新一代天气雷达系统出厂验收测试大纲.docx
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新一代天气雷达系统出厂验收测试大纲
新一代天气雷达系统
出厂验收测试大纲
中国气象局气象探测中心
二○一一年八月
1总则
1.1 依据和目的
1.1.1大纲以《新一代天气雷达系统功能规格需求书》(气办发〔2010〕43号)为依据,对2004年下发的《新一代天气雷达出厂验收测试大纲(试行)》(气测函〔2004〕7号)进行修订而成。
1.1.2大纲规定了新一代天气雷达出厂验收时的测试项目和内容。
雷达出厂验收测试工作完成后,由该雷达的测试组编制出厂验收测试报告。
1.2出厂验收测试条件和主要任务及要求
1.2.1出厂验收测试应具备的条件
1.2.1.1交验的雷达系统需经承制方质检部门检验合格,由承制方向中国气象局相关业务单位提出出厂验收测试申请,申请报告应附有承制方质检部门检验报告和测试报告,测试报告应包含符合大纲要求的性能参数测试记录、系统定标检验记录及系统24小时连续运行考机检验记录。
申请获得同意后,可进行出厂验收测试。
1.2.1.2承制方应提供符合计量要求的测试测量仪表、设备和相应技术支持。
1.2.1.3承制方应提供受试雷达主要分机的测试框图、方法,技术条件及测试数据记录备查。
1.2.1.4新一代天气雷达(CINRAD)随机技术资料配备齐全。
1.2.2出厂验收测试主要任务
1.2.2.1雷达出厂验收测试是雷达出厂前对雷达整机和在整机上能进行测试的主要分机技术参数及功能较全面的测试和检验。
1.2.2.2对在出厂验收测试中难以测试的项目及重要分机性能参数,承制方应提供厂内测试记录及测试方法说明,经测试组认可后,可列为出厂验收测试数据。
1.2.2.3对新一代天气雷达系统功能进行全面检查。
1.2.2.4性能参数测试及功能检查合格后,对雷达系统进行24小时连续运行考机检验。
1.2.2.5对新一代天气雷达系统设备进行检查。
1.2.2.6出厂验收测试报告是雷达出厂验收的主要依据之一。
1.2.3出厂验收测试要求
1.2.3.1测试项目的技术参数和性能必须达到本大纲的要求。
雷达购置合同对技术参数另有要求的按合同执行。
1.2.3.2被测项目的参数和性能不符合规定和要求时,则暂停测试。
承制方在12小时内查明原因、采取措施达到指标要求后,经验收测试组认可,方可继续进行验收测试。
1.2.3.3出厂验收测试中雷达系统连续考机检验时间为24小时。
考机结束后对主要参数进行复测。
1.3 合格判据
1.3.1所有验收测试项目(含24小时连续运行考机检验)均符合本大纲的规定和要求时,判定为出厂验收测试合格。
1.3.2当出现1.2.3.2情况时,经采取措施,测试结果均符合规定和要求,则判定为出厂验收测试合格。
1.3.3不符合1.3.1、1.3.2判据的,则判定为出厂验收测试不合格。
2性能参数测试和检查
2.1天馈和伺服系统
在交验前承制方对交验雷达的天线和馈线系统技术参数进行测试。
出厂验收测试时,测试组对承制方提交的测试报告进行检查,检查范围包括天线系统、馈线系统和伺服系统等。
其中天线系统、馈线系统参数测试和检查在同一批次中需方至少抽检一部。
2.1.1天线系统
根据承制方提供的天线测试报告,检查波束宽度(-3dB)、第一旁瓣电平、远端副瓣电平(10°以外)和天线增益等技术参数。
S波段:
波束宽度≤1°;第一旁瓣电平≤-29dB;远端副瓣电平≤-40dB;天线增益≥44dB。
C波段:
波束宽度≤1°;第一旁瓣电平≤-29dB;远端副瓣电平≤-40dB;天线增益≥43dB。
2.1.2馈线系统
根据承制方提供的馈线测试报告,检查馈线系统的收、发支路损耗和驻波比,驻波比(VSWR)≤1.5:
1;馈线的损耗,考虑到馈线配置不同,损耗也不同,以实际测试数据为准。
2.1.3天线罩
指标要求引入波束偏差≤0.03°;引入波束展宽≤0.03°;射频损失(双程)≤0.3dB。
2.1.4伺服系统
