探测数据文件生成，19时26分后经人工重启风廓线雷达数据处理软件后才会恢复探测，19时30分开始才有探测数据文件生成上传；接着就是12天后的12月26日19时42分开始的停止探测，2021年1月7日20时48分开始的停止探测和1月19日21时48分开始的停止探测。每当遇到这状况时，都需人工在风廓线雷达数据处理软件重新建立主控机与数据处理终端计算机的连接或重启风廓线雷达数据处理软件后才会恢复探测。

图3 故障现象图

3 故障分析排查

3.1 风廓线雷达的功能

CFL-06型风廓线雷达按逻辑功能由有源相控阵天线分系统、接收分系统、频综分系统、信号处理分系统(主控机)、数据终端分系统(数据处理终端计算机)、监控分系统、标定分系统和电源分系统等组成。CFL-06型风廓线雷达工作时，首先由主控机按照设置的工作模式控制相关分系统进行探测和信号处理后得到湍流回波信号的功率谱，传给数据处理终端计算机，再由数据处理终端计算机处理得到各高度层上的风速和风向。主控机与数据处理终端计算机通过以太网(直连)连接，进行网络通信，传输控制命令、探测参数和探测数据。

3.2 风廓线雷达软件的功能

风廓线雷达控制软件安装在雷达系统的主控工业控制计算机(主控机)上，是设备的专用软件，用来完成对该设备的系统运行控制和探测数据的录取处理任务。它实现了对该设备的参数设置、工作过程控制、风信号处理、原始数据录取、在线监测、系统标定、数据通信、数据管理以及后端遥控等功能，是保证系统运行的重要组成部分。

风廓线雷达数据处理软件安装在一台通用PC机(数据处理终端计算机)上，用于完成该设备的数据实时处理和历史数据浏览等任务，它实现了对风廓线雷达系统的远端控制、参数设置、在线监测、数据通信、数据处理和保存、文档管理、处理结果显示和查询等功能。

CFL风廓线FTP程序是用于上传探测数据到指定FTP服务器上程序，程序可自动监视风廓线雷达数据处理软件生成的探测数据文件并上传。

3.3 引起故障的可能原因

根据CFL-06型风廓线雷达的工作原理，引起此故障的原因可能有：

1)雷达设备问题；

2)主控机及软件问题；

3)数据处理终端计算机及软件问题；

4)主控机与数据处理终端计算机网络连接问题；

5)主控机和数据处理终端计算机硬件配置偏低问题。

3.4 处理故障的具体措施

3.4.1 前期排查

风廓线雷达发生故障时，最基本的判断设备故障的方法是观察后端机是否有风廓线合成，如果没有，则观察前端机是否有谱线生成，如果前端机有谱线生成，则说明只是前后端机之间的网络故障或软件故障；如果前端机没有谱线生成，则可以采用以下方法进行故障判断：

1)观察后端机风廓线雷达数据处理软件“监测信息”项中的指示灯颜色，绿色表示正常，红色表示对应的指示项目有故障；

2)观察预放组合，正常工作时“直流电源”常亮，射频输入和射频输出指示灯间隔一定时间亮或者灭，其余指示灯均常灭。如果“过占空比”、“驻波”、“温度”等指示灯亮，则表示该功能故障；

3)观察监控组合，正常工作时“加电”指示灯为常亮；“-12V”、“+12V”、“+5V”的指示灯为常亮，“运行”指示灯间隔一定时间就闪烁；

4)观察接收机组合，正常工作时“加电”指示灯为常亮；“电源”、“接收机”“晶振”、“标频”和“本振”等指示灯均为常亮，在波束转换时，“发射”指示灯闪烁；

5)观察波控组合，正常工作时“加电”指示灯为常亮。

如果设备产生故障，通过后端机上风廓线雷达数据处理软件的“监测信息”界面和组合面板上的指示灯，基本上就可以对设备故障定位。为了解决“间隔性中断观测”问题，首先利用前人的一些研究经验利用理论分析、观察和测试等步骤排查了是否为雷达设备问题[4-8]。由于风廓线雷达设备基本采用模块化、固态化设计，在确定了雷达设备本身无故障并确定主控机和数据处理终端计算机的系统无错误提示后，利用替换法对故障进一步排查：

1)在系统正常的情况下分别重装了风廓线软件；

2)分别更换了主控机和数据处理终端计算机；

3)更换了连接主控机与数据处理终端计算机的网线；

4)同时更换了主控机和数据处理终端计算机。

3.4.2 后期排查和处理

若常见问题都排查了，仍未解决问题。考虑到主控机和数据处理终端计算机也许会像地面观测业务机一样需要定期重启，然后利用每周一次的地面周维护时间一起把主控机和数据处理终端计算机都重启一下，因为每周固定重启一次，结果发现不再出现间隔性中断观测，即找到了原因。

因为每重启一次会导致缺6min资料，为了更好地解决这问题减少重启次数保证更完整的观测时间，最后采用了升级更换主控机的办法：把原来的处理器Pentium(R)Dual-Core CPU E5300@2.60GHz，内存2.00GB的主控机，更换为处理器Intel(R) Pentium(R) CPU G2030@3.00GHz，内存4.00GB的主控机。现在，只要每月利用月维护时把主控机和数据处理终端计算机都重启一下就可以把“间隔性中断观测”问题彻底决解。

4 排查方法与原因分析

由于风廓线雷达设备基本采用模块化、固态化设计，在遇到故障时，利用替换法对故障逐步排查是不错的选择，所谓替换法，就是对某个被怀疑有可能发生故障的元器件或模块使用正常的元器件或模块进行替换，从中找到故障的部位，及时排除故障的方法。在使用替换法时，要注意安全性原则，不要使故障范围扩大；也要本着由简到繁，先易后难的原则。应尽可能使用和原机参数相同的元器件，若没有，可根据实际条件用跟原机参数相近或等级更高一些的元器件替换。

“间隔性中断观测”问题出在主控机上，对计算机性能影响比较大的硬件是处理器和内存，计算机运行久了会产生垃圾文件，缓存会被垃圾文件占用，各硬件也会发热，导致系统运行变慢，特别是硬件配置较低的计算机，容易出现长时间超负荷工作情况，此时发热量更大，甚至出现“死机”现象。为了保证计算机的性能和稳定运行，应该避免计算机长时间开机工作，当遇工作需要必须长时间不间断运行时，可采用定期重启计算机和升级计算机配置的方法得以解决。