《全固态Ka波段毫米波测云仪测试方法》编制说明Word文档下载推荐.docx
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王刚,西安华腾微波有限责任公司,参与该标准的技术性能测试部分编写、负责可靠性、安全性测试方法的制订及修订工作。
李毅,西安华腾微波有限责任公司,主要负责试验方法的测试和验证工作。
周学华,西安华腾微波有限责任公司,主要负责试验方法的审核工作。
二、标准编制原则和确定标准主要内容的论据
1.编制原则
本标准依据GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分:
标准的结构和编写》给出的规则起草,并坚持以下原则:
(1)科学性和规范性
本标准充分借鉴和参考了《全固态Ka波段毫米波测云仪(基本型)功能规格需求书》、《气象观测专用技术装备测试方法天气雷达(试行)》、《气象观测专用技术装备测试方法风廓线雷达(试行)》、《新一代天气雷达系统出厂验收测试大纲修订版》等技术文档,力求在测试项目和测试方法等方面,兼顾当前主流技术和未来的发展趋势,做到科学性和规范性。
(2)简化性、实用性原则
在标准起草过程中,综合考虑行业现状和实际使用需求,以及经济成本等因素,对同类产品的技术指标做了分析筛选,除明显不合理的或明显落后于当代普遍技术水平的个别指标外,尽量涵盖各厂商指标。
在试验方法的选择设计方面,尽量引用现有的成熟规范或经过验证的试验方法,确保标准的实用性。
(3)协调性原则
编写组在收集市面上已有设备的性能、查阅大量资料、征求多方意见后,在综合考虑各方面需求和意见的基础上对标准内容进行了适当的调整,达到内容全面,规定具体,语言通俗,易于实施。
2.主要内容的依据
(1)国内外研究现状调研
1)应用背景
在天气预报中,云观测资料主要用于明确天气状况,判别天气系统类型、覆盖范围、移动和强弱,分析大气层结稳定度,对预报降水、气温、辐射等有重要作用。
在数值预报中,有关云的观测主要是通过云分析方案在中尺度数值模式中的试验应用,所谓云分析是指利用多种云资料,根据云热力-动力学原理及观测实验经验关系等,对云区、云量、云底高、云顶高、云状等进行诊断和分析,进一步根据云雷达观测及物理经验关系确定云内各种水凝物(云水、云冰、雨水、雪水、雹等)的含量,并进一步通过松弛逼近(Nudging)方法实现云内信息初始化应用,对云内动力热力场进行相应的调整。
在人工影响天气中,通过云观测资料主要应用于作业条件选择识别、作业追踪指挥和作业效果评估等业务需求,获取云的宏观和微物理特征,如云状、云类型、云结构、过冷水区、云水含量、云粒子谱、云粒子特性等。
重点提高对云降水形成、演变及其催化过程的精细监测能力。
虽然在静止气象卫星云图上可以得到云分布、云量、云状信息,利用红外辐射与温度相关,可以从红外气象卫星云图上反演得到云顶高度信息,但红外辐射强度还与云体结构(疏密)等因素有关,因此云顶高度有时误差较大。
气象应用中最典型的云信息包括云垂直分布、云水平分布、云量、云状等,在人影领域还需要云微物理信息。
而卫星云图只给出了云量、云状、云顶分布(需要校准),而没有给出云垂直分布、云底水平分布。
而Ka波段毫米波测云仪能够提供云的高度信息和云的垂直分布信息,弥补卫星观测不足。
2)国外发展情况
科学研究中,发现云体和水凝物的宏观特征和微观特征的观测对于大气辐射模型、天气系统描述等具有重要意义。
因此,美、德、英、日等发达国家,开展了通过毫米波微波开展云宏观特征和水凝物微观特性观测的相关研制和业务应用技术的研究。
20世纪90年代开始,欧美等发达国家完成了包括偏振、双波长、全相干极化多普勒等多种型号地基毫米波云探测雷达的研制,以针对云开展相关探测,探测能力已趋于成熟,数据质量控制和产品应用开发也已达到业务应用水平。
3)国内发展情况
我国从20世纪70年代开始,就尝试性开展了毫米波雷达的研制工作,但受到波导核心部件技术水平的限制,与国外先进国家存在明显差距,但全固态发射技术的成熟,为我国云雷达研制提供了快速发展的契机。