测量内容有方位角和俯仰角的控制精度。
控制精度分别用12个不同方位角和俯仰角上的实测值与预置值之间差值的均方根误差来表征。
方位角、俯仰角的控制精度均≤0.1°。
测试数据
方位
预置值(°)
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
测试值(°)
差值(°)
俯仰
预置值(°)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
测试值(°)
差值(°)
方位角均方根误差(°):
俯仰角均方根误差(°):
记录:
2.2发射机
发射机所进行的测试项目有发射射频脉冲包络、发射机输出功率、发射机射频频谱、发射机输入端及输出端极限改善因子等。
S波段:
宽、窄两种脉冲包络;发射机输出功率≥650kW;发射频谱应达到国家有关的标准和要求;发射机输出端极限改善因子应≥52dB(高重复频率时);发射机输入端极限改善因子应≥55dB(高重复频率时)。
C波段:
宽、窄两种脉冲包络;发射机输出功率≥250kW;发射频谱应达到国家有关的标准和要求;发射机输出端极限改善因子≥49dB(高重复频率时);发射机输入端极限改善因子≥52dB(高重复频率时)。
2.2.1发射射频脉冲包络
测量发射机输出的射频脉冲包络的宽度τ(-3dB)、上升沿τr、下降沿τf和顶部降落δ。
⑴测量仪表:
示波器:
检波器:
⑵测量数据:
τ(μs)
τr(ns)
τf(ns)
δ(%)
注:
τ为发射脉冲宽度;τr、τf分别表示脉冲包络的上升、下降沿;δ为包络顶部降落。
记录:
2.2.2发射脉冲射频频谱
测量发射脉冲射频频谱,测量的频谱图应附在测试记录中。
⑴测量仪表:
频谱仪 型号:
⑵测量数据:
①窄脉冲τ= 重复频率F=
距离中心频率频谱线
衰减量(dBc)
频谱宽度(MHz)
左频偏
右频偏
谱宽
-10
-20
-30
-40
-50
-60
记录:
②宽脉冲τ= 重复频率F=
距离中心频率频谱线
衰减量(dBc)
频谱宽度(MHz)
左频偏
右频偏
谱宽
-10
-20
-30
-40
-50
-60
记录:
2.2.3发射机输出功率测量
用外接仪表(大功率计或小功率计)及机内功率检测装置对不同工作比时的发射机输出功率进行测量。
雷达正常运行时,外接仪表与机内检测装置同时测量值的差值应≤0.4dB。
2.2.3.1外接仪表测量
测量仪表:
峰值功率计型号探头
定向耦合器耦合度(dB):
固定衰减器(dB):
测试电缆(dB):
其它(dB):
测量点至速调管输出端总损耗(dB):
测量数据:
F(Hz)
τ(μs)
D(‰)
Pt(kW)
注:
F为发射脉冲重复频率;τ为发射脉冲宽度;D为工作比;Pt为发射机输出的峰值功率。
峰值功率平均值(kW):
记录:
2.2.3.2机内功率测量
测量数据:
F(Hz)
τ(μs)
D(‰)
Pt(kW)
注:
F为脉冲重复频率;τ为发射脉冲宽度;D为工作比;Pt为发射机峰值功率读数。
记录:
2.2.4发射机极限改善因子测量
用频谱仪检测信号功率谱密度分布,从中求取信号和相噪的功率谱密度比值(S/N),根据信号的重复频率(F),谱分析带宽(B),计算出极限改善因子(I)。
测量的信号功率谱密度分布图应附在测试记录中。
2.2.4.1发射机输出端极限改善因子测量
对雷达高重复频率(1000Hz左右)和低重复频率(600Hz左右)时的发射机极限改善因子分别进行测量。
⑴测量仪表:
频谱仪型号:
⑵计算公式:
I=S/N+10lgB-10lgF
式中:
I为极限改善因子(dB)
S/N为信号噪声比(dB)
B为频谱仪分析带宽(Hz)
F为发射脉冲重复频率(Hz)
⑶测量数据及计算结果:
F(Hz)
B(Hz)
S/N(dB)
I(dB)
记录:
2.2.4.2发射机输入端极限改善因子测量
⑴测量仪表:
频谱仪 型号:
⑵计算公式:
I=S/N+10lgB-10lgF
式中:
I为极限改善因子(dB)
S/N为信号噪声比(dB)
B为频谱仪分析带宽(Hz)
