WXR-270 气象雷达典型故障分析

周国栋 付旭东 刘铸/凌云科技集团有限责任公司

0 引言

气象雷达是飞行中的重要一环，为飞行员提供前方航线的气象依据。气象雷达出现故障，将导致飞行员无法正确判断前方是否有恶劣气象，严重时可能造成飞机返航，因此需重视其维护。近几年，随着装机年限的增加，WXR-270气象雷达的故障率越来越高，内外场出现雷达目标弱、雷达跟踪不稳定等多发性典型故障。为此，对其进行故障原因分析，为从事该项维护工作的人员提供思路和方法。

1 WXR-270 气象雷达工作原理

气象雷达是利用雨滴、云状滴、冰晶、雪花等目标对电磁波的散射作用来探测大气中的降水，因此，包含有较大雨滴的空中降雨区域会对气象雷达天线所辐射的X 波段的电磁波产生一定程度的反射，形成降雨区域的雷达回波。在飞行时，垂直陀螺将姿态信号送入天线实现空域稳定功能，收发机的发射部分产生高能量的射频脉冲并通过天线向外辐射，天线辐射高能量的射频信号并接收从雷达目标（降雨、地形、信标等）反射回来的回波信号，接收机接收、检测从天线来的回波信号，经放大、检波后转换成数字形式的信号送到显示器。雷达的简要工作原理如图1 所示。

WXR-270 气象雷达主要由WXT-250A/B 收 发 机、ANT-312/318 天 线、IND-270 显示器和波导组成。

2 典型故障1

2.1 故障现象

飞行时雷达显示目标偏少,雷达目标弱。

2.2 原因分析

雷达最大作用距离：

依据雷达方程，目标变弱可考虑最小可检测信号Simin变大或者雷达发射峰值功率Pt变小等因素。雷达方程中，当其他因素一定时，Pt越大则作用距离越远，显示器上目标越强。发射机峰值功率受调制电路控制，众多高频高压器件如磁控管、脉冲电容、脉冲变压器等均影响整机的发射功率。调制器组件产生磁控管所需的高压脉冲，当振荡电路开始工作时，给脉冲形成网络（由电容器C1 ～C11 及电感L1 组成）充电，当充电到一个门限（典型值为-330V）后，经过T1 放电生成一个+4500V 的二次脉冲施加到磁控管的阳极，激发磁控管产生所需要的高频脉冲。通过给RD-301A雷达综合测试仪外接一个频谱分析仪来检测磁控管的信号，发现信号波瓣正常、中心频率漂移正常，整个频谱稳定无畸变，由此判定磁控管工作正常。根据信号流向溯源至脉冲形成网络，用双踪示波器分别监控近、远距脉冲信号，发现远距（C1 ～C11）波形基本正常，但是上升沿和下降沿有畸变，判定其中存在电容充放电异常情况。

2.3 排除方法

用双踪示波器监控近距（C1 ～C2）波，形成山峰状畸变，由此锁定电容中有一个已经损坏。检测分析电容的损失角D 和冲击电压等参数后，确定C1 电容性能失效，更换后故障排除。

图1 雷达工作简图

3 典型故障2

3.1 故障现象

飞行时雷达跟踪不稳定，显示目标时偶发性出现强弱变化。

3.2 原因分析

在外界参数一定的情况下，影响雷达目标跟踪稳定的因素为发射机的发射峰值功率Pt和接收机的最小检测门限 Simin。影响发射峰值功率Pt的主要元器件是调制电容C1 ～C11；影响Simin参数的因素主要有信号带宽和检测需要的信噪比，信号带宽波动超出容限可导致显示器上目标带出现明显的强弱变化，而信噪比则直接影响信号的接收门限，信噪比与信号带宽需要严格匹配。该雷达故检发现最小可检测信号Simin浮动较大。信号带宽、信噪比受收发机内A5中频/视频板调控，中频电路主要是从中频信号中检波并分离出雷达目标信息，再将其处理成相应的视频信号供雷达显示器用。

首先分析发射峰值功率Pt因素。影响发射峰值功率Pt的主要元器件是调制电容C1 ～C11，使用的调制电容为金属化塑料薄膜电容，其材质被高压击穿后，只要移去高压即可自行恢复原功能。由于金属化薄膜电容不像电解电容那样可以通过测量充放电来判别电容的好坏，电容检测只能看其容值是否在范围内、损失角是否正常等，故采用双踪示波器分别监控近、远距脉冲信号来判定电容好坏。检查发现C1 ～C11 波形正常，未发现异常。

