舒 童，王娟娟，張新剛，舒 毅

(1.焦作市氣象局，焦作 454003；2.泉州市氣象局，泉州 362000；3.修武縣氣象局，修武 454350)

0 引言

X波段天氣雷達(dá)是探測(cè)中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的有效工具之一。724XD多普勒天氣雷達(dá)是由中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七二四研究所研制生產(chǎn)的一款X波段中頻相參體制的脈沖多普勒雷達(dá)，它不僅能夠探測(cè)云高、云厚、云底高、云內(nèi)含水量、云中流場(chǎng)徑向分量及風(fēng)暴中的氣流和湍流的活動(dòng)區(qū)，而且對(duì)300 km 的中尺度風(fēng)暴、強(qiáng)的風(fēng)切變、冰雹、龍卷風(fēng)和大風(fēng)等災(zāi)害性天氣具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警的能力，同時(shí)具有探測(cè)晴空大氣獲得環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的能力[1]，在一些地區(qū)性實(shí)時(shí)氣象業(yè)務(wù)和科研的外場(chǎng)試驗(yàn)、重大工程建設(shè)的氣象保障和防災(zāi)抗災(zāi)的氣象服務(wù)中發(fā)揮著重要的作用。

張凱[2]等對(duì)724XD移動(dòng)雷達(dá)車及其應(yīng)用進(jìn)行了總體介紹；李毅聰[3]等列舉了X波段車載多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)常見(jiàn)的問(wèn)題和相應(yīng)的解決辦法；馬建華[4]等就X波段數(shù)字化雷達(dá)發(fā)射機(jī)的基本原理及故障檢修進(jìn)行了分析。但目前國(guó)內(nèi)尚未對(duì)724XD多普勒天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)開(kāi)展較全面的故障診斷和檢修方法的分析研究。文章通過(guò)分析724XD多普勒天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理，結(jié)合雷達(dá)工作信號(hào)流程，總結(jié)出該型號(hào)雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的故障診斷分析方法及檢修流程，為724XD及與其類似雷達(dá)的日常維護(hù)維修工作提供參考。

1 724XD天氣雷達(dá)主要信號(hào)流程及發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成與功用

1.1 主要信號(hào)流程

724XD多普勒天氣雷達(dá)屬于車載雷達(dá)，其整機(jī)工作主要信號(hào)流程框架簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 724XD天氣雷達(dá)主要信號(hào)流程框架

全機(jī)操控命令信號(hào)由雷達(dá)終端經(jīng)千兆以太網(wǎng)絡(luò)下達(dá)至信號(hào)處理系統(tǒng)，再由信號(hào)處理系統(tǒng)分別傳送至發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和伺服系統(tǒng)，各分機(jī)狀態(tài)參數(shù)再由信號(hào)處理系統(tǒng)匯集上傳至雷達(dá)終端。全機(jī)所需的高穩(wěn)定基準(zhǔn)頻率信號(hào)均來(lái)自信號(hào)處理系統(tǒng)。

1.2 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成及功用

1.2.1 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成

根據(jù)724XD天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)器件組成，可以將發(fā)射機(jī)系統(tǒng)分為電源分系統(tǒng)、調(diào)制和控保分系統(tǒng)以及大功率微波器件系統(tǒng)3部分(圖2)。

圖2 724XD天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成

1.2.2 724XD天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)各部分功用

1)電源分系統(tǒng)

