CLC-11-A型固定式边界层风廓线雷达及常见故障分析

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摘  要：固定式边界层风廓线雷达是一部脉冲多普勒雷达，能够探测晴空大气湍流，能够实时探测大气的三维风场且能实时地提供所探测高度的水平风场、大气折射率结构常数、垂直气流等随高度的分布。该文简要介绍了CLC-11-A型固定式边界层风廓线雷达的工作原理及其常见故障，通过对日常工作中的一些常见故障举例分析并总结维护维修经验，为雷达业务保障工作提供了一定的参考。

关键词：风廓线雷达  T/R组件  虚温

中图分类号：TN959.4                              文献标识码：A                           文章编号：1672-3791（2019）04（b）-0055-03

Abstract： A fixed boundary layer wind profiler is a type of Pulse doppler radar that can detect clear air turbulence and atmospheric there-dimensional wind field in a real time.The wind profiler can continuously measure and provide the distribution of atmospheric horizontal wind field，vertical airstream，atmospheric structure constant of refractive index and other meteorological elements at measured heights above the ground.This paper briefly introduces the working principle and common faults of CLC-11-A fixed boundary wind profile radar，by analyzing some common faults in daily work and summarizing maintenance experience， this paper provides some reference for radar business support work.

Key Words： Wind profiler; TR assembly; Virtual temperature

固定式边界层风廓线雷达是一种广泛应用于天气预报、空中管制、大气污染预测等方面的地基遥感设备。配备声探测功能的风廓线雷达还可以通过电波和声波的相互作用遥感大气温度廓线。宁夏银川河东机场目前布设了一部CLC-11-A型固定式边界层风廓线雷达，且于2018年1月31日已投入运行。风廓线雷达的使用为天气预报用户提供了高分辨率数据，一定程度上填补了系统留下的观测区域空白，保障其正常运转，确保获取资料可靠，随之成为业务人员的基本工作。因此，了解并掌握风廓线雷达的工作原理及日常维护维修方法，是每个雷达业务从事者必备的能力素质。

1  工作原理

固定式边界层风廓线雷达主要以晴空大气湍流为探测目标，再利用布拉格散射原理探测湍流中大气折射率指数结构常数Cn2的变化，进而导出大气中风场的变化。

雷达工作时，主控计算机首先产生高频脉冲信号，信号通过发射前级和T/R组件移相放大，再由天馈系统辐射出去，最后进行功率合成，以把能量集中到天线的某一个波束上（天线共有五波束，分别为：偏东15°、偏西15°、偏南15°、偏北15°、天顶），雷达手册规定一次完整的取样应至少包括一个垂直和两个正交的倾斜波束。

辐射出去的电磁波信号在遇到大气湍流后就会被散射返回，被雷达天线接收，之后又经过T/R组件放大、移相、合成后送至数字中频接收机，由其进行滤波、放大、正交、数据抽取，再由信号处理机进行频域FFT运算变换，输出回波信号的功率谱数据，最后由数据处理对功率谱进行分析，反演出大气风场。

2  故障分析

2.1 远程监控与维护终端界面温度显示不正常

该界面显示的温度是通过温度探头测量得到的，它们分别安装在室内室外机柜。2月3日，该监测终端显示发射机柜、室内、TR1及TR2机柜温度高达95℃（当时室外-12℃）（见图1），10月15日监测温度无显示（见图2）。引起这种故障的原因有3点：一是空调是否正常运转;二是温度探头故障;三是温控误报。经查看，第一次空调运转正常，更换温度探头后恢复正常;第二次空调及温度探头均正常，怀疑温控误报，等待一段时间后自动恢复正常。需要注意的是，业务人员要实时监控该终端界面，且至少一周巡视检查一次空调运转情况，以防关键组件长时间处于高温状态，降低其使用寿命。

2.2 远程监控与维护终端显示TR组件故障

T/R组件是有源相控阵的核心器件，其主要功能是实现功率和回波信号的放大。这里要说明的是，风廓线总共配了20个T/R组件，分别安放在天线阵正下方的两个机柜里，同时机柜两侧各安装一个小空调对其进行降温。只要故障的组件不超过5个，其中一两个故障，只会使雷达波的副瓣电平升高，使得最大探测高度降低，影响其探测效果，但不影响正常运转。

