民航貴州空管分局 鄭迎賓 黃飛翔

天氣雷達(dá)回波弱的分析研究

民航貴州空管分局 鄭迎賓 黃飛翔

雷達(dá)是靠測(cè)量目標(biāo)物的散射現(xiàn)象來判斷確定目標(biāo)的位置、形狀、大小和速度等，這些信息都包含在目標(biāo)回波中。在天氣雷達(dá)回波里，不僅包含了有用目標(biāo)物云雨信息，還包含了地物和其他雜波，雷達(dá)回波的變?nèi)鯇⒂绊懳覀儗?duì)目標(biāo)物特性的判定。文章首先從雷達(dá)方程原理引入，敘述了導(dǎo)致雷達(dá)回波減弱的多種因素，最后通過實(shí)例分析，給出了排除天氣雷達(dá)回波變?nèi)鯁栴}的一般處理過程與方法。

天氣雷達(dá)；回波弱；故障分析

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，天氣雷達(dá)的任務(wù)不只是測(cè)量目標(biāo)物云雨的距離、方位、仰角和強(qiáng)弱，而且還包括云雨移動(dòng)的速度，以及從回波中獲取更多有關(guān)目標(biāo)的信息。當(dāng)我們使用雷達(dá)時(shí)，終端上掃描回顯出雷達(dá)回波，它一方面顯示出天氣持續(xù)過程，另一方面則能反應(yīng)出雷達(dá)設(shè)備本身工作狀態(tài)是否正常。當(dāng)終端顯示回波明顯偏弱時(shí)，我們就要從各方面進(jìn)行研究與分析，判定雷達(dá)工作狀態(tài)并及時(shí)排故。

1.雷達(dá)氣象方程[1]

云雨等氣象因子對(duì)雷達(dá)投射波束的后向散射就是氣象雷達(dá)回波。回波強(qiáng)度不僅取決于雷達(dá)系統(tǒng)各參數(shù)的特性，而且和被觀測(cè)的氣象因子類型、距離以及其間的大氣狀況有關(guān)，雷達(dá)氣象方程由此而產(chǎn)生。利用雷達(dá)氣象方程，可以根據(jù)回波的強(qiáng)度判斷降水區(qū)的物理狀況，并正確地選擇雷達(dá)的參數(shù)。在瑞利散射條件下，雷達(dá)氣象方程如式（1）所示。

式中，Pr為接收功率，Pt為發(fā)射功率，G為天線增益，θ1為水平波束，φ1為垂直波束，h為脈沖長(zhǎng)度，R為距離。式（1）中從左至右依次包含常數(shù)項(xiàng)，雷達(dá)參數(shù)項(xiàng)，距離因子項(xiàng)，充塞因子項(xiàng)，氣象因子項(xiàng)，衰減因子項(xiàng)，用“”分隔表示。

2.導(dǎo)致回波減弱的多種原因及處理方式

通常，我們用對(duì)比之前已存儲(chǔ)的地物回波圖像或數(shù)據(jù)來判定天氣雷達(dá)回波變化情況。診斷天氣雷達(dá)回波變?nèi)豕收?，可牽涉雷達(dá)的多個(gè)系統(tǒng)，例如饋線、天線、伺服、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、信號(hào)處理和人為使用不當(dāng)因素等[2]。

2.1 饋線系統(tǒng)

現(xiàn)代天氣雷達(dá)饋線系統(tǒng)大都采用波導(dǎo)傳輸，波導(dǎo)損耗過大將影響回波信號(hào)的接收。波導(dǎo)損耗包含每一單位長(zhǎng)度波導(dǎo)的損耗、拐彎波導(dǎo)的損耗、旋轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的損耗、天線收發(fā)開關(guān)的損耗、波導(dǎo)連接處元器件（例如放電管）的損耗等[3]。因此，波導(dǎo)扭曲或波導(dǎo)內(nèi)有打火現(xiàn)象、方位/俯仰關(guān)節(jié)損壞、由于工作環(huán)境造成的波導(dǎo)內(nèi)壁潮濕生銹以及放電管等波導(dǎo)連接元器件損壞都能導(dǎo)致雷達(dá)回波減弱。

