乌鲁木齐机场多普勒天气雷达终端显示系统故障分析与检修

1. 引言

1.1 研究背景

乌鲁木齐机场作为新疆航空枢纽，其 ADWR 雷达（主振放大式）是强对流天气监测的核心设备。终端显示系统可实时处理体扫数据，生成组合反射率（CR）、垂直剖面（VCS）等产品。该系统对网络传输实时性要求极高，延迟 >3s 即可能导致数据时空错位。

雷达保持每年至少两次的维护与校准，每次维护和校准需要确认雷达工作中心频率是否为 5470Mhz ，规定程度的误差均在有效范围之内。检查速调管工作是否在使用寿命范围内，发射功率等各项参数是否正常，工作状态保持稳定没有异常，雷达伺服系统水平与俯仰相关设备是否准确，是否有误差角度，雷达工作时稳压电源供电与 UPS 供电电压是否稳定无较大波动。除了平时气象维护人员的维护与校准，还会邀请雷达厂家工程师来到现场对雷达进行更加专业、仔细的检查，确保雷达具有良好的工作能力，生成的雷达产品具有可靠性、比较性、稳定性，可以充分满足航空气象预报人员和空中交通管制人员对于气象服务的要求。

1.2 问题提出

2023 年 9 月30 日降雨天气保障期间，系统突发以下异常：

（1）CR 产品中出现半径 20-50km 的同心圆环；

（2）伺服俯仰角显示滞后；

（3）产品生成周期延长。

故障发生当天有降雨天气，为给预报和机场管制人员提供完善的气象服务，需要打开雷达对天气进行分析。在雷达开启 VOL（体扫）工作模式正常持续运行三小时之后，ADWR 多普勒天气雷达在体扫动作进行时，雷达终端显示系统的实时反馈中发现明显圆环。当雷达完成一个完整的体扫动作后，产生的产品（例如 CR 图）也可观察到明显圆环，随后圆环开始无时间规律出现。雷达在 VOL 工作模式下 6-7 分钟生成一组产品，若生成产品中出现偶发圆环，产品生成时间明显大于正常产品生成时间。雷达产品出现偶发圆环故障时只有产品生成时间明显延长特征，扫描过程中雷达自检系统显示正常，未报告监测到故障，但是雷达实时扫描显示界面天线实时扫描角度与系统显示雷达伺服俯仰角度不匹配，并且检查系统故障日志显示网络通讯出现短时中断。中止雷达运行，等待片刻重新打开雷达进行 VOL 扫描，此时扫描界面天线实时扫描角度与系统雷达角度一致，系统显示恢复正常。系统恢复正常后继续在 VOL 扫描模式下运行一段时间，再次发生扫描角度与系统显示角度不一致、雷达实时扫描系统显示画面与雷达生成产品出现偶发圆环情况，这可能影响预报和管制人员在复杂天气下对于气象要素的判断。

2.故障现象诊断与处理

2.1 排查流程

（1）出现故障时，初步分析是多普勒天气雷达接收机出现故障或接收机接收到干扰信号导致接收信号出现偶发性圆环。进行接收机检测，检查过程中发现雷达完成体扫动作之后还可以正常生成雷达产品，但雷达图片产品中出现圆环，雷达终端显示系统实时更新的体扫显示伴有中断、卡顿现象，导致实时扫描角度与系统显示雷达伺服俯仰角度不匹配，需要停止扫描后再重新开始体扫模式才能恢复正常。接收机发射频率、噪声系数等各项硬件工作参数正常，未见明显变化，由此判断雷达接收机并未损坏或受到干扰影响。

（2）考虑到雷达显示系统软件出现软件卡死或在接收处理雷达数据的过程出现故障，对软件进行操作验证。尝试重启雷达显示系统软件后故障并未消除，由此判断雷达显示系统软件未出现异常。

（3）查看雷达显示系统日志，日志故障模块出现网络通讯中断告警，进行多普勒雷达网络链路测试，通过 ping 多普勒天气雷达网络链路检查通断发现故障具体表现为雷达服务器至气象机房服务器的移动网络链路出现短时中断与波动，ping 延迟突增，判断可能是移动网络链路出现故障，电话沟通网络公司得知网络链路正常，未检测到发生短时中断与波动。将雷达网络链路由电信网络切换至备份移动网络，观察一段时间之后链路波动依然存在，ping 延迟很高，雷达显示系统的网络链路故障告警没有消除，判断故障原因并不是移动或电信网络波动导致故障。

（4）检查雷达网络交换机时发现交换机状态异常，交换机状态指示灯不正常闪烁，判断是雷达网络交换机出现故障。

2.2 故障定位

雷达网络交换机为三层交换机，需要同时更换多普勒雷达和气象机房网络交换机，更换交换机之后将新交换机与老交换机调整为相同配置。此时雷达显示系统日志模块故障告警消除，雷达显示系统运行正常，实时扫描角度与系统显示雷达伺服俯仰角度匹配，ping 延迟恢复至正常水平，雷达产品显示正常，雷达产品生成周期稳定为 6-7 分钟，并且雷达软件显示、雷达产品均未再出现圆环的情况。

3. 机理分析与讨论

3.1 故障分析

本次故障的核心原因为网络交换机硬件故障引发的传输异常，具体表现为：

1、传输波动与数据堆积

交换机故障导致网络链路稳定性下降，传输过程中出现周期性带宽骤降，引发误码率显著升高。多普勒天气雷达实时采集的探测数据（如反射率、径向速度等）因网络拥塞无法及时传输至雷达终端显示系统，大量数据在传输队列中积压。当网络短时恢复连通后，积压的历史数据与实时扫描数据混合突发传输至显示系统，导致数据处理时序混乱。

2、数据同步异常与处理冲突

时空错位：显示系统接收数据时，因滞后数据包含的雷达俯仰角度信息（如扫描时刻的天线仰角 θ₁）与实时数据的实际俯仰角度（当前天线仰角 θ₁，θ eq0 ₁）不一致，导致两类数据的时空坐标错位。

缓存过载与叠加处理：显示系统缓存模块无法应对突发的混合数据流量（历史数据量 ΔD₁ + 实时数据量 ΔD₁ > 缓存阈值 C），被迫将不同时刻、不同仰角的雷达扫描数据（如反射率因子 Z、径向速度 V）无序叠加处理，而非按时间序列逐帧解析。

3.2 故障现象机理阐释

空间特征异常：叠加处理后，显示系统将多个仰角（θ₁, θ₁, …, θ₁）在不同时刻采集的气象数据强行映射至同一处理时间点，导致雷达产品中出现虚假反射特征：在 PPI（平面位置显示）图上，表现为从雷达站（坐标原点）向四周延伸的径向直线，其长度对应各仰角数据的最远探测距离。

随着雷达天线俯仰角度动态变化（如体扫过程中仰角从 0.5^∘ 递增至19.5^∘ ），这些径向直线以雷达站为圆心旋转叠加，最终在 RHI（距离高度显示）或体扫合成产品中形成同心圆环伪影。

参考文献

[1] 中国气象局. 天气雷达维护技术规范 QX/T 546-2020

[2] Cisco. Network Troubleshooting Guide for Radar Systems, 20

[3] 王建军. 气象雷达网络传输故障诊断[J]. 现代雷达, 2021(4):56-60

[4] Cisco. Network Troubleshooting Guide. 2022

[5] 张伟. 气象雷达数据传输可靠性研究[J]. 电子测量技术,2022(3):45-49