引言

随着我国新一代多普勒天气雷达网的进一步建设，在雷达的日常维护与故障分析处理方面，已积累了相当的经验。胡东明^[1]等依据CINRAD/SA雷达完善的自动定标与故障诊断系统，列举了广州雷达站几次典型故障的分析与处理，覃德庆^[2]等分析总结了宜昌雷达站历年来发生的故障，王志武^[3]等收集和分析了多部CINRAD/SA及SB雷达发生的多个相似故障，周红根^[4]等综合分析了连云港雷达站多年来出现的故障。上述文章从不同角度提出了关于新一代天气雷达故障的处理思路，并列举了部分故障的简单处理方法，本文则是仅就轴角箱这一故障，分析故障的原因并提出相应的处理办法。

广州多普勒天气雷达自2001年6月投入业务运行以来，由于轴角箱造成的雷达故障先后发生了5次，而且天伺系统的控制牵涉通信环节，故障的可能因素很多，前两次故障的分析和处理都历经一个多月方得以彻底排除，期间为了排除各种故障因素走了不少弯路。分析历次出现的同类故障，总结得出问题多出现在轴角箱的激磁电压环节，要么是方位环节，要么是俯仰环节，而且均由于天线罩温度高、湿度大，导致部分元器件出现性能退化。为此，本文对雷达自身电路设计及台站工作环境都提出了相应的改进和提高方法。

1 故障现象

俯仰环节出现轻微问题时，系统报警：Elevation Encoder Light Failure，相应性能参数表Antenna/Pedestal页EL ENCODER LIGHT项显示为Fail，严重故障时系统将无法工作；如果方位环节出现轻微问题时，则报警：Azimuth Encoder Light Failure，相应性能参数表Antenna/Pedestal页AZ ENCODER LIGHT项显示为Fail，故障严重时，主用户处理器(PUP)终端显示的产品将出现蜘蛛网状回波。

出现上述故障，与雷达冷机开机及长时间连续运行有某些关联，甚至白天出现故障夜间自动消除等异常规律，说明是部分元器件由于温度等工作环境导致性能退化。

2 基本原理

雷达中的伺服系统是用来控制天线转动的，它能够按照RDASC信息处理机发布的位置命令使天线准确、快速地转动到指定的位置，亦能够按照RDASC信息处理机发布的速度命令精确地使天线匀速转动。伺服系统在电路上采用了三个环路的结构形式：位置环、速度环和加速度环，位置环加一级微分电路得到速度环，再加一级微分电路得到加速度环。将数字控制电路与机械电机联系起来的关键环节是数模转换器和轴角编码器^[5]。

位置环由计算机、数模转换器D/A、速度环和轴角编码器构成。通过轴角编码器将系统输出转角转换成数字电压信号，送到计算机，由计算机按相应控制算法计算后，将数据送至数模转换器D/A，控制电机转动，直到输出角等于输入角即误差等于零时电机才停止转动。

2.1 轴角编码器单元

轴角编码器由旋转变压器、旋变激磁信号发生器、RDC模/数转换器、PLD可编程逻辑器件以及控制脉冲组成。其原理框图如图 1所示。

2.2 旋变激磁信号发生器

旋变激磁信号发生器由晶体振荡器、分频电路、选频电路和功率放大电路等组成。其原理框图如图 2所示：

晶体振荡器电路产生4MC的信号源，经过计数器分频电路得到400C的方波信号，选频电路将前极输出的400C方波信号，转换为同频率的正弦波。在功率放大电路中，用输出变压器来提高激磁信号的幅度，它的作用主要是，隔离前级电路输出信号中的直流分量以保护旋转变压器，提升前级电路输出信号的幅度，降低前级放大电路输出信号的幅度，有利于提高信号质量且能减少设备的电源种类。