再分析接收机最小检测门限Simin因素。雷达的中频峰值响应频率为60MHz，混频信号通过J1、J2 接入中频板60MHz 前置放大电路，经输入调谐、前置放大调整及输出调谐模块处理后送入下一级电路。TP1 上为某一带有信息的60MHz 载波信号，监测时信号较为稳定，示波器监测下的波形曲线平滑稳定，经调整调谐电容C7、C8至最佳状态，将故障隔离至下一级处理电路。STC（灵敏度时间控制）单元将前置放大器输出的信号与第二本振Y1（50.4MHz）混频，产生9.6MHz 第二中频信号，并将其施加到第1、2 中频放大器U5、U6，信号进入该级电路后，经过2 次混合、1 次9.6MHz 放大、2 次放大模块处理输出，由Q11 组成的视频检波器电路从信号中检出视频信息，并提供一种脉冲形式输出的信号，也代表着目标回波信号。监控发现其输出信号稳定正常，末端还需经过U20（1558）进行信号放大后输出。通过监测TP3 检测信号发现放大后输出异常，由此判定U20 故障。

3.3 排除方法

更换U20 后信号正常，目标跟踪稳定。

4 典型故障3

4.1 故障现象

气象状态收发机运行不正常，自检画面满屏红色。

4.2 原因分析

收发机不正常首先需确定WX（气象）工作模式是否接通。通过对WX 接通电路进行检查，发现三输入与非门芯片U8 输出端在WX 状态时仍然是高电平，而电路中为低电平有效，说明U8在处理控制信号时出错。同时，监控P/O J202 连接件10 脚信号，发现其一直处在高电平位置，往外的STBY 低电平有效信号无输出，由此将故障隔离在显示器，排除收发机故障因素。后级电路中模式选择控制信号还经过了非门芯片U6 处理，示波器检测到其两端亦无高低电平信号转换，故判定U6、U8 故障。更换后，故障现象变为自检状态一直显示TEST 字符但无自检画面，收发机处于WX 工作模式。由于字符信号由数据选择器U7 控制，用示波器多路同时检查其模式控制信号正常，判定这是由于功能信号未输入导致的故障。P/O J201连接件12 脚输出TEST 信号，在前级控制电路中经过非门U5。测量其11 和10 脚信号没有输出，由此判定故障是由U5 引起的。更换U5 后气象状态收发机运行正常。

解决气象状态收发机运行不正常故障后，依然出现自检画面满屏红现象。STBY 以外的状态一直满屏红、TEST状态在自检画面出现之前满屏红（正常应为背景黑色）。因此，从显示器A3信息处理板三色视频输出信号入手，逆向检查各级处理模块。P/O P301 连接件21/22/23 号脚分别对应红、绿、蓝三色，前级经过数据缓存、解码、缓冲、数据计算、数据选择、数据存储、移位寄存、信号平滑、颜色处理，最后经过输出门电路。逐级向前检测各模块的信号输入输出：颜色处理模块U46 芯片12 脚输出信号无规律→平滑电路U44的4/12 输出异常→数据缓冲移位模块U42 芯片4/12 脚输入信号均为杂波信号→数据计算选择模块U35 芯片2/3 输入脚无信号→预选逻辑处理电路U30 芯片3/6/11 脚有无规则的逻辑信号输出。再向前推即为P/O P301 连接件16/17/18脚VIDEO1/2/3 信号，该信号由收发机内部提供，因收发机在上述分析中已确定无故障，针对此情况，决定查找显示器信息处理单元A3 的相关外围电路。预选逻辑处理电路U30 芯片为2 输入或门，另一路输入逻辑信号由时钟处理模块提供。检查外围时钟电路，发现PRF（脉冲重复频率）时钟信号输出为不规则的杂波信号，由此判定外围时钟处理电路故障导致了视频信号处理的异常。用TDS1012 示波器监控输出时钟前级U83 非门电路，9 脚输入有120Hz 的方波信号，8 脚输出端为杂波信号，故判定U83 故障。由于三色信号共用一个时钟信号，时钟信号异常会导致用到该信号的芯片输入频率错误，无法正常处理输入信息，最终导致输出异常，诱发满屏红色显示。

