《全固态Ka波段毫米波测云仪测试方法》编制说明

气象行业标准《全固态 Ka波段毫米波测云仪测试方法》编制说明一、工作简况任务来源本标准由全国气象仪器与观测方法标准化技术委员会 （SAC/TC507）提出并归口。2019年2月26日，中国气象局政策法规司下发《关于下达2016年气象观测装备相关标准制定计划的通知》（气法函〔2016〕3号），《全固态ka波段毫米波测云仪测试方法》（以下简称：《测试方法》）项目列入中国气象局2019年度气象行业标准项目计划，项目编号：QX/T-2019-72。本标准起草工作由中国气象局气象探测中心（以下简称：探测中心）承担。协作单位西安华腾微波有限责任公司（以下简称：华腾公司）。主要工作过程2018年3月，探测中心针对全固态 ka波段毫米波测云仪的技术现状和发展趋势，调研国内相关生产企业，查阅相关的国家标准、行业标准和气象部门业务文件，明确了全固态ka波段毫米波测云仪的主要技术指标，测试项目及主流测试方法。2018年4月-8月，探测中心根据前期调研结果，编制《测试方法（初稿）》，并向中电锦江、敏视达、西安华腾、恩瑞特、智鸿达电子、四创电子、航天科工 23所等相关企业征求意见，并邀请各生产和研发企业在北京召开 2次技术研讨会，广泛征求意见。2018年11月13日，探测中心将编写完善的《测试方法（咨询稿）》，在北京组织召开专家咨询会，进一步对标准进行现场咨询。2019年1月，根据中国气象局政策法规司《关于征集气象观测装备标准项目承担单位的通知》（气法函〔 2015〕38号），探测中心牵头组织相关协作单位，组建了起草组，进行了任务分工，撰写了申报材料，申报了《测试方法》行业标准起草项目。2019年2月，根据中国气象局政策法规司《关于下达 2016年气象观测装备相关标准制定计划的通知》（气法函〔 2016〕3号），探测中心联系协作单位，成立标准编制项目组，启动本标准的编制工作。2019年5月编制小组在北京召开研讨会，确定了编制大纲，明确了人员分工、编制进度和沟通协调机制。2019年5月-6月，编写组对编制过程中遇到的具体技术问题在华腾公司进行现场测试，对《测试方法》的可行性进行现场验证，对测试方法进一步修改完善。2019年9月，经多次讨论后，对测试方法进一步完善，根据《关于山洪标准化建设项目中期检查活动的通知》（气仪标委函〔 2019〕36号），对《测试方法》进行中期汇报，并针对意见进行修改，并形成《测试方法（征求意见稿）》。2019年9月至12月，将《测试方法（征求意见稿）》公布征求意见，共发出40份，截止到2019年12月底，共收到回函30份，项目组开始梳理专家意见并修订标准，形成《测试方法（送审稿）》。标准主要起草人及其所做的工作陶法，中国气象局气象探测中心，高工，本标准的项目负责人，负责标准的总体设计、起草、修订和征求意见的技术指导等工作。胡树贞，中国气象局气象探测中心，工程师，负责标准的申报、起草、修订及实际测试验证等组织工作。何平，中国气象局气象探测中心，正研级高工，参与该标准的技术检验指导、技术性能测试部分编写。张雪芬，中国气象局气象探测中心，正研级高工，主要负责标准起草前期的方案制定、主要部分章节的技术把关和修订等工作。陈岩，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、负责环境适应性、电磁兼容性测试方法的制订及修订工作。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。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天线和馈线天线增益≥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°最窄脉冲宽度≤1μs发射峰值功率≥10W发射系统发射功率稳定度±0.5dBm频谱宽度≤20MHz极限改善因子≥25dB接收机增益≥30dB（不含AGC）接收系统接收机噪声系数≤6dB接收系统线性动态范围≥80dB系统最小可测信号功率≤-110dBm≤-30dBZ（10km高度，不计大气衰减）整机系统系统相干性≤0.4°机内强度自标定精度≤1dBZ远程监控功能远程监控：具有对开/关机、参数设置、运行状态、错误故主要功能障的远程监控；自定标功能自定标：主要实现对强度的自定标；数据获取率缺测率≤2%数据数据可比较性云底高：云高＜1km时，±100m；云高≥1km时，±10%；云顶高：云高＜1km时，±100m；云高≥1km时，±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；三、

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；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。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；（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。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。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）。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×24小时×60分×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1HT101-1502007≤21900800102410.5合格2HT101-17070224060800292080.7合格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准确性指标观测要素云高＜1km 云高≥1km云底高±100m±10%云顶高±100m±10%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-