F为发射脉冲重复频率(Hz)
⑶测量数据及计算结果:
F(Hz)
B(Hz)
S/N(dB)
I(dB)
记录:
2.3接收机
接收机所进行的测试项目有噪声系数、最小可测信号功率和接收系统动态特性、中频频率、中频带宽等,其中中频频率、中频带宽、ADC速率、频综短期(1ms)频率稳定度,必须以分机实测数据为依据进行检查。
频综具有相位编码受控功能,在功能检查中进行检查。
S波段和C波段均要求:
噪声系数≤4.0dB,接收系统动态范围≥85dB。
2.3.1噪声系数测量
接收机噪声系数用外接噪声源和机内噪声源测量。
外接噪声源和机内噪声源测量的差值应≤0.2dB。
2.3.1.1外接噪声源测量噪声系数
外接噪声源由接收机前端输入,测试点在终端,方法可采用Y因子法;终端输出幅度来计算噪声系数;噪声系数测试仪在接收机模拟输出端测量噪声系数,
(1)和
(2)测量方法任选一种。
⑴用Y因子法测量噪声系数
外接噪声源 型号:
有效超噪比ENR(dB):
计算公式:
NF=ENR-10lg(Y-1)
Y=100.1L式中L为可变衰减器的衰减量(dB)
测量数据及计算结果:
测量次数
L(dB)
Nf(dB)
1
2
3
4
5
平均值 NF(dB):
记录:
⑵测量接收机输出电压计算噪声系数
外接噪声源 型号:
有效超噪比ENR(dB)
计算公式:
NF=ENR-10lg[(V2/V1)2-1]
式中:
V1(V)为断开噪声源的读数
V2(V)为接通噪声源的读数
NF1(dB)为计算机处理后的显示数
NF2(dB)为用上述公式计算结果
测量数据及计算结果
测量次数
V1(V)
V2(V)
NF1(dB)
NF2(dB)
1
2
3
4
5
平均值NF2(dB):
记录:
⑶用噪声系数测试仪直接测量噪声系数
测试仪表:
噪声测试仪 型号:
噪声源型号:
测试结果:
NF(dB):
2.3.1.2机内噪声源测量噪声系数
用机内噪声源测量噪声系数是通过雷达系统内设置的噪声源测量接收机噪声系数。
机内检测的噪声系数或噪声温度分别列表记录。
⑴机内噪声系数测试记录:
噪声源型号:
有效超噪比:
测量记录:
测量次数
1
2
3
4
5
平均值
噪声系数
记录:
⑵机内噪声温度测量记录
噪声温度(TN)与噪声系数的换算公式为:
NF=10lg[TN/290+1]
噪声源型号:
超噪比:
测量记录:
测量次数
1
2
3
4
5
平均值
噪声温度
噪声系数
记录:
2.3.2最小可测信号功率测量
在以下两种方法中,第一种方法可选,第二种方法必做。
⑴外接信号源由接收机前端输入,在雷达终端显示屏观测信号,从噪声中发现信号时的接收机输入功率为最小可测信号功率。
接收机宽、窄两种带宽分别测量。
测量结果:
(宽带)
(窄带)记录:
⑵在接收机无输入(信号源无输出)时,测量终端输出的噪声电压(V)或噪声电平(dB),再输入外接信号源信号,逐渐增大其信号功率,当终端输出的电压幅度为1.4倍噪声电压(V)时或噪声电平增加3dB时,注入接收机的信号源信号功率为接收机的最小可测信号功率。
接收机两种带宽分别测量。
测量结果:
(宽带)
(窄带)记录:
2.3.3接收系统动态特性测试
接收系统指从雷达的接收机前端,经接收支路、信号处理器到终端。
系统动态特性的测量采用信号源产生的信号,由接收机前端注入(信号可用外接信号源或机内信号源产生),在数据终端读取信号的输出数据。
改变输入信号的功率,测量系统的输入输出特性。
根据输入输出数据,采用最小二乘法进行拟合。
由实测曲线与拟合直线对应点的输出数据差值≤1.0dB来确定接收系统低端下拐点和高端上拐点,下拐点和上拐点所对应的输入信号功率值的差值为系统的动态范围。
新一代天气雷达要求接收系统的动态范围≥85dB,拟合直线斜率应在1±0.015范围内,线性拟合均方根误差≤0.5dB。
机外信号和机内信号从接收机前端输入点必须相同。
⑴外接信号源测量接收系统动态特性
测量仪表:
信号源:
型号:
测量数据:
输入值(dBm)
输出值*(dBz)
.
