《全固态Ka波段毫米波测云仪测试方法》标准全文及编制说明.docx

1、全固态Ka波段毫米波测云仪测试方法标准全文及编制说明QX全固态ka波段毫米波测云仪测试方法bo1范围本标准规定了全固态Ka波段毫米波测云仪的通用要求、测试内容、测试方法和测试规则等内容。本标准适用于多普勒、垂直向上观测的全固态Ka波段毫米波测云仪的测试和验收，扫描偏振体制毫米波测云仪可参考该标准。2规范性引用文件下列文件对于本标准的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本标准。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本标准。QX/T 8-2000 气象仪器术语QX/T 129-2011 气象数据传输文件命名GJB 151B-2013 军用设备和分系统电

2、磁发射和敏感度要求与测量GB/T 191-2008 包装贮运图示标志GJB 899A-2009 可靠性鉴定和验收试验GB 3784 电工术语 雷达 GB/T 2423.1 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验A：低温GB/T 2423.2 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验B：高温GB/T 2423.4 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Db：交变湿热GB/T 17626.2 电磁兼容试验和测量技术 静电放电抗扰度试验要求GB/T 17626.3 电磁兼容试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验GB/T 17626.4 电磁兼容试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群

3、抗扰度试验GB/T 17626.5 电磁兼容试验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰度试验GB/T 17626.6 电磁兼容试验和测量技术 射频场感应的传导骚扰抗扰度试验GB/T 21714 雷电防护GB/T 33695-2017 地面气象要素编码与数据格式3术语和定义GB 3784-1983界定的以及下列术语和定义适用于本标准。3.1全固态毫米波测云仪 The solid state millimeter-wave cloud radar 全固态毫米波测云仪是一种采用脉冲压缩技术的全固态、多普勒的新型地基遥感云观测设备，能够获取反射率因子、径向速度、速度谱宽、云顶高、云底高等云信息。 3.2动态比对

4、试验 dynamic state test在自然环境条件下，对全固态Ka波段毫米波测云仪进行试验，并评定其观测数据的完整性、准确性和可靠性等。3.3观测数据的完整性 integrity of observation data表征全固态Ka波段毫米波测云仪获取观测数据能力的参数。注1：在本标准中简称完整性，用某观测时段测云仪数据终端实际观测数据个数与应观测数据个数的百分数表示，完整性（%）=（实际观测数据个数/应观测数据个数）100%。注2：也可用缺测率表示，即用测云仪缺测数据个数与应观测数据个数的百分数表示，缺测率（%）=（缺测数据个数/应观测数据个数）100%。3.4观测数据的准确性 acc

5、uracy of observation data反映全固态Ka波段毫米波测云仪获取数据的质量。注1：在本标准中简称准确性，通常用系统误差来表征。3.5设备运行的可靠性 reliability of equipment operation全固态Ka波段毫米波测云仪在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。注：在本标准中简称可靠性。4测试仪器及环境4.1测试仪器频谱仪：用于测试发射频率和脉冲上升、下降沿等，测量范围040GHz；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0500MHz；功率计（包括探头）：用于测试发射

6、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200m；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10倍；4.2实验室测试环境气温：15 35 ；相对湿度：5% RH90% RH；气压：550 hPa1060 hPa。5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。5.1成套性检查应满足下列要求：a）技术材料至少包含产品说明书、维护与维修手册、随机清单、合格证等；b）必要的维护与维修工具和必须的消耗材料。5.2外观结构检查通过目测和手动的办法，对全固态Ka波段毫米波测云

7、仪的外观结构检查。5.2.1目测检查目测检查全固态Ka波段毫米波测云仪外观，应满足下列要求：a）表面整洁，无明显机械损伤和形变，表面涂层无起泡、开裂、脱落和损坏等现象，金属件无锈蚀；b）结构完整，各部件安装正确，无机械变形、断裂、弯曲；c）各零部件除用耐腐蚀材料制造外，其表面有涂、敷、镀等工艺措施，被涂复的零件，表面涂、敷、镀层均匀，全面覆盖。5.2.2手动检查手动检查全固态Ka波段毫米波测云仪结构，应满足下列要求：a）结构牢固，操作部分没有迟滞、卡死、松脱；b）机械结构利于装配、调试、检验、包装、运输、安装、维护等，更换部件简便易行；c）具有水平调整装置。5.3功能检查全固态Ka波段毫米波测

