飞机气象雷达原理及故障维护分析

飞机气象雷达原理及故障维护分析

牟铁柱

东航技术公司云南分公司   650200

摘要：本文主要介绍了飞机气象雷达的工作原理，讨论了雷达图像显示不正确、雷达图像目标失真、雷达不扫描、雷达散热、环境对雷达的影响等问题的排除方法，以期为从事该项维护工作的机务工作人员提供思路和方法。

关键词：气象雷达；原理；故障

1气象雷达的工作原理

机载气象雷达根据电磁波反射原理确定目标的位置。物体反射电磁波的能力与物体的性质、大小和电磁波的频率直接相关。目标物体的导电性越高，反射面越大，回波强度越大。当目标物体的几何尺寸和波长相差较大时，反射能量会减弱。如果可以将目标物体的反射面直径与雷达波的波长进行比较，则反射能量也会显著增加。目前用于气象探测的雷达工作频率一般在200MHz~10000MHz之间。气象雷达的工作原理包括距离测定、方位测定、降水探测、湍流检测和风切变检测。

1.1距离测定

气象雷达的主要任务是测量目标物体与地面之间的距离。气象雷达发射的电磁波以光速在空气中传播，经测量后可接收到目标回波信号，接收到回波信号与发射脉冲之间的时间间隔为t，被测目标与飞机之间的距离可以计算为L=ct/2，其中c为光速。目标物体的距离分辨率主要由脉冲宽度决定。如果要提高对近程目标的识别能力，就必须使用较窄的脉冲宽度。

1.2方位测定

目标物体的方位角主要通过测量雷达天线波束轴的瞬时方位角来确定。雷达天线形成的波束呈圆锥形，宽度较窄。当雷达天线指向特定的方位角时，雷达只能接收到该方位角内物体产生的目标回波，雷达设备将接收到的回波信号传输到显示器上，显示器显示实际的方位角。雷达的方位角分辨率主要取决于天线水平面上波束宽度，波束宽度越窄，分辨率越高。

1.3降水探测

气象雷达是监测天气状况的主要工具，因此对降水的探测是气象雷达监测的重要组成部分。雨、雹、雪等材料都是导电性水材料。气象雷达可以探测到雨滴或相对潮湿的冰雹，但不能探测到云、雾、干冰雹等物质。含水材料可以吸收雷达发射的射频脉冲能量，部分能量会丢失，其余能量会被反射回来。在雷达的有效监测范围内，可接收到反射信号，具有一定直径和密度的雨区可产生有效回波，供气象雷达监测。根据气象雷达探测到的发射信号强度，可以推断出目标物体的含水量，并在显示器上区分出目标物体的不同性质和强度。

1.4湍流检测

湍流是指大气中流动的、变化的气流。气流的变化对飞机的平稳飞行有很大的影响，会使飞机进入乱流产生乱流现象，甚至可能对飞机的结构造成损坏。一般暴雨天气会伴有乱流，其危害非常严重。在气象雷达探测过程中，湍流监测也非常重要。湍流的监测主要是根据多普勒原理实现的，因为多普勒频移与相对速度之间的偏差成正比，具体公式为f=2v/λ。雷达接收器可以接收相应的信号，并将信号的多普勒频谱宽度与指定的参数进行比较。如果实际得到的值大于该参数值，则可以确定目标为湍流，并给出相应的报警信息。值得注意的是，气象雷达没有探测到干乱流。

1.5风切变检测

风切变是指一个区域内风速和风向的突然变化，对飞机的飞行也有非常严重的危害，是发生事故的主要原因。特别是低空风切变对飞机的起降具有很大的安全风险。气象雷达能探测到风切变，具体原理是根据在风切变区域产生的回波信号的多普勒频移频谱特征来确定风切变。

