1. 引言
铜仁CINRAD/CD新一代天气雷达是CINRAD/CD型C波段全相参脉冲多普勒天气雷达(以下简称铜仁天气雷达)，位于东经109˚13'3''，北纬27˚49'19''，站址海拔高度757 m，于2012年9月建成并投入业务试运行，汛期5~9月全天时连续观测；非汛期10月~次年4月每天10~15时连续观测；遇有重要天气过程时连续观测，直至天气过程结束或移出雷达站探测范围。2013年通过中国气象局气象探测中心组织的现场测试，2014年纳入中国气象局业务考核。从试运行到2023年12月，已运行超过11年，累计运行时间超7.5万小时。
全国新一代天气雷达部署以来，大量运维保障人员对其进行研究，总结得出了许多故障维修排除方法，如雷登林、田程等的CINRAD/CD天气雷达发射系统解析介绍了“开关电源”及“灯丝欠流或灯丝过流”故障原因及处理方法[1]；罗红等的发射机调制系统故障诊断技术对开关电源及固态调整器引起的故障做了总结与诊断[2]；毕明林等人通过雷达速调管故障使发射功率变低、回波偏弱的故障处理，梳理了速调管原理及结构，总结了故障判断和处理方法[3]。然而同型号雷达同系统不同的故障现象，雷达故障处理过程也不尽相同。
本文以铜仁天气雷达出现的发射系统常见故障为例，通过实例解析，总结了类似故障的产生原因及排除方法，为各台站高效排除此类故障提供参考。
2. 雷达发射系统
发射系统组成
Figure 1. Composition and flow signal diagram of the transmitting system
图1. 发射系统组成及流程信号图
CD雷达发射系统为固态功放和KC4082永磁聚焦直射式脉冲速调管级联而成的主振放大式发射机，由调制机柜和高频机柜组成，主要部件有速调管、功放、调制器、高压电源、发射监控分机等，其中发射系统主要功能是将接收到的低功率高频触发脉冲信号，经过一系列的调整、控制后输出大于等于250 kW的高功率高频率的脉冲信号。发射系统组成及流程信号方框图[4]，如图1所示。
3. 故障实例解析1
3.1. 故障现象
2022年6月1日11时铜仁雷达业务监控系统报警，雷达远程终端软件报警灯全部亮红色，通过远程控制监控分机进行故障复位，复位后，其余故障告警消失，雷达报风冷故障和偏磁故障，无法开启高压。
3.2. 故障处理与分析
3.2.1. 偏磁故障
灯丝偏磁分机为速调管灯丝提供130 V的交流电源以及为脉冲变压器所需的偏磁电源，主要有6个继电器、灯丝隔离变压器T1、偏磁变压器T2、整流滤波电流、保护电路、电流互感器TA1等组成。当偏磁电流过低时，电流型继电器K6动作，通过K6触点送出偏磁故障至监控分机，显示“偏磁故障”。根据灯丝偏磁分机原理及电路图，可以出总结分机的主要故障及原因，如表1所示。
Table 1. Main faults of bias extensions
表1. 偏磁分机主要故障
故障信息 |
动作器件 |
故障原因及检查方向 |
欠流或过流故障 |
K1或K2 |
灯丝电流过大或过低，正常为0.6 A左右，检查前端PV2电压值。 |
注电流故障 |
K5 |
注电流过大，检查T1~10输出电压。 |
偏磁故障 |
K6 |
偏磁电流低，保险丝FU2熔断，T2输出、桥堆U1等输出变差，K6变坏等。 |
找出偏磁电流过低的原因及可排除“偏磁故障”。通过故障表1确定故障信号动作器件，再根据电路原理图进行一一检查，使用万用表对保险丝FU2进行通断检测，通路正常；其次使用万用表对变压器T2的输出电压进行检查，电压正常；再对桥堆U1输出端进行检查，偏磁电压1.7 V，偏磁电流为4.1 A左右，均处于正常值范围；将万用表调到欧姆档对电流型继电器K6 (JZ-3-3)的6、7常闭触点之间阻值进行测量，发现再偏磁分机断电情况下，6、7常闭触点间电阻值在19.8 Ω左右，远大于正常0.8 Ω左右的阻值。更换继电器K6 (JZ-3-3)，开机后偏磁故障消失，元器件老化阻值增大是导致偏磁电流过低的直接原因。
3.2.2. 风冷故障
