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        深圳機(jī)場多普勒氣象雷達(dá)發(fā)射功率偏低原因分析

        2017-10-30 09:14:17陳洪彬
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年31期
        關(guān)鍵詞:發(fā)射機(jī)功率

        陳洪彬

        摘 要:文章介紹影響多普勒氣象雷達(dá)發(fā)射信號的形成原理,并結(jié)合深圳機(jī)場多普勒氣象雷達(dá)發(fā)射功率偏低的實(shí)際案例,分析哪些參數(shù)直接影響發(fā)射功率的大小及調(diào)整方法。希望能對同行遇到同類問題時有一定的參考對比作用。

        關(guān)鍵詞:多普勒氣象雷達(dá);發(fā)射機(jī);功率;參數(shù)調(diào)整

        中圖分類號:V351.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:2095-2945(2017)31-0086-02

        引言

        深圳機(jī)場多普勒氣象雷達(dá)(以下簡稱ADWR雷達(dá))為安徽四創(chuàng)電子有限公司生產(chǎn)的C波段全相參脈沖多勒氣象雷達(dá),它能監(jiān)測雷達(dá)站周邊400公里范圍內(nèi)的氣象目標(biāo),定量測量200公里范圍內(nèi)的氣象目標(biāo)強(qiáng)度,監(jiān)測150公里范圍內(nèi)降水粒子群相對于雷達(dá)的平均徑向速度及速度譜寬。ADWR雷達(dá)正常工作時,發(fā)射機(jī)輸出脈沖功率達(dá)到250kW以上。由于發(fā)射機(jī)工作的高壓高功率條件,發(fā)射機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)出現(xiàn)故障較多的部分,而發(fā)射脈沖功率也是衡量雷達(dá)性能的重要技術(shù)參數(shù)。根據(jù)氣象雷達(dá)方程,當(dāng)雷達(dá)發(fā)射脈沖功率出現(xiàn)異常下降后,雷達(dá)接收的回波強(qiáng)度隨之降低,雷達(dá)的探測距離也相應(yīng)減小。因此發(fā)射功率是反映ADWR雷達(dá)發(fā)射機(jī)正常與否最直觀的指標(biāo)參數(shù),下文將對發(fā)射信號的形成進(jìn)行介紹,結(jié)合故障實(shí)例分析造成發(fā)射功率下降的原因,以及怎樣調(diào)整參數(shù)來調(diào)節(jié)發(fā)射功率的數(shù)值。

        1 ADWR雷達(dá)發(fā)射脈沖信號的形成

        ADWR雷達(dá)采用主振放大式發(fā)射機(jī),發(fā)射機(jī)主要由主振振蕩器和射頻放大鏈兩個部分組成。主振振蕩器主要由接收機(jī)激勵源分機(jī)的DDS信號源、激勵中頻調(diào)制、兩次上變頻、激勵射頻調(diào)制、激勵功放,及發(fā)射機(jī)的固態(tài)放大器等組成。DDS源產(chǎn)生60MHZ連續(xù)波中頻激勵信號,送至中頻調(diào)制器受發(fā)射脈沖調(diào)制,形成被矩形脈沖包絡(luò)調(diào)制載波頻率為60MHz的中頻激勵脈沖信號。該信號經(jīng)過兩次上變頻,得到5430MHz的本雷達(dá)站射頻信號,然后到射頻調(diào)制器再次受調(diào)制,經(jīng)中功率放大器放大輸出0.5W以上的射頻激勵脈沖,再送至發(fā)射機(jī)的固態(tài)放大器,放大輸出1~5W功率可調(diào)的射頻激勵脈沖信號至速調(diào)管輸入腔,作為射頻放大鏈的輸入信號[1]。射頻放大鏈主要由速調(diào)管、燈絲電源、磁場電源、鈦泵電源、高壓電源、固態(tài)調(diào)制器、脈沖變壓器等組成。 三相380V交流電整流后,經(jīng)軟啟動控制將直流高壓送至以兩個IGBT開關(guān)管為核心的開關(guān)變換器。兩個IGBT開關(guān)管交替導(dǎo)通截止,輸出幅度受到精確控制的方波脈沖到儲能變壓器,固態(tài)調(diào)制器的脈沖形成網(wǎng)絡(luò)PFN上獲得了幅度精確控制的高壓,放電觸發(fā)信號使固態(tài)調(diào)制器經(jīng)脈沖變壓器輸出-40KV的高壓脈沖加至速調(diào)管陰極,作為速調(diào)管陰極電壓。

