《全固態(tài)Ka波段毫米波測云儀測試方法》編制說明

氣象行業(yè)標準《全固態(tài) Ka波段毫米波測云儀測試方法》編制說明一、工作簡況任務(wù)來源本標準由全國氣象儀器與觀測方法標準化技術(shù)委員會 （SAC/TC507）提出并歸口。2019年2月26日，中國氣象局政策法規(guī)司下發(fā)《關(guān)于下達2016年氣象觀測裝備相關(guān)標準制定計劃的通知》（氣法函〔2016〕3號），《全固態(tài)ka波段毫米波測云儀測試方法》（以下簡稱：《測試方法》）項目列入中國氣象局2019年度氣象行業(yè)標準項目計劃，項目編號：QX/T-2019-72。本標準起草工作由中國氣象局氣象探測中心（以下簡稱：探測中心）承擔。協(xié)作單位西安華騰微波有限責任公司（以下簡稱：華騰公司）。主要工作過程2018年3月，探測中心針對全固態(tài) ka波段毫米波測云儀的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，調(diào)研國內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)，查閱相關(guān)的國家標準、行業(yè)標準和氣象部門業(yè)務(wù)文件，明確了全固態(tài)ka波段毫米波測云儀的主要技術(shù)指標，測試項目及主流測試方法。2018年4月-8月，探測中心根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果，編制《測試方法（初稿）》，并向中電錦江、敏視達、西安華騰、恩瑞特、智鴻達電子、四創(chuàng)電子、航天科工 23所等相關(guān)企業(yè)征求意見，并邀請各生產(chǎn)和研發(fā)企業(yè)在北京召開 2次技術(shù)研討會，廣泛征求意見。2018年11月13日，探測中心將編寫完善的《測試方法（咨詢稿）》，在北京組織召開專家咨詢會，進一步對標準進行現(xiàn)場咨詢。2019年1月，根據(jù)中國氣象局政策法規(guī)司《關(guān)于征集氣象觀測裝備標準項目承擔單位的通知》（氣法函〔 2015〕38號），探測中心牽頭組織相關(guān)協(xié)作單位，組建了起草組，進行了任務(wù)分工，撰寫了申報材料，申報了《測試方法》行業(yè)標準起草項目。2019年2月，根據(jù)中國氣象局政策法規(guī)司《關(guān)于下達 2016年氣象觀測裝備相關(guān)標準制定計劃的通知》（氣法函〔 2016〕3號），探測中心聯(lián)系協(xié)作單位，成立標準編制項目組，啟動本標準的編制工作。2019年5月編制小組在北京召開研討會，確定了編制大綱，明確了人員分工、編制進度和溝通協(xié)調(diào)機制。2019年5月-6月，編寫組對編制過程中遇到的具體技術(shù)問題在華騰公司進行現(xiàn)場測試，對《測試方法》的可行性進行現(xiàn)場驗證，對測試方法進一步修改完善。2019年9月，經(jīng)多次討論后，對測試方法進一步完善，根據(jù)《關(guān)于山洪標準化建設(shè)項目中期檢查活動的通知》（氣儀標委函〔 2019〕36號），對《測試方法》進行中期匯報，并針對意見進行修改，并形成《測試方法（征求意見稿）》。2019年9月至12月，將《測試方法（征求意見稿）》公布征求意見，共發(fā)出40份，截止到2019年12月底，共收到回函30份，項目組開始梳理專家意見并修訂標準，形成《測試方法（送審稿）》。標準主要起草人及其所做的工作陶法，中國氣象局氣象探測中心，高工，本標準的項目負責人，負責標準的總體設(shè)計、起草、修訂和征求意見的技術(shù)指導等工作。胡樹貞，中國氣象局氣象探測中心，工程師，負責標準的申報、起草、修訂及實際測試驗證等組織工作。