新一代天气雷达系统热设计与分析技术

新一代天气雷达系统热设计与分析技术
陈德生*，魏延涛，李晔
（河南省气象信息网络与技术保障中心，河南郑州 450003）
摘要：根据新一代天气雷达设备的工作环境和运行方式，阐述了系统热设计的工作原理和结构特征，主要对雷达系统发射机的热通道和散热系数进行评估，汇总2008-2010年河南省5部新一代天气雷达的热报警数据，通过对运行环境中热报警信息的统计和分析，笔者认为机房布局，制冷设备、冷热通道、数据监控、制冷材料等项目需要改进和调整，同时提出下一代热设计与分析技术的重点和发展方向。

关键词：电路与系统；热可控性；冷风道；对流换热，可测性
Thermal Design and Analysis Technique of the New Generation
Weather Radar System
CHEN Desheng,WEI Yantao, LI Ye
(Meteorological Observation Technology Guarantee Center of Henan, Zhengzhou, Henan, 450003, China) Abstract:This paper introduced the work principle and structural characteristics of the thermal design system according to work environment and operation Mode of the new generation weather radar system. It was main to evaluation the hot channel and heat release coefficient about Transmitter. Descriptive statistic and analysis were carried out on the alarm datum of radar system in period of 2008-2010 , the author hold that computer room layout, refrigeration equipment, cool and hot passageway, data monitoring ,refrigeration materials and some solutions needs improvement and adjustment. Meanwhile emphases and development trends with the next generation thermal design and analysis technique of the radar was proposed.
Key words: circuit and system; Thermal Reliability ; cooling passage ; convective cooling；Testability
0 前言
根据中华人民共和国国家军用标准（GJB/Z 27-92）的规定，热设计的目的是控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下，不超过标准及规范所规定的最高温度，最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础，并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致，温度变化可能改变电子芯片及其它电路板组件的电子特性和物理特性，从而引起运行失败或故障，新一代天气雷达系统的热设计是指电子设备的耗热元器件以及整机或者系统采用合适的冷却技术和结构设计，以便对它们的温升进行控制，从而保证雷达设备或者整个机房稳定、可靠的工作。

1 雷达设备散热结构
1.1 雷达运行环境标准
在大型气象探测设备广泛应用的今天，如何保证雷达系统稳定可靠的长时间运行，一直困扰着工程师们，随着芯片集成度和功率密度的日益提高,设备的温度越来越成为系统稳定工作和性能提升的绊脚石。

作为一个合格的电子产品设计人员，除了成功实现产品的功能之外，还必须充分考虑产品的稳定性、工作寿命、环境适应能力等，而这些都和温度有着直接或间接的关系。

温度和故障率的关系是成正比的，可以用下式来表示：
F = Ae-E/KT （1-1）
其中：F =故障率, A=常数，E = 功率，K =玻尔兹曼常量(8.63e-5eV/K)，T =结点温度新一代天气雷达机房温度根据美国采暖、制冷与空调工程师学会ASHRAE TC9.9（American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，Inc）标准制定【1】，保持在72F/22C，为保证系统稳
*作者简介：陈德生（1977－），男，河南南召人，硕士研究生，从事气象雷达开发、应用、保障等研究。

E-mail:*************
；％№＾《一
；％＃刈晤＿晤丽丽闻匣—习匪—稠ｒ五丽反硐瞳旦型匣旦型匮—堕型匦』Ｌ型Ｕ竖望竖
－
Ｊ！，ｎ＊“‰§，
Ｌ旦型Ｌ里＿到——
睡哥ｌ斟幽巨商一，ｒ嘲阿陌赢习
自口，ｉ§Ⅱ８ｄ——§Ⅱ８，
≈自§Ⅲｇ＋
女∞＊自＃＾Ｉｉ—司匡—丽『ｉｉ—司匿稠『ｉｉ‘丽ａ——Ⅲ＿№∞８Ｊ—ｉ目＃４螽译卜目＃４目＃ｄ
一日网—＿＿目２剖
全固态调制器。

一睦Ｉ：型
定可靠的运行，对运行环境提出了极高的制冷要求，必须进行精确的制冷管理系统。

从1965年以来，气象雷达布局技术和产品在过去的几十年间发生了质的变革，机房数据中心的冷却基础设施的设计却变化不大，基本采用强迫风冷和房间级制冷方式。

现在全国气象部门正在使用的新一代天气雷达现状，就是2--3台空调，提供平均制冷功率不小于30KW 的制冷方案。

本数据资料中的5个雷达站所用制冷功率均在28KW 以上（10匹空调，输入功率735KW ），机房内设备功率18.4KW （数字取自北京敏视达雷达有限公司新一代天气雷达技术手册）。