4.3 排除方法

更换U5、U6、U8 后气象状态收发机运行正常，更换U83 后自检画面正常。

5 典型故障4

5.1 故障现象

目标显示画面扇形缺失及目标影像不能保持。

5.2 原因分析

某型飞机在飞行时WXR-270 气象雷达出现显示画面异常情况，表现为目标显示画面扇形缺失及目标影像不能保持。飞机返场后在地面反复通电检查，故障现象没有复现。

从雷达工作原理及其故障现象分析，出现这种情况的可能原因有：垂直陀螺故障，直接影响输送给天线的姿态信号，导致飞行时空域稳定功能不好，即雷达天线上下摆动或一直有角度地上仰或下俯，不能保持向飞机正前方发射高频脉冲波束；天线故障，影响天线平板的姿态，导致空域稳定功能不好，与垂直陀螺故障情况类似；收发机产生的高能量射频脉冲通过天线向外辐射并接收、检测从天线来的回波信号，经处理后送至显示器，发射脉冲的品质及接收机处理信号能力的好坏都直接影响收发机的性能，可能导致该故障的出现；显示器视频处理电路故障，数据转换电路故障都会导致雷达显示异常。从以上分析可知，垂直陀螺、天线、收发机、显示器及相关线路故障均会导致此故障现象的发生。

进一步分析，如果故障出现在垂直陀螺或天线上，从原理来看，只有在天线进行大角度的俯仰摆动或者天线一直上仰或一直下俯才会出现目标扇形缺失及目标丢失情况，而且天线的俯仰摆动频率和显示器上显示缺失的频率应该是一致的。但根据飞行人员拍摄的故障图像来看，扇形缺失现象呈现在一个33°的扇形区域内（其他区域没有大的目标影像），在这个区域内的目标图像上均匀分布着7 道丢失目标的扇区（俗称打嗝），而天线的方位扫描范围是120°，时间为4.5s，33°的扇扫时间是1.24s 左右，在这1.24s 的时间里天线需要做7个大角度的俯仰摆动，则天线每一个俯仰摆动时间为0.18s，这是天线机械结构无法实现的，故此排除垂直陀螺和天线发生故障的可能性。

发射机发射脉冲不稳定或接收机接收目标回波信号处理电路发生故障可能造成目标打嗝和目标丢失，显示器的视频处理电路、数据转换电路和目标增益电路出现故障也会造成目标显示不正常。鉴于在地面故障现象不能复现，将收发机和显示器拆下送至修理车间反复进行振动试验、高低温试验，测得的所有数据没有任何异常，基本可以排除收发机和显示器发生故障的可能性。

从以上分析大致可排除气象雷达发生故障的因素，只剩线路没有排查。根据线路图测量机上电缆，用万用表反复进行电缆导线导通性测量，均无异常；用兆欧表进行电缆插头绝缘测量，也未发现异常。再次分析查找原因，对存在故障可能的连接电缆线做进一步检查，稍稍用力晃动电缆后再用万用表检查，终于发现机上收发机线缆插头t 脚与飞机壳体之间的连接处于时通时断的状态。

收发机t脚线与显示器46脚线相连，其导线连接定义为宽窄波束信号转换。宽窄波束转换是指收发机工作时的两种脉冲宽度状态，即远距近距时的脉冲宽度转换。如果这根导线和机体（地线）搭接，则脉冲信号和地线短路，将造成回路信号消失，从而丢失目标，那么正好与故障现象吻合。

对拆下的这根导线（收发机线缆插头t 脚与显示器46 脚相连的导线）进行检查，发现导线表皮部分破损，但是破损面积很小，导线的芯线和屏蔽套尚有空隙，因此在用户地面通电、开车时故障现象都未能复现。但当飞机在空中飞行时，线路随飞机机体的固定频率振动，再加上飞机的各种姿态动作，最终导致t脚线与屏蔽线防波套快速接通和断开，形成了有规律的打嗝现象。在地面通电时虽然也有开车和振动，但振动频率与飞行时不同，也无飞机姿态的变化，因此t 脚线没有与防波套短接，故障现象就不能复现。

5.3 排除方法

更换该故障电缆，经过多次飞行后故障均未重现，故障得到了彻底排 除。

6 结束语

针对WXR-270 气象雷达的四例典型故障进行了原因分析，制定了解决措施，有助于在今后类似故障发生时能快速有效地定位和排除故障，具有一定的实际应用价值和借鉴意义。