航空电子设备维修论文空客机载气象雷达系统常见故障与排除Word文档格式.docx

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讲师

2013年5月27日

毕业设计（论文）进度计划表

日期

工作内容

执行情况

指导教师

签字

5月27日到

5月30日

指导老师帮助确定题目

5月31日到

6月8日

查阅收集资料，撰写论文提纲

6月9日

到

6月30日

撰写论文

7月1日

7月7日

中期检查

9月2日

9月8日

交至指导老师处审阅检查

9月9日

9月15日

论文进一步修改检查

9月16日到

9月23日

结题，终稿

教师对进度计划实施情况总评

　　　　　　　　　　　　　　　　　签名

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年月日

本表作评定学生平时成绩的依据之一。

【摘要】

本论文主要阐述了空客的民用航空机载气象雷达（WXR）的各种常见系统故障与排除，WXR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，具有探测飞机前方降水、湍流和风切变的功能。

论文介绍了A320系列飞机机载气象雷达系统的组成、原理、显示特点及气象雷达显示故障、风切变故障、地杂波等雷达常见系统故障。

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，因此必须重视机载气象雷达系统在飞行中实时地探测飞机前方航路上的危险气象区域，以选择安全的航路，保障飞行的舒适和安全。

关键词：

气象雷达显示风切变地杂波故障

Abstract:

Thisthesismainlyexpoundstheairbus'

scivilaviation（WXR）ofvariouscommonairborneweatherradarsystemfailureandexclusion,theWXRisanimportantpartoftheairbornenavigationsystemisanimportantnavigationequipmentonpassengerplanes,withdetectioninfrontoftheprecipitation,thefunctionoftheturbulenceandwindshearplane.PaperintroducesthecompositionoftheA320aircraftairborneweatherradarsystem,principle,characteristicsandtheweatherradardisplayfailure,windshearfailureandgroundclutterradarsystemfailuresarecommon.Weatherradarfaultoccurseasilytoplaneslidback,back,andevencrashaccidents,thereforemustattachmuchimportancetotheairborneweatherradarsystemonthereal-timedetectionofaircraftinflightrouteaheadofdangerousweatherarea,inordertochooseasaferoute,guaranteethecomfortandsafetyofflight.

Keywords:

Weatherradardisplaysheargroundclutter

目录

1机载气象雷达系统原理与分析1

1.1机载气象雷达系统组成1

1.2机载气象雷达的探测原理1

2机载气象雷达显示故障的分析与排除3

2.1机载气象雷达显示器的工作原理及特性3

2.2机载气象雷达显示器常见故障及维修3

2.3气象雷达检修显示器常见方法4

3机载气象雷达抑制方式7

4机载气象雷达的分切变故障分析与排除9

4.1机载气象雷达风切变原理9

4.2气象雷达风切变的表现形式9

4.3低空分切变产生的原理与危害10

4.4低空风切变对飞行的影响12

4.5对低空风切变的识别及预测14

4.6对风切变的正确处置与改进技术17

5机载气象雷达维护总结19

结束语20

谢辞21

文献22

1机载气象雷达系统原理与分析

民用航空机载气象雷达（WXR）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，具有探测飞机前方降水、湍流和风切变的功能。