何平，中國氣象局氣象探測中心，正研級高工，參與該標準的技術(shù)檢驗指導、技術(shù)性能測試部分編寫。張雪芬，中國氣象局氣象探測中心，正研級高工，主要負責標準起草前期的方案制定、主要部分章節(jié)的技術(shù)把關(guān)和修訂等工作。陳巖，西安華騰微波有限責任公司，參與該標準的技術(shù)性能測試部分編寫、負責環(huán)境適應性、電磁兼容性測試方法的制訂及修訂工作。王剛，西安華騰微波有限責任公司，參與該標準的技術(shù)性能測試部分編寫、負責可靠性、安全性測試方法的制訂及修訂工作。李毅，西安華騰微波有限責任公司，主要負責試驗方法的測試和驗證工作。周學華，西安華騰微波有限責任公司，主要負責試驗方法的審核工作。二、標準編制原則和確定標準主要內(nèi)容的論據(jù)1．編制原則本標準依據(jù)GB/T1.1-2009《標準化工作導則第1部分：標準的結(jié)構(gòu)和編寫》給出的規(guī)則起草，并堅持以下原則：（1）科學性和規(guī)范性本標準充分借鑒和參考了《全固態(tài) Ka波段毫米波測云儀（基本型）功能規(guī)格需求書》 、《氣象觀測專用技術(shù)裝備測試方法 天氣雷達（試行）》、《氣象觀測專用技術(shù)裝備測試方法 風廓線雷達（試行）》、《新一代天氣雷達系統(tǒng)出廠驗收測試大綱修訂版》等技術(shù)文檔，力求在測試項目和測試方法等方面，兼顧當前主流技術(shù)和未來的發(fā)展趨勢，做到科學性和規(guī)范性。（2）簡化性、實用性原則在標準起草過程中，綜合考慮行業(yè)現(xiàn)狀和實際使用需求，以及經(jīng)濟成本等因素，對同類產(chǎn)品的技術(shù)指標做了分析篩選，除明顯不合理的或明顯落后于當代普遍技術(shù)水平的個別指標外，盡量涵蓋各廠商指標。在試驗方法的選擇設(shè)計方面，盡量引用現(xiàn)有的成熟規(guī)范或經(jīng)過驗證的試驗方法，確保標準的實用性。（3）協(xié)調(diào)性原則編寫組在收集市面上已有設(shè)備的性能、 查閱大量資料、征求多方意見后， 在綜合考慮各方面需求和意見的基礎(chǔ)上對標準內(nèi)容進行了適當?shù)恼{(diào)整，達到內(nèi)容全面，規(guī)定具體，語言通俗，易于實施。2．主要內(nèi)容的依據(jù)（1）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)研應用背景在天氣預報中， 云觀測資料主要用于明確天氣狀況，判別天氣系統(tǒng)類型、覆蓋范圍、移動和強弱，分析大氣層結(jié)穩(wěn)定度，對預報降水、氣溫、輻射等有重要作用。在數(shù)值預報中，有關(guān)云的觀測主要是通過云分析方案在中尺度數(shù)值模式中的試驗應用， 所謂云分析是指利用多種云資料，根據(jù)云熱力 -動力學原理及觀測實驗經(jīng)驗關(guān)系等，對云區(qū)、云量、云底高、云頂高、云狀等進行診斷和分析， 進一步根據(jù)云雷達觀測及物理經(jīng)驗關(guān)系確定云內(nèi)各種水凝物（云水、云冰、雨水、雪水、雹等）的含量，并進一步通過松弛逼近 (Nudging)方法實現(xiàn)云內(nèi)信息初始化應用， 對云內(nèi)動力熱力場進行相應的調(diào)整。 在人工影響天氣中， 通過云觀測資料主要應用于作業(yè)條件選擇識別、 作業(yè)追蹤指揮和作業(yè)效果評估等業(yè)務(wù)需求， 獲取云的宏觀和微物理特征，如云狀、云類型、云結(jié)構(gòu)、過冷水區(qū)、云水含量、云粒子譜、云粒子特性等。重點提高對云降水形成、演變及其催化過程的精細監(jiān)測能力。