表1 新一代天气雷达各分机单元功率表
设备
50HZ 电源要求
备注 电压（伏特）
相数 消耗功率（KW ）
天线座（天线驱动）
380
3 10
设备不在机房内
天线座上光端机
220 1 0.4 发射机 380 1 15 接收机 220 1 1
监控机 220 1 1.2 波导充气机 220 1 0.3 配电设备
380
3
0.5
其中发射机速调管是系统的主要发热体，速调管放大器的增益约50dB ，经电弧及反射保护器后，发射机的输出功率不小于650KW ，全固态调制器是发射机的重要组成部分,它将交流电能转变成直流电能，并进而转变成峰值功率约2MW 的脉冲能量，调制器输出的2MW 调制脉冲馈至高压脉冲变压器初级，并经脉冲变压器升压，在其次级产生60~65KV 负高压脉冲，加在速调管阴极(速调管阳极及管体接地)，提供速调管工作所需的电压和能量，称之为束电压脉冲，与之相应的流经速调管的电流脉冲称为束电流脉冲，统称之为束脉冲。

束脉冲所包含的能量中，略多于1/3转变为发射机的输出高频能量，略少于2/3消耗在速调管收集极(绝大部分)和管体，使其发热。

速调管风机，用于耗散这部分热量，主要采用强迫风冷的散热结构。

速调管插在聚焦线圈之中，其电子束大致位于线圈的中心线上，磁场电源将约22A 直流电流输入聚焦线圈，从而产生沿速调管轴线的直流磁场，这磁场能阻止电子发散，而将其聚成细束，磁场电源输出的能量，全部消耗在线圈之上，使其发热。

发射机机柜温度报警阈值设置为60-80度，当超出设定的阈值时，雷达系统报设备方舱过温信息。

图1发射机原理图
图1 气象雷达发射机框图
1.2 雷达系统热分析
房间级制冷是实现数据中心冷却的传统方法，在这种方式中，通过一台或多台并行工作的空调系统将冷空气输送到数据中心内，空调系统对雷达设备的作用就是高效率地收集这些复杂的热气流并将其所携带的热量排出机房之外，这种方式的基本原理是空调机不仅提供原始制冷量，还要充当一个大型混合器，在机房内不断搅拌和混合空气，使之达到均匀的平均温度，防止热点出现，新一代天气雷达发射机部分采用的是强迫风冷的散热结构。

根据牛顿冷却公式，流体被冷却时，
)
(w f t t h q -= （1-2）
其中
w
t 及
f
t 分别为壁面温度和流体温度；
用t ∆表示温差（温压），并取t ∆为正，则牛顿冷却公式表示为
t h q ∆=或t Ah Q ∆= （1-3）
其中h —比例系数（表面传热系数）单位
k m W 2
/，代表单位温差作用下通过单位面积的热流量，主要与冷热通道结构，工作电压、风流量、噪声、材料、对流结构、传导系数等有关。

q 热流密度W/m 2，t 为温
差K 。

强迫空气冷却是最常用的冷却方式，其换热系数一般在 l 0 —30W/m.2℃范围内，它主要应用在热流密度不超过0.31W/cm 2的设备中，在热设计中，根据热功耗、环境温度、元器件工作温度等因素来设计风道和风量，依据工作电压、气流量、风压损失、噪音等情况来选择风机和安装方式，并合理安排发热元器件位置，这种冷却方式具有结构简单、设备量少、成本低等优点，现有的雷达制冷方式采用的是一个离心风机，三个轴流风机的强迫散热方式。

2 新一代天气雷达热报警数据分析
2.1 温度报警分析
作为新一代天气雷达可靠性热设计的重要指标，机房温度和设备方舱超温报警是影响热可靠性的数据信息，汇总分析2008.2009.2010三年，河南省5部CINRAD SB 雷达的报警信息，有图表看出，温度报警在影响系统的所有报警中，所占比重较大，占到36.5%，是影响设备可靠性的主要因素，其中2008濮阳雷达站是空调停机造成的安装空调停机报警或者是制冷量不够，冷却系统不稳定是造成报警多的主要原因。

表2 雷达设备设备方舱过温报警频次
设备方舱过温占总报警的频次 百分比
备注
2008年 2009年 2010年 濮阳 1826/2336 1103/3385 1623/4081 50.2% 三门峡 1498/4146 1049/2288 668/2421 36.5% 驻马店 3865/6955 85/2864 853/3456 27.7% 南阳 603/1628 33/1304 313/1351 20.9% 商丘 4/2423 2161/4384 411/1082 29.1% 7796/17488
4431/14225
3868/12391
36.5%
2.2 需要解决的问题和难点
针对新一代天气雷达运行环境的数据分析，从机柜布置、空调机的功率，布局，风机的参数，噪音，设备运行的稳定性等，存在着可能性难题，为提高设备稳定可靠性，现有机房环境中的制冷结构和方式必须进行优化和改进。

表3 雷达可靠性热设计可能性难题：
需要解决的难题隐性问题分析新型冷却系统要求
消除冷热空气混合针对雷达设备产生和排出的热空气的混合会降
低制冷设备的回风温度，必须将制冷设备的供气
温度调整得非常低，这样就造成冷却性能很差。

