气象雷达原理及故障维护

摘要：气象雷达是气象监测的重要手段，主要用于飞机上探测气象状况以及变化趋势，同时还能测量距离及方位等，为安全飞行提供保障。本文主要介绍了气象雷达的作用、组成及工作原理，并通过一些常见的故障讨论了排故的方法以及维护措施。

关键词：气象雷达 作用 维护

中图分类号：TN959.5文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）7 （c）-0000-00

机载气象雷达主要用来探测飞机前方航路上的气象目标和其他一些目标的存在以及分布状况，并将所探测目标的轮廓、雷雨区的强度、方位和距离等信息显示在显示器上。气象雷达作为一项重要的机载设备，它对飞行安全起着不可忽视的作用，身为机务人，我们有责任深入的了解其构造及原理，以便在其出现故障时能快速准确的找出问题所在。

气象雷达作用

气象雷达主要用于探测气象状况以及变化趋势。它是人们为防范气象风险，保障飞行安全而研制的航空电子产品。它是利用电磁波经过天线辐射后遇到障碍物被反射回来的原理，目标的导电系数越高，反射面越大，则回波越强。它能够在飞行中连续地向飞行员提供航路前方及其两侧的气象状况，此外还提供飞机前方地表特征的地图型显示，飞行员可据此选择安全的航线，避绕危险的气象区域或其它障碍物，识别地标以及判断飞机的位置。

气象雷达的组成

控制面板、显示器、天线和收发机构成了气象雷达主要部件。机载气象雷达还需由垂直陀螺提供倾斜和俯仰稳定信号，倾斜和俯仰信号可以由单独的垂直陀螺组建提供，也可由惯性基准系统提供。

在控制面板上可以选择雷达的工作方式，显示距离范围，扫描区域，设置增益等各项功能。俯仰角控制开关可调节天线在±15°内的俯仰变化，以便天线在适当的角度进行扫描。增益控制开关可以调节接收器的灵敏度，接收器的自动（CAL位）灵敏度因雷达系统的不同而不同。稳定控制开关用于控制天线的稳定性，当飞机有俯仰、倾斜动作时，通过R/T提供的补偿信号控制天线，使其保持在选定的俯仰位置。识别控制开关是为了消除地面的杂波，使得对目标的探测更为准确。

现在飞机的气象雷达信息一般都显示在EFIS而不再用单独的雷达显示器。除可显示目标的强度及位置信息外，还可以显示各种文字信息、辅助信息及系统状态等。用不同的颜色直观的表示出气象信息的强弱，以极坐标的方式表示出探测的目标的距离及方位，通过距离标志圈可读出其数值。

天线主要作用是辐射和接收回波，同时还要进行方位扫略与俯仰、倾斜稳定，气象雷达天线组安装于飞机前端的雷达罩内，天线的方向性越强，雷达的作用距离越远，测向精度和分辨率也越高。雷达发射机所产生的脉冲射频信号，由雷达天线汇聚成束后向空中某一方向辐射出去。雷达天线指向空间某一方向，而此时只有在这一方向的目标才会被雷达波束照射到，从而产生相应的回波信号而被雷达所探测，其他方位的目标，由于不可能被雷达信号照射到，所以在这一瞬间是不会产生回波。为了探测飞机航路前方及其左右两侧的气象情况，气象雷达天线在一定范围内进行往复方位扫掠。通过天线的周期性方位扫掠，雷达就可以探测这一方位范围内被波束所依次照射到的目标。

收发机是该系统的核心部件，发射机产生具有足够功率的周期性的矩形脉冲射频信号，而接收机则是提取所需的回波信号并将其转换为数据传输给显示器。雷达收发组总是安装在靠近天线的位置，比如前设备舱或雷达罩内，以尽可能减少连接波导的长度。接收机和发射机是共用一部天线工作的，信号的发射与回波信号的接收交替进行。雷达发射机在极短时间中产生的功率强大的脉冲信号，通过天线辐射出去。在这短短的几微秒内，雷达接收机的输入端是关闭的，没有与天线连通。当发射过程结束后，雷达便工作于接收状态，此时天线与接收机输入端相连接，不同距离处目标所产生的回波信号由天线接收而加至接收机进行复杂的处理。

工作原理

气象雷达是通过目标对雷达波的反射来确定目标的位置和特性的。物体导电性好，对雷达波的反射能力越强，反射面积越大，反射能量越高，物体的几何尺寸与波长相差很大时反射的能量变得非常微弱，而当反射面的直径可与波长相比拟时，反射回来的能量会明显升高。常用的雷达一般工作频率为200～10000MHz，这主要取决于雷达的用途和性能，而且必须在国际电信联盟所指定的频段内，目前航空公司一般选用X波段的机载气象雷达。