雖然在靜止氣象衛(wèi)星云圖上可以得到云分布、 云量、云狀信息，利用紅外輻射與溫度相關(guān)，可以從紅外氣象衛(wèi)星云圖上反演得到云頂高度信息， 但紅外輻射強度還與云體結(jié)構(gòu) （疏密）等因素有關(guān)，因此云頂高度有時誤差較大。 氣象應用中最典型的云信息包括云垂直分布、云水平分布、云量、云狀等，在人影領(lǐng)域還需要云微物理信息。而衛(wèi)星云圖只給出了云量、云狀、云頂分布（需要校準），而沒有給出云垂直分布、云底水平分布。而 Ka波段毫米波測云儀能夠提供云的高度信息和云的垂直分布信息，彌補衛(wèi)星觀測不足。2) 國外發(fā)展情況科學研究中，發(fā)現(xiàn)云體和水凝物的宏觀特征和微觀特征的觀測對于大氣輻射模型、 天氣系統(tǒng)描述等具有重要意義。因此，美、德、英、日等發(fā)達國家，開展了通過毫米波微波開展云宏觀特征和水凝物微觀特性觀測的相關(guān)研制和業(yè)務(wù)應用技術(shù)的研究。 20世紀90年代開始，歐美等發(fā)達國家完成了包括偏振、 雙波長、全相干極化多普勒等多種型號地基毫米波云探測雷達的研制， 以針對云開展相關(guān)探測， 探測能力已趨于成熟， 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和產(chǎn)品應用開發(fā)也已達到業(yè)務(wù)應用水平。3) 國內(nèi)發(fā)展情況我國從20世紀70年代開始，就嘗試性開展了毫米波雷達的研制工作， 但受到波導核心部件技術(shù)水平的限制， 與國外先進國家存在明顯差距， 但全固態(tài)發(fā)射技術(shù)的成熟， 為我國云雷達研制提供了快速發(fā)展的契機。 為此，我國電科集團 14所、38所、航天科工集團 23所、西安華騰紛紛研制了以固態(tài)發(fā)射技術(shù)為核心的云雷達， 包括單線偏振云雷達、 雙線偏振云雷達、連續(xù)波云雷達，特別是研制了針對地面業(yè)務(wù)觀測需要的毫米波測云儀， 為我國建設(shè)世界先進水平的地面自動化云觀測和垂直大氣廓線探測提供了技術(shù)和設(shè)備條件。2013年開始，中國氣象局氣象探測中心在南郊基地開展全固態(tài) Ka波段毫米波測云儀的技術(shù)孵化，經(jīng)過幾年的功能、性能改進， 目前已經(jīng)有 1家企業(yè)的定型產(chǎn)品通過測試，取得了裝備許可證，另有 3種型號正在開展測試評估工作。目前，針對天氣雷達的測試方法已經(jīng)成熟，由于 Ka波段頻率更高，造成測試存在一定困難，因此有必要建立一套規(guī)范化的 Ka波段毫米波測云儀測試方法，以便在將來業(yè)務(wù)使用中進行規(guī)范化測試。相關(guān)標準制訂情況已經(jīng)發(fā)布的《 QX/T461-2018C波段多普勒天氣雷達》，重點規(guī)范了地基固定式和移動式速調(diào)管發(fā)射機 C波段多普勒天氣雷達的通用要求，測試方法，檢驗規(guī)則，標識、標簽和隨行文件，包裝、運輸和貯存等要求。已經(jīng)發(fā)布的《 QX/T462-2018C波段雙線偏振多普勒天氣雷達》，重點規(guī)范了地基固定式和移動式速調(diào)管發(fā)射機 C波段雙線偏振（雙極化）多普勒天氣雷達的通用要求， 測試方法，檢驗規(guī)則，標識、標簽和隨行文件，包裝、運輸和貯存等要求。已經(jīng)發(fā)布的《 QX/T463-2018S波段多普勒天氣雷達》，重點規(guī)范了速調(diào)管發(fā)射機 S波段多普勒天氣雷達的通用要求，試驗方法，檢驗規(guī)則，標識、標簽和隨行文件，包裝、運輸和貯存等要求。已經(jīng)發(fā)布的《 QX/T464-2018S波段雙線偏振多普勒天氣雷達》，重點規(guī)范了速調(diào)管發(fā)射機S波段雙線偏振（雙極化）多普勒天氣雷達的通用要求，試驗方法，檢驗規(guī)則，標識、標簽和隨行文件，包裝、運輸和貯存等要求。