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，因此必须重视其维护。

所以必须对起组成和工作原理有一个了解与认识。

1.1机载气象雷达系统组成

机载气象雷达系统的基本组成由：

雷达收发机、雷达天线、显示器、控制面板和波导系统等，它们是雷达系统组成的重要部分，对与气象雷达的工作起着重要作用。

雷达收发机：

用来产生发射射频脉冲信号和接收并处理射频回波信号，提供气象、湍流和地形等显示数据，探测风切变事件并向机组发送警告和告诫信息。

雷达天线：

用来产生高3.6°

、宽3.4°

的波束并接收回波信号。

天线的稳定性受惯性基准组件（IRU）的俯仰和横滚数据控制。

显示器：

对于A319/A320/A321飞机来说，气象雷达数据都显示在ND上。

控制面板：

用于选择气象雷达的工作方式，控制天线的俯仰角度和稳定性，对接收机灵敏度进行控制。

波导系统：

波导管作为收发机和天线之间射频信号桥梁通道,是其重要的系统组成。

需要指出，对于降水的探测，绿色表示气象恶劣等级最低，红色表示等级最高。

而湍流实际上是一种时间不连续和空间不均匀的空气涡旋运动，气象雷达以紫红色显示。

1.2机载气象雷达的探测原理

机载气象雷达主要用来探测飞机前方航路上的气象目标和其他目标的存在以及分布状况，并将所探测目标的轮廓、雷雨区的强度、方位和距离等显示在显示器上。

它是利用电磁波经天线辐射后遇到障碍物被反射回来的原理，目标的导电系数越高，反射面越大，则回波越强。

要清楚气象雷达如何工作的关键在于了解雷雨的反射率。

一般来说，雷雨的反射率被划分成三个部分：

雷雨的下三分之一由于温度在冰点之上，所以全部由小雨滴组成，这部分是雷雨中对雷达波能量反射最强的部分。

中间部分由过度冷却的水和冰晶组成，由于冰晶是不良的雷达波反射体，所以这部分的反射率开始减小了。

雷雨的上部完全由冰晶组成，所以在雷达上几乎不可见。

另外，正在形成的雷雨在其上部可能会形成拱形的紊流波。

理想的雷达波束，了解了雷雨的反射率和扫描角度对它的影响，我们可以设想一下探测天气的理想雷达波束的特性。

理想的雷达波束能够直接探测到飞机下方区域，探测出正在形成的雷雨，并且波束能沿地球表面的曲率延伸到雷达波传播的最远距离。

这样，理想的雷达波束能在任何时候显示出飞机到320海里外所有的重要气象信息。

（1）对降水目标的探测：

机载气象雷达所探测的降水目标，如雷如、冰雹、雪等，它们属于导电的水物质，对雷达辐射的射频脉冲电磁波除一部分能量被吸收、损耗和散射外，均能被有效地反射回雷达天线。

而反射的强弱与气象目标含水量的多少有关，所以，天线接收的回波经雷达接收机处理后，在显示器上用不同的颜色显示出雷雨的强弱，被测目标的距离由电磁波从发射到接收所用的时间来确定。

a.能探测到的目标有：

雷雨，潮湿的冰雹和湍流，冰晶和干燥的冰雹、干燥的雪（回波弱），b.雷达不能探测到的目标有：

云、雾或风，洁净空气的湍流，沙尘暴和闪电；

（2）对湍流的探测：

气象雷达采用每组多个脉冲来探测湍流。

由于湍流相对于飞机有速度的变化，根据多普勒频移原理，接收信号的频率相对于发射信号的频率产生偏移，利用接收回波信号频率的变化来探测湍流。

（3）对风切变的探测:

风切变是在很短的距离范围内，风速或风向，或两者一起发生急剧变化。

它可以在很大区域内发生，并伴有狂风暴雨，或者只在一个很小区域内发生，特别是在接近地面的高度发生时，对飞机的起飞和着陆造成严重的威胁。

2机载气象雷达显示故障的分析与排除

机载气象雷达显示器对于飞机的飞行起着重要的作用，飞行员通过对机载气象雷达的显示来判断飞机的飞行情况以及外界大气因素的干扰，所以显示器一旦出故障那么对于飞机将有很大的影响，所以了解机载气象雷达显示器的工作原理与起特性将对飞机的故障排除起着重大作用。

