WXR-270 氣象雷達(dá)典型故障分析

周國棟 付旭東 劉鑄/凌云科技集團(tuán)有限責(zé)任公司

0 引言

氣象雷達(dá)是飛行中的重要一環(huán)，為飛行員提供前方航線的氣象依據(jù)。氣象雷達(dá)出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致飛行員無法正確判斷前方是否有惡劣氣象，嚴(yán)重時(shí)可能造成飛機(jī)返航，因此需重視其維護(hù)。近幾年，隨著裝機(jī)年限的增加，WXR-270氣象雷達(dá)的故障率越來越高，內(nèi)外場出現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)弱、雷達(dá)跟蹤不穩(wěn)定等多發(fā)性典型故障。為此，對其進(jìn)行故障原因分析，為從事該項(xiàng)維護(hù)工作的人員提供思路和方法。

1 WXR-270 氣象雷達(dá)工作原理

氣象雷達(dá)是利用雨滴、云狀滴、冰晶、雪花等目標(biāo)對電磁波的散射作用來探測大氣中的降水，因此，包含有較大雨滴的空中降雨區(qū)域會(huì)對氣象雷達(dá)天線所輻射的X 波段的電磁波產(chǎn)生一定程度的反射，形成降雨區(qū)域的雷達(dá)回波。在飛行時(shí)，垂直陀螺將姿態(tài)信號(hào)送入天線實(shí)現(xiàn)空域穩(wěn)定功能，收發(fā)機(jī)的發(fā)射部分產(chǎn)生高能量的射頻脈沖并通過天線向外輻射，天線輻射高能量的射頻信號(hào)并接收從雷達(dá)目標(biāo)（降雨、地形、信標(biāo)等）反射回來的回波信號(hào)，接收機(jī)接收、檢測從天線來的回波信號(hào)，經(jīng)放大、檢波后轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的信號(hào)送到顯示器。雷達(dá)的簡要工作原理如圖1 所示。

WXR-270 氣象雷達(dá)主要由WXT-250A/B 收 發(fā) 機(jī)、ANT-312/318 天 線、IND-270 顯示器和波導(dǎo)組成。

2 典型故障1

2.1 故障現(xiàn)象

飛行時(shí)雷達(dá)顯示目標(biāo)偏少,雷達(dá)目標(biāo)弱。

2.2 原因分析

雷達(dá)最大作用距離：

依據(jù)雷達(dá)方程，目標(biāo)變?nèi)蹩煽紤]最小可檢測信號(hào)Simin變大或者雷達(dá)發(fā)射峰值功率Pt變小等因素。雷達(dá)方程中，當(dāng)其他因素一定時(shí)，Pt越大則作用距離越遠(yuǎn)，顯示器上目標(biāo)越強(qiáng)。發(fā)射機(jī)峰值功率受調(diào)制電路控制，眾多高頻高壓器件如磁控管、脈沖電容、脈沖變壓器等均影響整機(jī)的發(fā)射功率。調(diào)制器組件產(chǎn)生磁控管所需的高壓脈沖，當(dāng)振蕩電路開始工作時(shí)，給脈沖形成網(wǎng)絡(luò)（由電容器C1 ～C11 及電感L1 組成）充電，當(dāng)充電到一個(gè)門限（典型值為-330V）后，經(jīng)過T1 放電生成一個(gè)+4500V 的二次脈沖施加到磁控管的陽極，激發(fā)磁控管產(chǎn)生所需要的高頻脈沖。通過給RD-301A雷達(dá)綜合測試儀外接一個(gè)頻譜分析儀來檢測磁控管的信號(hào)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)波瓣正常、中心頻率漂移正常，整個(gè)頻譜穩(wěn)定無畸變，由此判定磁控管工作正常。根據(jù)信號(hào)流向溯源至脈沖形成網(wǎng)絡(luò)，用雙蹤示波器分別監(jiān)控近、遠(yuǎn)距脈沖信號(hào)，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距（C1 ～C11）波形基本正常，但是上升沿和下降沿有畸變，判定其中存在電容充放電異常情況。