目前已經(jīng)頒布的 C波段和S波段天氣雷達的相關(guān)標準中， 對于測試方法進行了明確規(guī)定，截止目前還沒有針對全固態(tài) Ka波段毫米波測云儀的測試標準。 全固態(tài)Ka波段毫米波測云儀的技術(shù)指標在《全固態(tài) Ka波段毫米波測云儀（基本型）功能規(guī)格需求書》沒有全面規(guī)定約束，只規(guī)定了最基本的要求，但是與之相對應的檢測方法尚不全面。在本標準制訂過程中，吸收借鑒了行業(yè)內(nèi)外經(jīng)過實踐檢驗， 行之有效、合理且可重復操作的技術(shù)方法， 將其中成熟的技術(shù)方法納入本標準。2）參考依據(jù)本標準主要依據(jù)的標準包括：GB191-2008包裝貯運圖示標志GB3784-1983雷達名詞術(shù)語GB/T33695-2017地面氣象要素編碼與數(shù)據(jù)格式QXT129-2011氣象數(shù)據(jù)傳輸文件命名GB/T2423電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗GB/T17626電磁兼容試驗和測量技術(shù)GB8702電磁輻射防護規(guī)定GJB151B-2013軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量GJB299B-1998電子設(shè)備可靠性預計手冊GB5080.7-1986設(shè)備可靠性試驗GJB2072-1994維修性試驗與評定QX4-2000氣象臺（站）防雷技術(shù)規(guī)范QX/T8-2000氣象儀器術(shù)語參考的文獻資料主要包括：《全固態(tài)Ka波段毫米波測云儀（基本型）功能規(guī)格需求書》（氣測函〔2017〕110號）《氣象觀測專用技術(shù)裝備測試方法總則（修訂）》（氣測函〔2017〕36號）《氣象觀測專用技術(shù)裝備測試方法地面氣象觀測設(shè)備（試行）》（氣測函〔2016〕5號）《氣象觀測專用技術(shù)裝備測試方法天氣雷達（試行）》（氣測函〔2016〕156號）《氣象觀測專用技術(shù)裝備測試方法風廓線雷達（試行）》（氣測函〔2017〕185號）（3）測試內(nèi)容測試內(nèi)容包括：成套性檢查、外觀結(jié)構(gòu)檢查、功能檢查、技術(shù)性能測試、測量性能測試、環(huán)境適應性測試、可靠性和維修性、安全性能等。（4）技術(shù)指標本標準規(guī)定的全固態(tài) Ka波段毫米波測云儀的技術(shù)指標要求與 《全固態(tài)Ka波段毫米波測云儀（基本型）功能規(guī)格需求書》中重復部分保持一致， 測試方法參照天氣雷達和風廓線雷達的方法，根據(jù) Ka波段的實際特性進行制定。表1測云儀技術(shù)性能指標要求系統(tǒng)名稱測試項目指標要求工作頻率35GHz±500MHz天線體制卡塞格倫天線口徑≤2.5m波束寬度≤0.6°第一副瓣≤-20dB天線和饋線天線增益≥50dB駐波比≤1.5收發(fā)饋線損耗≤3dB極化方式水平極化發(fā)射，水平極化接收天線罩雙程損耗≤2dB天線罩指向誤差≤0.4°最窄脈沖寬度≤1μs發(fā)射峰值功率≥10W發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射功率穩(wěn)定度±0.5dBm頻譜寬度≤20MHz極限改善因子≥25dB接收機增益≥30dB（不含AGC）接收系統(tǒng)接收機噪聲系數(shù)≤6dB接收系統(tǒng)線性動態(tài)范圍≥80dB系統(tǒng)最小可測信號功率≤-110dBm≤-30dBZ（10km高度，不計大氣衰減）整機系統(tǒng)系統(tǒng