湛江天氣雷達(dá)一次天線失控的故障排除

鄺家豪，陳基浩，吳保華，許聰

（湛江市氣象局，廣東湛江 524000）

雷達(dá)雙偏振技術(shù)在天氣雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用是趨勢(shì)所在，根據(jù)氣象現(xiàn)代化部署，截至2020年，廣東天氣雷達(dá)全部升級(jí)成雙偏振雷達(dá)［1-2］。湛江天氣雷達(dá)（CINRAD/SA-D）于2017年12月完成雙偏振升級(jí)改造，采用成熟的、業(yè)務(wù)上應(yīng)用廣泛的雙發(fā)雙收模式，發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)功分兩路，分別以水平和垂直極化方式同時(shí)發(fā)射［1］。雙偏振升級(jí)改造后雷達(dá)設(shè)備進(jìn)入一個(gè)磨合期間，局部小問題較多。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，S波段雷達(dá)故障中天線伺服系統(tǒng)故障發(fā)生比例非常高［3］。在雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，如何能快速、準(zhǔn)確找出故障部位，排除故障，是雷達(dá)機(jī)務(wù)值得探討的問題。黃彬等［1］、黃裔誠等［2］、高必通等［3］在雷達(dá)故障分布規(guī)律、天線故障等方面進(jìn)行了分析，本研究的天線失控排查過程不僅能夠給機(jī)務(wù)員解決此類故障提供參考，還總結(jié)了一套雷達(dá)天線故障排查的步驟。

1 故障現(xiàn)象

2018年7日13：00（北京時(shí)，下同）雷達(dá)出現(xiàn)報(bào)警，如表1所示。雷達(dá)故障停機(jī)，天線無法到達(dá)初始位置，重啟雷達(dá)軟件RDASC，重新標(biāo)定出現(xiàn)多項(xiàng)錯(cuò)誤，無法正常開啟雷達(dá)，無法對(duì)天線進(jìn)行控制。天線伺服面板無報(bào)警燈亮起。綜合以上報(bào)警信息及故障現(xiàn)象，主要故障現(xiàn)象為雷達(dá)天線無法到達(dá)指定位置，處于失控狀態(tài)。

表1 雷達(dá)報(bào)警信息

在排查故障前，首先需要對(duì)S波段天氣雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入了解，如圖1所示。由圖1可知，雷達(dá)RDA計(jì)算機(jī)的天線方位、俯仰角碼信號(hào)通過DAU大底板、DCU及大線纜傳輸?shù)椒轿?、俯仰電機(jī)和各自減速機(jī)并執(zhí)行。由于天線的物理結(jié)構(gòu)限制，俯仰支路的信號(hào)需要通過滑環(huán)來傳遞。同步箱將天線位置信息由光電碼盤和軸角盒生成為角碼狀態(tài)信息，經(jīng)上、下光端機(jī)、DAU大底板傳輸?shù)絉DA計(jì)算機(jī)和DCU控制單元。RDA計(jì)算機(jī)計(jì)算返回的角碼狀態(tài)信息，并發(fā)出下一步天線轉(zhuǎn)動(dòng)的指令［4-5］。

圖1 S波段天氣雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)示意圖

2 分析檢查

2.1 天線控制通道分析

雷達(dá)天線處于失控狀態(tài)，先分析一下天線的控制通道：測(cè)速機(jī)（測(cè)量天線方位與俯仰位置信號(hào)）→軸角盒（將天線方位與俯仰位置信號(hào)轉(zhuǎn)化為可直接讀取的數(shù)字信息）→上光端機(jī)（天線與發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的所有信號(hào)傳輸通過光纖傳輸）→上光纖板→光纖→下光纖板→DAU大底板（轉(zhuǎn)換光纖轉(zhuǎn)過來的天線方位與俯仰位置信號(hào)）→RDA計(jì)算機(jī)和DCU控制單元（信號(hào)再轉(zhuǎn)換到RDA計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理）。

在CINRAD/SA-D天氣雷達(dá)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到人員的安全性，天線轉(zhuǎn)動(dòng)還有一個(gè)重要前提條件，即在只有收到天線罩門關(guān)閉的確認(rèn)信號(hào)后，天線才處于控制狀態(tài)［6］。

2.2 檢查測(cè)試

從雷達(dá)報(bào)警信息入手，結(jié)合故障現(xiàn)象對(duì)雷達(dá)各部位檢測(cè)是故障定位最直接的辦法，按先電源后機(jī)械，先硬件后軟件順序。

①檢查接收機(jī)、伺服面板上的各項(xiàng)指示燈均顯示正常，說明電源和機(jī)械部分在天線停止?fàn)顟B(tài)下是正常的。

②對(duì)機(jī)械部分進(jìn)一步檢查。關(guān)斷配電機(jī)柜伺服電源，到天線罩內(nèi)檢查雷達(dá)天線位置情況，并推動(dòng)天線，天線轉(zhuǎn)動(dòng)正常，無阻力異?，F(xiàn)象。數(shù)字控制單元（5A6）的方位和俯仰角碼顯示與推動(dòng)后位置一致，伺服面板上的各項(xiàng)指示燈均顯示正常，說明雷達(dá)天線機(jī)械硬件部分在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下也是正常。再檢查一下關(guān)鍵部位——天線罩門開關(guān)，天線罩門開關(guān)彈壓正常，無彈壓不到位現(xiàn)象。