为此,我国电科集团14所、38所、航天科工集团23所、西安华腾纷纷研制了以固态发射技术为核心的云雷达,包括单线偏振云雷达、双线偏振云雷达、连续波云雷达,特别是研制了针对地面业务观测需要的毫米波测云仪,为我国建设世界先进水平的地面自动化云观测和垂直大气廓线探测提供了技术和设备条件。
2013年开始,中国气象局气象探测中心在南郊基地开展全固态Ka波段毫米波测云仪的技术孵化,经过几年的功能、性能改进,目前已经有1家企业的定型产品通过测试,取得了装备许可证,另有3种型号正在开展测试评估工作。
目前,针对天气雷达的测试方法已经成熟,由于Ka波段频率更高,造成测试存在一定困难,因此有必要建立一套规范化的Ka波段毫米波测云仪测试方法,以便在将来业务使用中进行规范化测试。
4)相关标准制订情况
已经发布的《QX/T461-2018C波段多普勒天气雷达》,重点规范了地基固定式和移动式速调管发射机C波段多普勒天气雷达的通用要求,测试方法,检验规则,标识、标签和随行文件,包装、运输和贮存等要求。
已经发布的《QX/T462-2018C波段双线偏振多普勒天气雷达》,重点规范了地基固定式和移动式速调管发射机C波段双线偏振(双极化)多普勒天气雷达的通用要求,测试方法,检验规则,标识、标签和随行文件,包装、运输和贮存等要求。
已经发布的《QX/T463-2018S波段多普勒天气雷达》,重点规范了速调管发射机S波段多普勒天气雷达的通用要求,试验方法,检验规则,标识、标签和随行文件,包装、运输和贮存等要求。
已经发布的《QX/T464-2018S波段双线偏振多普勒天气雷达》,重点规范了速调管发射机S波段双线偏振(双极化)多普勒天气雷达的通用要求,试验方法,检验规则,标识、标签和随行文件,包装、运输和贮存等要求。
目前已经颁布的C波段和S波段天气雷达的相关标准中,对于测试方法进行了明确规定,截止目前还没有针对全固态Ka波段毫米波测云仪的测试标准。
全固态Ka波段毫米波测云仪的技术指标在《全固态Ka波段毫米波测云仪(基本型)功能规格需求书》没有全面规定约束,只规定了最基本的要求,但是与之相对应的检测方法尚不全面。
在本标准制订过程中,吸收借鉴了行业内外经过实践检验,行之有效、合理且可重复操作的技术方法,将其中成熟的技术方法纳入本标准。
(2)参考依据
本标准主要依据的标准包括:
GB191-2008包装贮运图示标志
GB3784-1983雷达名词术语
GB/T33695-2017地面气象要素编码与数据格式
QXT129-2011气象数据传输文件命名
GB/T2423电工电子产品环境试验
GB/T17626电磁兼容试验和测量技术
GB8702电磁辐射防护规定
GJB151B-2013军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量
GJB299B-1998电子设备可靠性预计手册
GB5080.7-1986设备可靠性试验
GJB2072-1994维修性试验与评定
QX4-2000气象台(站)防雷技术规范
QX/T8-2000气象仪器术语
参考的文献资料主要包括:
《全固态Ka波段毫米波测云仪(基本型)功能规格需求书》(气测函〔2017〕110号)
《气象观测专用技术装备测试方法 总则(修订)》(气测函〔2017〕36号)
《气象观测专用技术装备测试方法地面气象观测设备(试行)》(气测函〔2016〕5号)
《气象观测专用技术装备测试方法天气雷达(试行)》(气测函〔2016〕156号)
《气象观测专用技术装备测试方法风廓线雷达(试行)》(气测函〔2017〕185号)
(3)测试内容
测试内容包括:
成套性检查、外观结构检查、功能检查、技术性能测试、测量性能测试、环境适应性测试、可靠性和维修性、安全性能等。
(4)技术指标
本标准规定的全固态Ka波段毫米波测云仪的技术指标要求与《全固态Ka波段毫米波测云仪(基本型)功能规格需求书》中重复部分保持一致,测试方法参照天气雷达和风廓线雷达的方法,根据Ka波段的实际特性进行制定。
表1 测云仪技术性能指标要求
