周?chē)?guó)棟 付旭東 劉鑄/凌云科技集團(tuán)有限責(zé)任公司

0 引言

氣象雷達(dá)是飛行中的重要一環(huán)，為飛行員提供前方航線的氣象依據(jù)。氣象雷達(dá)出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致飛行員無(wú)法正確判斷前方是否有惡劣氣象，嚴(yán)重時(shí)可能造成飛機(jī)返航，因此需重視其維護(hù)。近幾年，隨著裝機(jī)年限的增加，WXR-270氣象雷達(dá)的故障率越來(lái)越高，內(nèi)外場(chǎng)出現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)弱、雷達(dá)跟蹤不穩(wěn)定等多發(fā)性典型故障。為此，對(duì)其進(jìn)行故障原因分析，為從事該項(xiàng)維護(hù)工作的人員提供思路和方法。

1 WXR-270 氣象雷達(dá)工作原理

氣象雷達(dá)是利用雨滴、云狀滴、冰晶、雪花等目標(biāo)對(duì)電磁波的散射作用來(lái)探測(cè)大氣中的降水，因此，包含有較大雨滴的空中降雨區(qū)域會(huì)對(duì)氣象雷達(dá)天線所輻射的X 波段的電磁波產(chǎn)生一定程度的反射，形成降雨區(qū)域的雷達(dá)回波。在飛行時(shí)，垂直陀螺將姿態(tài)信號(hào)送入天線實(shí)現(xiàn)空域穩(wěn)定功能，收發(fā)機(jī)的發(fā)射部分產(chǎn)生高能量的射頻脈沖并通過(guò)天線向外輻射，天線輻射高能量的射頻信號(hào)并接收從雷達(dá)目標(biāo)（降雨、地形、信標(biāo)等）反射回來(lái)的回波信號(hào)，接收機(jī)接收、檢測(cè)從天線來(lái)的回波信號(hào)，經(jīng)放大、檢波后轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的信號(hào)送到顯示器。雷達(dá)的簡(jiǎn)要工作原理如圖1 所示。

WXR-270 氣象雷達(dá)主要由WXT-250A/B 收 發(fā) 機(jī)、ANT-312/318 天 線、IND-270 顯示器和波導(dǎo)組成。

2 典型故障1

2.1 故障現(xiàn)象

飛行時(shí)雷達(dá)顯示目標(biāo)偏少,雷達(dá)目標(biāo)弱。

2.2 原因分析

雷達(dá)最大作用距離：

依據(jù)雷達(dá)方程，目標(biāo)變?nèi)蹩煽紤]最小可檢測(cè)信號(hào)Simin變大或者雷達(dá)發(fā)射峰值功率Pt變小等因素。雷達(dá)方程中，當(dāng)其他因素一定時(shí)，Pt越大則作用距離越遠(yuǎn)，顯示器上目標(biāo)越強(qiáng)。發(fā)射機(jī)峰值功率受調(diào)制電路控制，眾多高頻高壓器件如磁控管、脈沖電容、脈沖變壓器等均影響整機(jī)的發(fā)射功率。調(diào)制器組件產(chǎn)生磁控管所需的高壓脈沖，當(dāng)振蕩電路開(kāi)始工作時(shí)，給脈沖形成網(wǎng)絡(luò)（由電容器C1 ～C11 及電感L1 組成）充電，當(dāng)充電到一個(gè)門(mén)限（典型值為-330V）后，經(jīng)過(guò)T1 放電生成一個(gè)+4500V 的二次脈沖施加到磁控管的陽(yáng)極，激發(fā)磁控管產(chǎn)生所需要的高頻脈沖。通過(guò)給RD-301A雷達(dá)綜合測(cè)試儀外接一個(gè)頻譜分析儀來(lái)檢測(cè)磁控管的信號(hào)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)波瓣正常、中心頻率漂移正常，整個(gè)頻譜穩(wěn)定無(wú)畸變，由此判定磁控管工作正常。根據(jù)信號(hào)流向溯源至脈沖形成網(wǎng)絡(luò)，用雙蹤示波器分別監(jiān)控近、遠(yuǎn)距脈沖信號(hào)，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距（C1 ～C11）波形基本正常，但是上升沿和下降沿有畸變，判定其中存在電容充放電異常情況。

