气象观测专用技术装备测试方法风廓线雷达中国气象局.docx

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气象观测专用技术装备测试方法风廓线雷达中国气象局

附件1

气象观测专用技术装备测试方法

风廓线雷达（试行）

中国气象局综合观测司

2017年10月

编写说明

《气象观测专用技术装备测试方法（试行）》针对气象观测专用技术装备测试编制，所涉及的装备是拟用于气象观测专用的仪器和设备（暂不包括气象卫星及人工影响天气作业设备），可以是整机、系统、传感器和部件等。

本《方法》目前主要包括以下部分：

气象观测专用技术装备测试方法总则（修订）

气象观测专用技术装备测试方法环境适应性（试行）

气象观测专用技术装备测试方法地面气象观测设备（试行）

气象观测专用技术装备测试方法高空气象观测设备（试行）

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）

气象观测专用技术装备测试方法地基GNSS遥感水汽探测设备（试行）

气象观测专用技术装备测试方法气溶胶质量浓度设备（试行）

根据需要，可补充增加其他类型装备的测试方法。

本《方法》由中国气象局综合观测司提出，中国气象局气象探测中心组织编写，经多次反复讨论修改，最终完成本《方法》的编写。

本《方法》的修改和解释权归中国气象局综合观测司。

本部分为《气象观测专用技术装备测试方法风廓线雷达》，规定了风廓线雷达测试的要求、内容和方法，包括交接检查、技术性能测试、探测能力试验、显示和控制终端检查、环境适应性试验、可靠性和维修性试验等。

本部分主要起草人：

何平、吴蕾、齐涛、任晓毓、陈瑶、王天天。

目次

附录A风廓线雷达测风自比较的数据处理和评定

附录B风廓线雷达与气球定位测风比对试验数据处理方法和要求

1范围

本部分规定了风廓线雷达的测试要求、内容和方法。

本部分适用于风廓线雷达的测试和评估。

2规范性引用文件

GB5080.7-1986设备可靠性试验

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

GJB2072维修性试验与评定

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天气雷达（试行）（气测函〔2016〕156号）

风廓线雷达（L波段）出厂和现场测试大纲（试行）（气测函〔2013〕315号）

3基本要求

应符合《气象观测专用技术装备测试方法总则（修订）》中4、5的相关要求。

4交接检查

除按照《气象观测专用技术装备测试方法总则（修订）》中8的要求进行外观、结构和成套性检查外，还应进行雷达开机检查，以确定被试雷达是否能够正常工作。

5技术性能测试

技术性能测试包括：

天线和馈线、发射系统（含T/R组件）、接收系统、整机、数据和产品以及显示与控制终端六个部分。

5.1天线和馈线

本部分包括：

天线体制、方向图、天线增益、天线罩损耗与指向误差、天线和馈线系统损耗、电压驻波比、屏蔽网隔离度七项测试。

5.1.1天线体制

检查天线体制、天线类型和天线辐射单元分布结构。

5.1.2方向图

测试框图：

图1典型天线远场测试框图

按照图1安置测量支架、仪器和设备。

辅助天线的极化状态与被测天线匹配，将信号源的频率设置为被测天线工作的中心频率。

经远场测试给出各个波束的方向图。

波束指向、波束宽度、最大副瓣高度与位置、远瓣平均高度等参数均由方向图导出。

测试步骤：

a）使辅助天线最大辐射方向与被测天线某个波束最大辐射方向对准，记录频谱分析仪接收电平。

b）沿扫描面步进调整被测天线阵面,依次记录频谱分析仪接收电平，得到该波束扫描面方向图。

c）沿非扫描面步进调整被测天线阵面,依次记录频谱分析仪接收电平，得到该波束非扫描面方向图。

d）重复a）至c）测试，测出不同波束的方向图。

e）如果雷达使用多个工作频率，重复a）至d）测试，得到其它频率点上的各波束的方向图。

5.1.3天线增益

测试步骤：

a）在被测天线处用点源辐射天线替代，注入一功率，在辅助天线处测量接收功率，记为P1。

b）换用被测天线，注入相同的功率，调整被测天线的方位角和仰角，使辅助天线处测量的接收功率最大，记为P2。

c）计算天线增益：

G=10Lg（P2/P1）。

d）将信号源频率依次设置为其它工作频率点，重复a）、c）的测试，以得到其它频率点上的天线增益。

5.1.4天线罩损耗与指向误差

天线罩损耗是指加装天线罩后辐射功率的减少。

天线罩指向误差是指加装天线罩前后的波束中心指向之差。

测试方法:

