氣象雷達(dá)原理及故障維護(hù)

劉 康，陳 陽(yáng)

（廣東省肇慶市氣象局，廣東 肇慶 526000）

氣象雷達(dá)是探測(cè)氣象情況以及其他氣象信息，可以及時(shí)了解到探測(cè)目標(biāo)的輪廓、雷雨區(qū)的強(qiáng)度、雷雨區(qū)的方位和距離等信息，并且將信息反饋到顯示設(shè)備上。氣象雷達(dá)在天氣預(yù)警和預(yù)報(bào)過(guò)程中的應(yīng)用十分廣泛，是各種天氣系統(tǒng)的主要探測(cè)工具之一，常規(guī)的雷達(dá)裝置主要包括定向天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線控制器、顯示器等部分，每一個(gè)裝置協(xié)調(diào)發(fā)揮作用，在各種災(zāi)害性、突發(fā)性天氣的預(yù)報(bào)和警報(bào)中具有極其重要的作用。

1 氣象雷達(dá)的工作原理

氣象雷達(dá)的基本原理是通過(guò)目標(biāo)對(duì)雷達(dá)波的反射情況來(lái)確定目標(biāo)的位置和特性，如果目標(biāo)物體的導(dǎo)電性能越好，則目標(biāo)物體對(duì)雷達(dá)波的反射能力也就越強(qiáng)，反射的面積也越大，反射能量越高。物體的幾何尺寸和波長(zhǎng)相差很大的時(shí)候，反射的能量將會(huì)變?nèi)?，如果目?biāo)物體的反射面的直徑可以和雷達(dá)波的波長(zhǎng)相比擬，則反射的能量也會(huì)明顯升高。目前用于氣象探測(cè)的雷達(dá)的工作頻率一般都為200～10 000 MHz。氣象雷達(dá)的工作原理具體包括以下幾個(gè)方面[1]。

1.1 距離測(cè)定

對(duì)目標(biāo)物體與底地面之間的距離進(jìn)行測(cè)定是氣象雷達(dá)的主要任務(wù)，氣象雷達(dá)發(fā)射的電磁波是以光速在空中傳播的，通過(guò)測(cè)量之后可以接收到目標(biāo)回波信號(hào)，接收到回波信號(hào)與發(fā)射脈沖之間的時(shí)間間隔為t，則可以計(jì)算得出測(cè)量目標(biāo)與飛機(jī)之間的距離為L(zhǎng)=ct/2，其中c為光速。目標(biāo)物體的距離的分辨力主要決定于脈沖的寬度，如果先要提高區(qū)分近距離目標(biāo)的能力，則必須要使用比較窄的脈沖寬度。

1.2 方位測(cè)定

對(duì)目標(biāo)物體的方位進(jìn)行測(cè)定，主要是通過(guò)測(cè)定雷達(dá)天線波束軸的瞬時(shí)方位來(lái)確定的。雷達(dá)天線所形成的波束呈圓錐形，寬度較窄，當(dāng)雷達(dá)的天線指向某一個(gè)特定的方位的時(shí)候，只有在這一個(gè)方位上的物體產(chǎn)生的目標(biāo)回波才能被雷達(dá)接收到，并且由雷達(dá)裝備將接收到的回波信號(hào)傳輸給顯示器，在顯示器上顯示出實(shí)際方位。雷達(dá)的方位分辨能力主要取決于天線水平面內(nèi)的波束寬度，寬度越窄，分辨能力也就越好。

1.3 降水探測(cè)

氣象雷達(dá)（見(jiàn)圖1）是監(jiān)測(cè)氣象狀況的主要工具，因此對(duì)降水進(jìn)行探測(cè)是氣象雷達(dá)監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。雨、冰雹、雪等物質(zhì)都屬于導(dǎo)電的水物質(zhì)，氣象雷達(dá)可以探測(cè)到雨滴或者比較潮濕的冰雹，但是對(duì)于云、霧、干燥的冰雹等無(wú)法探測(cè)到，含水的物質(zhì)可以對(duì)雷達(dá)發(fā)射出來(lái)的射頻脈沖能量進(jìn)行吸收，并且還會(huì)有一部分能量被損耗，其余的能量將被反射回來(lái)。在雷達(dá)的有效監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，都可以對(duì)反射的信號(hào)進(jìn)行接收，具有一定直徑和密度的降雨區(qū)域可以產(chǎn)生有效的回波，從而被氣象雷達(dá)監(jiān)測(cè)出來(lái)。根據(jù)氣象雷達(dá)監(jiān)測(cè)到的發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱，可以推斷出目標(biāo)物體的含水量，在顯示器上可以區(qū)分出不同的目標(biāo)性質(zhì)、強(qiáng)弱狀態(tài)等。