2.3 排除方法

用雙蹤示波器監(jiān)控近距（C1 ～C2）波，形成山峰狀畸變，由此鎖定電容中有一個(gè)已經(jīng)損壞。檢測(cè)分析電容的損失角D 和沖擊電壓等參數(shù)后，確定C1 電容性能失效，更換后故障排除。

圖1 雷達(dá)工作簡(jiǎn)圖

3 典型故障2

3.1 故障現(xiàn)象

飛行時(shí)雷達(dá)跟蹤不穩(wěn)定，顯示目標(biāo)時(shí)偶發(fā)性出現(xiàn)強(qiáng)弱變化。

3.2 原因分析

在外界參數(shù)一定的情況下，影響雷達(dá)目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定的因素為發(fā)射機(jī)的發(fā)射峰值功率Pt和接收機(jī)的最小檢測(cè)門(mén)限 Simin。影響發(fā)射峰值功率Pt的主要元器件是調(diào)制電容C1 ～C11；影響Simin參數(shù)的因素主要有信號(hào)帶寬和檢測(cè)需要的信噪比，信號(hào)帶寬波動(dòng)超出容限可導(dǎo)致顯示器上目標(biāo)帶出現(xiàn)明顯的強(qiáng)弱變化，而信噪比則直接影響信號(hào)的接收門(mén)限，信噪比與信號(hào)帶寬需要嚴(yán)格匹配。該雷達(dá)故檢發(fā)現(xiàn)最小可檢測(cè)信號(hào)Simin浮動(dòng)較大。信號(hào)帶寬、信噪比受收發(fā)機(jī)內(nèi)A5中頻/視頻板調(diào)控，中頻電路主要是從中頻信號(hào)中檢波并分離出雷達(dá)目標(biāo)信息，再將其處理成相應(yīng)的視頻信號(hào)供雷達(dá)顯示器用。

首先分析發(fā)射峰值功率Pt因素。影響發(fā)射峰值功率Pt的主要元器件是調(diào)制電容C1 ～C11，使用的調(diào)制電容為金屬化塑料薄膜電容，其材質(zhì)被高壓擊穿后，只要移去高壓即可自行恢復(fù)原功能。由于金屬化薄膜電容不像電解電容那樣可以通過(guò)測(cè)量充放電來(lái)判別電容的好壞，電容檢測(cè)只能看其容值是否在范圍內(nèi)、損失角是否正常等，故采用雙蹤示波器分別監(jiān)控近、遠(yuǎn)距脈沖信號(hào)來(lái)判定電容好壞。檢查發(fā)現(xiàn)C1 ～C11 波形正常，未發(fā)現(xiàn)異常。

再分析接收機(jī)最小檢測(cè)門(mén)限Simin因素。雷達(dá)的中頻峰值響應(yīng)頻率為60MHz，混頻信號(hào)通過(guò)J1、J2 接入中頻板60MHz 前置放大電路，經(jīng)輸入調(diào)諧、前置放大調(diào)整及輸出調(diào)諧模塊處理后送入下一級(jí)電路。TP1 上為某一帶有信息的60MHz 載波信號(hào)，監(jiān)測(cè)時(shí)信號(hào)較為穩(wěn)定，示波器監(jiān)測(cè)下的波形曲線平滑穩(wěn)定，經(jīng)調(diào)整調(diào)諧電容C7、C8至最佳狀態(tài)，將故障隔離至下一級(jí)處理電路。STC（靈敏度時(shí)間控制）單元將前置放大器輸出的信號(hào)與第二本振Y1（50.4MHz）混頻，產(chǎn)生9.6MHz 第二中頻信號(hào)，并將其施加到第1、2 中頻放大器U5、U6，信號(hào)進(jìn)入該級(jí)電路后，經(jīng)過(guò)2 次混合、1 次9.6MHz 放大、2 次放大模塊處理輸出，由Q11 組成的視頻檢波器電路從信號(hào)中檢出視頻信息，并提供一種脈沖形式輸出的信號(hào)，也代表著目標(biāo)回波信號(hào)。監(jiān)控發(fā)現(xiàn)其輸出信號(hào)穩(wěn)定正常，末端還需經(jīng)過(guò)U20（1558）進(jìn)行信號(hào)放大后輸出。通過(guò)監(jiān)測(cè)TP3 檢測(cè)信號(hào)發(fā)現(xiàn)放大后輸出異常，由此判定U20 故障。