8、云仪功能通常包含但不限于下列项目：自标定、通信与接口、数据格式、气象产品与显示、质量控制、业务过程、状态监控、数据存储和传输、系统配置等。5.3.1自标定演示测云仪使用机内信号进行自动强度标定的功能，并在软件界面上查看标定结果。通过查看基数据中记录的强度标定值，检查标定结果是否应用到下一次观测。5.3.2通信与接口检查要求：检查接口是否包含VGA、串口、USB、光口和网口；检查方法：测云仪正常开机观测，连接串口、网口等通信端口，与数据处理和产品输出单元通信，测试对应端口是否正常；5.3.3数据格式检查要求：满足相关标准和规范要求，包括文件名称、观测数据、产品数据等。检查方法：a）文件名称：检查

9、文件命名规则是否满足相关标准和规范要求；b）观测数据：检查基数据、功率谱数据是否满足相关标准和规范要求；c）产品数据：检查观测要素文件是否满足相关标准和规范要求；d）其他数据：检查定标文件和状态文件等是否满足相关标准和规范要求。5.3.4气象产品与显示检查要求：检查测云仪气象产品是否满足相关标准和规范要求，产品是否正确显示。检查方法：a）在测云仪上位机软件上逐条演示气象产品的生成；b）逐条检查上位机软件是否具有如下功能：多窗口显示产品图像，支持鼠标联动；产品窗口显示主要观测参数信息；产品图像能缩放、移动、动画显示等；产品界面单视图、双视图、四视图、六视图显示及视图切换正常。5.3.5质量控制检

10、查要求：检查质量控制是否包含功率谱数据质量控制、基数据质量控制和产品数据质量控制等，质量控制流程是否合理。检查方法：a）提供详细的质量控制流程，检查质量控制流程是否合理；b）功率谱数据质量控制应包含噪声处理和地物杂波处理；c）基数据质量控制应包含异常回波处理（同频干扰、径向干扰、时间不连续、空间不连续等）、孤立回波处理及晴空回波处理等；d）产品数据质量控制应包含云底高、云顶高等气象极值检查。5.3.6业务过程检查要求：业务过程应包括日常维护、系统维修、故障管理和测试定标等，具有人机交互界面。检查方法：a）日常维护：维护记录、每月的维护情况和历史查询功能；b）系统维修：系统维修、更换器件记录、月

11、更换器件统计和年更换器件统计和查询功能；c）测试标定：定标情况显示和定标提示以及部分关键指标如发射功率、发射波形、动态范围等统计显示，包括极值、均值、方差和离散度等，用于对定标状态和定标结果进行分析；d）故障管理：对系统出现的故障和报警时间、报警内容、报警结束时间和故障等级等内容进行记录，并对故障进行统计，方便分析设备各分系统的故障情况。5.3.7状态监控检查要求：应具有主要部件（收发系统、信号处理系统、数据处理和产品输出单元、显示终端等）状态监控、报警、故障定位和统计等功能。检查方法：a）监控功能：在实时控制终端界面改变测云仪工作参数，包括工作模式、工作频点、发射激励开关等，检查测云仪是否具

12、有监控功能；b）报警功能：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；c）故障定位：人为设置故障点，检查是否可准确定位到现场可更换单元；d）具有故障统计查询功能。5.3.8数据存储和传输检查方法：a）支持多路存储和分类检索功能；b）数据传输采用传输控制协议/因特网互联协议（TCP/IP协议）；c）支持压缩传输和存储；d）气象产品存储支持数据文件和图像两种输出方式。5.3.9系统配置检查方法：检查系统配置是否包括用户权限管理、系统日志管理、系统风格配置等。5.4性能测试5.4.1天线和馈线 检查或测试内容：（1）天线类型；（2）天线极化方式；（3）天线口径；（4）测云仪工作频