3 分析与处理

手工推天线，观察轴角角码显示是否连续，没发现有跳跃现象，从而排除滑环故障。手动开关上光端机和伺服供电开关，如果每次轴角显示的角度值相同，但与天线实际位置之间存在较大误差，这可能是光纤通信环节故障所致；如果每次轴角显示角度值不同，而且不稳定有角码跳动现象，则多半是由于轴角编码系统故障所致。如果轴角箱本身部分器件性能退化，或者如果传输线路(包括光端机)受到干扰，则可能把正确的角度4.3°结果读成另一个角度值3.9°，导致过冲太大或轴角显示在抖动。

天线用模拟程序Emulater代替，保留雷达整机系统的其它分系统，系统运行正常，说明故障存在于天伺系统或上光端机部分。

用示波器监测天线经过上/下光端机传输到伺服主控板的下传数据，发现RDASC实时显示的天线指针发生抖动时，也即编码灯和角码数值闪烁的时候，示波器显示波形出现突变，主要表现为宽度突然展宽。直接监测上光端机输出，波形突然展宽仍然存在，则可排除光端机传输问题。监测轴角箱输出，波形突然展宽依然存在，故问题确定在轴角箱。

因为方位和俯仰激磁信号采用相同的电路设计，将方位和俯仰环节调换，轴角箱XS(J)2、XS(J)3插头互换后故障现象由方位变化到俯仰。由轴角板电原理图分析(方位和俯仰激磁信号发生器部分电路如图 3和4所示)，晶体振荡器、分频电路、选频电路为方位和俯仰激磁信号的公共电路，所以这部分可以确定是没有问题的；而剩下的只有功率放大电路了，它包括一级放大(方位和俯仰分别由V2、V3和V5、V6构成差分对放电路)和二级放大(方位和俯仰分别由V9、V10和V11、V12构成), 从而故障确定在两级放大电路。

上述功放电路的三极管，可以用万用表逐个检测。或者用示波器逐级每段电路的输出，D2第3脚输出5V方波，N1第6脚输出4V三角波，N2第6脚输出3V正弦波，N5和N6第6脚输出6V正弦波，激磁变压器第3、4脚(电容两端)只有300mV(正常时空载应为20V左右，至少高于10V)，检测结果发现激磁电压输出偏小，问题往往归结于两极放大电路之间的耦合电容C11(方位)C19(俯仰)性能出现退化，电路设计过程选择器件时阈值设置余量过小。

4 对产品的影响

导致终端产品出现蜘蛛网状回波主要由方位环激磁电压故障引起，因为俯仰环故障严重时直接导致系统无法工作。以2002年5月27日至6月7日那次故障为例，每天17:30之后的夜间出现强度图和速度图均异常，出现蜘蛛网状(图 5，见彩页)待机1小时后重启，系统能恢复正常工作，第二天又出现相同的故障现象。由现象分析，闷热的潮湿天气下，加之当时的工作环境散热条件差，连续运行后导致部分元器件性能退化。

观察角码，大概在130°、290°、330°区域角码在闪，RDASC实时显示出现雷达中断、不连续的现象，但在第一、第三象限正常。分析基数据，结果发现当某一径向缺数据，则用下一径向的数据来补偿(平滑)，即部分径向确实有数据丢失。

检修结果表明原因正是方位激磁电压功率放大电路中的耦合电容C11性能退化。

5 提高与改进

(1) 轴角箱自身设计的改进

当广州等几个站多次出现类似的轴角箱故障后，北京敏视达雷达有限公司及时吸取其中的经验教训，分析和检讨相关模块的电路设计，并做了以下改进：激磁电压采用集成的电源模块产生，由于是模块化设计，既提高工作稳定性，又降低对环境的要求，同时降低了检修和更换的难度，方便日常维护和故障检修。

(2) 工作环境的改进

在天线罩内增加抽湿机、循环风冷系统，条件允许的话加装抽湿机，防止过潮和高温，这样也可增加它的使用寿命。