在5.1.2和5.1.3测量的基础上，将被测天线加装天线罩，重复5.1.2和5.1.3的测试，比较测量结果，求出天线罩损耗与指向误差。

5.1.5天线和馈线系统损耗

测量天馈线分系统工作频带范围内发射通道、接收通道损耗。

有多个发射、接收通道时，各个通道均需测量。

测试框图：

图2天馈损耗测试框图

测试方法：

将被测天馈分系统的发射机输入端接入矢量网络分析仪的端口1、天线输入端接入矢量网络分析仪的端口2，进行发射通道损耗测试，找出频带范围内的最小值即为被测天馈分系统的发射通道损耗。

5.1.6电压驻波比

测试天线馈线系统工作频带内的最大电压驻波比。

测试框图：

图3电压驻波比测试框图

测试步骤：

a）根据天馈系统工作频带设置矢量网络分析仪的测试频带，将测试参数设置为S11，参数形式设置为电压驻波比；

b）将开路器、短路器、负载分别接入矢量网络分析仪的端口1按仪器提示进行操作；

c）将被测天馈系统接入矢量网络分析仪的端口1进行电压驻波比测试，找出频带范围内的最大值即为被测天馈系统的电压驻波比。

5.1.7屏蔽网隔离度

测试框图：

测试连接如图4所示。

将两个天线单元分别连接在矢量网络分析仪的输出端和输入端，两个天线单元一个在屏蔽网内，一个在屏蔽网外。

图4天线屏蔽网隔离度测试示意图

测试方法：

首先在打开屏蔽网的情况下记录矢量网络分析仪的读数P1（dBm），然后关闭屏蔽网，记录矢量网络分析仪的读数P2（dBm），屏蔽网的单向隔离度为：

I＝P1-P2（dB），双向隔离度为单向隔离度的2倍，即2×（P1-P2）（dB）。

5.2发射系统

本部分包括：

T/R组件、发射（峰值）功率、发射脉冲（脉冲宽度、脉冲上升时间、下降时间、脉冲重复频率）、发射频率与频谱四项测试。

有多个工作模式时，需要逐一测量。

有多个发射通道时，需要逐一测量。

发射系统测试连接示意图如图5所示。

将大功率衰减器接在发射机输出端，用功率计、频谱分析仪、功率计、示波器、检波器等仪表，分别在不同工作模式、不同通道下逐一进行测量。

图5发射机性能测试示意图

5.2.1T/R组件

T/R组件的测试内容包括发射波形、发射频谱、峰值功率。

T/R发射波形测试：

示波器端口1与监控组合同步，示波器端口2接T/R组件输出，分别测量不同工作模式下的发射波形。

T/R发射峰值功率测试：

T/R组件输出经大功率衰减器接功率计，分别测量不同工作模式下的峰值功率。

发射频谱：

T/R组件输出经大功率衰减器接频谱仪，频谱仪设置为雷达工作频率、扫宽100mhz，分别测量不同工作模式下的频谱。

检查T/R组件的幅/相一致性、噪声系数、接收增益、收/发隔离度等重要指标。

5.2.2发射（峰值）功率

测试方法：

如图5测试连接。

将大功率衰减器接在发射机输出端，用功率计分别测量不同组件、不同模式下的发射功率。

对于多路发射系统，根据各路的测量结果，计算总发射峰值功率。

5.2.3发射脉冲及重复周期

测试方法：

如图5测试连接。

将大功率衰减器接在发射机输出端，用示波器分别测量不同模式下的发射脉冲宽度、脉冲幅度、脉冲上升时间、下降时间得到发射脉冲参数，如图6。

通过示波器测量两相继脉冲的间隔时间，即脉冲重复周期。

图6射频脉冲包络示意图

5.2.4发射频率与频谱

测试方法：

如图5测试连接。

将大功率衰减器接在发射机输出端，用频谱分析仪测试发射频率。

频谱分析仪设置适当的中心频率、扫频范围、分辨带宽和视频带宽，分别测量不同工作模式下的发射脉冲频谱，找出中心频率，在低于中心频率峰值-10dBc、-20dBc、-30dBc、-35dBc、-40dBc、-50dBc处记录频率值，并计算出发射信号的频谱宽度。