13、率；（5）天线波束宽度；（6）天线旁瓣电平；（7）天线增益；（8）驻波比；（9）天馈线系统损耗；（10）天线罩双程损耗；（11）天线罩引入指向误差。5.4.1.1天线类型目测检查。5.4.1.2天线极化方式目测检查。5.4.1.3天线口径用直尺直接测量。5.4.1.4测云仪工作频率按下列步骤进行测试：a）按图2连接测试设备；b）开启测云仪发射机；c）使用频谱仪测量测云仪工作频率；d）关闭测云仪发射机。5.4.1.5天线波束宽度 天线测试按照图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。 测试步骤：a）使辅助天线最大辐射方向与被测天线

14、最大辐射方向对准，记录频谱分析仪接收电平；b）步进调整被测天线阵面，依次记录频谱分析仪接收电平，得到方向图；c）有不同极化方式时，重复a)-b)测试步骤。图1 典型测云仪远场测试框图数据处理：将测量结果绘制成天线辐射方向图（见图1），在最强信号（标注为0 dB）两侧分别读取功率下降3 dB点所对应的角度值（和），两者之和作为天线波束宽度。5.4.1.6天线旁瓣电平 按图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。 测试步骤：a）使辅助天线最大辐射方向与被测天线最大辐射方向对准，记录频谱分析仪接收电平；b）步进调整被测天线阵面，依次记

15、录频谱分析仪接收电平，得到方向图；c）有不同极化方式时，重复a)-b)测试步骤。图1 典型测云仪远场测试框图数据处理：将测量结果绘制成天线辐射方向图（见图1），测量主波束与第一旁瓣电平的功率差值即为天线旁瓣电平S（分贝，dB），测试结果示意图见图14，计算方法见式（11）：式中：处的电平值，单位为分贝毫瓦（dBm）；处的电平值，单位为分贝毫瓦（dBm）。5.4.1.7天线增益 按图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。 测试步骤：a）转动被测天线与辅助天线对准，极化匹配；b）辅助天线注入一功率，使用频谱分析仪测量接收功率，并记

16、为P1；c）选择一个中等增益的点源辐射天线替换待测天线；d）转动点源辐射天线与辅助天线对准，极化匹配；e）辅助天线注入相同的功率，使用频谱分析仪测量接收功率，并记为P2；f）有不同极化方式时，重复a)-e)测试步骤，得到不同极化方式的天线增益。图1 典型测云仪远场测试框图数据处理：计算天线增益G（分贝，dB），计算方法见式（11）：5.4.1.8电压驻波比测试步骤：a）按图2连接测试设备；b）根据天馈系统工作频带设置矢量网络分析仪的测试频带，参数形式设置为电压驻波比；c）将开路器、短路器、负载分别接入矢量网络分析仪的端口1，按仪器提示进行校准操作；d）将被测天馈系统接入矢量网络分析仪的端口1进

17、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。图2 电压驻波比测试框图5.4.1.9天馈线系统损耗测试步骤：a）按图2连接测试设备；b）根据天馈系统工作频带设置矢量网络分析仪的测试频带；c）将开路器、短路器、负载分别接入矢量网络分析仪的端口1，按仪器提示进行校准操作；d）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，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。图3 天馈线系统损耗测试框图5.4.1.10天线罩双程损耗测试步骤：a）按图2连接测试设备，不安装天线罩；b）使辅助天线最大辐射方向与被测天线最大辐射方

18、向对准，记录频谱分析仪接收电平，记为P1；c）安装待测天线罩；d）记录频谱分析仪接收电平，记为P2e）有不同极化方式时，重复a)-d)测试步骤。图1 典型测云仪远场测试框图数据处理：计算天线罩的双程损耗L（分贝，dB），计算方法见式（11）：5.4.1.11天线罩引入指向误差测试步骤：a）按图2连接测试设备，不安装天线罩；b）使辅助天线最大辐射方向与被测天线最大辐射方向对准；c）记录定位控制和姿态显示装置的方位角和俯仰角,分别记为和；d）安装待测天线罩；e）重复步骤b);f）记录定位控制和姿态显示装置的方位角和俯仰，分别记为和。图1 典型测云仪远场测试框图数据处理：计算天线罩引入指向误差（度，

