劉承徑，鄧正林，羅鳴，曾俊威

（1.深圳市氣象服務(wù)有限公司，廣東 深圳 518040；2.深圳市國家氣候觀象臺，廣東 深圳 518040）

0 引言

超大城市災(zāi)害性天氣監(jiān)測和預(yù)報越來越重要，天氣雷達(dá)的作用也越來越凸顯。因此雷達(dá)基本是每天 24 h 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，發(fā)生故障的概率相當(dāng)高。同時隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，天氣雷達(dá)也在不斷升級，功能在不斷完善，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元器件多，其故障的診斷和維修十分困難[1]。深圳新一代天氣雷達(dá)為S波段天氣雷達(dá)，采用雙偏振全相參多普勒技術(shù)，是國內(nèi)最先進(jìn)且具有國際領(lǐng)先水平水平的氣象雷達(dá)，探測分辨率從原來單偏振1公里提高到125米，能更好地描述云中粒子尺寸、形狀、降水已經(jīng)天氣類型，特別是有效提高了雷達(dá)估計降水效率和識別冰雹、龍卷、雷暴等中小尺度災(zāi)害性天氣能力，同時，深圳創(chuàng)新采用雙通道信號處理技術(shù)。本文針對異常信號源故障處理進(jìn)行剖析。

1 雙偏振基本原理與標(biāo)定系統(tǒng)

雷達(dá)方程以球形粒子為假設(shè)條件，但實際上粒子并非總是球形。偏振（極化）雷達(dá)可以通過極化合成，獲得被測目標(biāo)的極化散射矩陣；由于極化散射矩陣可將目標(biāo)散射的能量特性、相位特性和極化特性統(tǒng)一起來，相對完整的描述了目標(biāo)的電磁散射特性，進(jìn)而增強(qiáng)了雷達(dá)對目標(biāo)信息的獲取能力。在線偏振中，若垂直分量Ey=0,就稱為水平偏振，若水平分量Ex=0，就稱為垂直偏振；因此能夠發(fā)射水平及垂直偏振兩種波的雷達(dá)為雙偏振雷達(dá)圖1所示。

圖1 雙偏振雷達(dá)發(fā)射電磁波情況

新一代雙偏振天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)主要組成部分：發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、天線及伺服系統(tǒng)、信號處理與監(jiān)控軟件系統(tǒng)、標(biāo)定系統(tǒng)。它的主要功能是生成和發(fā)射射頻脈沖，接收目標(biāo)物對這些脈沖的反射能量，并通過數(shù)字化形成基數(shù)據(jù)[2]。對回波信號的數(shù)據(jù)處理和雷達(dá)各分系統(tǒng)的控制是信號處理與監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能，其工作的效率和穩(wěn)定程度直接決定了雷達(dá)的性能[3]。標(biāo)定系統(tǒng)方法涵蓋自動在線標(biāo)定（噪聲電平、噪聲溫度、反射率、差分反射率、查發(fā)傳播相移、速度/譜寬、發(fā)射機(jī)峰值功率、相位噪聲、發(fā)射機(jī)脈沖寬度）、手動離線標(biāo)定（太陽法、天頂標(biāo)定、收發(fā)支路損耗、動態(tài)范圍）、其他標(biāo)定（金屬球）。

2 標(biāo)定系統(tǒng)故障篩查

（1）故障現(xiàn)象。2021年9月14日強(qiáng)雷暴天氣過程中，機(jī)務(wù)人員發(fā)現(xiàn)深圳新一代天氣雷達(dá)PUP的多種產(chǎn)品顯示異常，雷達(dá)多個報警無法正常出圖，嚴(yán)重影響臺站雷達(dá)業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行，根據(jù)CINRAD/SA-D雷達(dá)的基本原理，雷達(dá)機(jī)務(wù)人員對雷達(dá)故障情況檢查和維修過程進(jìn)行描述。故障出現(xiàn)后，當(dāng)天雷達(dá)報警文件記載報警文件有7條[4]：483 VELOCITY/WIDTH CHECK DEGRADED（速度/譜寬檢查變壞）；472 I/Q AMP BALANCE DEGRADED（I/Q幅度平衡變壞）；523 LIN CHAN RF DRIVE TST SIGNAL DEGRADED（線性通道射頻激勵測試信號變壞）；470 LIN CHANNEL NOISE LEVEL DEGRADED （線性通道噪聲電平變壞）；471 SYSTEM NOISE TEMP DEGRADED （系統(tǒng)噪聲溫度變壞）；476 IF ATTEN CAL INHIBITED - INVALID DATA（禁止中頻衰減器標(biāo)定-無效數(shù)據(jù)）；478 TS DIFFERENTIAL REFL CAL DEGRADED（TS差分反射率標(biāo)定變壞）；參看rda/opt/log目錄下的20210914開頭的Calibration.log標(biāo)定文件，Status.log狀態(tài)日志文件，發(fā)現(xiàn)在故障后文件里記錄反射率期望值與實測值偏差較大[5]。