2.3 排除方法

用雙蹤示波器監(jiān)控近距（C1 ～C2）波，形成山峰狀畸變，由此鎖定電容中有一個(gè)已經(jīng)損壞。檢測分析電容的損失角D 和沖擊電壓等參數(shù)后，確定C1 電容性能失效，更換后故障排除。

圖1 雷達(dá)工作簡圖

3 典型故障2

3.1 故障現(xiàn)象

飛行時(shí)雷達(dá)跟蹤不穩(wěn)定，顯示目標(biāo)時(shí)偶發(fā)性出現(xiàn)強(qiáng)弱變化。

3.2 原因分析

在外界參數(shù)一定的情況下，影響雷達(dá)目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定的因素為發(fā)射機(jī)的發(fā)射峰值功率Pt和接收機(jī)的最小檢測門限 Simin。影響發(fā)射峰值功率Pt的主要元器件是調(diào)制電容C1 ～C11；影響Simin參數(shù)的因素主要有信號(hào)帶寬和檢測需要的信噪比，信號(hào)帶寬波動(dòng)超出容限可導(dǎo)致顯示器上目標(biāo)帶出現(xiàn)明顯的強(qiáng)弱變化，而信噪比則直接影響信號(hào)的接收門限，信噪比與信號(hào)帶寬需要嚴(yán)格匹配。該雷達(dá)故檢發(fā)現(xiàn)最小可檢測信號(hào)Simin浮動(dòng)較大。信號(hào)帶寬、信噪比受收發(fā)機(jī)內(nèi)A5中頻/視頻板調(diào)控，中頻電路主要是從中頻信號(hào)中檢波并分離出雷達(dá)目標(biāo)信息，再將其處理成相應(yīng)的視頻信號(hào)供雷達(dá)顯示器用。

首先分析發(fā)射峰值功率Pt因素。影響發(fā)射峰值功率Pt的主要元器件是調(diào)制電容C1 ～C11，使用的調(diào)制電容為金屬化塑料薄膜電容，其材質(zhì)被高壓擊穿后，只要移去高壓即可自行恢復(fù)原功能。由于金屬化薄膜電容不像電解電容那樣可以通過測量充放電來判別電容的好壞，電容檢測只能看其容值是否在范圍內(nèi)、損失角是否正常等，故采用雙蹤示波器分別監(jiān)控近、遠(yuǎn)距脈沖信號(hào)來判定電容好壞。檢查發(fā)現(xiàn)C1 ～C11 波形正常，未發(fā)現(xiàn)異常。

再分析接收機(jī)最小檢測門限Simin因素。雷達(dá)的中頻峰值響應(yīng)頻率為60MHz，混頻信號(hào)通過J1、J2 接入中頻板60MHz 前置放大電路，經(jīng)輸入調(diào)諧、前置放大調(diào)整及輸出調(diào)諧模塊處理后送入下一級(jí)電路。TP1 上為某一帶有信息的60MHz 載波信號(hào)，監(jiān)測時(shí)信號(hào)較為穩(wěn)定，示波器監(jiān)測下的波形曲線平滑穩(wěn)定，經(jīng)調(diào)整調(diào)諧電容C7、C8至最佳狀態(tài)，將故障隔離至下一級(jí)處理電路。STC（靈敏度時(shí)間控制）單元將前置放大器輸出的信號(hào)與第二本振Y1（50.4MHz）混頻，產(chǎn)生9.6MHz 第二中頻信號(hào)，并將其施加到第1、2 中頻放大器U5、U6，信號(hào)進(jìn)入該級(jí)電路后，經(jīng)過2 次混合、1 次9.6MHz 放大、2 次放大模塊處理輸出，由Q11 組成的視頻檢波器電路從信號(hào)中檢出視頻信息，并提供一種脈沖形式輸出的信號(hào)，也代表著目標(biāo)回波信號(hào)。監(jiān)控發(fā)現(xiàn)其輸出信號(hào)穩(wěn)定正常，末端還需經(jīng)過U20（1558）進(jìn)行信號(hào)放大后輸出。通過監(jiān)測TP3 檢測信號(hào)發(fā)現(xiàn)放大后輸出異常，由此判定U20 故障。

