蘇添記，夏潤芳，劉笑，潘旭光，孫俊

（1.煙臺市氣象局，山東煙臺　264003；2.蓬萊市氣象局，山東蓬萊　265600）

CLC-11-D型風(fēng)廓線雷達(dá)故障處理與運行維護

蘇添記1，夏潤芳2，劉笑2，潘旭光1，孫俊2

（1.煙臺市氣象局，山東煙臺264003；2.蓬萊市氣象局，山東蓬萊265600）

通過對CLC-11-D型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的主要故障分析，找出故障發(fā)生的原因，并提出相應(yīng)的處理方法。

風(fēng)廓線雷達(dá)；雷達(dá)故障；數(shù)據(jù)探測

風(fēng)廓線雷達(dá)的使用為天氣預(yù)報用戶提供了高時間分辨率的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)，一定程度上填補了探空系統(tǒng)留下的觀測區(qū)域空白［1-4］。保障風(fēng)廓線雷達(dá)的正常運轉(zhuǎn)，確保獲取探測資料的可靠性，隨之也成為臺站業(yè)務(wù)人員的基本業(yè)務(wù)工作［5］。了解風(fēng)廓線雷達(dá)的工作原理，掌握基本的維護維修方法，是雷達(dá)業(yè)務(wù)人員開展工作的基礎(chǔ)［6］。

1　基本探測原理

風(fēng)廓線雷達(dá)主要以晴空大氣作為探測對象，雷達(dá)回波信號強弱與表征大氣折射率分布的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2直接相關(guān)聯(lián)。對于局地均勻、各向同性湍流的慣性子散射體，單位體積的散射截面與Cn2有如下簡單的函數(shù)關(guān)系：

（1）式中，單位體積的散射截面η的單位為m2/m3，Cn2的單位為m-2/3，雷達(dá)工作波長λ的單位為m。

式（1）代入彌散目標(biāo)的雷達(dá)氣象方程，得到適用于風(fēng)廓線雷達(dá)的雷達(dá)氣象方程：

（2）式中，Pr是雷達(dá)回波功率，Pt是雷達(dá)發(fā)射功率，h是雷達(dá)的取樣長度（h=1/2cτ，其中c是光速，τ是雷達(dá)發(fā)射的脈沖寬度），Ge是天線增益，L是雷達(dá)天饋系統(tǒng)的損耗，R是回波距離［7-8］。

2　系統(tǒng)組成

CLC-11-D型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)主要由相控陣天線、饋線系統(tǒng)、發(fā)射（接收）機、頻率源、信號處理器、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控分機等幾部分組成。圖1為CLC-11-D型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的系統(tǒng)框圖。其中相控陣天線、發(fā)射機柜（含波控）、T/R組件機柜安放于室外［9］。

2.1相控陣天線

相控陣天線由行列20×20共400組雙極化微帶振子組成，各振子輻射的電磁能量在空中進行合成，形成具有角度指向和一定波瓣性能的波束。天線陣面上，各輻射單元激勵電流的相位分布起著控制波束指向和波束掃描的作用，相對于機械掃描，此可稱為電掃描［10］。激勵電流的相位分布受波控系統(tǒng)控制。

2.2發(fā)射與接收

發(fā)射機由前級功放、T/R組件T通道功放、控保單元等組成，其作用是將頻率源送來的射頻激勵信號放大，產(chǎn)生符合雷達(dá)系統(tǒng)要求的相參的雷達(dá)探測信號，通過饋線系統(tǒng)饋送到相控陣天線并輻射出去。它采用全固態(tài)有源相控陣體制，具有高效率、低損耗、高可靠性、體積小重量輕和維護方便等優(yōu)點。

它由低噪放、由接收通道、頻率源、信號產(chǎn)生、中頻采樣、激勵源、時鐘與控制等部分組成。將天線接收的微弱回波信號經(jīng)過放大、變頻、濾波及數(shù)字化等一系列處理，從中提取目標(biāo)物信息，CLC-11-D型風(fēng)廓線雷達(dá)采用分布式發(fā)射和接收。

2.3T/R組件

T/R組件集發(fā)射、接收、波控功能為一體，主要由移相器、T/R（行列轉(zhuǎn)換）開關(guān)、隔離器、功率放大器、限幅器與LNA（低噪聲放大器）、環(huán)行器、定向耦合器和波束控制單元組成。其主要功能有：提供發(fā)射狀態(tài)下的功率增益和輸出功率；提供接收狀態(tài)下的低噪聲信號放大；進行波束（行列）切換；實現(xiàn)收發(fā)狀態(tài)下的移相功能。