图7射频脉冲频谱示意图

5.3接收系统

本部分包括：

噪声系数、接收机增益、接收机灵敏度、动态范围四项测试。

有多个工作模式时，需要逐一测量；有多个接收通道时，需要逐一测量。

5.3.1噪声系数

噪声系数是接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值，表征测量接收机内部噪声的大小，通常用分贝表示，采用噪声系数测试仪表直接进行测试。

测试框图：

图8噪声系数测试框图

测试方法：

a）按图8连接设备；对噪声系数仪表进行初始设置，将噪声系数仪的附件噪声源直接接入仪表的输入输出端，进行校准。

b）然后将被测接收机接入，进行噪声系数测量。

5.3.2接收机增益

测定自接收机前端至输入到中频检波器输出，对信号可呈现的最大增益，通常用频谱分析仪直接进行测量。

测试框图：

图9接收机增益测试框图

测试方法：

a）信号源频率设置为工作频率,输出功率调节在接收机线性区,记录为

；

b）使用频谱仪测量接收机中放输出，读出此时频谱仪功率,记录为

；

c）按公式

计算中频接收机增益

。

5.3.3接收机灵敏度

测试接收机接收微弱信号的能力，用接收机输入端的最小可检测信号功率表示。

测试框图：

图10接收机灵敏度测试示意图

测试方法：

将信号源接在接收机前端的低噪声放大器入口处，接收机的模拟中频输出端接频谱分析仪。

频谱分析仪设置合适的中心频率、扫频范围、分辨带宽和视频带宽。

测试时，首先关闭信号源，在频谱分析仪上测得噪声电平P1（dBm），再打开信号源，调整信号源的输出功率，使频谱分析仪的读数为（P1＋3）dBm，此时信号源的输出功率值即为接收机的灵敏度。

对测试环境和仪表的要求：

a）信号源的频率测量误差应在自频控剩余误差以内，信号源输出信号幅度和衰减器的误差应不大于0.5dBmW，信号源的漏能功率应低于从正规通道进入接收机的信号功率；

b）信号源的输出信号应按产品具体规范要求来调整，一般有连续波信号、脉冲调制信号等；

c）测试场地应是干净的电磁环境，除被测接收机和信号源以外，没有其它频率相近或与接收机中频相近的能量源，最好在屏蔽房或微波暗室内进行测试。

5.3.4动态范围

测定接收系统动态范围。

接收系统是指从接收机前端，经数字中频到信号处理器。

接收系统动态范围是接收机不饱和时的最大输入信号功率与最小可检测信号功率之比，通常以dB表示。

测试框图：

图11接收系统动态范围测试示意图

测试方法：

采用机外信号源，在测得系统最小可测功率Prmin的基础上，逐渐加大接收系统的输入功率，在数据终端读取输出功率，并依次记录数值，直到终端输出功率出现1dB压缩点，此时接收系统的输入功率为Prmax（dBm）；则接收系统的动态范围表示为：

R=Prmax-Prmin，根据测试结果，绘制动态范围曲线。

5.4整机

本部分包括：

系统最小可测功率、系统相干性，距离定标与速度定标、系统自动定标、系统自动检测和电源六项测试与检查。

5.4.1系统最小可测功率

测试框图：

图12系统灵敏度测试框图

测试方法：

用信号源进行测量，仪器连接和信号关系见图12。

将信号源设置为连续波输出状态，调整频率使之在雷达终端谱显示时不折叠，降低信号源输出幅度，直到终端谱显示刚刚不能识别为止，记录此时信号源的输出功率值和衰减器的衰减量。

