L波段雷达的工作原理及其维修维护

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　　摘要：L波段雷达是我国高空气象探测系统的重要组成部分。本文主要根据青海省达日县气象局高空气象探测业务工作经验，首先介绍了L波段雷达的工作原理，接着重点论述L波段雷达的故障维修方法以及维护管理方式，以供同行参考借鉴。
　　关键词：L波段雷达；工作原理，维修维护
　　引言
　　近年来，随着科技的发展进步，我国气象探测技术方面得到不断优化增强，高空探测站也愈来愈多，我国目前已逐渐构建了比较全面的高空气象观测网络。GFE（L）1型二次测风雷达（以下简称L波段雷达）是我国自主研发的新一代高空探测雷达，现已经在全国大部分探空台站投入应用。L波段雷达的使用为天气预报和气候监测提供自地面到30000米高度之间的不同高度层的气压、风速、风向、湿度、温度等气象数据以及相关气象信息，不仅大幅提升了我国高空气象要素数据的观测密度与探测精度，而且为我国各个地区开展天气预报、气候变化研究以及公共气象服务等气象业务提供了更为有价值的指导依据。可以说，L波段雷达当前在我国高空气象探测系统占据着越来越重要的地位。因此，为了确保L波段雷达始终可以稳定运行，必须要掌握L波段雷达的工作原理及其维修维护方法。
　　1.L波段雷达的工作原理
　　L波段雷达在开展高空气象探测业务中，主要配合GTS1 型数字式电子探空仪执行空中的温度、气压、湿度、风向、风速等探测任务。L波段雷达具备采集速度快、探测精度高、体积小、能耗少、重量轻以及运用方便等特征。L波段雷达的工作原理主要包括以下几个方面。
　　1.1测角原理
　　L波段雷达天线主要由四个Ф0.8m抛物面天线、调制环以及和差环等共同构成，其中，实现假单脉冲体制的关键为和差环。调制环主要是通过程序方波进行控制，由和差环取得上、下、左、右误差信号调制于和信号上，该信号通过接收机放大以及解调便能够反映目标偏离 电轴的角误差信号（涉及到方向、大小）。通过垂直面上的2个天线所取得的误差信号促进俯仰电机对仰角进行测量获取。通过水平面上的天线取得的误差信号促进方位角电机而测量到方位角。本文主要通过方位角的测量为例来阐述测角原理（图1）。若天线与正东方相对，目标也处于正东方，因为射频信号至左右天线所历经的路程保持一致，所以没有相位差，即角误差为0，在显示器上分别显示的2根亮线也相等。若电轴未对准目标（如电轴方向偏南或者偏北了1个角度），如此因至左右2个单元天线的射频信号存在相位差，便形成了角误差信号，在显示器上2根亮线便有长短之分。L波段雷达主要通过这个原理对仰角以及方位角进行测量。在高空气象探测过程中，只需要对天线加以转动，使显示器上的4条亮线保持两两对齐便说明雷达天线和目标对准了。
　　1.2测距原理
　　L波段雷达在运行过程中，雷达的“询问信号”就是发射脉冲，由雷达天线进行发射，由探测的氢气球所附带的无线电回答器进行接收，无线电回答器便有1个应答信号传输至地面，由雷达天线接收。所以只用获取无线电波从雷达至气球之间的往返时间，之后采取这个时间的1/2乘以无线电波的传播速度，便可以获取探测氢气球和雷达间的距离。若将无线电波的传播速度设定为C，测定时间设为Δt，那么所获取的距离D可采用下式进行计算：
　　D= 1/2（C×Δt）
　　无线电波在空间传播速度即为光速，C=3×105km/s，Δt一般采取微秒（μs）去计算，即 C=0.3 km/μs，所以求得D=0.15×Δt（km）。
　　1.3测风原理
　　由于净举力的作用，探测氢气球一般会凭借一定的垂直速度进行上升，并且伴随着风力进行水平运动。由于探测氢气球质量较小，在随风漂移运动中所出现的惯性比较小。所以，可把探测氢气球的运动当成空气质点的运动，探测氢气球在水平方向上进行移动，基本上能够代表空气质点的水平位移。L波段雷达连续跟踪以及测量探测氢气球的运动轨迹，采取数学模型通过计算获取高空各层的风速、风向。
　　1.4高空其他气象要素的测量