)相干性≤0.4°機內(nèi)強度自標定精度≤1dBZ遠程監(jiān)控功能遠程監(jiān)控：具有對開/關(guān)機、參數(shù)設(shè)置、運行狀態(tài)、錯誤故主要功能障的遠程監(jiān)控；自定標功能自定標：主要實現(xiàn)對強度的自定標；數(shù)據(jù)獲取率缺測率≤2%數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)可比較性云底高：云高＜1km時，±100m；云高≥1km時，±10%；云頂高：云高＜1km時，±100m；云高≥1km時，±10%。設(shè)備設(shè)備可靠性平均故障間隔時間（MTBF）≥2000h；平均故障修復時間（ MTTR）≤0.5h（5）測試儀表要求頻譜儀：用于測試發(fā)射頻率和脈沖上升、下降沿等，測量范圍 0～40GHz；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：用于測試天線電壓駐波比、收發(fā)隔離度和系統(tǒng)損耗等；示波器：用于測試中頻信號波形和控制時序等，測量范圍 0～500MHz；三、

功率計（包括探頭）：用于測試發(fā)射機功率等，測量范圍≤ -20dB；旋翼無人機：用于攜帶金屬反射靶，飛行高度≥ 2Km；金屬反射靶（如采用菱形） ，邊長應不小于毫米波測云儀工作波長的 5倍；主要試驗（或驗證）的分析、綜述報告，技術(shù)經(jīng)濟論證，預期的經(jīng)濟效果1本標準界定的全固態(tài) Ka波段毫米波測云儀測試方法驗證情況綜述2018年，探測中心就著手開展毫米波測云儀的測試工作，并在該標準編寫之初，就召集相關(guān)研發(fā)企業(yè)進行相關(guān)指標和測試方法的技術(shù)研討。并編寫《測試方法（初稿）》進行發(fā)布征求意見，并讓相關(guān)企業(yè)針對各自設(shè)備進行測試，并按照《測試方法（初稿）》對測試結(jié)果進行反饋。2018年12月開始，探測中心啟動毫米波測云儀的測試評估工作，先后在中國氣象局大氣探測試驗基地、華騰公司開展功能和性能測試， 并在上海寶山區(qū)氣象和湖南省長沙市氣象局開展外場試驗。其測試方法嚴格按照《測試方法（初稿）》開展。功能和技術(shù)指標測試由測試組組織專業(yè)技術(shù)人員依據(jù)《全固態(tài) Ka波段毫米波測云儀（基本型）功能規(guī)格需求書》（2017）和《全固態(tài) Ka波段毫米波測云儀（基本型）測試方案》（ 2019），檢查廠家提供儀器各項內(nèi)容是否符合要求，包括：（ 1）天線和饋線；（ 2）發(fā)射系統(tǒng)；（ 3）接收系統(tǒng)；（4）整機系統(tǒng)；（ 5）信號處理；（6）數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品輸出功能檢查；（ 7）隨機材料及外觀檢查等。 根據(jù)測試方案要求， 對被試設(shè)備進行功能和技術(shù)性能測試， 測試項目主要包括（1）天線和饋線；（2）發(fā)射系統(tǒng)；（3）接收系統(tǒng)；（4）整機系統(tǒng)；（5）信號處理；（6）數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品輸出功能檢查；（ 7）隨機材料及外觀檢查等。經(jīng)測試，測云儀外觀整潔，無損傷和變形，產(chǎn)品標志和字符清晰完整；設(shè)備結(jié)構(gòu)完整，各零部件、緊固件、連接件安裝牢固；三臺設(shè)備功能和技術(shù)性能測試結(jié)果均為合格。外場試驗測試評估按照《總則》的要求執(zhí)行， 測云儀應在至少 2個不同氣候特點的區(qū)域進行測試，每個不同氣候區(qū)域連續(xù)測試至少 3個月，滿足有關(guān)標準或規(guī)定的可靠性要求。