系统名称
测试项目
指标要求
天线和馈线
工作频率
35GHz±
500MHz
天线体制
卡塞格伦
天线口径
≤2.5m
波束宽度
≤0.6°
第一副瓣
≤-20dB
天线增益
≥50dB
驻波比
≤1.5
收发馈线损耗
≤3dB
极化方式
水平极化发射,水平极化接收
天线罩双程损耗
≤2dB
天线罩指向误差
≤0.4°
发射系统
最窄脉冲宽度
≤1μs
发射峰值功率
≥10W
发射功率稳定度
±
0.5dBm
频谱宽度
≤20MHz
极限改善因子
≥25dB
接收系统
接收机增益
≥30dB(不含AGC)
接收机噪声系数
≤6dB
接收系统线性动态范围
≥80dB
整机系统
系统最小可测信号功率
≤-110dBm
≤-30dBZ(10km高度,不计大气衰减)
系统相干性
机内强度自标定精度
≤1dBZ
主要功能
远程监控功能
自定标功能
远程监控:
具有对开/关机、参数设置、运行状态、错误故障的远程监控;
自定标:
主要实现对强度的自定标;
数据
数据获取率
缺测率≤2%
数据可比较性
云底高:
云高<1km时,±
100m;
云高≥1km时,±
10%;
云顶高:
10%。
设备
设备可靠性
平均故障间隔时间(MTBF)≥2000h;
平均故障修复时间(MTTR)≤0.5h
(5)测试仪表要求
频谱仪:
用于测试发射频率和脉冲上升、下降沿等,测量范围0~40GHz;
矢量网络分析仪:
用于测试天线电压驻波比、收发隔离度和系统损耗等;
示波器:
用于测试中频信号波形和控制时序等,测量范围0~500MHz;
功率计(包括探头):
用于测试发射机功率等,测量范围≤-20dB;
旋翼无人机:
用于携带金属反射靶,飞行高度≥2Km;
金属反射靶(如采用菱形),边长应不小于毫米波测云仪工作波长的5倍;
三、主要试验(或验证)的分析、综述报告,技术经济论证,预期的经济效果
1本标准界定的全固态Ka波段毫米波测云仪测试方法验证情况综述
2018年,探测中心就着手开展毫米波测云仪的测试工作,并在该标准编写之初,就召集相关研发企业进行相关指标和测试方法的技术研讨。
并编写《测试方法(初稿)》进行发布征求意见,并让相关企业针对各自设备进行测试,并按照《测试方法(初稿)》对测试结果进行反馈。
2018年12月开始,探测中心启动毫米波测云仪的测试评估工作,先后在中国气象局大气探测试验基地、华腾公司开展功能和性能测试,并在上海宝山区气象和湖南省长沙市气象局开展外场试验。
其测试方法严格按照《测试方法(初稿)》开展。
2功能和技术指标测试
由测试组组织专业技术人员依据《全固态Ka波段毫米波测云仪(基本型)功能规格需求书》(2017)和《全固态Ka波段毫米波测云仪(基本型)测试方案》(2019),检查厂家提供仪器各项内容是否符合要求,包括:
(1)天线和馈线;
(2)发射系统;
(3)接收系统;
(4)整机系统;
(5)信号处理;
(6)数据处理和产品输出功能检查;
(7)随机材料及外观检查等。
根据测试方案要求,对被试设备进行功能和技术性能测试,测试项目主要包括
(1)天线和馈线;
经测试,测云仪外观整洁,无损伤和变形,产品标志和字符清晰完整;
设备结构完整,各零部件、紧固件、连接件安装牢固;
三台设备功能和技术性能测试结果均为合格。
3外场试验测试评估
按照《总则》的要求执行,测云仪应在至少2个不同气候特点的区域进行测试,每个不同气候区域连续测试至少3个月,满足有关标准或规定的可靠性要求。
外场测试站点应选择在具有L波段业务探空的气象观测站进行,配备激光云高仪、全天空成像仪辅助进行数据分析。
外场测试内容包括:
(1)数据完整性(考核数据缺测率或称数据获取率);
去除由于外界干扰(非设备原因)造成的数据缺测,对测云仪数据缺测率进行评估。
缺测率(%)=(测试期内累计缺测次数/测试期内应观测总次数)×
100%。
缺测率(%)≤2%。
(2)数据准确性(考核数据可比较性);
以L波段业务探空仪观测大气廓线资料识别出的云底和云顶高度作为参考标准云高,评估测云仪观测的云底高、云顶高准确性。