2.1机载气象雷达显示器的工作原理及特性

雷达显示器从工作原理上来看有两种，包括：

阴极射线管式和有源矩阵液晶显示器。

这里以阴极射线管式雷达显示器为例简单介绍其工作原理。

阴极射线管（CRT）是第一种用作驾驶舱主飞行显示器的完全灵活显示设备。

早期研究使用的是单色CRT，不久，荫罩式彩色CRT就适用于机载驾驶舱的环境，尺寸也不断地增大。

2.2机载气象雷达显示器常见故障及维修

（1）雷达显示器显示组件:

A.数据采集器/集中器

采集来自其他机载系统进行显示的数据；

选择最合适的数据源；

执行数据完整性检查。

B.显示管理处理器

确定显示器模式、子模式和显示的组成部分；

将上述信息转换成图形数据和指令。

C.字符/图形发生器

用于构造字符和图形它包括：

以各种字体和字号显示的字母数字字符；

专用字符、指针和图标；

各种宽度和类型的线条；

各种宽度和类型的圆、椭圆和弧线；

阴影填充。

D.显示单元包括：

显示器、显示器电子保障电路。

以上这些部件是组成一套机载显示设备所必需的。

机载显示系统任何一个组件都有可能出现故障，在维修的时候应根据故障现象来确定故障所在的部件然后进行必要的维修。

（2）机载气象雷达几种常见故障现象

A.无亮点：

辉亮全无，当“辉亮”旋钮顺旋到底后,荧光屏上什么也没有。

只有一个亮点,即无粗辉亮或无精辉亮，引起“辉亮全无”这种故障现象的原因是:

无-1700伏高压,例如高压保险丝断,高压变压器烧坏,或高压整流器故障等。

示波管无灯丝电压或示波管管座接触不良。

B.示波管失效：

检修的关键是要抓住-1700伏高压整流器以及示波管灯丝电路。

引起“只有一个亮点”的故障原因是示波管栅阴极电位差太负,使电子枪无电子束发射。

因此,检修时应全力分析并找出示波管栅阴极电位差太负的原因。

以精支路为例,正常情况下,加到示波管各电极的电位分布为次。

（3）图像轻微跳动：

字符模糊不清，通常是有聚焦电压不对引起的，阳极电压过高或过低或显像管老化也会引起这些故障。

另外显像管极间碰极也可能出现这种现象。

（4）显示器偏色：

显示器偏色，通常是由阴极与灯丝短路或电子枪放大管故障等显示器视放电路引起的。

（5）显示器有彩色斑块：

显示器有斑块通常是由显示器被磁化、消磁电阻损坏、消磁线圈被移动等故障引起的。

（6）光栅发暗：

光栅发暗可能由多方面原因引起，如灯丝电压低、阴极电压高、栅极电压太低、加速极电压太低和阳极电压低等。

（7）气象雷达测试无图象：

对于这种情况，大多出现在机组开关WXRTEST时，可尝试重新开关，这种无须更换部件，属于瞬间启动失败而已，重新开关后均正常。

（8）气象雷达图象显示缓慢，不随动：

该情况大多发生在转弯或姿态变化比较明显的时候，这种情况属于正常显示的滞后，无须做工作，正常放行即可，交代机组观察使用情况。

（9）光栅发暗：

2.3气象雷达检修显示器常见方法

（1）仔细观察，打开后盖，首先用眼睛直接观察元器件是否烧毁、烧坏、变形、变色、破裂，并观察接通电源后显像管灯丝不亮，通过这些问题往往可以找到出现故障的部件或地点。