T/R組件是CLC-11-D型風(fēng)廓線雷達(dá)的最核心部件，共有20只3種不同功率規(guī)格的T/R組件，分別為8只40W，6只120W和6只160W。T/R組件為高功率輸出單元，可產(chǎn)生高溫，是本雷達(dá)的故障高發(fā)部位。

3　風(fēng)廓線雷達(dá)故障處理

圖1　固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)框圖

CLC-11-D型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)各組件高度集成，發(fā)射機實現(xiàn)全固態(tài)化，天線為相控陣，且有較完善的機內(nèi)檢測功能組件（BIT）及軟件監(jiān)測。BIT對接收機、發(fā)射機、信號處理機、T/R組件狀態(tài)和發(fā)射功率等均自動進行故障檢測，檢測信息在雷達(dá)控制軟件終端用不同的顏色表示不同的雷達(dá)工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)提示故障時，可通過“控制程序”界面中的BIT顏色指示來判定故障源，再進行更換設(shè)備和維修。該系統(tǒng)可以通過直接更換模塊化的組件來排除故障，使故障的處理變得相對簡單。因此，比起常規(guī)雷達(dá)，它的故障排除快，其可用性更好。

蓬萊CLC-11-D型固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)自2011年9月投入業(yè)務(wù)運行以來，至2014年只出現(xiàn)過7次影響雷達(dá)系統(tǒng)正常工作的硬件故障。

3.1T/R組件故障

蓬萊風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)的20只T/R組件安放在兩個機柜中，機柜位于室外天線陣面正下方，與環(huán)境無任何隔絕，機柜為半封閉，經(jīng)過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以防海霧腐蝕昂貴的T/R組件。機柜通過附帶安裝的小空調(diào)進行控溫。

2012年5月25日和7月12日，蓬萊風(fēng)廓線雷達(dá)控制軟件監(jiān)測顯示有T/R組件故障，5月25日為第二T/R機柜中的一只40W的T/R組件故障，7月12日為第一T/R機柜中的一只160W的T/R組件故障。由于T/R組件是集成器件，可通過更換相應(yīng)組件來排除故障，以上兩次故障通過更換T/R組件得到排除。需要說明的是，只要故障的T/R組件不超過5個，即使雷達(dá)波的副瓣電平升高，最大探測高度降低，影響探測效果，但不會影響雷達(dá)的正常運轉(zhuǎn)。因此，雖然T/R組件是故障高發(fā)部分，但不是致命故障。

3.2T/R機柜溫度超標(biāo)

2011年10月19日、2012年2月9日和4月22日，蓬萊風(fēng)廓線雷達(dá)控制軟件監(jiān)測監(jiān)測到TR1機柜溫度報警，其中2011年的一次為溫度超標(biāo)報警，監(jiān)測溫度為87℃，2012年兩次為溫度故障報警。經(jīng)查，2011年10月的溫度超標(biāo)是因為TR1機柜的空調(diào)故障所致。雷達(dá)工作時半封閉的機柜內(nèi)溫度迅速升高，達(dá)到控保溫度時雷達(dá)自動停機進行自我保護，此時軟件監(jiān)測的雷達(dá)激勵信號、發(fā)射功率和駐波均為零。機柜空調(diào)故障排除后，雷達(dá)也恢復(fù)正常。2012年的兩次溫度故障報警，當(dāng)班的值班人員到站檢查后發(fā)現(xiàn)機柜空調(diào)工作正常，溫度也正常，重新啟動雷達(dá)系統(tǒng)后報警依然保持。最后把故障定位在機柜溫度傳感器上，更換溫度傳感器后故障排除。蓬萊風(fēng)廓線2012年的第一次TR1機柜溫度傳感器故障，極有可能是因TR1機柜在2011年長時間過溫，傳感器迅速老化所致，而第二次故障是因第一次故障時換上的傳感器性能不好。

3.3其它故障

2012年7月23日，雷達(dá)工控機無法啟動，由于信號處理板安裝在工控機內(nèi)，雷達(dá)無法獲取控制時序和進行信號處理，導(dǎo)致雷達(dá)停機。雷達(dá)工控機的框架是一臺微機，經(jīng)檢查，其故障現(xiàn)象是不能開機，電源指示燈不亮，判斷為電源故障。之后，廠家更換工控機，故障排除。工控機返修后發(fā)現(xiàn)確是電源損壞。故障出現(xiàn)時，該站尚未配備大功率UPS，導(dǎo)致市電停電時，雷達(dá)設(shè)備會突然掉電而停機。當(dāng)市電短時恢復(fù)而雷達(dá)各開關(guān)又處于合上狀態(tài)時，雷達(dá)又經(jīng)歷突然全加電狀態(tài)。故障后分析，工控機電源故障主要是受外電源電壓波動所致。

