新一代天气雷达测试及故障检测系统——中国气象学会气象科学技术进步奖二等奖

2017-09-20

随着天气雷达建设步伐的不断推进，越来越多的新一代天气雷达纳入监控业务使用，然而雷达保障能力不足的问题日渐突出，特别是雷达台站的维护维修能力显得极为薄弱。 针对中国气象局在网的新一代天气雷达运行保障现状，成都信息工程大学何建新教授带领由成都信息工程大学、四川省大气探测技术中心、成都远望科技有限责任公司的科研人员组成的团队，开展了国家公益性行业（气象）科研专项“新一代天气雷达测试与故障检测技术研究”（项目编号：GYHY200906040）。研究过程中采用了3项关键技术，一是气象回波模拟的研究实现，二是研制出适合于新一代天气雷达的便携式装备，三是分析、优化雷达测试过程。研究将故障树分析法及模块化诊断流程有机结合，促进了雷达测试平台的业务推广应用。系统的实现为中国气象局在新一代天气雷达维修维护平台的建设提供了重要的技术支撑。

一、系统功能

项目组根据新一代天气雷达布网及运行特点，依据测量与评价雷达系统性能的标准，整理了中国气象局在网业务雷达十多年的故障案例，构建出基于PXI（e）总线架构的新一代天气雷达测试及故障检测系统。

回波模拟功能：利用多参数气象信号模拟发生方法实现雷达真实天气回波的模拟，作为雷达定标功能的重要补充。

常规测试功能：实现雷达日常维护保障要求的常规性能测试，提高雷达巡检或测试的效率。

故障诊断功能：通过雷达发生故障时的现象，在故障分析法和专家诊断流程的指导下实现雷达故障的在线排查。

模块检测功能：实现雷达部件或备件的状态及性能的检测和评估。

电子手册功能：对研究形成的成果整理形成电子手册，供学习和培训。

二、技术创新

（一）解决了天气雷达对真实天气回波信号的再现和验证难题

回波模拟能够成功模拟出具有真实天气目标特征的回波信号，利用这种回波信号可以在实验室环境中完成本需在外场试验条件下才可以进行的雷达性能测试。依据天气雷达回波模拟的原理，设计出回波模拟流程图，给出了回波模拟硬件平台的设计（图1）及模拟软件实现的思路，最后根据真实天气回波的特征等信息生成模拟回波图，并对模拟前后的回波图进行对比分析。解决了雷达性能测试中不能回波定量分析的难题，实现了天气雷达回波信号模拟功能，为天气雷达软件产品测试和检验、新算法的验证、评估雷达系统整体性能提供了重要技术支撑。

（二）基于PXIe架构的便携式新一代天气雷达保障装备

项目实施过程中通过对各大科研院所的调研以及与雷达用户、雷达厂家的不断交流，最终形成了一种可方便携带的软硬件结合的测试系统。成果将美国国家仪器（NI）公司生产的基于PXIe结构的板卡仪表资源，设计成一台便携式雷达测试系统。它硬件上配备了满足雷达测试时需要的仪器仪表（图2），万用表、示波器、信号源、功率计、频谱分析仪等。软件上通过NI公司提供的软件Labview设计集专家知识库、故障树、开放式诊断流程等设计方（算）法于一体的内嵌测试与故障检测系统（图3）。这个便携式设备避免了目前雷达设备不全、测试仪表的笨重、不便于携带的弊端。

（三）将故障树分析法和模块化诊断流程相结合定位雷达故障源

 项目结合雷达运行保障的特点，如雷达台套数较多、站点间距离远、雷达测试专业要求高、雷达故障率随机等，优选出故障（树）分析法和开放模块化诊断流程相结合的测试、诊断方法。

1．模糊综合评判在故障树分析法中的应用

项目组分析认为，经典故障树分析法在雷达故障诊断过程中具有事件随机不确定性和定义模糊不确定性，故障树分析法在一些类似雷达复杂大型系统中的事件精确概率获取困难，由零部件本身的质量或其他客观因素引起的零部件故障及系统、部件之间存在着相关失效，造成了系统建树时就具有不精确性。基于这些原因，系统引入模糊数学理论，有效改善了经典故障树分析法的不足，在雷达实际测试过程中提高了故障定位和排查的效率（图4）。

2．可定制模块化诊断流程的引入

研究过程中，通过与气象雷达专家交流，引入了一种可定制的模块化诊断流程（图5），与通用的顺序执行方法相比避免了重复操作，提高了测试效率，同时更加直接的流程图呈现方式便于使用者记住所测内容，一定程度上对于使用者起到了较好的培训作用。定制指的是测试平台提供接口，可以通过软件模块创建测试内容、测试步骤以及定义各个需要用到的仪器仪表测试指标及参数，定制完成后通过数据库的方式可以被平台五大功能模块无缝调用，五大功能指的是常规测试、故障诊断、模块检测、回波模拟、电子手册。通过定制，可以不断丰富优化雷达的测试流程及专家知识库，提高测试及解决故障的效率。

三、推广应用

“新一代天气雷达测试及故障检测系统”自投入运行以来，其配套齐全的测试仪表和简便的测试方法使雷达平时的维护测试变得更加直接准确，使用单位的雷达故障次数同比下降30%以上。系统配备的专家知识库和故障诊断流程使得雷达故障处理时间大大缩短，平均无故障时间大大提高，雷达可用性同比提高了1.12%，均在99%以上（应用系统的三个雷达台站），远远高于全国93%的要求。同时，由于雷达故障的大大降低，使用部门购买雷达备件较前几年大大减少，省级保障的人员费用得到了有效的节减。与此同时，该系统提高了我国气象雷达保障方面的技术水平和竞争力，改变了我国各级气象雷达保障部门购买昂贵进口设备的局限性，为我国台风、泥石流、山洪、冰雹等灾害性天气预警提供了重要的技术支撑。