.
:
:
*终端输出数据可选固定距离(dBz)
记录:
拟合直线斜率:
拟合均方根误差(dB):
上拐点(dBm):
下拐点(dBm):
动态范围(dB):
⑵机内信号源测量接收系统动态特性
测量数据
输入值(dBm)
输出值*(dBz)
:
:
:
:
*终端输出数据可任选固定距离库
记录:
拟合直线斜率:
拟合均方根误差(dB):
上拐点(dBm):
下拐点(dBm):
动态范围(dB):
2.4系统相干性
2.4.1I、Q相角法
将雷达发射射频信号经衰减延迟后注入接收机前端,对该信号放大、相位检波后的I、Q值进行多次采样,由每次采样的I、Q值计算出信号的相位,求出相位的均方根误差σφ来表征信号的相位噪声。
在验收测试时,取其10次相位噪声σφ的平均值来表征系统相干性。
要求:
S波段雷达相位噪声≤0.15°,C波段雷达相位噪声≤0.3°。
测试数据:
测量次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
相位噪声(º)
平均值(º):
记录:
当σφ小于5°时可近似的用来估算系统的地物对消能力,其转换公式为:
L=-20lg(sinσφ)
2.4.2单库FFT谱分析法测量系统极限改善因子
将雷达的发射射频信号经衰减延迟后注入接收机前端,在终端显示器上观测信号处理器对该信号作单库FFT处理时的输出谱线(不加地物对消),从谱分析中读出信号和噪声的功率谱密度比值(S/N),由雷达系统的重复频率(F)、分析带宽(B),计算出极限改善因子(I)。
计算公式:
I=S/N+10lgB-10lgF
分析带宽B与单库FFT处理点数n、雷达重复频率F有关,即B=F/n,因此上式可改写为:
I=S/N-10lgn
测试记录:
重复频率F(Hz)
单库FFT处理点数n
信号谱功率
S(dB)
平均噪声谱功率N(dB)
信噪比
S/N(dB)
改善因子
I(dB)
128
256
记录:
2.5地物对消能力检查
采用滤波前后功率比估算地物对消能力和单库FFT估算地物对消能力两种方法可任选一种方法检验系统的地物对消能力。
2.5.1根据滤波前后功率比估算地物对消能力。
将雷达发射射频信号经衰减延迟后注入接收机前端,信号处理器(PPP模式)分别估算出滤波前后的信号功率,其比值表征系统的地物对消能力。
此项测试和滤波器的设计宽度、深度有关。
检验时选择滤波器的宽度应≤1m/s。
测试数据:
测试次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
滤波前功率(dB)
滤波后功率(dB)
差值(dB)
平均值(dB):
记录:
2.5.2单库FFT估算地物对消能力
对注入接收机的测试信号在加入滤波器前、后的谱线幅度变化(即信号功率变化)进行测试。
测试数据:
测试次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
滤波前谱功率密度(dB)
滤波后谱功率密度(dB)
差值(dB)
平均值(dB):
记录:
2.6系统回波强度定标、速度测量检验
本项测试包括回波强度定标检验、测速检验、双脉冲重复频率(DPRF/APRF)测速展宽能力检验和对回波强度在线自动标校能力的检验。
2.6.1回波强度定标检验
分别用外接信号源和机内信号源注入功率为-90dBm至-40dBm的信号,在距离5km至200km范围内检验其回波强度的测量值,回波强度测量值与注入信号计算回波强度值(期望值)的最大差值应在±1dB范围内。