3.3 排除方法

更換U20 后信號(hào)正常，目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定。

4 典型故障3

4.1 故障現(xiàn)象

氣象狀態(tài)收發(fā)機(jī)運(yùn)行不正常，自檢畫(huà)面滿屏紅色。

4.2 原因分析

收發(fā)機(jī)不正常首先需確定WX（氣象）工作模式是否接通。通過(guò)對(duì)WX 接通電路進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)三輸入與非門(mén)芯片U8 輸出端在WX 狀態(tài)時(shí)仍然是高電平，而電路中為低電平有效，說(shuō)明U8在處理控制信號(hào)時(shí)出錯(cuò)。同時(shí)，監(jiān)控P/O J202 連接件10 腳信號(hào)，發(fā)現(xiàn)其一直處在高電平位置，往外的STBY 低電平有效信號(hào)無(wú)輸出，由此將故障隔離在顯示器，排除收發(fā)機(jī)故障因素。后級(jí)電路中模式選擇控制信號(hào)還經(jīng)過(guò)了非門(mén)芯片U6 處理，示波器檢測(cè)到其兩端亦無(wú)高低電平信號(hào)轉(zhuǎn)換，故判定U6、U8 故障。更換后，故障現(xiàn)象變?yōu)樽詸z狀態(tài)一直顯示TEST 字符但無(wú)自檢畫(huà)面，收發(fā)機(jī)處于WX 工作模式。由于字符信號(hào)由數(shù)據(jù)選擇器U7 控制，用示波器多路同時(shí)檢查其模式控制信號(hào)正常，判定這是由于功能信號(hào)未輸入導(dǎo)致的故障。P/O J201連接件12 腳輸出TEST 信號(hào)，在前級(jí)控制電路中經(jīng)過(guò)非門(mén)U5。測(cè)量其11 和10 腳信號(hào)沒(méi)有輸出，由此判定故障是由U5 引起的。更換U5 后氣象狀態(tài)收發(fā)機(jī)運(yùn)行正常。

解決氣象狀態(tài)收發(fā)機(jī)運(yùn)行不正常故障后，依然出現(xiàn)自檢畫(huà)面滿屏紅現(xiàn)象。STBY 以外的狀態(tài)一直滿屏紅、TEST狀態(tài)在自檢畫(huà)面出現(xiàn)之前滿屏紅（正常應(yīng)為背景黑色）。因此，從顯示器A3信息處理板三色視頻輸出信號(hào)入手，逆向檢查各級(jí)處理模塊。P/O P301 連接件21/22/23 號(hào)腳分別對(duì)應(yīng)紅、綠、藍(lán)三色，前級(jí)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)緩存、解碼、緩沖、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)選擇、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、移位寄存、信號(hào)平滑、顏色處理，最后經(jīng)過(guò)輸出門(mén)電路。逐級(jí)向前檢測(cè)各模塊的信號(hào)輸入輸出：顏色處理模塊U46 芯片12 腳輸出信號(hào)無(wú)規(guī)律→平滑電路U44的4/12 輸出異?！鷶?shù)據(jù)緩沖移位模塊U42 芯片4/12 腳輸入信號(hào)均為雜波信號(hào)→數(shù)據(jù)計(jì)算選擇模塊U35 芯片2/3 輸入腳無(wú)信號(hào)→預(yù)選邏輯處理電路U30 芯片3/6/11 腳有無(wú)規(guī)則的邏輯信號(hào)輸出。再向前推即為P/O P301 連接件16/17/18腳VIDEO1/2/3 信號(hào)，該信號(hào)由收發(fā)機(jī)內(nèi)部提供，因收發(fā)機(jī)在上述分析中已確定無(wú)故障，針對(duì)此情況，決定查找顯示器信息處理單元A3 的相關(guān)外圍電路。預(yù)選邏輯處理電路U30 芯片為2 輸入或門(mén)，另一路輸入邏輯信號(hào)由時(shí)鐘處理模塊提供。檢查外圍時(shí)鐘電路，發(fā)現(xiàn)PRF（脈沖重復(fù)頻率）時(shí)鐘信號(hào)輸出為不規(guī)則的雜波信號(hào)，由此判定外圍時(shí)鐘處理電路故障導(dǎo)致了視頻信號(hào)處理的異常。用TDS1012 示波器監(jiān)控輸出時(shí)鐘前級(jí)U83 非門(mén)電路，9 腳輸入有120Hz 的方波信號(hào)，8 腳輸出端為雜波信號(hào)，故判定U83 故障。由于三色信號(hào)共用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)異常會(huì)導(dǎo)致用到該信號(hào)的芯片輸入頻率錯(cuò)誤，無(wú)法正常處理輸入信息，最終導(dǎo)致輸出異常，誘發(fā)滿屏紅色顯示。