速调管管体插在风机线圈中，管体的冷却则由线圈离心风机完成。而在离心风机的风道上设有风压检测装置，由一块用于检测风压的金属薄片、弹簧杆、微动开关等组成。风量大时，金属薄片、弹簧杆带动微动开关动作，将闭合信号送至监控分机，显示“风冷”正常。当风压不够大时，微动开关释放，将故障信号送至监控分机，显示“风冷”故障。雷达报“风冷”故障时，雷达自我保护电路动作，断掉高压，延时后切断发射机低压。造成“风冷”故障的可能原因有：金属薄片脱落、弹簧杆变形、风道堵塞、风机缺相或停转等。
现场检查，市电工作正常，再检查离心风机时，发现风压开关的金属薄片已经脱落，更换备件后，“风冷”故障消失，雷达正常开机。风压开关长期工作在风道口，金属薄片焊接点老化导致脱落。在此建议厂家重新设计风压检测装置，风道内部空间小，更换风压开关非常困难。
4. 故障实例解析2
4.1. 故障现象
2021年7月13日日维护时发现雷达发射峰值功率低于240 kW (正常情况雷达峰值功率大于250 kW)，通过定向耦合器测试端口，现场使用功率计测试功率为226 kW，雷达监控终端软件无报警信息，对比正常时的地物回波强度偏弱。
4.2. 故障处理及分析
由雷达发射机组成及流程图可知，影响雷达发射功率的分为线性调制部分与射频放大链路。线性调制线路，可以看成是脉冲速调管的供电部分，供电电压降低将直接影响发射机发射功率偏低，常见的原因有：可控硅被击穿、灯丝电压偏低等。射频放大链路可简单看成高频信号调整线路，可使速调管获得最佳激励状态，输入信号状态也将直接影响发射功率，常见原因有：固态功放输出电缆开路、速调管寿命到期、速调管激励偏低、高压调制脉冲未把功放输出射频脉冲对等包裹等。
1) 从调制机柜入手，检查各机柜有无异常，正常。打开高频机柜门，拉开门卡关，雷达重频设置为1000 Hz不变比，通过“本控”启动雷达，15分钟后“准加”灯亮起，说明低压部分正常。开启雷达高压，观察各分机面板参数表数据与往期正常记录对比，各种仪表数据指标无明显变化，说明线性调制线路正常。
2) 检查速调管的输入激励信号是否达到最佳状态，激励信号功率偏高或偏低以及包络情况都将影响速调管的输出功率。示波器接入功放分机末端输出可调衰减器SHK-4 [N]的输出端口，通过观察激励信号的上升沿、下降沿、脉宽、顶降等波形数据，可以确认激励信号为正常激励。
3) 使用示波器检查高压调制脉冲是否把功放输出射频脉冲对等包裹即检查嵌套状况，关雷达高压，在1 μs时，示波器CH1通道设置匹配阻抗为1 MΩ，并探头放在脉冲高压变压器输出高压绝缘子边上，用于观察耦合调制脉冲波形；发射激励输出通过检波器接入示波器CH2通道(设置匹配阻抗为50 Ω)，人员远离变压器，打开雷达高压，检查调制脉冲波形和检波包络关系，测试情况如图2所示，调制脉冲波形和输入射频脉冲嵌套关系较差。
Figure 2. Waveform nesting before 1 μs adjustment
图2. 1 μs调整前波形嵌套情况
Figure 3. 1 μs waveform nesting after adjustment
图3. 1 μs调整后波形嵌套情况
调整触发信号，进入信号处理器RVP9，打开终端窗口，输入指令mt<0>↲，找到1 μs脉宽设置的触发，调整触发的Start时间，并结合示波器观察波形嵌套情况，直至射频脉冲的整个波段全部包含在高压调制脉冲的峰值平顶区域内，如图3所示。脉冲宽度切换到2 μs时，同样检查波形嵌套情况，此时示波器显示2 μs脉冲宽度下，波形嵌套性正常。启动雷达测试峰值输出功率260 kW，对比地物回波强度、范围、方位等，正常，雷达故障排除。
引起雷达发射功率偏低的因素较多，在无明显的故障现象下，结合发射系统原理进行一步步排查，是比较有效的处理方式。
5. 总结
长期工作在高压状态下的雷达发射系统，是雷达故障的多发部位。在雷达监控有故障提示且故障现象明显时，往往可以较容易锁定故障点，对故障点进行更换或维修就能够高效的排除故障。而雷达故障现象不明显时且监控软件无告警时，就需要根据系统的组成及原理图进行逐一排查，这时就需要保障人员对雷达发射系统及其原理有足够的理解，对各分系统各分机的组成及关键点的电压、波形及元器件特性有比较深入的了解，同时在日常维护中记录雷达各系统的指标参数，便于雷达故障时进行对比分析，提高故障排除效率，从而保障雷达的正常运行。
基金项目
铜气科登[2023]11号；铜市科研[2022]44号。
NOTES
*通讯作者。