2014年6月13日，雷達(dá)控制軟件監(jiān)測顯示，TR組件全處于故障狀態(tài)，輸出功率為零，雷達(dá)無產(chǎn)品生成。檢查兩個TR機柜，溫度正常，判斷20只T/R組件同時損壞的可能性極小，應(yīng)將故障定位在T/R組件之前的發(fā)射前級，用功率計測試前級各節(jié)點的功率，發(fā)現(xiàn)發(fā)射前級無激勵輸入，再檢查發(fā)射機，發(fā)現(xiàn)功率總輸出端線纜接頭處有燒糊，判斷為連接線過細(xì)致大功率擊穿，更換連接線后，故障排除。

4　風(fēng)廓線雷達(dá)的運行維護

對于CLC-11-D型固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，日常維護工作需要在合適天氣和時間進行。每月的例行維護對雷達(dá)系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)相當(dāng)重要，避開特殊天氣找一晴好天進行停機維護。維護內(nèi)容包括：檢查室內(nèi)設(shè)備，維護室外設(shè)備。維護步驟：按照關(guān)機程序關(guān)機，清潔室內(nèi)設(shè)備表面灰塵，查看設(shè)備；清除T/ R組件機柜內(nèi)外的灰塵，避免機柜的進出風(fēng)口堵塞；檢查空調(diào)制冷情況，定期添加氟利昂；檢查天線屏蔽網(wǎng)，拉線和天線支架，天線底部，給暴露的金屬上油。需要工具：干凈毛巾、螺絲刀、活動扳手、自來水、防銹油、手電。

雷達(dá)系統(tǒng)機內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)比較完善，通過控制軟件即可監(jiān)控雷達(dá)的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)了全天候24h無人值守運行。因此，雷達(dá)業(yè)務(wù)人員應(yīng)密切監(jiān)視控制軟件的運行，定時檢查記錄雷達(dá)的工作狀態(tài)。

5　小結(jié)

雷達(dá)臺站的重要工作是監(jiān)控雷達(dá)的運行狀態(tài)，出現(xiàn)故障及時發(fā)現(xiàn)并進行故障定位排除。雷達(dá)的相關(guān)配套設(shè)施對雷達(dá)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，必須配足并確保運行正常。

早期的CLC-11-D型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)為減少功率的衰減，將T/R組件等部分組件放置到室外的天線下，采用機柜與外界環(huán)境隔離，但增加了冷卻、防腐蝕、防塵、防風(fēng)雨的難度。蓬萊風(fēng)廓線因為這種設(shè)計的缺陷出現(xiàn)過多的故障。后期建設(shè)的雷達(dá)設(shè)置了雷達(dá)機房，除了天線布設(shè)在室外的房頂，其它設(shè)備均布設(shè)到室內(nèi)，解決了上述問題。

T/R組件是此雷達(dá)的故障高發(fā)點，但只要損壞少于5只T/R組件，不影響雷達(dá)的正常工作，只對探測高度等性能有所影響。因T/R組件價格昂貴，建議，對過了保質(zhì)期的雷達(dá)，取其仍良好的部件儲備。

為雷達(dá)配備功率足夠大的UPS設(shè)備，以確保雷達(dá)的連續(xù)運行，避免出現(xiàn)突然斷電導(dǎo)致浪涌電流對雷達(dá)設(shè)備的損害。

［1］陳元昭，王小勇，王明潔，等.深圳LAP-3000型風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)及應(yīng)用［J］.氣象研究與應(yīng)用，2007，28（3）：73-76

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［10］楊金紅，高玉春，程明虎.相控陣技術(shù)在大氣探測中的應(yīng)用及面臨的挑戰(zhàn)［J］.地球科學(xué)進展，2008，23（2）：142-150.

Fault handling and operation maintenance of the CLC-11-D wind profile radar

Su Tian-ji，Xia Run-fang，Liu Xiao，Pan Xu-guang，Sun-jun
（1.Yantai Municipal Meteorological Service，Yantai Shandong 264003；2.Penglai Municipal Meteorological Service，Penglai Shandong 265600）

Based on analysis of the CLC-11-D wind profile radar main faults，the causes were found out to put forward the corresponding maintenances.

wind profile radar；fault；detection

P49

A

1673-8411（2016）02-0088-03

2016-01-25

蘇添記（1980-），男，漢族，廣西梧州人，本科，工程師，主要從事氣象雷達(dá)運行保障工作。