電源分系統(tǒng)主要分為高壓電源和低壓電源。高壓電源主要由整流濾波、觸發(fā)器、逆變器、變壓器、比較放大和檢測(cè)保護(hù)電路組成，220 V/50 Hz的交流電源經(jīng)過(guò)變壓器升壓和整流濾波后輸出1 kV的直流高壓，為調(diào)制器提供高電壓和大電流，以便調(diào)制器能夠提供所需功率的高壓脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)磁控管正常工作。當(dāng)輸入的220 V/50 Hz交流電源或負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓也會(huì)變化，通過(guò)比較放大電路引發(fā)觸發(fā)器控制逆變器調(diào)節(jié)工作頻率來(lái)保證輸出電壓的穩(wěn)定。當(dāng)高壓電源的負(fù)載發(fā)生過(guò)載或短路時(shí)，其檢測(cè)保護(hù)電路會(huì)引發(fā)觸發(fā)器動(dòng)作，關(guān)斷高壓電源，同時(shí)切斷220 V交流電源，調(diào)制和控保分系統(tǒng)中的高壓故障指示燈亮起。

低壓電源用于向控保電路提供15 V、26 V和35 V 3種直流電源。

2)調(diào)制和控保分系統(tǒng)

該雷達(dá)發(fā)射機(jī)調(diào)制器是可變換脈寬的固態(tài)調(diào)制器，調(diào)制器向磁控管提供約12 kV的陰極調(diào)制脈沖，燈絲電源隨工作比不同提供磁控管所需的燈絲電壓，保證磁控管正常發(fā)射。調(diào)制和控保分系統(tǒng)有以下功能：

①脈沖放大：放大定時(shí)器觸發(fā)脈沖，驅(qū)動(dòng)調(diào)制器開(kāi)關(guān)管。

②過(guò)流保護(hù)：對(duì)磁控管脈沖電流取樣并與基準(zhǔn)值比較，若高于基準(zhǔn)值，則關(guān)斷高壓。

③預(yù)熱控制：利用定時(shí)電路進(jìn)行5 min延時(shí)，以保證磁控管有足夠的預(yù)熱時(shí)間。預(yù)熱完成后，預(yù)熱指示燈亮，允許施加高壓。

④人工線脈寬控制：通過(guò)電子開(kāi)關(guān)控制真空繼電器，實(shí)現(xiàn)人工線的脈寬控制。

⑤燈絲控制：通過(guò)電子開(kāi)關(guān)控制微型繼電器動(dòng)作，對(duì)燈絲提供不同的電源電壓，以適應(yīng)不同的工作方式。

⑥調(diào)制電路：發(fā)射脈沖剛結(jié)束時(shí)，調(diào)制電路充電；經(jīng)過(guò)1個(gè)充電周期后，進(jìn)入等待狀態(tài)；觸發(fā)脈沖到來(lái)后，進(jìn)入放電階段。

⑦故障保護(hù)：將高壓電源、磁控管等過(guò)流故障匯集到1個(gè)門電路，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，門電路通過(guò)繼電器動(dòng)作自動(dòng)關(guān)斷高壓。

3)大功率微波器件系統(tǒng)

724XD天氣雷達(dá)采用了同軸磁控管結(jié)合數(shù)字自頻調(diào)和數(shù)字相位校正、數(shù)字中頻、數(shù)字鑒相等技術(shù)。整部雷達(dá)除了射頻脈沖的初始相位隨每個(gè)發(fā)射脈沖有隨機(jī)抖動(dòng)外，其他的信號(hào)相位都是相參的。在定時(shí)脈沖的同步下，同軸磁控管受脈沖調(diào)制器的控制，振蕩產(chǎn)生一定脈寬的射頻信號(hào)，在由TR管和四端環(huán)流器組成的收發(fā)開(kāi)關(guān)的控制下，經(jīng)饋線和天線系統(tǒng)發(fā)射出去。

2 724XD天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)故障診斷方法及檢修流程

2.1 故障診斷方法

通過(guò)圖1可以看出，發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的故障可能來(lái)自發(fā)射機(jī)系統(tǒng)自身，也可能來(lái)自發(fā)射機(jī)系統(tǒng)外部，文章結(jié)合終端回波顯示和軟件終端的實(shí)時(shí)控制及系統(tǒng)狀態(tài)面板顯示進(jìn)行綜合判斷。