　　高空气压、湿度、温度等各类气象要素的取得主要是通过探测氢气球所携带的数字探空仪所完成的。探空仪主要由气压、湿度、温度传感器和编码电路、转换电路以及回答器共同构成，其感应元件的电参量随着大气中气压、湿度、温度的变化而发生改变，而转换电路需要对变化的电参量开展采样以及编码工作，之后通过回答器传输至地面由雷达所接收，通过软件解码以及计算，便可以获取高空层各高度的气压、湿度、温度等气象要素值。
　　2.L波段雷达故障分析判断以及维修方法
　　2.1故障分析判断方法
　　（1）动态判断法
　　L波段雷达整机在进行加电的时候，将探空仪电源接通，同时要雷达天线与探空仪对准，这个时候需要在放球软件探空信号接收区，需要有温度、湿度、气压信号，出现于软件的左下方、终端—雷达通讯指示栏以及探空脉冲指示栏等区域，均需要有对应的标识处于移动状态。通过控制盒的手动方式对雷达偏离探测仪器的角度进行调整，之后切换至自动跟踪状态，检查雷达是否能够重新与探空仪对准。通过上述检查若无任何异常状况，便可以判断雷达的信号接收系统、计算机通讯系统以及自动跟踪等均处于正常状态，反之，则可以判断出现了故障问题。
　　（2）静态判断法
　　L波段测风雷达在进行整机加电、但是不对探空仪信号进行输入，通过雷达的技术参数对雷达认真检查，查看L波段雷达的增益、高压以及频率等有关数值是否处于正常状态；另外，还应该对放球软件进行认真检查，查看各项操作是否可以稳定运行。
　　2.2故障维修方法
　　（1）直觉法
　　直觉法主要利用耳听、眼看、鼻闻以及手摸等直观方法来找出故障以及对故障部位进行确定。
　　（2）隔离法
　　由于雷达电路内各支路之间相互作用，为了可以对故障点进行确定，可以切断其疑似故障点和周围之间的联系，之后再进行检查以及分析判断。
　　（3）测量法
　　测量法主要采取仪表测量雷达电路的电阻、电流、电压、电流以及波形，以获取数据，接着与厂家的技术数据加以对比，观察有无异常状况。测量法是对雷达进行维修的一种特别准确的方法，同时也比较常用。
　　（4）代替法
　　通过分析故障现象，在怀疑某一单元板或者是某元器件存在故障问题时，可以凭借备份单元板或者元器件加以替换，按照替换之后的结果展开排查。
　　3.L波段雷达的维护管理
　　3.1日常维护
　　（1）每日要做好仪器的清洁维护工作；（2）雨季或者是下雪天气，应该检查室外装置是否有渗水现象，电缆有无受潮等情况，在大风天气条件下，应及时防风；（3）检查放球软件界面上雷达各状态以及参数显示有无异常，注意查看室内以及室外装置是否存在气味或者异常声音等，一旦存在问题应及时进行维修维护。
　　3.2季度维护
　　每个季度应对L波段雷达进行一次认真的检查维护，尤其是重要部件需要着重维护，维护内容包括：（1）应对天线、馈线系统的外表的灰尘进行清洗；（2）对电缆接头进行认真检查，并且将各接插元件进行检查；（3）对天线转动系统的灵活性进行检查。
　　3.3年度维护
　　年度维护需要对全机进行全方位检查以及维护，同时对雷达全机的技术性能进行检查，年度维护的内容较多，需要耗费的时间稍长，最好不要在最热或者最冷的季节开展。年度维护内容包括：（1）清洁与维护天线单元馈线接点；（2）全部传动齿轮以及轴承均需加油或者换油；（3）对雷达天线装置水平、方位角零点、仰角零点、距离零点以及械轴、电轴以及光轴的一致性等展开检查以及校准，以确保雷达探测气象要素的精度。
　　参考文献
　　[1]吴月友. L波段雷达工作原理及维修保养方法[J].气象水文海洋仪器，2014（0）：103-106.
　　[2]马玉英.关于探空L波段雷达维护维修技巧[J].农业与技术，2013（7）.
　　作者简介：王新花（1990-），女，土族，青海省民和县人，本科学历，助理工程师，从事气象观测工作。
　　（作者單位：1青海省达日县气象局；
　　2吉林省镇赉县气象局；
　　3集安市气象局）
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