        速調(diào)管輸入的射頻激勵信號必須準(zhǔn)確地嵌套在速調(diào)管陰極的高壓脈沖信號頂部的平坦部分,速調(diào)管才能起到足夠的放大效果,把1-5W的激勵脈沖放大到峰值250kW以上的發(fā)射脈沖。速調(diào)管是發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵部件,其增益大小直接決定雷達(dá)發(fā)射功率的大小,因此除了自身的硬件狀況,速調(diào)管的激勵輸入和陰極燈絲高壓是影響雷達(dá)發(fā)射功率的兩個重要因素。

        ADWR雷達(dá)發(fā)射脈沖信號流程如圖1所示。

        2 發(fā)射功率偏低原因分析

        (1)速調(diào)管陰極發(fā)射能力下降。速調(diào)管的電子槍由燈絲、陰極、聚束極、陽極等組成,燈絲接電后發(fā)出熱量,使陰極溫度上升而產(chǎn)生熱發(fā)射現(xiàn)象,從陰極發(fā)射出大量電子。在聚束極和陽極的配合下,陰極表面附近產(chǎn)生了聚焦電場,使得從陰極表面不同方向發(fā)射出來的電子聚成一束,形成圓形電子注射向收集極。深圳機(jī)場ADWR雷達(dá)速調(diào)管的燈絲電源為直流電源,額定值為6-7A。當(dāng)速調(diào)管接近使用壽命時,陰極發(fā)射電子的能力將明顯下降,影響速調(diào)管的增益性能,造成發(fā)射功率下降。當(dāng)發(fā)射功率下降小于250kW時,可以嘗試緩慢調(diào)節(jié)燈絲電流大小,來提高發(fā)射功率參數(shù)。一般順時針增大逆時針減小,如果調(diào)整燈絲電流但速調(diào)管總流和功率都沒有變化,并且用示波器合磁環(huán)測速調(diào)管收集極電流也小于14A,此時速調(diào)管很可能已經(jīng)出現(xiàn)問題。

        (2)速調(diào)管磁場線圈散焦。磁場電源的作用是使磁場線包產(chǎn)生均勻的軸向聚焦磁場,以保證速調(diào)管電子槍產(chǎn)生的電子注在速調(diào)管的整個渡越過程中獲得最佳的聚焦效果。當(dāng)磁場線圈發(fā)生散焦現(xiàn)象時,速調(diào)管陰極發(fā)射的電子在腔體內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn),使得參加能量交換的電子數(shù)量減少,發(fā)射機(jī)輸出功率因此降低。此時應(yīng)該分別調(diào)整兩路磁場電源的電流大小,調(diào)整范圍7A-9A,得到最佳的參數(shù)值使發(fā)射功率得到提高。

        (3)高壓電源閉環(huán)峰值電流設(shè)置不當(dāng)。高壓電源采用回掃充電技術(shù)對調(diào)制器進(jìn)行充電,充電過程分為儲能變壓器充電和脈沖形成網(wǎng)絡(luò)PFN(也叫人工線)充電兩個部分?;貟叱潆婋娐肥且环N控制電感儲能的并聯(lián)電感充電形式,當(dāng)電感電流達(dá)到預(yù)定值時突然阻斷對電感的儲能,這個電流預(yù)定值就是高壓閉環(huán)峰值電流。高壓閉環(huán)峰值電流直接控制功率開關(guān)組件兩個IGBT的導(dǎo)通時間,從而影響人工線的充電電容電壓值,人工線電壓決定了脈沖變壓器的輸出高壓,也就是速調(diào)管的陰極電壓。高壓電源閉環(huán)峰值電流參數(shù)不當(dāng)導(dǎo)致速調(diào)管的高壓不足,自然發(fā)射機(jī)的輸出功率也就偏低了。高壓閉環(huán)峰值電流的調(diào)制可以通過發(fā)射機(jī)高壓控保板的電位器RP1來調(diào)整,具體可查閱雷達(dá)手冊《ADWR雷達(dá)參考手冊(上冊2)》第54頁,調(diào)整過后觀察控制軟件界面的發(fā)射功率值和PFN數(shù)值,PFN數(shù)值最好不超過3.9,負(fù)責(zé)容易引起“可控硅”告警。

