溫顯罡 劉佳明 李 樂

(1.福建省龍巖市新羅區(qū)氣象局 福建龍巖 364000；2. 福建省龍巖市氣象局 福建龍巖 364000)

0 引言

風(fēng)廓線雷達(dá)WPR(Wind Profile Radar)是我國氣象部門近年才配備的現(xiàn)代化探測設(shè)備，它采用微波輻射遙感技術(shù)，應(yīng)用多普勒原理對大氣進(jìn)行探測，能夠不間斷地提供探測高度范圍內(nèi)的大氣水平風(fēng)場、垂直氣流、大氣虛溫以及大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等氣象要素隨高度的分布。龍巖風(fēng)廓線雷達(dá)為CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)，它能連續(xù)提供150m～6km探測高度范圍內(nèi)的大氣水平風(fēng)場、垂直氣流和大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等氣象要素隨高度的分布，還能連續(xù)獲取探測地域的大氣折射結(jié)構(gòu)波動(dòng)和湍流起伏等氣象信息[1]。該風(fēng)廓線雷達(dá)的穩(wěn)定運(yùn)行可以加強(qiáng)對當(dāng)?shù)馗鞣N中小尺度災(zāi)害天氣系統(tǒng)等提供準(zhǔn)確的大氣風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)、輻合、輻散等氣象綜合信息，大大提高局部性災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警水平，對提高閩西山區(qū)局地天氣預(yù)測預(yù)報(bào)能力具有重要意義。因此，做好風(fēng)廓線雷達(dá)的運(yùn)行維護(hù)保障，確保觀測數(shù)據(jù)的完整性也是至關(guān)重要。但該雷達(dá)在剛安裝試運(yùn)行的前期，每運(yùn)行一段時(shí)間(12～15天)就會停止探測，這樣對設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定率、數(shù)據(jù)可用率和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量都帶來較大影響，從而影響到觀測質(zhì)量考核。據(jù)了解，有部分該型號的風(fēng)廓線雷達(dá)也會出現(xiàn)此類問題。

1 工作原理

CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)是以大氣湍流為探測目標(biāo)的晴空探測脈沖多普勒雷達(dá)。按邏輯功能由有源相控陣天線分系統(tǒng)(以下簡稱天線分系統(tǒng))、接收分系統(tǒng)、頻綜分系統(tǒng)、信號處理分系統(tǒng)(即主控機(jī))、數(shù)據(jù)終端分系統(tǒng)(即終端機(jī))、監(jiān)控分系統(tǒng)、標(biāo)定分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)工作時(shí)，首先由主控計(jì)算機(jī)按照設(shè)定的工作模式控制頻綜產(chǎn)生高頻探測脈沖信號，該信號經(jīng)發(fā)射機(jī)放大后，經(jīng)環(huán)行器由天饋系統(tǒng)輻射出去。按照Bragg散射原理，電磁波在空間傳播過程中遇到尺度為其波長一半的大氣湍流后將會產(chǎn)生最大后向散射，一部分電磁波能量將會反射到風(fēng)廓線雷達(dá)的天線處，天線接收到回波信號后經(jīng)收發(fā)模塊中的低噪聲放大輸出到高頻接收系統(tǒng)中，高頻接收系統(tǒng)對回波進(jìn)行混頻、濾波和中頻放大，再以60MHz中頻信號傳輸?shù)綌?shù)字化中頻接收機(jī)，在數(shù)字化中頻接收機(jī)中進(jìn)行濾波、放大和混頻并進(jìn)行取樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字正交相檢、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)抽取。在信號處理器中對回波信號進(jìn)行視頻積累、脈沖壓縮、去直流、加窗處理、譜分析(FFT)和譜積累后形成湍流回波信號的功率譜。該功率譜再通過計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行零譜去除、半屏面對消和干擾譜剔除，并根據(jù)噪聲功率電平形成自適應(yīng)信號檢測門限，進(jìn)行風(fēng)譜信號提取和風(fēng)譜信號的估值，求出風(fēng)譜質(zhì)心，計(jì)算出相應(yīng)的徑向速度，并在計(jì)算機(jī)的控制下，分別得到其它天線指向上的徑向風(fēng)速值[2](詳見圖2)。在進(jìn)行多次同樣的探測后得到多組對應(yīng)不同波束的徑向風(fēng)速，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)和質(zhì)量控制后，進(jìn)行野值剔除，最后根據(jù)幾何關(guān)系和相關(guān)計(jì)算方程式計(jì)算出各高度層上的風(fēng)速、風(fēng)向[3]。