3.3 排除方法

更換U20 后信號(hào)正常，目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定。

4 典型故障3

4.1 故障現(xiàn)象

氣象狀態(tài)收發(fā)機(jī)運(yùn)行不正常，自檢畫面滿屏紅色。

4.2 原因分析

收發(fā)機(jī)不正常首先需確定WX（氣象）工作模式是否接通。通過對WX 接通電路進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)三輸入與非門芯片U8 輸出端在WX 狀態(tài)時(shí)仍然是高電平，而電路中為低電平有效，說明U8在處理控制信號(hào)時(shí)出錯(cuò)。同時(shí)，監(jiān)控P/O J202 連接件10 腳信號(hào)，發(fā)現(xiàn)其一直處在高電平位置，往外的STBY 低電平有效信號(hào)無輸出，由此將故障隔離在顯示器，排除收發(fā)機(jī)故障因素。后級(jí)電路中模式選擇控制信號(hào)還經(jīng)過了非門芯片U6 處理，示波器檢測到其兩端亦無高低電平信號(hào)轉(zhuǎn)換，故判定U6、U8 故障。更換后，故障現(xiàn)象變?yōu)樽詸z狀態(tài)一直顯示TEST 字符但無自檢畫面，收發(fā)機(jī)處于WX 工作模式。由于字符信號(hào)由數(shù)據(jù)選擇器U7 控制，用示波器多路同時(shí)檢查其模式控制信號(hào)正常，判定這是由于功能信號(hào)未輸入導(dǎo)致的故障。P/O J201連接件12 腳輸出TEST 信號(hào)，在前級(jí)控制電路中經(jīng)過非門U5。測量其11 和10 腳信號(hào)沒有輸出，由此判定故障是由U5 引起的。更換U5 后氣象狀態(tài)收發(fā)機(jī)運(yùn)行正常。

解決氣象狀態(tài)收發(fā)機(jī)運(yùn)行不正常故障后，依然出現(xiàn)自檢畫面滿屏紅現(xiàn)象。STBY 以外的狀態(tài)一直滿屏紅、TEST狀態(tài)在自檢畫面出現(xiàn)之前滿屏紅（正常應(yīng)為背景黑色）。因此，從顯示器A3信息處理板三色視頻輸出信號(hào)入手，逆向檢查各級(jí)處理模塊。P/O P301 連接件21/22/23 號(hào)腳分別對應(yīng)紅、綠、藍(lán)三色，前級(jí)經(jīng)過數(shù)據(jù)緩存、解碼、緩沖、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)選擇、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、移位寄存、信號(hào)平滑、顏色處理，最后經(jīng)過輸出門電路。逐級(jí)向前檢測各模塊的信號(hào)輸入輸出：顏色處理模塊U46 芯片12 腳輸出信號(hào)無規(guī)律→平滑電路U44的4/12 輸出異?！鷶?shù)據(jù)緩沖移位模塊U42 芯片4/12 腳輸入信號(hào)均為雜波信號(hào)→數(shù)據(jù)計(jì)算選擇模塊U35 芯片2/3 輸入腳無信號(hào)→預(yù)選邏輯處理電路U30 芯片3/6/11 腳有無規(guī)則的邏輯信號(hào)輸出。再向前推即為P/O P301 連接件16/17/18腳VIDEO1/2/3 信號(hào)，該信號(hào)由收發(fā)機(jī)內(nèi)部提供，因收發(fā)機(jī)在上述分析中已確定無故障，針對此情況，決定查找顯示器信息處理單元A3 的相關(guān)外圍電路。預(yù)選邏輯處理電路U30 芯片為2 輸入或門，另一路輸入邏輯信號(hào)由時(shí)鐘處理模塊提供。檢查外圍時(shí)鐘電路，發(fā)現(xiàn)PRF（脈沖重復(fù)頻率）時(shí)鐘信號(hào)輸出為不規(guī)則的雜波信號(hào)，由此判定外圍時(shí)鐘處理電路故障導(dǎo)致了視頻信號(hào)處理的異常。用TDS1012 示波器監(jiān)控輸出時(shí)鐘前級(jí)U83 非門電路，9 腳輸入有120Hz 的方波信號(hào)，8 腳輸出端為雜波信號(hào)，故判定U83 故障。由于三色信號(hào)共用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)異常會(huì)導(dǎo)致用到該信號(hào)的芯片輸入頻率錯(cuò)誤，無法正常處理輸入信息，最終導(dǎo)致輸出異常，誘發(fā)滿屏紅色顯示。