19、），计算方法见式（11）：5.4.2发射系统测试内容包括：（1）发射机峰值功率；（2）发射机脉冲宽度；（3）发射机频谱特性；（4）发射机极限改善因子；（5）发射机功率稳定度。5.4.2.1发射机峰值功率测试步骤：a）按图4连接测试设备；b）测云仪加电，设置发射机脉冲宽度，在测试软件上读取并记录发射机脉冲峰值功率；c）有不同脉冲宽度时，重复b)测试步骤。数据处理：有多个脉冲宽度时，发射机脉冲功率取平均值。5.4.2.2发射机脉冲宽度测试步骤：a）按图4连接测试设备；b）测云仪加电，设置发射机脉冲宽度，用示波器得到脉冲包络图；c）有不同脉冲宽度时，重复b)测试步骤。数据处理：发射机脉冲宽度为脉冲包

20、络幅度下降到70.7%处宽度值。图5 射频脉冲包络示意图5.4.2.3发射机频谱特性测试步骤：a）按图4连接测试设备；b）测云仪加电，设置发射机脉冲宽度；c）使用频谱分析仪测量发射机脉冲中心频率；d）使用频谱分析仪记录低于中心频率-10dBc、-20dBc、-30dBc、-35dBc、-40dBc处频率值e）计算出发射信号的频谱宽度，并附脉冲频谱图。图6 射频脉冲频谱示意图5.4.2.4发射机极限改善因子测试步骤：a）按图4连接测试设备；b）测云仪加电，设置发射机脉冲宽度和重复频率；c）使用频谱分析仪测量发射机输出主信号与噪声的信噪比。数据处理：计算发射机极限改善因子I（分贝，dB），计算方法

21、见式（11）：I式中：S/N发射机输出信号信噪比（dB）；B频谱分析仪设置的分析带宽（Hz）；PRF为发射信号的脉冲重复频率（Hz）。5.4.2.5发射机功率稳定度测试步骤：a）按图4连接测试设备；b）测云仪加电，正常模式连续运行24 h；c）使用功率计每30 min 测量并记录发射机输出功率；d）每30 min 读取并记录机内测量的发射机输出功率。数据处理：发射机功率稳定度（分贝，dB）为输出功率的方差。5.4.3接收系统测试内容包括：（1）接收机增益；（2）接收机噪声系数；（3）接收机线性动态范围。5.4.3.1接收机增益测试步骤：a）按图4连接测试设备；b）将信号源频率设置在被测接收机的

22、工作频带内，调节信号源输出功率，确保被测接收机工作在线性区，记录为；c）使用频谱分析仪测量接收机中频输出，读出此时频谱分析仪功率，记录为。图7 接收机增益测试框图数据处理：计算接收机增益G（分贝，dB），计算方法见式（11）：5.4.3.2接收机噪声系数测试步骤：a）按图4连接测试设备；b）设置噪声系数分析仪，关闭噪声源输出；c）启动测云仪，记录冷态噪声功率A1；d）设置噪声系数分析仪，打开噪声源输出；e）记录热态噪声功率A2。数据处理：计算接收机噪声系数（分贝，dB），计算方法见式（11）：式中：噪声源的超噪比，单位为分贝（dB）；冷态噪声功率，单位为毫瓦（mW）；热态噪声功率，单位为毫瓦（

23、mW）。5.4.3.3接收机线性动态范围测试步骤：a）按图4连接测试设备；b）采用机外信号源，在接收机输入端连接信号源，在接收机终端连接频谱分析仪，设置信号源频率为测云仪工作频率，设置频谱分析仪频率为接收机中频频率；c）设置信号源功率小于最小可检测信号功率，逐渐增大输入端的信号功率，直至接收机饱和，并在系统终端的频谱分析仪依次记录功率值；d）根据记录的输入-输出功率，绘制动态范围曲线，并对动态范围曲线进行最小二乘法进行拟合。图9 接收机动态范围测试框图数据处理：由实测曲线与拟合直线对应点的数据差值1.0dB来确定低端下拐点和高端上拐点，下拐点对应的功率值记为Prmin，上拐点对应的功率值记为P