圖2 CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)工作原理框圖

2 故障現(xiàn)象分析

龍巖風(fēng)廓線雷達(dá)于2019年1月22日建成并開始試運(yùn)行，試運(yùn)行的前期每運(yùn)行一段時(shí)間(12～15天)就會停止探測，導(dǎo)致探測數(shù)據(jù)無生成。從圖3可以看出，2020年12月14日18時(shí)30分的探測數(shù)據(jù)文件生成上傳后，從18時(shí)36分開始便無探測數(shù)據(jù)文件生成，19時(shí)26分后經(jīng)人工重啟風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件后才會恢復(fù)探測，19時(shí)30分開始才有探測數(shù)據(jù)文件生成上傳；接著就是12天后的12月26日19時(shí)42分開始的停止探測，2021年1月7日20時(shí)48分開始的停止探測和1月19日21時(shí)48分開始的停止探測。每當(dāng)遇到這狀況時(shí)，都需人工在風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件重新建立主控機(jī)與數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)的連接或重啟風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件后才會恢復(fù)探測。

圖3 故障現(xiàn)象圖

3 故障分析排查

3.1 風(fēng)廓線雷達(dá)的功能

CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)按邏輯功能由有源相控陣天線分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、頻綜分系統(tǒng)、信號處理分系統(tǒng)(主控機(jī))、數(shù)據(jù)終端分系統(tǒng)(數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī))、監(jiān)控分系統(tǒng)、標(biāo)定分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)等組成。CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)工作時(shí)，首先由主控機(jī)按照設(shè)置的工作模式控制相關(guān)分系統(tǒng)進(jìn)行探測和信號處理后得到湍流回波信號的功率譜，傳給數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)，再由數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)處理得到各高度層上的風(fēng)速和風(fēng)向。主控機(jī)與數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)(直連)連接，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，傳輸控制命令、探測參數(shù)和探測數(shù)據(jù)。

3.2 風(fēng)廓線雷達(dá)軟件的功能

風(fēng)廓線雷達(dá)控制軟件安裝在雷達(dá)系統(tǒng)的主控工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(主控機(jī))上，是設(shè)備的專用軟件，用來完成對該設(shè)備的系統(tǒng)運(yùn)行控制和探測數(shù)據(jù)的錄取處理任務(wù)。它實(shí)現(xiàn)了對該設(shè)備的參數(shù)設(shè)置、工作過程控制、風(fēng)信號處理、原始數(shù)據(jù)錄取、在線監(jiān)測、系統(tǒng)標(biāo)定、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)管理以及后端遙控等功能，是保證系統(tǒng)運(yùn)行的重要組成部分。

風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件安裝在一臺通用PC機(jī)(數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī))上，用于完成該設(shè)備的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和歷史數(shù)據(jù)瀏覽等任務(wù)，它實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)的遠(yuǎn)端控制、參數(shù)設(shè)置、在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理和保存、文檔管理、處理結(jié)果顯示和查詢等功能。

CFL風(fēng)廓線FTP程序是用于上傳探測數(shù)據(jù)到指定FTP服務(wù)器上程序，程序可自動(dòng)監(jiān)視風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件生成的探測數(shù)據(jù)文件并上傳。

3.3 引起故障的可能原因

根據(jù)CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)的工作原理，引起此故障的原因可能有：

1)雷達(dá)設(shè)備問題；

2)主控機(jī)及軟件問題；

3)數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)及軟件問題；

4)主控機(jī)與數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接問題；

5)主控機(jī)和數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)硬件配置偏低問題。

3.4 處理故障的具體措施

3.4.1 前期排查

風(fēng)廓線雷達(dá)發(fā)生故障時(shí)，最基本的判斷設(shè)備故障的方法是觀察后端機(jī)是否有風(fēng)廓線合成，如果沒有，則觀察前端機(jī)是否有譜線生成，如果前端機(jī)有譜線生成，則說明只是前后端機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)故障或軟件故障；如果前端機(jī)沒有譜線生成，則可以采用以下方法進(jìn)行故障判斷：

1)觀察后端機(jī)風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件“監(jiān)測信息”項(xiàng)中的指示燈顏色，綠色表示正常，紅色表示對應(yīng)的指示項(xiàng)目有故障；

2)觀察預(yù)放組合，正常工作時(shí)“直流電源”常亮，射頻輸入和射頻輸出指示燈間隔一定時(shí)間亮或者滅，其余指示燈均常滅。如果“過占空比”、“駐波”、“溫度”等指示燈亮，則表示該功能故障；

3)觀察監(jiān)控組合，正常工作時(shí)“加電”指示燈為常亮；“-12V”、“+12V”、“+5V”的指示燈為常亮，“運(yùn)行”指示燈間隔一定時(shí)間就閃爍；

4)觀察接收機(jī)組合，正常工作時(shí)“加電”指示燈為常亮；“電源”、“接收機(jī)”“晶振”、“標(biāo)頻”和“本振”等指示燈均為常亮，在波束轉(zhuǎn)換時(shí)，“發(fā)射”指示燈閃爍；