1.距离测定

气象雷达发射的电磁波是以光速c在空中向前传播，通过测量所接收到的目标回波信号与发射脉冲之间的时间间隔t，可以算出目标相对于飞机的距离L =ct/2。它的距离分辨力决定于脉冲的宽度，要提高区分近距离目标的能力，必须使用较窄的脉冲宽度。

2.方位测定

它是通过测定雷达天线波束轴的瞬时方位来确定目标方位的。雷达天线所形成的辐射波束是宽度很窄的圆锥形波束，当天线指向某一方位时只有该方位的目标回波才能被雷达所接收，把该信号的位置传输给显示器，使回波图像显示在显示器的相应方位，就可以确定目标的实际方位。雷达的方位分辨能力取决于天线水平面内的波束宽度，天线波束在水平面内的宽度越窄，其方位分辨力越好，为保障良好的方位分辨力，采用平板缝隙天线阵。

3.降水探测

虽然雨、冰雹和雪都属于导电的水物质，气象雷达可以探测雨滴或湿的冰雹，却无法探测云、雾、干燥的冰雹、冰晶或雪。含水物质对于雷达发射的射频脉冲能量有一部分被吸收、损耗和散射，其余都被有效的反射，只要在雷达监测的范围内，且具有一定的直径和密度的降雨区域均能产生有效的回波，从而被气象雷达检测出来。反射回的信号强弱与目标含水量有关，接收器接收到信号就可分析目标的性质和强弱，并在显示器是用不同的颜色表示。

4.湍流检测

湍流是指在一定的空域中急速且多变的运动气流，它会使进入其中的飞机产生颠簸甚至对飞机结构造成破坏。暴雨区域常伴有湍流，其危害不言而喻。对湍流的检测是基于多普勒原理实现的，多普勒频移与相对速度的偏差成正比f=2v/λ。接收机将所接收到的信号的多普勒频谱宽度与规定的门限值作比较，如果大于规定值，就判断目标是湍流并给出警告信息。需要特别注意的是干燥的湍流是无法被探测和显示的。

5.风切变检测

风切变是指在一个较小的区域内，风向和风速突然发生改变。风切变是导致飞行事故的重要因素，特别是低空风切变对飞机起飞和着陆安全威胁巨大，不仅能使飞机航迹偏离，而且会破坏飞机的稳定性。切变检测方法和湍流基本相同，雷达根据风切变区域产生的回波的多普勒频移的频谱特征来实现前视风切变检测的。

气象雷达并不能保证检测出所有的危险天气区域，所以决不能把雷达的显示图像作为危险气象和地形的依据，对于探测出的危险应选择避让而不是穿越那些区域。在选择探测范围时不应过小，那会使飞机进入盲区而无法感知危险，同时距离过近也会造成没有安全距离来避开已临近的恶劣气象，从而发生危险。

工作方式

气象雷达的工作方式需通过控制面板选择，有以下几种：

1.气象方式（WX）：这是其基本工作方式，用于探测飞机前方的气象信息及障碍物的平面显示图。用不同颜色代表降雨的密度：黑色代表强度最低，随着密度的逐渐增加分别用绿色，琥珀色，红色紫色来表示。

2.气象+湍流方式（WX+T）：这是其典型的工作方式，可同时探测航路中的气象信息和湍流，并在屏幕中以洋红色显示湍流区域。

3.湍流方式（TURB）：屏幕只显示湍流区域。

4.地图方式（MAP）：用于观察飞机前下方的地表特征，可提醒机组注意地面目标引起的危险，比如小山等快速变化的地形。这是利用不同地形对电波反射回波的差异，可显示出山峰、河流、海岸线或城市等地形轮廓。在此模式下，黑色代表水，绿色代表地面，琥珀色代表城市和山区。天线角度设置过低，会引入过多地面杂波，进行俯仰调节，有专门的抑制杂波开关。

5.轮廓方式（CYC）：工作情况与气象方式基本相同，屏幕上的红色图像将会以每秒一次的间隔闪烁，而这种方式不是所有型号的气象雷达都配备。

6.OFF模式：此模式下，气象雷达系统被关闭。

自检功能

雷达故障自动检测系统是为了对雷达快速、准确、隔离故障到可更换单元（LRU），以便快速维修，达到降低雷达修复时间的目的。现代气象雷达都具备完善的性能监控和机内检测系统，该系统对提高雷达的总体性能、可靠性、可使用性、可维修性具有极其重要作用。