4.3 排除方法

更換U5、U6、U8 后氣象狀態(tài)收發(fā)機(jī)運(yùn)行正常，更換U83 后自檢畫面正常。

5 典型故障4

5.1 故障現(xiàn)象

目標(biāo)顯示畫面扇形缺失及目標(biāo)影像不能保持。

5.2 原因分析

某型飛機(jī)在飛行時(shí)WXR-270 氣象雷達(dá)出現(xiàn)顯示畫面異常情況，表現(xiàn)為目標(biāo)顯示畫面扇形缺失及目標(biāo)影像不能保持。飛機(jī)返場后在地面反復(fù)通電檢查，故障現(xiàn)象沒有復(fù)現(xiàn)。

從雷達(dá)工作原理及其故障現(xiàn)象分析，出現(xiàn)這種情況的可能原因有：垂直陀螺故障，直接影響輸送給天線的姿態(tài)信號(hào)，導(dǎo)致飛行時(shí)空域穩(wěn)定功能不好，即雷達(dá)天線上下擺動(dòng)或一直有角度地上仰或下俯，不能保持向飛機(jī)正前方發(fā)射高頻脈沖波束；天線故障，影響天線平板的姿態(tài)，導(dǎo)致空域穩(wěn)定功能不好，與垂直陀螺故障情況類似；收發(fā)機(jī)產(chǎn)生的高能量射頻脈沖通過天線向外輻射并接收、檢測從天線來的回波信號(hào)，經(jīng)處理后送至顯示器，發(fā)射脈沖的品質(zhì)及接收機(jī)處理信號(hào)能力的好壞都直接影響收發(fā)機(jī)的性能，可能導(dǎo)致該故障的出現(xiàn)；顯示器視頻處理電路故障，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路故障都會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)顯示異常。從以上分析可知，垂直陀螺、天線、收發(fā)機(jī)、顯示器及相關(guān)線路故障均會(huì)導(dǎo)致此故障現(xiàn)象的發(fā)生。

進(jìn)一步分析，如果故障出現(xiàn)在垂直陀螺或天線上，從原理來看，只有在天線進(jìn)行大角度的俯仰擺動(dòng)或者天線一直上仰或一直下俯才會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)扇形缺失及目標(biāo)丟失情況，而且天線的俯仰擺動(dòng)頻率和顯示器上顯示缺失的頻率應(yīng)該是一致的。但根據(jù)飛行人員拍攝的故障圖像來看，扇形缺失現(xiàn)象呈現(xiàn)在一個(gè)33°的扇形區(qū)域內(nèi)（其他區(qū)域沒有大的目標(biāo)影像），在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)圖像上均勻分布著7 道丟失目標(biāo)的扇區(qū)（俗稱打嗝），而天線的方位掃描范圍是120°，時(shí)間為4.5s，33°的扇掃時(shí)間是1.24s 左右，在這1.24s 的時(shí)間里天線需要做7個(gè)大角度的俯仰擺動(dòng)，則天線每一個(gè)俯仰擺動(dòng)時(shí)間為0.18s，這是天線機(jī)械結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)的，故此排除垂直陀螺和天線發(fā)生故障的可能性。