需要设计出在IT 设备上使排出和供应空气
混合降至最小的系统，对风道系统进行优化
和调整，提高制冷设备的可靠性。

应急情况下的冗余制冷备份方案冗余系统中制冷设备的故障不但会削弱冷却能
力，而且还影响气流的物理配送。

使系统在制冷设备或相关基础设施发生故障
期间，能够保证对所有IT 设备的气流和供
气温度。

消除机架正面的垂直温度差特定机架前部的上下温度差可达10°C。

这将对
单个的IT 设备造成无法预料的不良影响，并导
致超过温度梯度的设备过早损坏。

系统应该避免排出的高温空气回流到机架前
部区域，并确保供应的冷空气在机架上下配
送均匀，改造机房冷风道。

使关键业务设施内的液体物质减至最少溢出的液体可以破坏IT 设备，并造成数据中心
必须关闭，进行清洁和损失估算非常困难。

尽量减少数据中心对液体的需要，定期进行
视频监控和防漏检查。

最大限度地减少人为错误架构独特且档案不全的系统，需求的不断变化要
求在带电的系统中调整参数。

预工程化的解决方案，具有全面的说明文档
和错误确认的功能。

提供可预测性的故障监测和分析大部分冷却组件会意外出现故障和跳闸，性能毫
无征兆地下降。

由于不能预先发出警告，因此用
户无法采取可能避免冷却能力损失的纠正措施。

安装机房环境采集单元，使其能够预先提供
组件故障报警，对于消耗品或寿命有限的部
件，自动提示剩余的寿命和更换周期。

3 雷达冷却系统的调整和优化
3.1 运行环境监控
雷达运行环境级别主要包括：设施温度与湿度测试（用于评估机房“健康”情况）；设备布置与气流流型（推荐冷／热通道布置）；设备制造商的热负荷与风量要求值，增加机房环境监测单元，实现对环境的视频监控与信息采集，监测关键点的工作温度，包括环境温度和热点温度，确保系统稳定可靠运行。

3.2 冷热通道调整
对系统的冷热通道进行的结构优化，采用冷通道封闭，精确分配冷量，按需动态送风的模式，控制气流是制冷系统设计的主要目标。

为解决这一问题，在将空调系统与机柜排或单独的机柜集成，确保向数据中心或发射机柜内的所有发热设备提供所要求的输入温度和气流，这样可以使可预测性大大提升，并可解决更高密度的散热、提升效率以及许多其他优点。

3.3 机房结构优化
随着精确制冷的发展，出现了新的关注于行级或机柜级制冷的设计方式，正逐步形成从机房级制冷转向行级制冷的趋势。

通过高架地板和修改桁架，提供落地式和吊顶式空调送风，紧靠热源的制冷方案可实现更高的能效目标。

在线缆架上，在风机入口处提供精确的制冷效率，通过制冷容量与热负载精确匹配，在适当的时间和地点部署制冷，将冷空气分配至各负载，防止冷热空气混合和消除热点来降低制冷损耗，使热设计最优化，以提高可靠性。

4 结语
新一代天气雷达系统热设计是系统稳定可靠运行的前提，通过对制冷设备、冷热风道、机房架构等设备和布局的优化和调整，采用落地式和吊顶式空调送风，安装机架式空调和环境数据采集器，实现对工作环境的数据采集和视频监控，确保向数据中心或发射机柜内的所有发热设备提供所要求的输入温度和气流等多项措施，提高热设计单元的可测性和可靠性，延长新一代天气雷达系统平均无故障工作时间（MTBF）。

根据现有雷达的工作原理和系统架构，提出了针对新一代天气雷达热设计的模块化、可扩充、预工程化和标准化的解决方案，调整布局，降低热点，大大提高新一代天气雷达系统的可靠性和稳定性。

参考文献
[1] （美）ASHRAE TC 9.9 主编，数据处理环境热指南[M]。

沈添鸿译.北京：中国建筑工业出版社，2010
[2] 电子设备可靠性热设计手册[M]. 丁连芬翻译，北京电子工业出版社1989：10~192
[3] 余建祖，谢永奇, 电子设备热设计及分析技术,北京，北京航空航天大学出版社.2008.11
[4] 陈德生.河南省新一代多普勒天气雷达应用指南[M]。

北京：气象出版社，2009：48-52.
[5] 北京敏视达雷达有限公司.中国新一代多普勒天气雷达CINRAD/SA用户手册[M],2004:手册70-72.
[6] 潘新民,柴秀梅,崔柄俭等.CINRAD/SB雷达回波强度定标调校方法[J].应用气象学报,2010,21(6):739~746
[7] 闫立.The application and development of reliability technology [J]. Environmental Technology,2003,02:28~32
[8] 李高宝.电力电子设备自然冷却热设计[J].技术与应用,2006,07:739~746
[9] 白秀茹.典型的密封式电子设备结构热设计研究[J].电子机械工程, 2002,18(4):36~38。