4.3 排除方法

更換U5、U6、U8 后氣象狀態(tài)收發(fā)機(jī)運(yùn)行正常，更換U83 后自檢畫(huà)面正常。

5 典型故障4

5.1 故障現(xiàn)象

目標(biāo)顯示畫(huà)面扇形缺失及目標(biāo)影像不能保持。

5.2 原因分析

某型飛機(jī)在飛行時(shí)WXR-270 氣象雷達(dá)出現(xiàn)顯示畫(huà)面異常情況，表現(xiàn)為目標(biāo)顯示畫(huà)面扇形缺失及目標(biāo)影像不能保持。飛機(jī)返場(chǎng)后在地面反復(fù)通電檢查，故障現(xiàn)象沒(méi)有復(fù)現(xiàn)。

從雷達(dá)工作原理及其故障現(xiàn)象分析，出現(xiàn)這種情況的可能原因有：垂直陀螺故障，直接影響輸送給天線的姿態(tài)信號(hào)，導(dǎo)致飛行時(shí)空域穩(wěn)定功能不好，即雷達(dá)天線上下擺動(dòng)或一直有角度地上仰或下俯，不能保持向飛機(jī)正前方發(fā)射高頻脈沖波束；天線故障，影響天線平板的姿態(tài)，導(dǎo)致空域穩(wěn)定功能不好，與垂直陀螺故障情況類(lèi)似；收發(fā)機(jī)產(chǎn)生的高能量射頻脈沖通過(guò)天線向外輻射并接收、檢測(cè)從天線來(lái)的回波信號(hào)，經(jīng)處理后送至顯示器，發(fā)射脈沖的品質(zhì)及接收機(jī)處理信號(hào)能力的好壞都直接影響收發(fā)機(jī)的性能，可能導(dǎo)致該故障的出現(xiàn)；顯示器視頻處理電路故障，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路故障都會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)顯示異常。從以上分析可知，垂直陀螺、天線、收發(fā)機(jī)、顯示器及相關(guān)線路故障均會(huì)導(dǎo)致此故障現(xiàn)象的發(fā)生。

進(jìn)一步分析，如果故障出現(xiàn)在垂直陀螺或天線上，從原理來(lái)看，只有在天線進(jìn)行大角度的俯仰擺動(dòng)或者天線一直上仰或一直下俯才會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)扇形缺失及目標(biāo)丟失情況，而且天線的俯仰擺動(dòng)頻率和顯示器上顯示缺失的頻率應(yīng)該是一致的。但根據(jù)飛行人員拍攝的故障圖像來(lái)看，扇形缺失現(xiàn)象呈現(xiàn)在一個(gè)33°的扇形區(qū)域內(nèi)（其他區(qū)域沒(méi)有大的目標(biāo)影像），在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)圖像上均勻分布著7 道丟失目標(biāo)的扇區(qū)（俗稱(chēng)打嗝），而天線的方位掃描范圍是120°，時(shí)間為4.5s，33°的扇掃時(shí)間是1.24s 左右，在這1.24s 的時(shí)間里天線需要做7個(gè)大角度的俯仰擺動(dòng)，則天線每一個(gè)俯仰擺動(dòng)時(shí)間為0.18s，這是天線機(jī)械結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，故此排除垂直陀螺和天線發(fā)生故障的可能性。