（2）系統(tǒng)檢查。接收機(jī)斷電重啟，rda電腦重啟，進(jìn)行幾組反射率標(biāo)定和動態(tài)范圍測試反射率最大差值在-250左右浮動；關(guān)閉RDA狀態(tài)監(jiān)控后反射率標(biāo)定最大差值在0.66和動態(tài)范圍測試102。關(guān)閉伺服電源，到天線罩將上光端機(jī)的XS2線纜取下，中斷標(biāo)定信號源的供電和控制信號路徑；RDA狀態(tài)監(jiān)控、伺服恢復(fù)供電，發(fā)射機(jī)各項狀態(tài)復(fù)位同時本控切換遙控，確定發(fā)射機(jī)各項無報警顯示[6]。rda電腦刪除RDACALIB.DAT文件，config文件夾中將rdasc.conf文件ts_enable=1改成0，使得TS 差分反射率標(biāo)定處于關(guān)閉狀態(tài)。

3 故障排查思路

天氣雷達(dá)的標(biāo)定控制信號流程路圖2所示。雷達(dá)運(yùn)行由RDA計算機(jī)發(fā)出的命令驅(qū)動后，通過上下光纖板將命令經(jīng)RS232串口送到數(shù)字控制單元DCU并控制功放單元，實現(xiàn)對天線的姿態(tài)控制[7]；通過DAU大底板、上下光纖板反饋運(yùn)行狀態(tài)信息。雷達(dá)的運(yùn)行過程中標(biāo)定信號來自兩個位置，標(biāo)定信號1為傳統(tǒng)單偏振的CW/RFD/NOISE/KD信號，標(biāo)定信號2為天線上的在線標(biāo)定信號源，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)入接收機(jī)，兩個標(biāo)定信號互補(bǔ)，避免因標(biāo)定信號本身的問題帶來的誤修訂。大體判定是由于雷達(dá)電磁脈沖造成標(biāo)定信號源、上、下光纖板、控制線路的故障，需進(jìn)一步進(jìn)行排查。

圖2 天氣雷達(dá)的標(biāo)定控制信號流程路圖

4 檢查維修過程

按步驟做如下檢查：

（1）上光纖板清潔和檢查。切斷天線、上光端機(jī)供電后用毛刷吸塵器對上光端機(jī)箱內(nèi)電源模塊、上光纖板的灰塵進(jìn)行清潔，檢查光纖板的每一控制模塊芯是否對應(yīng)針腳，控制信號線電源線插頭穩(wěn)固，以免成接觸不良。

（2）采用排查法對控制模塊檢查。將備用上光纖板的控制模塊換到U9（33）和U10（31）位置，注意檢查芯片的正反，對腳座的缺口，逐一進(jìn)行控制標(biāo)定檢查。最后整塊上下光纖板更換。反射率標(biāo)定最大差值在-200左右浮動[8]。

（3）標(biāo)定信號2模塊檢查。標(biāo)定信號2安裝在天線反射體背面，信號源受 WRSP信處控制，在每個 PPI間隔處于開啟狀態(tài)，即天線抬仰角時就可以完成一次標(biāo)定，以VCP21D為例，一個體掃可以標(biāo)定9次。標(biāo)定結(jié)果包含了關(guān)節(jié)隨方位帶來的幅度和相位的變化。幅度隨方位360度旋轉(zhuǎn)，變化了0.04dB。相位隨方位360度旋轉(zhuǎn)，變化了1.10度。將上標(biāo)定信號源2、上光纖板、下光纖板全部更換完之后，反射率標(biāo)定和動態(tài)范圍測試均在正常范圍；config文件夾中將rdasc.conf文件ts_enable=0改回1，每個體掃間隔做一次標(biāo)定。用機(jī)內(nèi)的CW連續(xù)波信號檢查兩個接收通道的幅度差異。報警值478 TS DIFFERENTIAL REFL CAL DEGRADED（TS差分反射率標(biāo)定變壞）已經(jīng)消除，恢復(fù)雷達(dá)的正常運(yùn)行[9]。

5 總結(jié)分析

標(biāo)校信號源也是雙偏振雷達(dá)新增加的部件，通過雙通路關(guān)節(jié)及接收通路定標(biāo)。該次故障為強(qiáng)雷暴天氣過程中，電磁脈沖將信號源、上光纖板及下光纖板中的內(nèi)部元件擊穿，導(dǎo)致信號源處于常開狀態(tài)，使得產(chǎn)品出現(xiàn)強(qiáng)回波壞圖。這次雷達(dá)故障的排除過程，從雷達(dá)報警信息及標(biāo)定控制信號流程路圖進(jìn)行故障排查和處理，有助于提高并加快解決雷達(dá)故障[10]。

6 結(jié)語

天氣雷達(dá)在防災(zāi)減災(zāi)中發(fā)揮著重要作用，新一代雙偏振多普勒氣象雷達(dá)相對單偏振雷達(dá)增加很多部件，需要熟練掌握其組成結(jié)構(gòu)及工作原理，準(zhǔn)確分析故障原因，及時排除故障。氣象工作人員要在實踐中，積極地探索和總結(jié)，不斷地提高業(yè)務(wù)素質(zhì)，更好地為氣象工作服務(wù)。同時探測裝備對于直擊雷的防護(hù)相當(dāng)成熟，但對于雷電電磁脈沖的防護(hù)還有很大的進(jìn)步空間；且雷達(dá)站多處在地勢較高處，同時各省市雷暴天氣均有區(qū)域分布，可根據(jù)區(qū)域性差異進(jìn)行備件的存儲，進(jìn)一步提高故障處理的時效。