按公式

计算，其中

是系统灵敏度，

是信号源的输出功率，

是衰减器的衰减量。

5.4.2系统相干性

测试框图：

图13系统相干性测试示意图

测试方法：

测试连接示意图如图13所示。

将发射机激励信号经定向耦合器、衰减器后送入接收机，经两次下变频、放大后变为中频信号，送至数字中频接收机；经A/D变换，数字下变频和数字正交变换，得到I、Q两路正交信号，计算出相角。

N组相角的标准差就是所求相位噪声。

5.4.3距离定标与速度定标

5.4.3.1距离定标

测试框图：

图14距离定标测试示意图

测试方法：

如图14所示，将发射机激励信号经定向耦合器、衰减器后送入接收系统，回波在终端的位置即为零距离的位置。

再将发射机激励信号经过15μs延迟线后送入接收系统，观察终端显示，此时回波应出现在2250m高度的距离库上。

5.4.3.2速度定标

测试框图：

图15速度定标测试示意图

测试方法：

如图15所示，将频综或信号源输出信号注入接收系统输入端，采用移相或偏置频率的方法分别测试不同的相位或频率偏移量，启动运行程序，将终端显示的速度值与理论值进行比较并记录。

5.4.4自动定标

检查是否具备回波强度自动定标功能及回波强度自动定标结果。

对于回波强度的定标，注入接收前端的测试信号为频率综合器输出的射频信号，射频衰减器控制注入接收前端的测试信号的功率电平。

接收分系统和信号处理分系统按正常流程处理信号，在固定的距离库检验其回波强度的测量值。

比较回波强度测量值与根据注入信号计算的回波强度理论值。

回波强度理论值计算：

根据雷达方程由注入信号功率计算回波强度可采用下式：

其中，C为雷达常数（dB）。

雷达常数的计算可采用下式：

其中，

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（°）

：

系统总损耗（dB）

：

大气损耗（双程）

Pr：

输入信号功率（dBm）R：

距离（km）

选择不同的探测高度，比较回波强度测量值与根据注入信号计算的回波强度理论值。

5.4.5自动检测

检查动态范围、系统相干性及系统最小可测功率的自动检测功能与结果。

5.4.6电源

5.4.6.1供电电压

在被试雷达供电电源处串接调压器，将电压调整至其电源适应范围上限和下限值，分别工作1h，若能正常工作，判定为合格。

5.4.6.2电源频率

用电压和频率可调的供电装置为被试雷达供电，分别将电压和电源频率调整至：

电压为上限值，频率为上限值；电压为上限值，频率为下限值；电压为下限值，频率为上限值；电压为下限值，频率为下限值；分别工作1h，若能正常工作，判定为合格。

5.4.6.3耗电功率

用电度表测量雷达正常工作时1h的用电瓦特数，测量三次取平均值，作为耗电功率的测量结果。

5.5数据与产品

检查数据是否符合风廓线雷达数据格式要求。

检查不同工作模式的高度分辨率、时间分辨率。

检查基本产品。

基本产品包括功率谱曲线图，水平风、垂直速度、Cn2、SNR和速度谱宽的时间-高度序列图。

5.6显示与控制终端

5.6.1软件基本功能

5.6.1.1软件检查

采用第三方软件测评的方法。

测试应包括文档审查、功能测试、性能测试、接口测试、人机交互界面测试和安装性测试等。

5.6.1.2软件运行环境检查

对照检查计算机的配置，并开机检验操作系统。

5.6.1.3人机界面与显示终端

终端显示检验的内容和方法如下：

a）雷达进行自动探测，检查终端界面显示的风信息；

b）检查终端界面是否显示当前工作状态和参数；

c）人为设置故障，检查是否能准确显示故障定位信息。

实际操作检查和评定。

5.6.2监控单元

控制终端检查：

在实时控制终端界面改变雷达工作参数，包括工作模式、工作频点、发射激励开关等，检查雷达能否正常工作。