如色环电阻通常为红色，在高温烧坏的情况下其表面会变成黑色；

同样，黑色的线线电阻变为灰白色，也说明其可能已经烧坏；

如保险丝内部变为深黄色或保险丝内部变为黑色甚至玻璃壳破裂，都可以说明保险管烧掉了（但有时保险丝内部断了，玻璃壳却没有变色，此时需要仔细观察）。

另外带有金属铜的元件变为绿色则为受潮；

滤波电容周围出现粘液说明期已经损坏；

高压包凸出一个小包（正常情况下为光滑平面）一般为高压包内部短路。

（2）闻味，打开显示器后盖后，用鼻闻其味道。

如开机后有焦味，多为大功率晶体管、电阻等烧坏；

开机后有臭味，多为高压部件绝缘击穿、漏电或逆程电容容量变小造成高压过高而打火造成的。

（3）听声音，通电后，用耳朵听机内的声音。

正常的显示器在使用中是无声的，用声音多属异常，即使正常显示器，如果有声，也应警惕损坏的可能。

如高压点火时，可能发出爆裂的声音；

机内发出“吱吱”报警声，则表示机内有严重过电流或过电压之处；

如行管坏造成电源发出“吱吱”声，说明电源负载过重。

（4）用手摸，如果通过上述方法仍没有发现问题的所在，那么相对来说，问题就比较隐蔽了。

此时我们不妨在开机一段时间后，断开电源，直接用手去摸被怀疑有问题的元器件（或主要元件，如行管，集成芯片等），如发现其温度变化异常、温度升高过快等现象，通常就可以判断元件出了问题。

如行管散热片、场IC散热片、大功率电阻、三极管等部件，正常工作时应有微量发热，若感觉很烫手，应视为异常。

（5）测电阻，如果上述方法都不行，就只有使用我们手中的工具——万用表。

使用万用表的电阻挡可以轻而易举的判断电阻、晶体管是否被击穿或烧毁（短路）等。

另外通过测量显示器某点对地的电阻值，可以轻易地判断这一部分电路的好坏。

还有一些电路，如集成电路和晶体管等，在测量各个角的对地电阻值时，需要测量其正、反向电阻，通常情况下，以负表笔接地时测的阻值为正向电阻，而以正表笔接地时测的的电阻为反向电阻。

不同的电路，很多固定点都有不同的固定电阻值，这些电阻值可在电路板上找寻，如果没有，则可到网上查找。

为了确保检修的安全可靠性，在进行电阻测量前应对各个滤波电容进行放电，防止大电容储电烧坏万用表。

（6）测电流，测量电流也是维修显示器的常用方法。

通过测量晶体管和集成电路的负载电流和工作电流是否正常，可以判断以此元件为中心的部分电路是否正常。

只要所测得的晶体管或集成电路的负载电流正常，就可以断定该电路的工作状态基本正常。

电流测量法有两种：

一种是直接测量；

另一种是间接测量。

直接测量是将万用表的相应电流档直接接入串入电路中的一种测量方法。

间接测量是通过测量电路中某一电阻上的电压降来间接估算出电流值。

此种方法的优点是无需串入电路，而测量电流的大小也不受万用表的量程限制，使用起来比较方便。

（7）测电压，测量电压也是维修显示器的常用方法。

它主要是测量电路和元器件的工作电压，以此来对故障部位和元器件进行判定。

电压测量法一般有两种：

一种是静态电压测量法，是在显示器不输入信号的情况下测得的结果；

另一种是动态电压测量法，是在显示器输入信号是所测得的电压值。

.电压测量法一般是关键点的电压值，根据关键点的电压情况，来缩小故障范围，快速找出故障元件。

（8）敲击，这也是对检修显示器比较有效的方法之一。

在检修时用绝缘体（如绝缘螺丝刀、木棍）在加点或不加点的情况下，对有可能出问题的部位，进行轻轻敲打和按压，如发现敲打时（或敲打后），故障消失或缓解，则基本可以判断此处为故障点。