當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)面板的“發(fā)射機(jī)故障”指示燈亮起，其他系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)正常，同時(shí)實(shí)時(shí)控制面板“系統(tǒng)控制”欄的“發(fā)射狀態(tài)”指示燈顯示為紅色時(shí)，點(diǎn)擊“發(fā)射狀態(tài)”的“復(fù)位”按鈕，若發(fā)射機(jī)系統(tǒng)恢復(fù)正常，則故障可能是偶然性的；若不能恢復(fù)正常，則發(fā)射機(jī)系統(tǒng)自身出現(xiàn)故障。

當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)面板的“發(fā)射機(jī)故障”指示燈亮起，其他系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)不正常時(shí)，除發(fā)射機(jī)系統(tǒng)自身故障外，還應(yīng)檢查與之相關(guān)聯(lián)的信號(hào)處理系統(tǒng)是否發(fā)生故障。

因此，當(dāng)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，多表現(xiàn)為終端畫(huà)面無(wú)回波顯示，并伴隨有發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的故障指示。

2.2 故障檢修流程

結(jié)合發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的組成和故障診斷方法[5，6]，可以總結(jié)出檢修724XD天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)相關(guān)電路的流程如圖3所示。

圖3 724XD天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)故障檢修流程

當(dāng)判定為發(fā)射機(jī)系統(tǒng)故障時(shí)，應(yīng)從系統(tǒng)的控制保護(hù)電路開(kāi)始檢修[5-7]，而向控制保護(hù)電路提供直流電壓的低壓電源則是首個(gè)被檢修對(duì)象，首先檢修低壓電源對(duì)應(yīng)的保險(xiǎn)絲是否斷開(kāi)，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)是否打開(kāi)。若低壓電源正常，則應(yīng)檢修控制保護(hù)電路對(duì)應(yīng)的各繼電器等是否正常。

在控制保護(hù)電路正常的情況下，應(yīng)分別檢修為調(diào)制電路提供電壓的高壓電源和燈絲電源是否正常。檢修高壓電源時(shí)，也是首先檢修電源輸入保險(xiǎn)絲是否斷開(kāi)，其次檢查調(diào)壓電位器是否正常，最后依次檢查整流濾波電路、控制與驅(qū)動(dòng)電路、初級(jí)功率電路和高頻功率變壓器工作是否正常。

燈絲電源與調(diào)制器在同一層機(jī)柜，檢修燈絲電源的同時(shí)還應(yīng)檢查調(diào)制器電路的充電電感、人工線、脈沖變壓器工作情況和脈沖放大電路及反峰阻尼電路是否工作正常[8，9]。

無(wú)源氣體放電管(TR管)的檢修：一是檢測(cè)其工作時(shí)是否加載有800 V的直流電壓；二是通過(guò)檢測(cè)其測(cè)試電極上的電流大小判斷其好壞，TR管正常工作時(shí)，電流為50～100 μA。

磁控管的檢修可以通過(guò)實(shí)際功率及重復(fù)頻率測(cè)量與終端“系統(tǒng)狀態(tài)”顯示相結(jié)合進(jìn)行檢修，磁控管正常工作狀態(tài)的脈沖功率為50～75 kW，工作分兩種脈寬，對(duì)應(yīng)不同的重復(fù)頻率，脈寬為1 μs時(shí)，重復(fù)頻率為500 Hz；脈寬為0.5 μs時(shí)，重復(fù)頻率為1500 Hz/2000 Hz單重頻和2000 Hz/1500 Hz、1500 Hz/1125 Hz雙重頻。

當(dāng)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，而發(fā)射機(jī)系統(tǒng)各獨(dú)立電路運(yùn)行正常時(shí)，則應(yīng)檢修連接各電路的電纜、饋線、波導(dǎo)等是否異常。