(3)设备可靠性(考核设备稳定可靠性、可维修性)。
4结论
根据《测试方案》,外场试验的评定项目为数据完整性、数据准确性和设备可靠性。
4.1数据完整性
排除网络和市电故障等客观因素,统计参试设备上传到数据处理和产品输出单元的数据完整性。
外场试验期间2套参试设备缺测率应不大于2%。
宝山站数据完整性统计时间为2019年1月1日~8月23日,共235天,每5秒输出一组数据,应测数为235天×
24小时×
60分×
12次=4060800组数据样本,期间缺测数为29208组,缺测率为0.7%。
长沙站由于发生2次人为磁盘损坏导致2019年1月1日~4月13日和7月1日~7月22日数据丢失,有效观测110天,每5秒输出一组数据,应测数为110天×
12次=1900800组数据样本,期间缺测数为10241组,缺测率为0.5%。
经分析,所有参试设备数据缺测率最大为0.7%,满足《测试方案》要求,合格。
参试设备的数据完整性统计结果见表3-1。
表3-1参试设备数据完整性统计
序号
设备编号
指标(%)
应测数
缺测数
缺测率(%)
测试结论
1
HT101-1502007
≤2
1900800
10241
0.5
合格
2
HT101-1707022
4060800
29208
0.7
4.2数据准确性
用探空获取的参考标准云高与参试设备观测数据组成样本对,分别计算两者之间的系统偏差。
《测试方案》要求的准确性指标见表3-2。
表3-2参试设备准确性指标
观测要素
准确性指标
云高<1km
云高≥1km
云底高
100m
10%
云顶高
外场试验期间,宝山站共获取94组云底高样本对,71组云顶高样本对;
北京站共获取64组云底高样本对,37组云顶高样本对。
按照《测试方案》统计分析方法,参试设备满足《测试方案》要求,合格。
具体测试结果统计见表3-3,详细测试数据见附录B。
表3-3参试设备数据准确性测试结果统计
云底高准确性
云顶高准确性
42m
-2.9%
/
-6.3%
HT101-1703020
-2.1%
-8.7%
注:
上述统计分析均用3倍标准偏差法剔除粗大误差。
“/”代表没有出现相应样本对,未进行统计评估。
4.3设备可靠性
统计参试设备在外场试验站的故障次数,计算各参试设备的平均故障间隔时间(MTBF)。
2套参试设备外场试验期间均未出现故障,满足《测试方案》要求,合格。
5试验方法在本标准中的采纳情况
在本标准编制中,引入了测试评估方案中成熟、成功的试验方法。
6技术经济论证及预期的经济效果
截止到目前,已有3家企业提出测试评估,因此本标准规范的毫米波测云仪测试方法是技术可行且经济合理的。
本标准发布实施后,对气象部门加强毫米波测云仪测试标准化建设,提高毫米波测云仪观测质量有重大的推动作用。
四、采用国际标准和国外先进标准的程度,以及与国际、国外同类标准水平的对比情况,或与测试的国外样品、样机的有关数据对比情况
本标准为自研标准,为了毫米波测云仪观测质量,规范业务开展而制定,未采用国际标准,为首次制订。
五、与有关的现行法律、法规和强制性国家标准的关系
本行业标准主要是遵照《中华人民共和国气象法》、《中华人民共和国标准化法》以及中国气象局相关法规等相关规定编制的,与现行有关法律、法规和强制性国家标准没有矛盾。
六、重大分歧意见的处理经过和依据
无
七、标准作为强制性标准或推荐性标准的建议
建议本标准为气象行业推荐性标准。
八、贯彻标准的要求和措施建议
作为推荐性行业标准,行业主管部门积极监督行业标准的实施。
要求各相关业务台站采用符合技术要求的气象观测设备,以提高观测质量,保障气象业务准确、顺利、稳定开展。
九、废止现行有关标准的建议
无
十、其他应予说明的事项
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- 特殊限制:
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- 全固态Ka波段毫米波测云仪测试方法 固态 Ka 波段 毫米波 测云仪 测试 方法 编制 说明