發(fā)射機(jī)發(fā)射脈沖不穩(wěn)定或接收機(jī)接收目標(biāo)回波信號(hào)處理電路發(fā)生故障可能造成目標(biāo)打嗝和目標(biāo)丟失，顯示器的視頻處理電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路和目標(biāo)增益電路出現(xiàn)故障也會(huì)造成目標(biāo)顯示不正常。鑒于在地面故障現(xiàn)象不能復(fù)現(xiàn)，將收發(fā)機(jī)和顯示器拆下送至修理車間反復(fù)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)，測得的所有數(shù)據(jù)沒有任何異常，基本可以排除收發(fā)機(jī)和顯示器發(fā)生故障的可能性。

從以上分析大致可排除氣象雷達(dá)發(fā)生故障的因素，只剩線路沒有排查。根據(jù)線路圖測量機(jī)上電纜，用萬用表反復(fù)進(jìn)行電纜導(dǎo)線導(dǎo)通性測量，均無異常；用兆歐表進(jìn)行電纜插頭絕緣測量，也未發(fā)現(xiàn)異常。再次分析查找原因，對存在故障可能的連接電纜線做進(jìn)一步檢查，稍稍用力晃動(dòng)電纜后再用萬用表檢查，終于發(fā)現(xiàn)機(jī)上收發(fā)機(jī)線纜插頭t 腳與飛機(jī)殼體之間的連接處于時(shí)通時(shí)斷的狀態(tài)。

收發(fā)機(jī)t腳線與顯示器46腳線相連，其導(dǎo)線連接定義為寬窄波束信號(hào)轉(zhuǎn)換。寬窄波束轉(zhuǎn)換是指收發(fā)機(jī)工作時(shí)的兩種脈沖寬度狀態(tài)，即遠(yuǎn)距近距時(shí)的脈沖寬度轉(zhuǎn)換。如果這根導(dǎo)線和機(jī)體（地線）搭接，則脈沖信號(hào)和地線短路，將造成回路信號(hào)消失，從而丟失目標(biāo)，那么正好與故障現(xiàn)象吻合。

對拆下的這根導(dǎo)線（收發(fā)機(jī)線纜插頭t 腳與顯示器46 腳相連的導(dǎo)線）進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線表皮部分破損，但是破損面積很小，導(dǎo)線的芯線和屏蔽套尚有空隙，因此在用戶地面通電、開車時(shí)故障現(xiàn)象都未能復(fù)現(xiàn)。但當(dāng)飛機(jī)在空中飛行時(shí)，線路隨飛機(jī)機(jī)體的固定頻率振動(dòng)，再加上飛機(jī)的各種姿態(tài)動(dòng)作，最終導(dǎo)致t腳線與屏蔽線防波套快速接通和斷開，形成了有規(guī)律的打嗝現(xiàn)象。在地面通電時(shí)雖然也有開車和振動(dòng)，但振動(dòng)頻率與飛行時(shí)不同，也無飛機(jī)姿態(tài)的變化，因此t 腳線沒有與防波套短接，故障現(xiàn)象就不能復(fù)現(xiàn)。

5.3 排除方法

更換該故障電纜，經(jīng)過多次飛行后故障均未重現(xiàn)，故障得到了徹底排 除。

6 結(jié)束語

針對WXR-270 氣象雷達(dá)的四例典型故障進(jìn)行了原因分析，制定了解決措施，有助于在今后類似故障發(fā)生時(shí)能快速有效地定位和排除故障，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和借鑒意義。