机外信号和机内信号从接收机前端输入点必须相同。
根据雷达方程由注入信号功率计算回波强度可采用下式:
10lgZ=10lg[(2.69×1016λ2)/(PtτG2θφ)]+Pr+20lgR+LΣ+RLat
=C+Pr+20lgR+RLat
C=10lg[(2.69×λ2)/(Ptτθφ)]-2G+160+LΣ
式中:
λ:
波长(cm)
G:
天线增益(dB)
Pt:
发射脉冲功率(kW)
τ:
脉宽(μs)
θ:
水平波束宽度(°)
φ:
垂直波束宽度(°)
L0:
匹配滤波器损耗(dB)
LΣ:
系统除Lat外的总损耗(dB)
Pr:
输入信号功率(dBm)
R:
距离(km)
大气损耗Lat:
S波段取0.011dB/km(双程)
C波段取0.016dB/km(双程)
雷达常数(dB):
C=
⑴外接信号源对回波强度定标的检验
测量仪表型号:
测试数据:
距离
输入信号反射率
5(km)
50(km)
100(km)
150(km)
200(km)
(dBm)
测量值(dBZ)
期望值(dBZ)
差值(dB)
(dBm)
测量值(dBZ)
期望值(dBZ)
差值(dB)
(dBm)
测量值(dBZ)
期望值(dBZ)
差值(dB)
(dBm)
测量值(dBZ)
期望值(dBZ)
差值(dB)
(dBm)
测量值(dBZ)
期望值(dBZ)
差值(dB)
(dBm)
测量值(dBZ)
期望值(dBZ)
差值(dB)
最大差值(dB):
记录:
⑵机内信号源对回波强度定标检验
测试数据:
距离
输入信号反射率
5(km)
50(km)
100(km)
150(km)
200(km)
(dBm)
测量值(dBZ)
期望值(dBZ)
差值(dB)
(dBm)
测量值(dBZ)
期望值(dBZ)
差值(dB)
(dBm)
测量值(dBZ)
期望值(dBZ)
差值(dB)
(dBm)
测量值(dBZ)
期望值(dBZ)
差值(dB)
(dBm)
测量值(dBZ)
期望值(dBZ)
差值(dB)
(dBm)
测量值(dBZ)
期望值(dBZ)
差值(dB)
最大差值(dB):
记录:
2.6.2速度测量检验
速度测量采用机内信号源进行,其方法有:
变化注入信号相位或变化注入信号频率,可任选一种方法。
⑴用机内微波移相器对速度测量进行检验。
由机内测试信号经移相器后注入接收机,改变发射脉冲间隔内移相器的变化值,由理论计算速度值V2与信号处理器的速度估算值V1进行比较,检验速度测量差ΔV。
计算公式为:
V2=(λ/4π)Δφ/T
式中:
T为脉冲周期,1/T=F,F为雷达发射脉冲重复频率;Δφ为相移(°);л=180°。
测试记录:
Δφ(°)
F(Hz)V(m/s)
V1
V2
ΔV
V1
V2
ΔV
最大差值(m/s):
记录:
⑵用机内信号源输出频率为fc+fd的测试信号送入接收机,fc为雷达工作频率,改变多普勒频率fd,读出速度测量值V1与理论计算值V2(期望值)进行比较,V3为终端速度显示值。
计算公式:
V2=λfd/2式中:
λ为雷达波长、fd为多普勒频移
测试记录:
序号
fd(Hz)
V3(m/s)
V1(m/s)
V2(m/s)
ΔV=V1-V2(m/s)
1
2
3
4
5
6
7
8
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