11月15日巡视检查发现雷达远程监控与维护终端BIT界面显示TR16开关功率120W组件故障告警（见图3），此时雷达仍正常工作。引起这种故障的原因有3点：一是整个TR组件损坏;二是连接该组件的线路松动;三是软件虚报故障。最后经与厂家联系，怀疑波控码遗失，由于前期安装RASS更换了接收机模块，导致其虚报故障，最后重新补装波控碼后故障排除。

2.3 远程监控与维护终端系统连接信息界面显示不正常

银川机场本场安装了2台服务器，互为主备，但该终端界面经常显示备用服务器数量为0（见图4）。远程登录服务器，经过仔细查看，是由于服务器程序软件（WPSS）无响应导致，结束该进程，重启软件后便可恢复正常。这里建议经常对电脑进行病毒查杀。

2.4 风廓线雷达产品显示终端温度显示界面温度变化区间太大

该温度是由RASS测量得到。其工作原理是：RASS的高功率声源产生的声波会扰动大气，使之产生折射指数起伏，并利用风廓线雷达探测这种折射指数起伏，从而得到声波传播或运动的径向速度的高度分布，再根据声速和温度间的关系就可以反演出温廓线，从而得到随高度变化的大气虚温[3]。但银川河东机场自安装RASS以来，经常会出现温度突变现象（见图5），由10℃突然变到-30℃，而下一时刻又变回10℃。经分析，引起这种现象的原因有：一是程序算法问题（目前银川是国内第二家安装RASS并实现测温的，程序算法设计还不是很成熟）;二是原始数据本身问题，因为大气条件变化对虚温探测性能影响也非常大。

3  其他常见问题

3.1 数据空洞

由于风廓线雷达探测的目标是大气湍流，回波信号一般比较弱，当回波弱到一定程度后，就会无法生成风场，所以就形成了空白区，即数据空洞。同时由于回波比较微弱，其信噪比较临界，反演的风场可信度不高，所以，我们经常会看到低空（尤其是0～100m区域）风场数据比较零乱。另外，湿度越大对雷达探测就越有利，因为潮湿空气的反射系数变化会更大，寒冷干燥的空气则容易导致数据空洞，这也就是为什么沿海地区是风廓线雷达的理想架设场所。

3.2 虚温探测

一方面，降水时如果测得的水颗粒下降速度不同于垂直速度，测得的虚温则会不准确;另一方面，温度对RASS的影响很大，声音衰减随温度、湿度和压力的变化而变化，所以越是寒冷干燥的空气其衰减能力越大，从而降低了虚温的探测范围。

4  结语

固定式边界层风廓线雷达作为一种先进的地基探空设备，它不仅能够探测到大气的三维风场数据，还能探测到垂直温度廓线，且資料可靠性强。该设备目前已经广泛地应用到民航业务中，尤其基于风廓线雷达提供局地的垂直风廓线，对于预报员在风切变预测、天气系统过境、降水开始和结束时间等方面提供着非常有价值的指导。所以雷达业务人员非常有必要了解并掌握风廓线雷达相关知识及常见故障的维护维修技术，在日常工作中积累经验，确保其正常稳定运行，进而更好地发挥其在高空探测、临近预报等方面的优势。

参考文献

[1] 陈华彬，任京伟，任日中，等.CFL-03型风廓线雷达故障分析诊断技巧[J].气象与环境科学，2017，40（2）：120-126.

[2] 周志敏，万蓉，崔春光，等.廓线雷达资料在一次冰雹过程中的应用[J].暴雨灾害，2010，29（3）：251-256.

[3] 苏添记，夏润芳，刘笑，等.CLC-11-D型风廓线雷达故障处理与运行维护[J].气象研究与应用，2016，37（2）：88-90.

[4] 南京恩瑞特公司.固定式边界层风廓线雷达总体技术说明书[Z].南京：南京恩瑞特实业有限公司，2017.

①作者简介：虎雅莉（1992—），女，汉族，宁夏银川人，本科，助理工程师，主要从事气象探测设施应用维护工作。