圖1 氣象雷達(dá)

1.4 湍流檢測(cè)

湍流指的是大氣中運(yùn)動(dòng)的、多變的氣流，氣流的變化對(duì)于飛機(jī)的平穩(wěn)飛行有很大影響，會(huì)使進(jìn)入湍流中的飛機(jī)產(chǎn)生顛簸現(xiàn)象，甚至可能對(duì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)造成破壞，一般暴雨天氣會(huì)伴隨湍流出現(xiàn)，其危害十分嚴(yán)重。在氣象雷達(dá)檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)湍流的監(jiān)測(cè)也異常重要。湍流的監(jiān)測(cè)主要是根據(jù)多普勒原理實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槎嗥绽疹l移與相對(duì)速度之間的偏差成正比，具體公式為f=2v/λ。雷達(dá)接收機(jī)可以接收到相應(yīng)的信號(hào)，對(duì)信號(hào)的多普勒頻譜寬度和規(guī)定的參數(shù)之間進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際得到的值比參數(shù)值大，則可以判定出目標(biāo)是湍流，并且給出相應(yīng)的報(bào)警信息。需要注意的是，氣象雷達(dá)并不能探測(cè)到干燥的湍流。

1.5 風(fēng)切變檢測(cè)

風(fēng)切變指的是在一個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)風(fēng)速和風(fēng)向突然發(fā)生改變的情況，這種情況對(duì)于飛機(jī)的飛行也有十分嚴(yán)重的危害，是造成事故的主要原因，尤其是低空風(fēng)切變，對(duì)飛機(jī)起飛、著陸等有很大的安全隱患。氣象雷達(dá)可以進(jìn)行風(fēng)切變檢測(cè)，具體原理是根據(jù)風(fēng)切變區(qū)域產(chǎn)生的回波信號(hào)的多普勒頻移的頻譜特征來(lái)確定風(fēng)切變情況。

2 氣象雷達(dá)的故障維護(hù)

氣象雷達(dá)的利用率很高，日常使用比較頻繁，而且與氣象雷達(dá)相關(guān)聯(lián)的其他系統(tǒng)也比較多、復(fù)雜，所以氣象雷達(dá)使用過(guò)程中出現(xiàn)故障也是不可避免的。在氣象雷達(dá)的使用過(guò)程中，常見(jiàn)的故障有以下幾種[2-3]。

2.1 雷達(dá)不掃描

氣象雷達(dá)不能掃描是雷達(dá)使用過(guò)程中的常見(jiàn)故障，主要是由于天線組故障引起的。天線組有掃描和俯仰兩個(gè)通道，掃描通道主要用于對(duì)波束進(jìn)行掃描，可以完成具體的目標(biāo)的探測(cè)，如果掃描通道不能掃描，則天線組無(wú)法正常工作。天線組包括電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置等部分，主要的故障原因是電機(jī)損壞以及卡阻，所以在檢測(cè)故障的時(shí)候要觀察電機(jī)是否損壞，如果電機(jī)損壞，要及時(shí)進(jìn)行更換，如果電機(jī)中有異物導(dǎo)致電機(jī)被卡阻，則要及時(shí)清除異物。