3 724XD天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)故障檢修實(shí)例分析

3.1 故障實(shí)例一

故障現(xiàn)象：終端畫(huà)面無(wú)回波顯示，終端實(shí)時(shí)處理軟件系統(tǒng)狀態(tài)面板的“發(fā)射機(jī)故障”指示燈亮起，其他系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)正常，且實(shí)時(shí)控制面板“系統(tǒng)控制”欄的“發(fā)射狀態(tài)”指示燈顯示為紅色。

故障檢修過(guò)程：首先點(diǎn)擊“復(fù)位”按鈕對(duì)高壓進(jìn)行復(fù)位，發(fā)現(xiàn)故障未被排除，說(shuō)明不是偶然性故障；其次檢查低壓電源保險(xiǎn)絲，發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)絲沒(méi)有斷開(kāi)，低壓電源工作正常；然后檢查控保電路的各繼電器，查看是否為繼電器故障引發(fā)的誤動(dòng)作，檢查結(jié)果為各繼電器均正常；最后檢查高壓電源電路，發(fā)現(xiàn)高壓電源電路中的維修開(kāi)關(guān)置于“OFF”，而正常情況應(yīng)是置于“ON”，將開(kāi)關(guān)重新置位后，雷達(dá)重新開(kāi)機(jī)，恢復(fù)正常。

故障原因診斷分析：終端畫(huà)面無(wú)回波顯示，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)系統(tǒng)都存在發(fā)生故障的可能性，但通過(guò)終端畫(huà)面和軟件處理系統(tǒng)指示分析，判斷為明顯的發(fā)射機(jī)系統(tǒng)故障。逐級(jí)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)是因雷達(dá)例檢時(shí)將維修開(kāi)關(guān)置于“OFF”后忘記置回，導(dǎo)致功率電路電源被切斷，高壓電源不能工作，從而發(fā)射機(jī)系統(tǒng)不能產(chǎn)生高壓脈沖。

3.2 故障實(shí)例二

故障現(xiàn)象：雷達(dá)在正常運(yùn)行過(guò)程中，終端回波畫(huà)面突然消失，顯示面板上的“過(guò)流”指示燈亮起，“發(fā)射狀態(tài)”指示燈顯示為紅色。

故障檢修過(guò)程：將雷達(dá)重新開(kāi)機(jī)，故障現(xiàn)象仍然存在。首先嘗試對(duì)高壓進(jìn)行復(fù)位，故障未被排除；其次檢查輸入的交流電源正常，各保險(xiǎn)絲并沒(méi)有斷開(kāi)；然后圍繞“過(guò)流”現(xiàn)象依次檢測(cè)高壓電源輸出和磁控管輸出，均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；最后檢查調(diào)制器的控保電路是否有誤動(dòng)作，更換新的控保電路板后，雷達(dá)重新開(kāi)機(jī)，故障被排除。

故障原因診斷分析：過(guò)流現(xiàn)象故障將維修人員引入1個(gè)過(guò)流故障的誤區(qū)，因?yàn)榭乇ｋ娐分惺菍⒍鄠€(gè)過(guò)流故障信號(hào)進(jìn)行匯集后進(jìn)行顯示，但其中只要有1個(gè)過(guò)流故障信號(hào)就會(huì)有過(guò)流故障指示，因此不得不逐一逐級(jí)進(jìn)行排除，然后才能確定故障問(wèn)題出現(xiàn)的位置。

4 結(jié)束語(yǔ)

724XD天氣雷達(dá)電路多為集成電路，出現(xiàn)故障時(shí)，采用替換法通常能很好地查出故障并解決問(wèn)題[10]，但該方法對(duì)備件量要求較高。而在采用正確測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合合理的診斷方法和判斷流程檢修故障，是故障檢修的基本方法。掌握發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的部件組成及相關(guān)工作流程是判斷其故障的基礎(chǔ)，但在進(jìn)行故障檢修過(guò)程中還應(yīng)綜合考慮，逐級(jí)分段分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因。