这种方法对于虚焊和接触不良等引起地故障特别有效。

（9）盲焊真正找到虚焊点不是意见容易的事，有的可能要花上几天的时间才能排除。

此时不妨试一下盲焊法，可对怀疑的虚焊点逐一重焊一遍。

虽然比较盲目，不过有时也能解决问题。

（10）换件法换件法是实用和快捷的检修方法。

当你对那个元件拿不准时，就可先将其更换掉，换上好的元件，如果故障消除，就证明原来的元件有问题。

对于一些不便测量的元器件更应如此，如高压包、集成电路及一些电阻、电容等。

不过此法需要备用件，对于初学者来说实行起来比较困难。

3机载气象雷达抑制方式

早期的气象雷达主要是地基的气象雷达，后进过改装，加载到飞机上能够有效的抑制掉地杂波是保证气象雷达正常工作的必要条件。

（1）杂波图法

杂波图法是气象雷达将晴天实际地杂波的信息储存起来，在阴雨天时将雷达的回波信息减去已储存的地杂波信息，剩下的就是气象雷达的回波信息。

但是在方法由于地物强度信息会随着环境、天气季节等外界情况发生变化，所以阴雨时地杂波强度信息的确定会产生误差。

对于机载雷达，由于飞机要飞越的区域很广，并且地物变化很快，需要储存的地物杂波信息更多，对于计算机的要求更高。

（2）相参MTI（动目标显示）方式

由于风和空中气流的影响，云和雨的气象相对于雷达会有一定的径向速度。

地杂波由于是固定目标的回波，其径向速度为零。

反应到雷达回波上就是雷达回波的频率不同。

MTI就是通过频率的差异抑制地杂波，这种方法在无风时，由于地物回波和气象回波的多普勒频率基本吻合，对地杂波的抑制效果不是很好。

对于机载气象雷达，由于载体平台的运动，地物回波也存在多普勒频率，MTI方式对于地杂波抑制的效果不理想。

（3）AMTI方法

AMTI技术室对传统固定凹口mti方法的改进，它可以自适应的调整滤波器凹口德位置和宽度。

由于平台的运动使杂波频谱平移和展宽，在这种情况下，杂波传统凹口MTI杂波抑制方法处理后仍会余留一部分，有时甚至于对消。

所以要自适应的调整滤波器凹口德位置和宽度达到最佳的抑制地杂波的目的。

（4）非相参MTI方法

云雨荷气象回波信号与地物杂波的另一重要区别就是速度方差功率频谱密度或相关函数不同，即两种信号的幅度起伏的统计特性不同，用它来抑制地物杂波，提取气象信号，这就是非相参MTI方法。

（5）多扫描的方法

多扫描的方法就是利用地球的曲率和波束在地面上有一定的照射范围，在地面照射范围之外的回波就是气象回波。

通过对空间层的多层扫描，组成一副抑制地杂波的图像，达到抑制地杂波的目的。

这种方法对于近距离的抑制和远距离的抑制是有效的，但对于中距离的地杂波，由于中距离的地杂波和气象回波混合在一起，很难区分，通过多扫描的方法，就很难抑制掉地杂波。

（6）GMAP方法

GMAP方法就是假定地杂波和地物杂波的功率谱都是高斯型的，但由于地物杂波的幅度变化很小（可以近似为不变）所以其功率谱集中在零频率附近，而气象回波由于粒子的运动，前后脉冲的幅度变化很大，所以其功率谱的宽度就比气象回波的宽度很多，这样，就可以通过在频谱上将气象回波的频谱消除。