自动启动功能检查：

检查是否具备，断电恢复后，自动启动功能。

检查是否具备，断电恢复后，自动恢复到断电前工作状态的功能。

报警功能检查：

对报警功能进行实际操作检查。

检查各分机性能监控、故障报警等功能。

故障定位检查：

设置多个故障点，检查是否可准确定位到现场可更换单元。

6探测性能

风廓线雷达探测性能评估包括：

探测高度统计、被试雷达自身比对、气球测风比对。

6.1探测高度统计

被试雷达连续工作时间应不少于三个月，用实际探测数据进行最大探测高度统计。

在有天气过程期间，最大探测高度应不小于雷达设计探测高度。

注：

风廓线雷达的探测高度与测量时的天气条件有关，主要取决于大气的湍流折射指数

的大小。

影响

的主要因素是大气中的水汽，当大气中的水汽含量较大时，风廓线雷达将有较高的探测高度，被测空气中的水汽较少时，探测高度较低。

试验时应合理选择天气条件。

6.2被试雷达自身比对

对五波束测量体制的被试风廓线雷达，可以用任意两个成正交的两个倾斜波束与垂直波束组成一个三波束风廓线雷达，在同一个扫描周期內（通常为2min）可以得到两个风向风速和一个垂直气流速度的值。

在实际比对时，通常用比对双方的东西、南北两个风速分量和一个垂直气流速度之间的误差分别进行统计计算，不对风向和风速进行单独的误差计算。

比对数据通常应不少于1000组，首先制作时间对应两个水平风速分量和垂直速度之间误差的分布曲线，观察两者之间的误差分布情况。

风速分量和垂直速度间的误差应分组统计，通常分0～5m/s、5m/s～10m/s、10m/s～20m/s、20m/s～30m/s和30m/s以上五组，计算各组误差的系统误差和标准偏差。

按照附录A的要求和方法进行数据处理和评定。

6.3气球测风比对

采用与高空气象探测所得空中测风向风速比对的方法进行。

作为参考标准的高空探测系统应能提供秒间隔对气球（探空仪）的定位数据，推荐采用卫星导航高空探测系统。

试验时，被试雷达应连续探测，期间施放气球并携带探空仪。

比对试验应不少于30次，以每次施放气球的开始和结束的时间为依据，采用时间同步的方法，用探空系统记录的秒间隔对应数据的时间，在被试风廓线雷达连续记录的风向风速数据。

按照附录B的要求和方法进行数据处理和评定。

7环境适应性试验

7.1气候环境

包括低温、高温、湿热、低气压、淋雨、盐雾采用自然环境试验的方法，对于全国通用的被试风廓线雷达，分别在低温区、高温区、湿热、沙漠、高原和频繁降水的地区进行实际的试验。

以评定被试雷达的气候环境适应能力。

7.2运输或行驶

对于非车载被试雷达采用车载运输方式考核，载车应为卡车，其额定载重量应大于被试品重量一倍；车载移动式雷达直接进行行驶试验，应能承受以下试验条件，并能保持其性能：

土路、碎石路车速为20km/h～30km/h；

柏油路、混凝土路车速为30km/h～40km/h；

运输或行驶（或由运输模拟器代替）的距离不小于300km，通过的土路和碎石路面占总试验里程的比例应不少于60%。

先将被试雷达进行初始检测，确定其工作正常后，车载式雷达，使其处于运输状态进行实际的行驶试验，非车载式雷达，用包装箱将各部分包装牢固，固定在汽车货箱底板上进行运输。

行驶或运输中间紧急刹车三次，试验后检查被试雷达能否正常工作。

7.3电磁兼容性

分定性检查和定量试验，定性检查的内容包括：

a）雷达工作时各部分有无相互干扰的情况；

b）雷达工作时，安装地点的设备是否会受到干扰，能否正常工作；

c）安装地点的设备工作时，被试雷达能否正常工作。

电磁兼容性的定量试验，按照GJB151B《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》的试验要求和方法进行，测量被试雷达的电磁发射和电磁敏感度参数是否符合技术指标要求。