當(dāng)我們判定雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)正常，且檢查饋線及連接處沒有變形時(shí)，一般采用太陽法來檢驗(yàn)饋線系統(tǒng)工作狀態(tài)。在非雨天氣狀況下，開啟雷達(dá)終端，當(dāng)回波顯示有明顯的太陽亮線時(shí)，說明饋線通路無故障；反之，則有故障。

2.2 天線系統(tǒng)

由天線理論知道，天線增益G和有效面積A之間有如下關(guān)系：

當(dāng)天線變形時(shí)，有效面積減少，天線增益下降，導(dǎo)致回波信號(hào)的強(qiáng)度變小。

另外，天線傳動(dòng)裝置維護(hù)不到位，磨損過快，導(dǎo)致俯仰/方位轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定也會(huì)影響雷達(dá)回波變?nèi)??？赏ㄟ^聽天線運(yùn)轉(zhuǎn)是否有異常聲音來排除。

2.3 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)俯仰定標(biāo)的準(zhǔn)確度會(huì)影響回波情況，如果實(shí)際定標(biāo)仰角比正確的仰角偏小，會(huì)導(dǎo)致回波偏弱，偏大，則會(huì)導(dǎo)致回波偏強(qiáng)。通過太陽法可以來標(biāo)定俯仰和方位角度。

2.4 接收系統(tǒng)

接收機(jī)噪聲系數(shù)會(huì)影響雷達(dá)的作用距離和探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度[3]。由接收機(jī)中的饋線、放電保護(hù)器、高頻/中頻放大器、混頻器等損壞或老化導(dǎo)致接收機(jī)噪聲變大，影響接收機(jī)輸出端“信噪比”，進(jìn)而使接收回波信號(hào)變?nèi)?。另外，頻率綜合器（激勵(lì)和本振）信號(hào)輸出偏小、接收機(jī)的頻率響應(yīng)和發(fā)射信號(hào)匹配不好引起的匹配損失也會(huì)導(dǎo)致回波偏弱。

以上這些故障，可以通過進(jìn)行標(biāo)校檢查[4]、分段測(cè)試和短接法來判定和排除。

2.5 發(fā)射系統(tǒng)

從雷達(dá)方程知道，雷達(dá)發(fā)射功率會(huì)影響回波信號(hào)強(qiáng)度。發(fā)射機(jī)中所用的發(fā)射管（速調(diào)管、磁控管等）的參數(shù)不盡相同，發(fā)射管在波段范圍內(nèi)的輸出功率也不一樣；發(fā)射管使用時(shí)間長(zhǎng)短也會(huì)影響其輸出功率。此外，發(fā)射系統(tǒng)中功率放大器的損壞、調(diào)制器高壓不夠等也會(huì)導(dǎo)致回波偏弱。

通過監(jiān)測(cè)發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)控表盤指數(shù)、測(cè)試調(diào)制波形、測(cè)試檢波包絡(luò)和測(cè)試功率來判斷和排除發(fā)射系統(tǒng)故障點(diǎn)[5]。

2.6 軟件配置及使用方面

如果終端軟件配置不當(dāng)，會(huì)使得回波信號(hào)看起來變?nèi)?。例如，?biāo)校參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、標(biāo)校校正參數(shù)設(shè)置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致回波偏強(qiáng)或偏弱。

當(dāng)雷達(dá)天線仰角、重復(fù)頻率、發(fā)射脈沖等參數(shù)設(shè)定完畢后，開始進(jìn)行PPI掃描時(shí)，如發(fā)現(xiàn)回波偏弱，在掃描軟件設(shè)置上，要判斷所加載的濾波器類型是否適當(dāng)、距離訂正選項(xiàng)是否勾選。加載不同的濾波器，會(huì)對(duì)雷達(dá)回波有相應(yīng)的影響。例如，地物、弱性天氣過程等回波會(huì)被特定濾波器過濾掉，從而使得回波看起來偏弱；未勾距離訂正，會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)處回波偏弱。