外場測試站點應選擇在具有 L波段業(yè)務(wù)探空的氣象觀測站進行， 配備激光云高儀、全天空成像儀輔助進行數(shù)據(jù)分析。外場測試內(nèi)容包括：（1）數(shù)據(jù)完整性（考核數(shù)據(jù)缺測率或稱數(shù)據(jù)獲取率）；去除由于外界干擾（非設(shè)備原因）造成的數(shù)據(jù)缺測，對測云儀數(shù)據(jù)缺測率進行評估。缺測率（%）=（測試期內(nèi)累計缺測次數(shù) /測試期內(nèi)應觀測總次數(shù)）× 100%。缺測率（%）≤2%。（2）數(shù)據(jù)準確性（考核數(shù)據(jù)可比較性）；以L波段業(yè)務(wù)探空儀觀測大氣廓線資料識別出的云底和云頂高度作為參考標準云高， 評估測云儀觀測的云底高、云頂高準確性。（3）設(shè)備可靠性（考核設(shè)備穩(wěn)定可靠性、可維修性）。結(jié)論根據(jù)《測試方案》，外場試驗的評定項目為數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)準確性和設(shè)備可靠性。4.1數(shù)據(jù)完整性排除網(wǎng)絡(luò)和市電故障等客觀因素， 統(tǒng)計參試設(shè)備上傳到數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品輸出單元的數(shù)據(jù)完整性。外場試驗期間 2套參試設(shè)備缺測率應不大于 2%。寶山站數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計時間為 2019年1月1日~8月23日，共235天，每5秒輸出一組數(shù)據(jù)，應測數(shù)為235天×24小時×60分×12次=4060800組數(shù)據(jù)樣本，期間缺測數(shù)為 29208組，缺測率為0.7%。長沙站由于發(fā)生2次人為磁盤損壞導致2019年1月1日~4月13日和7月1日~7月22日數(shù)據(jù)丟失，有效觀測110天，每5秒輸出一組數(shù)據(jù)，應測數(shù)為110天×24小時×60分×12次=1900800組數(shù)據(jù)樣本，期間缺測數(shù)為10241組，缺測率為0.5%。經(jīng)分析，所有參試設(shè)備數(shù)據(jù)缺測率最大為0.7%，滿足《測試方案》要求，合格。參試設(shè)備的數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計結(jié)果見表3-1。表3-1參試設(shè)備數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計序號設(shè)備編號指標(%)應測數(shù)缺測數(shù)缺測率(%)測試結(jié)論1HT101-1502007≤21900800102410.5合格2HT101-17070224060800292080.7合格4.2數(shù)據(jù)準確性用探空獲取的參考標準云高與參試設(shè)備觀測數(shù)據(jù)組成樣本對， 分別計算兩者之間的系統(tǒng)偏差?！稖y試方案》要求的準確性指標見表 3-2。表3-2參試設(shè)備準確性指標準確性指標觀測要素云高＜1km 云高≥1km云底高±100m±10%云頂高±100m±10%外場試驗期間，寶山站共獲取94組云底高樣本對，71組云頂高樣本對；北京站共獲取64組云底高樣本對， 37組云頂高樣本對。按照《測試方案》統(tǒng)計分析方法，參試設(shè)備滿足《測試方案》要求，合格。具體測試結(jié)果統(tǒng)計見表3-