③檢查上、下光纖板和數(shù)字控制單元DCU里的模擬板、數(shù)字板，無異常情況，并重新?lián)懿澹收犀F(xiàn)象依舊，天線無法到達(dá)指定位置，說明相關(guān)電路板不存在物理故障和接觸問題。

④用軟件進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試。進(jìn)入雷達(dá)維護(hù)（RDASOT）界面，開啟天線控制程序，雷達(dá)天線控制程序自檢正常，但天線不能使RDASC軟件受控，無法到達(dá)指定位置，說明雷達(dá)天線控制信號(hào)無法執(zhí)行。進(jìn)入雷達(dá)維護(hù)（RDASOT）中的DAU控制界面，波導(dǎo)開關(guān)切換異常，伺服強(qiáng)電開關(guān)切換異常。波導(dǎo)開關(guān)及伺服強(qiáng)電開關(guān)是在得到天線罩門關(guān)閉的確認(rèn)信號(hào)后才能正常轉(zhuǎn)換，如果兩者切換同時(shí)異常說明沒有收到天線罩門關(guān)閉的確認(rèn)信號(hào)或者兩者同時(shí)存在硬件問題，根據(jù)觀察，波導(dǎo)開關(guān)及伺服運(yùn)行正常。因此，根據(jù)以上故障現(xiàn)象可以初步判斷天線罩門開關(guān)確認(rèn)的信號(hào)異常，導(dǎo)致波導(dǎo)開關(guān)切換異常和伺服強(qiáng)電無法加上，從而使天線處于不可控狀態(tài)。

2.3 故障確定

根據(jù)2.1節(jié)對(duì)天線罩門開關(guān)的檢查結(jié)果，說明罩門開關(guān)不存在機(jī)械問題，因此故障問題的焦點(diǎn)就在于天線罩門開關(guān)信號(hào)的傳輸上。先了解罩門開關(guān)信息傳輸?shù)牧鞒蹋禾炀€罩門開關(guān)→上光端機(jī)（開關(guān)信號(hào)傳輸通過光纖傳輸）→上光纖板→光纖→下光纖板→DAU底板（讀取開關(guān)信號(hào)）→DCU（信號(hào)再轉(zhuǎn)換到RDA計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理）。根據(jù)以上檢查測(cè)試結(jié)果，天線罩門開關(guān)、光纖鏈路、DCU未發(fā)現(xiàn)其它異?，F(xiàn)象，因此重點(diǎn)檢查部位是DAU底板。再對(duì)DAU大底板進(jìn)行檢查，測(cè)量XK1繼電機(jī)中AX1和A02的電壓均為28 V直流電壓；測(cè)量XK2繼電機(jī)中PED和SW#1的電壓均為零。根據(jù)雷達(dá)DAU大底板電氣線路（圖2），在天線罩門關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，XK2繼電機(jī)中PED和SW#1的電壓應(yīng)為28 V直流電壓，才能傳遞天線罩門開關(guān)信號(hào)。根據(jù)以上檢測(cè)，可以判斷XK2繼電機(jī)故障，導(dǎo)致天線罩門開關(guān)確認(rèn)信號(hào)無法得到確認(rèn)，進(jìn)而波導(dǎo)開關(guān)無法切換，且伺服強(qiáng)電無法加上，導(dǎo)致天線處于失控狀態(tài)。

圖2 雷達(dá)DAU大底板電氣線路圖

2.4 故障處理

發(fā)生故障時(shí)正處于汛期，雷達(dá)需24 h全天候開機(jī)觀測(cè)。在無備件情的情況下，可以采用屏蔽相關(guān)信號(hào)方法，使雷達(dá)能正常運(yùn)行，待備件到站后再更換故障部位。根據(jù)DAU大底板XS9的電氣圖，將XK1繼電機(jī)中的A01和A02進(jìn)行短接（圖3），屏蔽掉XK2故障的狀態(tài)，返回雷達(dá)系統(tǒng)一個(gè)天線罩門關(guān)閉的信號(hào)，經(jīng)過短接后，雷達(dá)恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖3 DAU大底板短接現(xiàn)狀圖

3 故障總結(jié)

該次故障原因：DAU大底板XK2繼電器故障，導(dǎo)致天線罩門開關(guān)信號(hào)無法傳輸給接收機(jī)，雷達(dá)天線處于不可控制狀態(tài)。CINRAD/SA-D天氣雷達(dá)有一套完善的自檢系統(tǒng)，但有時(shí)還是不能準(zhǔn)確的判斷出故障部位。

該次故障采用逐步排查方法進(jìn)行確定，根據(jù)故障現(xiàn)象做大范圍的、相關(guān)的檢查測(cè)試，尋找檢查測(cè)試異常部位，突擊檢查異常點(diǎn)，逐步縮小故障范圍，最后確定故障位置，在條件允許的情況下盡快解決故障。通過該次故障和查詢歷史雷達(dá)故障個(gè)例的分析，可以總結(jié)出雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)故障檢測(cè)排查的一般步驟，如圖4所示。

圖4 雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)故障檢測(cè)流程示意圖

雷達(dá)保障人員在日常工作中，應(yīng)對(duì)雷達(dá)伺服系統(tǒng)增強(qiáng)維護(hù)和保養(yǎng)意識(shí)，全方面了解伺服系統(tǒng)的工作流程，才能在伺服系統(tǒng)故障時(shí)結(jié)合其工作原理和控制流程，通過測(cè)試逐步縮小故障范圍的辦法，分析并找出故障部位，排除故障。