        (4)發(fā)射接口板觸發(fā)時序不當(dāng)導(dǎo)致“嵌套”不好。ADWR雷達(dá)采用陰極脈沖調(diào)制,調(diào)制脈寬比從固態(tài)放大器輸出的射頻激勵略寬,“嵌套”指得就是射頻激勵處在調(diào)制脈沖的頂部進(jìn)行放大。如果兩個信號嵌套不好,會影響射頻的檢波包絡(luò),發(fā)射功率也會降低。調(diào)制嵌套的形狀可通過發(fā)射接口板的兩個電位器RP1、RP2來調(diào)節(jié),具體可查閱雷達(dá)手冊《ADWR雷達(dá)參考手冊(上冊2)》第54頁,兩個電位器分別調(diào)節(jié)基準(zhǔn)觸發(fā)和發(fā)射觸發(fā)的時序,對應(yīng)著射頻脈沖的前沿和后沿。調(diào)整射頻的前、后沿,使其與當(dāng)前設(shè)置的脈寬一致,并且剛好嵌套在速調(diào)管高壓調(diào)制脈沖里面,這樣才能保證射頻信號的最佳放大效果,發(fā)射機(jī)功率才能達(dá)到正常值。endprint

        (5)速調(diào)管輸入激勵信號功率不足。ADWR雷達(dá)接收分系統(tǒng)的激勵源分機(jī)提供0.5W左右的射頻激勵信號,然后經(jīng)過固態(tài)放大器放大到1-5W,再經(jīng)過可變衰減器輸出一個使速調(diào)管輸出功率最大的最佳的激勵信號值。假如固態(tài)放大器的輸出功率值不足,自然經(jīng)過速調(diào)管放大后也無法達(dá)到正常要求的發(fā)射功率大小。在實(shí)際的保障中,可以通過調(diào)節(jié)可變衰減器來調(diào)節(jié)發(fā)射功率大小。

        3 故障案例檢測

        故障現(xiàn)象: ADWR雷達(dá)發(fā)射功率從250kW逐漸下降到100kW左右。

        故障檢測:在沒有功率計(jì)、網(wǎng)絡(luò)分析儀,等測量儀器的情況下,維護(hù)人員主要利用示波器,萬用表,監(jiān)控維護(hù)軟件、設(shè)備參數(shù)表頭來對故障進(jìn)行初步的定位和檢查。

        (1)檢查系統(tǒng)狀態(tài)信息及發(fā)射分系統(tǒng)參數(shù)。首先檢查監(jiān)控維護(hù)軟件的整機(jī)狀態(tài)信息,各分系統(tǒng)均無狀態(tài)告警。然后加高壓檢查發(fā)射機(jī)監(jiān)控指示面板各表頭參數(shù)。速調(diào)管總流指示,是將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號的顯示值,0.8us脈寬,900Hz單頻工作下,正常范圍為2.3-3V;速調(diào)管管體電流,正常值應(yīng)小于總流的10%;燈絲電流,額定值6-7A;高壓電壓,是高壓電源的整流輸出按100:1 進(jìn)行比例顯示,正常值為5V;高壓電流,最大值應(yīng)小于等5.5A;磁場電流,額定值為7-9A;鈦泵電流,間接反映速調(diào)管真空度,最大值應(yīng)小于等于10uA。經(jīng)檢查,以上高壓發(fā)射表頭參數(shù)均符合。