只有在气象雷达系统完整，连接正常的情况下才能进行自检测试。在通电前要保证与其相关的跳开关都处于接通状态。雷达天线的稳定性是以惯性基准组件提供的飞机姿态为基准的，而飞机上的惯性基准组件在启动后还需经过一段时间的校准才能开始正常工作，所以要等这些系统准备好后才能开始性能检测。

为实现对雷达系统的全面监控，收发机内的BITE不仅要接收收发组内部电路的状态信息，还要接收与雷达系统有交联的系统的信息和指令：

1.收发组内部相关电路的检测信息。

2.温度传感信号，当温度超出给定的范围时会发出相应的信号。

3.由ARINC429总线输入的来自雷达控制组件的指令信号。

4.天线的扫掠和俯仰检测信号，用于检测扫掠位置和俯仰姿态。

5.来自中央维护计算机和惯性基准组件输入的控制指令和姿态基准信息。

6.飞行管理计算机的控制信息。

7.故障存储器中的故障信息。

收发组中BITE可以完成的功能如下：

1接收雷达系统内部的状态检测信息以及相关系统的状态信息和控制指令。

2.选择TEST方式进行雷达自检，在显示器上显示自检图形和状态通告信息。

3.将系统的故障信息记录到故障存储器中，包括本次及以往飞行中所发生的故障信息（不超过63条）。

4.控制显示组件发出查阅指令时，可从故障存储器中读出记录的故障信息。

5.将目前的状态数据通过两条数据总线输往显示组件，以实现实时的状态及故障信息通告。

6.将状态和故障信息经ARINC429总线发送器转换为32位数据码，输送至维护计算机。

若在进行自测时，发现系统存在故障或一些状态不符合正常工作要求，则会在显示器上显示出FAIL以及故障件信息。

常见故障及维护

气象雷达因利用率较高，使用频繁，且与之交联的系统也较多，发生故障在所难免，下面通过几个简单常见的故障实例来分析一下排故方法。

1.雷达不扫描。这种情况多为天线组故障。天线组分为扫描和俯仰两个通道，其中扫描通道用于波束扫描，完成目标的探测。当扫描通道不扫描时，天线组则无法进行正常的工作，雷达显示器上也就没法显示正常的扫描信号。天线主要由电机和机械传动装置组成，故障多为电机损坏和卡阻。

2.雷达图像显示不正确。造成此现象可能有一下几种原因：第一，显示器故障。第二，收发机内部电路工作不正常。第三，平板天线或波导管内有灰尘或水气等杂物。首先可以检查显示器工作是否正常。然后详细目视检查各插头、插座、波导管连接处以及天线安装等是否异常，有无松动。最后视情清洁收发机、通风管、波导管及平板天线等。

3.雷达不工作。可能的原因有：第一，供电系统故障。第二，收发机内部电路工作不正常。第三，天线底座上的马达及驱动机构工作不正常。先检查系统相关跳开关是否闭合。再对控制盒进行检查确认，并对雷达进行操作测试，确信天线底座上的马达及驱动机构工作正常。以上步骤完成后，若故障依旧，则需更换收发机再进行操作测试。

每年夏季及雷雨天气是雷达系统故障的高发时期，我们要预防环境对雷达系统正常工作造成影响。雨水进入波导管可能会导致波导管烧毁，温度过高通风不好活长时间超负荷工作时，可能会导致计算机超温，显示器无法散热，当超过一定的温度后就会自动切断气象雷达的显示。当电子舱通风的抽风扇和鼓风扇电门置于超控位时，会影响到CRT的散热，导致显示故障。工作中还应注意避不要与磁性物品相接触，防止其它元件被磁化。雷达天线发出的微波波束会伤害人体的健康，因而在地面维护测试雷达时要特别注意。

结语

气象雷达是气象监测的重要手段，在突发性、灾害性的监测、预报和警报中具有极为重要的作用，要想充分利用气象雷达，必须掌握正确的使用方法和理解显示目标特点，同时，对雷达知识的了解程度和经验，会影响我们的判断，而保障其正常工作是机务人员的基本要求。此外还需根据具体问题能进行具体的分析，熟练地运用手册、工具、设备等。机务维修中的实践使自己得到丰富的经验，经验的积累对维修行业来说显得特别宝贵。有了丰富的经验， 便可以轻而易举地使问题得到正确、迅速、有效的处理，以达到事半功倍的效果。

参考文献

[1]陈平高，邓勇.航空无线电导航原理（上下册）.国防工业出版社，2008.

[2]蔡成仁.彩色气象雷达.国防工业出版社，1992.

[3]高玉春，杨金红.相扫天气雷达扫描方式研究.电子学报，2009.

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