3.案例分析

故障現(xiàn)象：714CDP型天氣雷達(dá)回波明顯變?nèi)酢?/p>

一般情況下，我們?cè)谔幚砝走_(dá)故障時(shí)遵循的原則是由易到難，此次故障分析與處理過程如下：

3.1 檢查測(cè)試信號(hào)強(qiáng)度是否正常。在終端掃描軟件上進(jìn)行如下配置：選擇標(biāo)校檢查、去濾波器、去距離校正通斷、選擇強(qiáng)度場(chǎng)，測(cè)試強(qiáng)度為72dBZ，對(duì)應(yīng)場(chǎng)放輸入信號(hào)-40dBm，測(cè)試正常。由此判定接收機(jī)和信號(hào)處理器（RVP9）工作正常。

備注：信號(hào)處理器（RVP9）的功率基準(zhǔn)為-40dBm，對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)強(qiáng)度為70dBZ左右。

3.2 檢查標(biāo)校校正值：雙收雙發(fā)狀態(tài)下，脈沖寬度為1μs時(shí)，此值為-37；脈沖寬度為2μs時(shí)，此值為-40；和出廠數(shù)據(jù)基本一致，排除終端軟件校正問題。

3.3 檢查發(fā)射機(jī)柜監(jiān)控分機(jī)上注電流，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為1000Hz時(shí)，注電流約為37mA（正常范圍為30mA～45mA），基本正常；用示波器和檢波器檢查發(fā)射脈沖檢波包絡(luò)，包絡(luò)為矩形形狀、頂部基本平整，排除發(fā)射機(jī)問題。

3.4 目測(cè)并用手觸摸波導(dǎo)器件（接收機(jī)柜和天線罩內(nèi)），沒有發(fā)現(xiàn)變形和發(fā)燙；用手觸摸四端環(huán)行器的吸收負(fù)載，溫度適中，波導(dǎo)工作正常。

3.5 檢查放電管，發(fā)現(xiàn)-600V雙電源電流V1路為110μA，V2路為160μA，正常范圍為60μA～120μA。拆下V2路放電管，發(fā)現(xiàn)放電管密封玻璃窗口破裂，證明該放電管已經(jīng)損壞，更換放電管后，并將V2路電流調(diào)到100μA，回波恢復(fù)正常。

4.結(jié)束語

造成天氣雷達(dá)回波變?nèi)醯脑蚴嵌喾矫娴模挥惺煜だ走_(dá)回波的信號(hào)流程走向，才能清楚并快捷的找到故障點(diǎn)，及時(shí)排故。作為維護(hù)人員，要不斷學(xué)習(xí)和增強(qiáng)維護(hù)雷達(dá)系統(tǒng)知識(shí)及意識(shí)，掌握的故障排查方法及技巧，要養(yǎng)成經(jīng)常進(jìn)行檢查和標(biāo)校雷達(dá)各項(xiàng)參數(shù)的好習(xí)慣，才能使雷達(dá)工作在穩(wěn)定高效狀態(tài)。

[1]張培昌,杜秉玉,戴鐵丕.雷達(dá)氣象學(xué)[M].北京:氣象出版社,2001: 70-88.

[2]周紅根,柴秀梅,胡帆,等.新一代天氣雷達(dá)回波異常情況分析[J].氣象,2008,34(6):112-115.

[3]丁鷺飛,耿富錄.雷達(dá)原理(第四版)[M].西安:西安電子工業(yè)出版社,2012.

[4]柴秀梅,潘新民,湯志亞等.新一代天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度異常分析與處理方法[J].氣象,2011,37(3):379-384.

[5]楊傳鳳,袁希強(qiáng),黃秀韶,等.CINRAD/SA雷達(dá)發(fā)射機(jī)故障診斷技術(shù)與方法[J].氣象,2008,34(2):115-118.

鄭迎賓（1982-），男，安徽宿州人，碩士研究生，民航貴州空管分局工程師，研究方向：氣象雷達(dá)系統(tǒng)維護(hù)維修及氣象裝備維護(hù)。