机载气象雷达原理及维修特点分析

机载气象雷达的原理及常见故障分析

【摘要】雷达的种类繁多，用途各异。机载气象雷达的基本功用是探测航路上的雷暴雨、冰雹、湍流、风切变等恶劣气象区域。机载气象雷

达(WXR)的安全性直接影响整机系统和飞行的安全。机载气象雷达是机载导航系统的重要组成部分，是民航客机上的一种重要导航设备。气象

雷达出现故障极易造成飞机滑回、返航甚至坠毁等事故，因此必须加强对WXR 的维护。本论文通过对机载气象雷达（WXR-700）基本工作原理

的系统性总结，来全面地理解机载气象雷达相关知识，并对常见故障进行了总结、分析。【关键词】机载气象雷达；WXR-700；故障分析

【Abstract】There are many kinds of Radar,their uses are not the same.The basic function of airborne weather radar is to detect the route of

thunderstorms, hail, wind shear, turbulence and other bad weather area.The safety of Airborne Weather Radar (WXR) directly affects the whole aircraft

system and flight safety.Airborne Weather Radar is an important part of the airborne navigation system is an important navigation equipment of civil

airplane. If there is something wrong with Weather Radar,it may easily cause aircraft sliding back,return airport even crashes and other accident,so we

must enhance the maintenance of WXR. This article summarizes the working principle of WXR (WXR -700) briefly to understand the related

knowledge of WXR,and analysis,summarizes the common faults.

【Key words】Airborne Weather Radar; WXR-700; Fault analysis

一、机载气象雷达概述

机载气象雷达是人们为防范气象风险，保证飞行安全而应用现代科学技术成果而研制的航空电子设备。机载气象雷达对保障飞行安全具有十分重要的作用，人们不遗余力地对设备进行改进、更新，使气象雷达的性能在近20 年来得到了本质的提高。目前装备飞机的最新气象雷达除了能探测雷雨等气象区域外，已经实现了对风切变、湍流的有效探测，进一步提高了在各种气象条件下的飞行安全性。正是凭借性能优越的机载气象雷达等一系列先进的航空电子设备，使飞行员能够“眼观千里，耳听八方”，驾驶飞机绕过各种危险的气象区域，安全、准确、舒适地把旅客和货物送往目的地。不同型号的气象雷达所包含的组件可能不同，他们在各型飞机上的配置也有单系统、双系统等多种形式。气象雷达的基本组件为雷达收发机(Transceiver;缩略：XCVR)，控制盒(Controller;缩略：CONT)，天线驱动机构(ANTENNA DRIVE)，支架，天线(ANTENNA)，波导管(WAVEGUIDE)以及显示器(IND)等组成。

1 机载气象雷达的基本工作原理

1.1 气象雷达方程

查阅相关资料可知气象雷达的方程为：Pmax=aPtG2θ2Cτr1.6λ2Simin! "1/2（1）注：式（1）中a（对降雨目标a 值为3.36，对冰雹区域a 值为 1.54）为常数，Pt为雷达发射机的功率，G 为天线的增益，θ为雷达的水平宽度或垂直宽度，C 为光速，τ为发射脉冲宽度，r 为降雨率，λ为波长，Simin为最小可检测功率。上式集中地表明了气象雷达最大作用距离与雷达系统的技术特性及目标性质的关系，对雷达使用和维护人员均具有实际指导意义。

1.2 气象雷达基本工作原理

机载气象雷达主要用于探测航路上的恶劣气象区域。空中的雷雨区、暴雨区、冰雹、湍流、风切变等恶劣气象区域，就是机载气象雷达所要探测的目标，图1 为气象雷达基本工作原理示意图。雷达发现目标并测定其位置，基于无线电波传播所具有的以下基

本规律：

（1）无线电波可以定向辐射和接收；

（2）无线电波遇到障碍物发生反射，产生回波；

（3）无线电波以光速在空间直线传播（实际上，电波在真空中的

传播速度等于光速，在空气中的传播速度略小于光速，但通常视为近

似光速）；

（4）发射机产生电磁波信号（如正弦波短脉冲），由天线辐射到空

中；

图1 气象雷达的基本工作原理

（5）发射的信号一部分被目标拦截并向许多方向再辐射；

（6）向后辐射再回到雷达的信号被雷达天线采集，并送到接收机；

（7）在接收机中，该信号被处理以检测目标的存在并且确定其位置；

（8）通过测量雷达信号到目标并从目标返回雷达的时间，得到目标的距离；

（9）目标的角度位置可以根据收到的回波信号幅度为最大时，窄波束雷达天线所指的方向而获得；

（10）如果目标是运动的，由于多普勒效应回波信号的频率会发生偏移。该频率偏移与目标相对于雷达的速度（径向速度）成正比。1.3 WXR-700 型机载气象雷达原理机载气象雷达主要用于探测航路上的恶劣气象区域。空中的雷雨区、暴雨区、冰雹、湍流、风切变等恶劣气象区域，就是机载气象雷达所要探测的目标。WXR-700 型机载气象雷达是美国罗克韦尔国际公司和柯林斯运输航空电子部（Rockwell International,Collins Transportation Avionics）研制的典型的现代机载彩色气象雷达。三组件的WXR-700X 单系统的基本组件为：WRT-701X 收发组、WXI-711 显示器和天线组（包括WFA-701X 平板天线和用于驱动、安装平板天线的天线基座WMA-701X）。机载气象雷达通过收发组（R/T）产生9.33GHz 的射频脉冲（RF），经天线发射出去，发射的脉冲遇到带有水分的云或者地面目标时，一部分能量信号被反射回来，形成回波信号，回波信号经天线接收并传送到R/T，R/T 将信号放大处理后形成气象和地形视频输出送到符号发生器处理，在EHSI（波音飞机的水平状态指示器）或者ND（空客飞机的导航显示器）上显示。当气象雷达探测到风切变时向机组发送警告信息。

2 机载气象雷达故障统计分析

雷达维护过程中主要有以下注意事项：第一，散热问题，组件局部温度的增高会引起元件性能的变化，导致发射频率漂移、电路工作不稳定或其它性能的下降。第二，防磁，工作中应注意避免影响雷达收发组的磁性，防止其它元件被磁化。第三，电磁辐射及其它维护、使用雷达时要特别注意天线及发射机的电磁辐射，微波波束会伤害人体的健康，还容易引起易燃蒸气的燃烧。

2.1 机载气象雷达故障统计