5)觀察波控組合，正常工作時(shí)“加電”指示燈為常亮。

如果設(shè)備產(chǎn)生故障，通過后端機(jī)上風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件的“監(jiān)測信息”界面和組合面板上的指示燈，基本上就可以對設(shè)備故障定位。為了解決“間隔性中斷觀測”問題，首先利用前人的一些研究經(jīng)驗(yàn)利用理論分析、觀察和測試等步驟排查了是否為雷達(dá)設(shè)備問題[4-8]。由于風(fēng)廓線雷達(dá)設(shè)備基本采用模塊化、固態(tài)化設(shè)計(jì)，在確定了雷達(dá)設(shè)備本身無故障并確定主控機(jī)和數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)無錯(cuò)誤提示后，利用替換法對故障進(jìn)一步排查：

1)在系統(tǒng)正常的情況下分別重裝了風(fēng)廓線軟件；

2)分別更換了主控機(jī)和數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)；

3)更換了連接主控機(jī)與數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)的網(wǎng)線；

4)同時(shí)更換了主控機(jī)和數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)。

3.4.2 后期排查和處理

若常見問題都排查了，仍未解決問題。考慮到主控機(jī)和數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)也許會像地面觀測業(yè)務(wù)機(jī)一樣需要定期重啟，然后利用每周一次的地面周維護(hù)時(shí)間一起把主控機(jī)和數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)都重啟一下，因?yàn)槊恐芄潭ㄖ貑⒁淮?，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不再出現(xiàn)間隔性中斷觀測，即找到了原因。

因?yàn)槊恐貑⒁淮螘?dǎo)致缺6min資料，為了更好地解決這問題減少重啟次數(shù)保證更完整的觀測時(shí)間，最后采用了升級更換主控機(jī)的辦法：把原來的處理器Pentium(R)Dual-Core CPU E5300@2.60GHz，內(nèi)存2.00GB的主控機(jī)，更換為處理器Intel(R) Pentium(R) CPU G2030@3.00GHz，內(nèi)存4.00GB的主控機(jī)?，F(xiàn)在，只要每月利用月維護(hù)時(shí)把主控機(jī)和數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)都重啟一下就可以把“間隔性中斷觀測”問題徹底決解。

4 排查方法與原因分析

由于風(fēng)廓線雷達(dá)設(shè)備基本采用模塊化、固態(tài)化設(shè)計(jì)，在遇到故障時(shí)，利用替換法對故障逐步排查是不錯(cuò)的選擇，所謂替換法，就是對某個(gè)被懷疑有可能發(fā)生故障的元器件或模塊使用正常的元器件或模塊進(jìn)行替換，從中找到故障的部位，及時(shí)排除故障的方法。在使用替換法時(shí)，要注意安全性原則，不要使故障范圍擴(kuò)大；也要本著由簡到繁，先易后難的原則。應(yīng)盡可能使用和原機(jī)參數(shù)相同的元器件，若沒有，可根據(jù)實(shí)際條件用跟原機(jī)參數(shù)相近或等級更高一些的元器件替換。

“間隔性中斷觀測”問題出在主控機(jī)上，對計(jì)算機(jī)性能影響比較大的硬件是處理器和內(nèi)存，計(jì)算機(jī)運(yùn)行久了會產(chǎn)生垃圾文件，緩存會被垃圾文件占用，各硬件也會發(fā)熱，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行變慢，特別是硬件配置較低的計(jì)算機(jī)，容易出現(xiàn)長時(shí)間超負(fù)荷工作情況，此時(shí)發(fā)熱量更大，甚至出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。為了保證計(jì)算機(jī)的性能和穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)該避免計(jì)算機(jī)長時(shí)間開機(jī)工作，當(dāng)遇工作需要必須長時(shí)間不間斷運(yùn)行時(shí)，可采用定期重啟計(jì)算機(jī)和升級計(jì)算機(jī)配置的方法得以解決。

5 結(jié)束語

通過對該故障的排查處理，得到關(guān)于間隔性中斷觀測問題，有以下經(jīng)驗(yàn)跟各位同仁討論，不足之處敬請批評指正。

1)引起間隔性中斷觀測的原因可能有：雷達(dá)設(shè)備問題，主控機(jī)及軟件問題，數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)及軟件問題，主控機(jī)與數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接問題和相關(guān)計(jì)算機(jī)配置較低的問題；

2)排查中斷觀測，可按照引起故障原因，利用理論分析、觀察、測試和替換法等步驟逐項(xiàng)排查；

3)計(jì)算機(jī)運(yùn)行久了會產(chǎn)生垃圾文件，緩存會被垃圾文件占用，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行變慢，當(dāng)計(jì)算機(jī)硬件配置較低時(shí)可能出現(xiàn)時(shí)序混亂的問題；可采用定期重啟計(jì)算機(jī)和升級計(jì)算機(jī)配置的方法得以解決。