然后通过剩余的气象谱线对消除的部分进行拟合，达到补充气象回波谱线的目的。

这样的方法既可以抑制地杂波，又可以很好的保证气象雷达回波的功率不被衰减。

以上方式对于地杂波的频谱能够达到很好的抑制效果，同时也都有一定的局限性。

现代气象雷达往往是多种抑制地杂波方法的综合应用，来达到最佳抑制地杂波的目的。

4机载气象雷达的分切变故障分析与排除

近些年来在我国也发生了由于低空风切变原因，造成的多起重着陆、低空复飞、不稳定进近等事件。

由于低空风切变具有时间短、尺度小、发生突然等特点，要准确探测和预报还比较困难。

所以导致了飞机发生事故率普遍增加，以下是有关风切变的分析与介绍。

4.1机载气象雷达风切变原理

风切变是指风速在时间或空间范围内发生剧烈变化的一种大气扰动现象。

1983年，美国国家研究委员会对风切变定义是：

空间两点处的风速差除以两点间的距离。

气象雷达对风切变的探测理论基础是多普勒效应。

当飞机顶风时，产生正的多普勒频移，当飞机顺风时，产生负的多普勒频移，如式：

　　　　　　　　　　　　∆f=±

ν/λ，　　　　　　　　　（4.1）

其中λ为雷达发射电磁波的波长；

ν为气流径向速度；

“+”表示风面正向雷达，即顶风；

“-”表示风面背向雷达，即顺风。

如果在很短距离内雷达探测到非常明显的风速变化，即有较大的频移，则可断定飞机前方有风切变。

一般来讲，低空风切变对飞行安全的危害最为严重，如果飞机在低空遇见风切变，极有可能坠毁，因此飞机在起飞或降落阶段的2300英尺之内，气象雷达自动启动风切变探测功能。

图4-1是近年来天气影响下的进近和着陆的事故统计数据不利天气（除了低能见度和跑道条件之外）是导致近40%进近及着陆事故的环境要素。

不利的风（即：

大侧风、顺风和风切变）与30%以上的进近及着陆事故和15%的可控飞机撞地（CFIT）事件分不开。

风切变是4%的进近着陆事故的主要诱因，它是造成重大伤亡事故的第九大原因。

表4-1天气因素在进近和着陆事故所占比重表

因素

占事件的百分比

不利天气

40%

不利的风（各种情况）

33%

风切变

4%

4.2气象雷达风切变的表现形式

根飞机相对与风矢量及其变化的各种情况，按航迹可以把风切变分为下列4种表现形式：

（1）顺风切变（TAILWINDSHEAR）指的是水平风的变量对飞机来说是顺风。

顺风切变使飞机空速减小，升力降低。

飞机下沉，这是一中比较危险的风切变形式。

（2）逆风切变（HEADWINDSHAEAR）指的是水平风的变量对飞机来说的逆风。

逆风切变使飞机空速突然增大，升力突然增大。

飞机抬升，危害相对轻些。

（3）侧风切变（CROSSWINDSHAEAR）指的是飞机从一种侧风或无风状态进入另一种明显不同侧风状态，它有左右之分，使飞机发生侧滑。

滚转或偏转。

（4）垂直切变（VERTICALWINDSHEAR）指的是飞机从无明显的升降气流区进入强烈的升降气流区的情况，特别的强烈的下降气流，往往有很强的猝发性，强度大，使飞机突然下沉，危险很大

图4-1垂直切变

4.3低空分切变产生的原理与危害

（1）雷暴

雷暴是产生强烈低空风切变的重要天气。

雷暴单体下方的下曳气流在相当宽的范围内可以造成由下击暴流和雷暴外流组成的两种不同的风切变。

一种是雷暴单体中心附近下方的下击暴流切变，他表现为范围小，生命期短，强度大的特征。

另一种是下击暴流接近地面时转化为强烈的冷空气外流，它向四外传播，沿雷暴单体前进方向伸出15—25km，并使暖湿空气入流抬升形成阵风锋，在雷暴下方大范围内引起180度的风向变化，表现为强顺风切变和强逆风切变。

由于其中一部分强风切变区向前伸展远离雷暴主体，不易察觉，对飞行安全威胁很大。

当飞机穿越这类风切变时，先是逆风增大，而后逆风对飞机速度减小至零，并有强的下降气流，紧跟着又是大顺风，这种风切变对飞行危害是最大的，飞机在这一过程中先是空速增大，使飞机有利于获得高，然后空速迅速减小，使飞机迎角减小也造成升力降低，紧跟的大顺风会使风速再次减小，如果空速减到一定程度会使飞机掉高度甚至坠地。

图4-2雷暴原理