2气象雷达运行故障的排除方法

2.1雷达图像显示不正确

当雷达无法显示时，应先检查系统电源。供电系统运行正常时，对相关控制驱动系统进行检查，并进行雷达运行试验。以上工作完成后，如果故障仍未排除，则应更新收发器，并对雷达进行操作和测试。运行试验可以确定雷达部件的工作是否正常，从而确定故障的位置，并采取相应的措施排除故障。如果更换发动机并完成雷达测试后，故障仍然存在，应更换收发器并重新测试，以准确定位故障位置。当气象雷达显示失败时，应首先确定ND显示的工作状态。若检测后显示无故障，应依次检查相关接入和连接位置，确定故障位置。另外，为了保证雷达显示不出现问题，除了故障发生后及时排除故障外，还要定期对气象雷达部件进行清洗，降低显示故障的概率。

2.2雷达图像目标失真

气象雷达目标失真，显示出较大的灰色目标，针对这一问题应重点研究探测雷达传输机制，让气象雷达系统EFIS控制面板显示正常的天气图像。首先，快速连接EFIS控制面板上的气象雷达位置开关，然后打开副驾驶的开关。当飞机正常飞行时，气象雷达系统将正常显示在飞行员显示器和副驾驶显示器上，控制面板由单独的开关控制。一方面，EFIS控制面板上的开关通过控制电路将气象雷达控制面板与二极管连接起来;另一方面，控制气象雷达信息正常显示在EFIS控制面板上。前排和前排乘客位置的开关控制电路是相同的。一旦副驾驶位置的控制电路断开，气象雷达就会影响收发机的信号输出。当飞行员位置开关打开时，气象雷达收发机开始工作，即连接副驾驶位置的气象雷达线。如果气象雷达系统不能正常显示，则可断定气象雷达的EFIS控制面板有故障，应立即更换，更换后故障消失。

2.3雷达不扫描

对于飞机雷达不扫描的故障，需要检查天线组的故障。天线主要由机械传动装置和电机组成。延迟和电机损坏将导致雷达扫描失败。天线组工作故障严重影响气象雷达系统的扫描。天线组有扫描和俯仰两个通道，用于同时探测飞机气象目标。扫描通道主要负责波束扫描，节距通道主要用于手动调节，以满足不同的工作模式。速度电机为天线节距扫描通道提供反馈信号源，保证气象雷达系统扫描速度稳定。在飞机飞行过程中，应保持天线组的雷达天线和扫描通道处于正常扫描状态，以保证气象雷达系统的正常显示。

2.4雷达散热

例如，显示屏散热不良会导致过温，导致图像丢失。雷达图像属于CRT图像中的背景色，需要大面积上色，对显示器的加热影响较大。当显示器的温度达到80℃左右时，气象雷达的显示器将被切断。影响其通风散热的主要原因是背面滤纸堵塞。在737系列飞机上，如果电子舱通风的抽气器和排气风扇都置于超控位置，CRT的散热也会受到影响，雷达图像显示也会被切断。

2.5环境对雷达的影响

气象雷达对工作环境要求很高，特别是在雷雨天气，一旦波导进水，很容易出现波导损坏的现象。例如，雨水进入波导可能导致波导烧毁。在平板天线中，每个缝隙都用作半波对称振荡器。水的存在会改变天线的介电常数，使每个间隙的等效长度不再是半波振荡器。因此，在天线的法线方向上无法获得最大的辐射电场。天线接收到的目标反射波能量小，导致雷达接收器处理该信号，误以为是雷雨或天线故障。因此，在日常维护中要特别注意天线罩密封是否损坏。

3结语

飞机气象雷达的基本功能是探测沿航路的雷暴、冰雹、乱流、风切变等恶劣天气区域。飞行员可以根据气象雷达提供的飞机前方危险天气区域的飞机位置图像，及时选择安全路径，避开各种危险天气区域，保证飞行安全和飞行的经济性和舒适性。本文主要介绍了飞机气象雷达的工作原理，讨论了雷达图像显示不正确、雷达图像目标失真、雷达不扫描、雷达散热、环境对雷达的影响等问题的排除方法，以期为从事该项维护工作的机务工作人员提供思路和方法。

参考文献

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