2.2 雷達(dá)圖像顯示不正確

造成雷達(dá)的圖像顯示錯(cuò)誤的原因主要有3種：第一種是顯示器出現(xiàn)故障，第二種是雷達(dá)的收發(fā)機(jī)內(nèi)部的電路出現(xiàn)異常，第三種是平板天線或波導(dǎo)管內(nèi)有灰塵以及其他雜物。在維護(hù)的時(shí)候，首先檢查顯示器，看顯示器能否正常顯示，如果顯示器出現(xiàn)故障，不能正常顯示，則要及時(shí)更換顯示器；然后檢查插頭、插座、波導(dǎo)管連接處等位置，發(fā)現(xiàn)松動(dòng)、異常情況時(shí)要及時(shí)處理；最后再定期對(duì)收發(fā)機(jī)、通風(fēng)管、波導(dǎo)管、平板天線等進(jìn)行清潔。

2.3 雷達(dá)不能正常運(yùn)行

雷達(dá)不能正常運(yùn)行的主要原因有兩個(gè)方面，一個(gè)是由于雷達(dá)的供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，另一個(gè)則是由于收發(fā)機(jī)的內(nèi)部電路不能正常工作。在維護(hù)過(guò)程中，首先要檢查雷達(dá)系統(tǒng)的相關(guān)開(kāi)關(guān)是否出現(xiàn)在正確的狀態(tài)，然后對(duì)控制盒進(jìn)行確認(rèn)，并且對(duì)雷達(dá)進(jìn)行操作調(diào)試，確保雷達(dá)的天線底座上的馬達(dá)以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以正常工作。如果完成以上步驟之后故障還是存在，則需要及時(shí)更換收發(fā)機(jī)，然后進(jìn)行操作測(cè)試。

2.4 氣象雷達(dá)的散熱問(wèn)題

氣象雷達(dá)使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，散熱是否良好，對(duì)氣象雷達(dá)的工作性能有較大影響。比如雷達(dá)的顯示器如果散熱不好，則會(huì)導(dǎo)致顯示器超溫，圖像丟失，當(dāng)顯示器的溫度超過(guò)80 ℃的時(shí)候就會(huì)切斷氣象雷達(dá)的顯示。影響其通風(fēng)散熱效果的主要原因是后部的濾紙堵塞，在雷達(dá)的運(yùn)行過(guò)程中，必須要隨時(shí)檢查其后部的濾紙是否被堵塞，一旦發(fā)現(xiàn)有堵塞狀況，要及時(shí)進(jìn)行清理。另外，散熱不好還會(huì)影響顯示圖像的強(qiáng)弱，此時(shí)要關(guān)注顯示器的背景色旋鈕是否在對(duì)應(yīng)位置上，確保其處于正常位置。

2.5 接收信號(hào)故障

外部環(huán)境對(duì)雷達(dá)的運(yùn)行有很大影響，比如當(dāng)雨水進(jìn)入波導(dǎo)管之后可能會(huì)導(dǎo)致波導(dǎo)管被燒毀；雷達(dá)的平板天線都采用縫隙天線陣，每一個(gè)縫隙都是一個(gè)半波對(duì)稱振子，如果有積水則會(huì)改變雷達(dá)天線的介電常數(shù)，使得每一個(gè)縫隙的等效長(zhǎng)度不能再作為半波振子，天線方向上得不到最大輻射電場(chǎng)，所以雷達(dá)天線接收到的目標(biāo)反射波能量就很小，導(dǎo)致雷達(dá)接收機(jī)處理信號(hào)后誤認(rèn)為前方雷雨或天線故障。針對(duì)這種問(wèn)題，必須要加強(qiáng)對(duì)雷達(dá)的日常保護(hù)，注意雷達(dá)罩的密封良好，無(wú)破損。氣象雷達(dá)故障一般發(fā)生在氣候多變時(shí)期，尤其是降水量較大的春季和夏季，雷達(dá)超負(fù)荷工作會(huì)導(dǎo)致故障率升高，所以在這些時(shí)期必須要加強(qiáng)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的嚴(yán)格檢查。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，氣象雷達(dá)是對(duì)氣象信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)的主要設(shè)備，在氣象檢測(cè)領(lǐng)域具有十分重要的作用。氣象雷達(dá)通過(guò)發(fā)射脈沖波，被目標(biāo)物體反射之后由雷達(dá)設(shè)備接收反射回波，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)物體的位置、方位、強(qiáng)度等進(jìn)行測(cè)試。在氣象雷達(dá)的使用過(guò)程中，要及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)、維護(hù)，確保設(shè)備可以正常運(yùn)行。