發(fā)射機(jī)發(fā)射脈沖不穩(wěn)定或接收機(jī)接收目標(biāo)回波信號(hào)處理電路發(fā)生故障可能造成目標(biāo)打嗝和目標(biāo)丟失，顯示器的視頻處理電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路和目標(biāo)增益電路出現(xiàn)故障也會(huì)造成目標(biāo)顯示不正常。鑒于在地面故障現(xiàn)象不能復(fù)現(xiàn)，將收發(fā)機(jī)和顯示器拆下送至修理車(chē)間反復(fù)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)，測(cè)得的所有數(shù)據(jù)沒(méi)有任何異常，基本可以排除收發(fā)機(jī)和顯示器發(fā)生故障的可能性。

從以上分析大致可排除氣象雷達(dá)發(fā)生故障的因素，只剩線路沒(méi)有排查。根據(jù)線路圖測(cè)量機(jī)上電纜，用萬(wàn)用表反復(fù)進(jìn)行電纜導(dǎo)線導(dǎo)通性測(cè)量，均無(wú)異常；用兆歐表進(jìn)行電纜插頭絕緣測(cè)量，也未發(fā)現(xiàn)異常。再次分析查找原因，對(duì)存在故障可能的連接電纜線做進(jìn)一步檢查，稍稍用力晃動(dòng)電纜后再用萬(wàn)用表檢查，終于發(fā)現(xiàn)機(jī)上收發(fā)機(jī)線纜插頭t 腳與飛機(jī)殼體之間的連接處于時(shí)通時(shí)斷的狀態(tài)。

收發(fā)機(jī)t腳線與顯示器46腳線相連，其導(dǎo)線連接定義為寬窄波束信號(hào)轉(zhuǎn)換。寬窄波束轉(zhuǎn)換是指收發(fā)機(jī)工作時(shí)的兩種脈沖寬度狀態(tài)，即遠(yuǎn)距近距時(shí)的脈沖寬度轉(zhuǎn)換。如果這根導(dǎo)線和機(jī)體（地線）搭接，則脈沖信號(hào)和地線短路，將造成回路信號(hào)消失，從而丟失目標(biāo)，那么正好與故障現(xiàn)象吻合。

對(duì)拆下的這根導(dǎo)線（收發(fā)機(jī)線纜插頭t 腳與顯示器46 腳相連的導(dǎo)線）進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線表皮部分破損，但是破損面積很小，導(dǎo)線的芯線和屏蔽套尚有空隙，因此在用戶地面通電、開(kāi)車(chē)時(shí)故障現(xiàn)象都未能復(fù)現(xiàn)。但當(dāng)飛機(jī)在空中飛行時(shí)，線路隨飛機(jī)機(jī)體的固定頻率振動(dòng)，再加上飛機(jī)的各種姿態(tài)動(dòng)作，最終導(dǎo)致t腳線與屏蔽線防波套快速接通和斷開(kāi)，形成了有規(guī)律的打嗝現(xiàn)象。在地面通電時(shí)雖然也有開(kāi)車(chē)和振動(dòng)，但振動(dòng)頻率與飛行時(shí)不同，也無(wú)飛機(jī)姿態(tài)的變化，因此t 腳線沒(méi)有與防波套短接，故障現(xiàn)象就不能復(fù)現(xiàn)。

5.3 排除方法

更換該故障電纜，經(jīng)過(guò)多次飛行后故障均未重現(xiàn)，故障得到了徹底排 除。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)WXR-270 氣象雷達(dá)的四例典型故障進(jìn)行了原因分析，制定了解決措施，有助于在今后類(lèi)似故障發(fā)生時(shí)能快速有效地定位和排除故障，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和借鑒意義。