8可靠性和维修性

8.1可靠性

首先应对试验期间雷达正常探测情况下所发生的故障进行统计，给出试验期间MTBF的观测值，对被试雷达试验期间的可靠性进行定性说明。

在需要给出被试雷达的可靠性具体参数时，按照GB5080.7的要求和方法进行可靠的验证试验。

试验所采用的使用方风险、生产方风险、鉴别比以及具体的试验方案，由被试品生产方和使用方商定并报上级主管部门批准。

推荐采用生产方和使用方风险各为20％，鉴别比为3的定时结尾试验方案，试验的总时间为规定MTBF下限值的1.46倍，拒收故障数为3。

试验期间被试雷达的总责任故障数，按照试验方案的规定进行是否合格的判定。

8.2连续工作时间

取被试雷达技术指标规定的连续工作时间，进行三次连续探测，中间断电1h，能够正常工作评定为合格。

8.3维修性

8.3.1维修性定性检查

主要包括：

——维修可达性；

——检测诊断的方便性与快速性；

——零部件的标准化和互换性；

——防差错措施与识别标记；

——工具操作空间和工作场所的维修安全性；

——对维修人员素质的要求；

——故障自动报警功能的可靠性；

——维修工具和检测仪表的适用性；

——维修手册规定作业程序的正确性；

——测试点识别标记及其方便性；

8.3.2规定操作程序的合理性和完整性

按照被试品使用说明书规定的操作步骤和方法操作，检查其规定操作程序的合理性和完整性，对被试品使用说明是否能够指导被试品操作、使用做出评价。

若需要给出维修性的具体参数，应进行维修性的定量试验，确定被试雷达的维修性技术指标MTTR是否合格，按照GJB2072的要求和方法进行，试验所采用的使用方风险、生产方风险、鉴别比以及具体的试验方案，由被试品生产方和使用方商定并报上级主管部门批准。

按照所采取试验方案的规定进行是否合格的判定。

9安全性

9.1高压警告及防护

检查雷达的发射机柜、主电源等部分是否有电气安全设置与警示。

9.2绝缘电阻

用最大量程为500V的兆欧表测量电源引入端子与机壳间的绝缘电阻。

9.3防雷措施

按照QX/T2－2016中的防雷规定检验防雷措施。

9.4安全信号联络

用实际操作的方法检查被试雷达的声、光联络、人身安全防护措施是否正常。

9.5微波辐射安全

根据GB8702第2章的要求，对雷达环境电磁场进行检查。

9.6噪声安全

用噪声测量仪器在雷达架设现场、终端操作室和油机房进行测量。

10测试结果及评定

所有测试项目中，按照本部分规定的方法进行测试，若测试结果符合技术指标要求判定为合格，否则为不合格。

被试雷达的功能和业务应用产品等检查项目，符合技术指标要求的为合格，若不符合要求，允许生产方在测试过程修改或增加，重新检查合格，也可判为合格，否则为不合格。

被试雷达自比对和与气球定位测风比对结果按照附录A中A.3和附录B中B.3的规定进行评定；

被试雷达与同类雷达测风在自然大气条件下风向风速比对结果，与探空仪的温度测量结果所得系统误差和标准偏差合成区间误差后，在进行是否合格的判定时，应考虑参考标准的误差影响。

若被试雷达与参考标准之间存在系统误差，其绝对值超过被试雷达技术指标最大允许半宽时，应查明原因，或判定为两者之间没有可比较性。

必要时，可用风向风速或温度比对的个例，制作比对曲线或多次比对的误差曲线分布图，针对某些现象和被试雷达的特性进行分析和说明。

按照《气象观测专用技术装备测试方法总则（修订）》评价原则进行是否合格的判定。

按照《气象观测专用技术装备测试方法总则（修订）》要求编写试验报告。

附录A

风廓线雷达测风自比较的数据处理和评定

（规范性附录）

A.1风速分量的计算

大气运动是随时间变化的三维矢量，每一时刻，都可分解为东西、南北和垂直方向的呈正交的

、

、

三个分量，并可满足如下关系

……………………………（A.1）

设

、

、

分别代表东西、南北和垂直方向风廓线雷达所测的气流径向速度，由公式（A.1）进一步推导可得三个矢量的计算公式：

………………………………（A.2）

三波束风廓线雷达所测两个风速分量和垂直气流速度可用公式（A.2）