        (2)檢查速調(diào)管收集極電流。加高壓后用示波器和磁環(huán)檢查速調(diào)管收集極電流波形,磁環(huán)把速調(diào)管收集極電流轉(zhuǎn)化為電壓值顯示。測量值為14V左右,大小正常,波形也符合正常形態(tài)。

        (3)示波器檢查發(fā)射脈沖檢波包絡(luò)。從定向耦合器出來加衰減器和檢波器接到示波器,將雷達(dá)重復(fù)頻率和脈寬設(shè)為固定值,加高壓后查看波形。測量脈寬大小與所選參數(shù)一致,波形前后沿,頂部沉降正常。

        (4)檢查發(fā)射激勵與高壓脈沖嵌套。示波器通道1接磁環(huán)監(jiān)測的速調(diào)管收集極電流波形,通道2接定向耦合器出來的發(fā)射脈沖檢波包絡(luò)波形,就是同時測量上述(2)(3)兩個信號波形,檢查兩者的嵌套情況。速調(diào)管收集極電流的時序代表脈沖高壓的時序,正常的時序情況應(yīng)該是發(fā)射脈沖嵌套在收集極電流信號的中間,如圖所示。

        實(shí)際波形發(fā)現(xiàn)發(fā)射脈沖比較偏右,不在中間。此時,想通過發(fā)射接口板的電位器來改變發(fā)射脈沖前后沿的時序來調(diào)整信號嵌套,結(jié)果后沿能改變,前沿沒變化。懷疑激勵時序有問題。技術(shù)人員接著用示波器加衰減器和檢波器檢查接收機(jī)輸出的激勵信號(固態(tài)放大器的輸入信號)檢波波形,信號正常。懷疑固態(tài)放大器有問題導(dǎo)致嵌套異常。嘗試跳過固態(tài)放大器直接把接收機(jī)輸出的激勵送至速調(diào)管,再通過接口板電位器調(diào)發(fā)射脈沖時序,此時前后沿均可調(diào),信號嵌套可調(diào)整到正常狀態(tài)。確定固態(tài)放大器工作異常導(dǎo)致信號嵌套異常。

        (5)檢查激勵大小。跟廠家訂做新的固態(tài)放大器到貨后,廠家工程師攜帶功率計(jì)來檢測和更換故障件。用功率計(jì)測量固態(tài)放大器的輸出,證實(shí)固態(tài)放大器故障以致速調(diào)管的輸入激勵信號偏小,而且時序異常,信號嵌套不好,最終導(dǎo)致ADWR雷達(dá)發(fā)射功率偏低。

        最終,更換了固態(tài)放大器,調(diào)整了速調(diào)管激勵的大小,再通過調(diào)整燈絲電源,磁場電源,調(diào)閉環(huán)峰值電流決定的PFN人工線電壓值,發(fā)射功率恢復(fù)到250kW以上。

        4 結(jié)束語

        速調(diào)管自身的性能狀況,還有與其工作相關(guān)的陰極激勵輸入、燈絲的脈沖高壓是影響ADWR雷達(dá)發(fā)射功率大小主要因素。在ADWR雷達(dá)的運(yùn)維中,可以參考文章上述幾個方面來查找發(fā)射機(jī)功率偏低的原因,并通過調(diào)整相應(yīng)參數(shù)和更換部件使發(fā)射功率恢復(fù)到正常大小。以上幾點(diǎn)原因僅供參考,實(shí)際運(yùn)維中可能還有其他的功率影響因素,希望通過日后的經(jīng)驗(yàn)積累和學(xué)習(xí)交流把結(jié)論進(jìn)一步完善。

        參考文獻(xiàn):

        [1]安徽四創(chuàng)電子股份有限公司.民航C波段多普勒(ADWR)天氣雷達(dá)系統(tǒng)手冊[Z].2006.

        [2]李勇.多普勒氣象雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)的故障及處理措施[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014(31):287.

        [3]朱睿.多普勒雷達(dá)觀測資料質(zhì)量控制方法研究及其應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014(27):291.endprint

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