24、rmax，接收机线性动态范围计算方法见式（11）：D=Prmax-Prmin。5.4.4整机系统测试内容包括：（1）系统最小可测信号功率；（2）系统相干性；（3）机内强度定标。5.4.4.1系统最小可测信号功率测试步骤：a）按图4连接测试设备；b）将信号源设置为连续波输出状态，调整频率使之在测云仪终端谱显示时不折叠；c）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。图10 系统灵敏度测试框图数据处理：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。5.4.4.2系统相干性测试步骤：测试连接如图11所示，将发射机输出信号经定向

25、耦合器、衰减器后送入接收机，经下变频变为中频信号，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。取不少于10组的相角计算标准差（相位噪声）作为系统相干性的度量。图11 系统相干性测试框图5.4.4.3强度定标测试方案：（1）分别用机外信号源和机内信号源输入（输入信号保证在接收系统线性动态范围内），在测云仪终端读取其回波强度的测量值，并统计差值；机外信号从接收机前端输入，输入功率值换算到机内信号输入点的功率值。 (2)按照雷达气象方程计算10km处最小可测信号功率（回波功率取上述测量得到的系统最小可测信号功率，相态参数取，填充因子，忽略大气衰减）

26、。10km处最小可测信号功率值要求达到-30dBZ。注：相态参数，水云，冰云。雷达气象方程： 其中，Z是反射率因子、是波长、是发射功率、为脉冲宽度、G是天线增益、和是波束宽度、是接收功率、R是探测距离、是系统总损耗、大气衰减。单位选择如下：波长（cm） G：天线增益（dB） ：发射脉冲功率（W） ：脉宽（s） ：水平波束宽度() ：垂直波束宽度() ：系统总损耗(dB) ：大气损耗（双程） ：输入信号功率（dBm） R：距离（km） 5.5动态比对试验测云仪应在至少2个不同气候特点的区域进行测试，每个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。外场试验站点应选择在具有L波段业务

27、探空的气象观测站进行，配备全天空成像仪等辅助设备进行数据分析。外场试验内容包括：（1）数据完整性；（2）数据准确性；（3）设备可靠性。5.5.1数据完整性去除由于外界干扰（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。5.5.2数据准确性以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。5.5.2.1标准云高计算方法依托探空廓线计算标准云高需满足以下条件：（1）不同温度下相对湿度的合理计算，当气温低于0时，按照冰面饱和水汽压计算相对湿度；（2）云层中相对湿度大于相关阈值，阈值根据实际情况进行设定；（3）相对湿度在云底和云顶

28、有明显跳变。标准云高样本选取需满足以下条件：（1）探空廓线识别有多层云时，选取明显入云点和出云点作为单独参考标准云高样本；（2）结合全天空成像仪等设备对标准云高样本进行质量控制，以去除雾、降水等无效数据。图12 依托探空廓线识别云体样例5.5.2.2测云仪云高样本选取方法为使标准云高与测云仪观测云高具有可比性，测云仪云高样本选取遵循以下原则：（1）放球时刻前10分钟测云仪观测云高数据取平均作为测云仪此时刻云高样本；（2）若测云仪10分钟内有部分观测为天顶无云，则计算均值时应剔除无云数据；（3）若测云仪10分钟内无云记录大于4次，则判定该样本为无效样本。5.5.2.3云高样本统计分析方法用探空获

29、取的参考标准云高与测云仪观测数据组成样本对，对测云仪进行准确性评估，分别计算两者之间的系统偏差。-测云仪第i个样本观测值, -标准云高第i个样本观测值，-样本对个数。5.5.3设备可靠性按照GJB 899A-2009表A.6标准型定时试验统计方案简表和表A.7高风险定时试验统计方案简表，参试设备可靠性试验按步骤（1）进行，当试验期间设备出现故障，不能满足步骤（1）时，自动转入步骤（2）执行。（1）采用生产方和使用方风险各为30，鉴别比为3.0的高风险定时试验统计方案，试验的总时间为规定MTBF下限值的1.1倍，拒收故障数为1。测云仪试验总时间T为：T=1.12000h=2200h。若有2套测云

30、仪参加测试，每套平均试验时间为：T=2200h/2=1100h=46d1.5个月。即2套测云仪可靠性试验需要46d（约1.5个月），期间不可出现故障。（2）采用生产方和使用方风险各为20，鉴别比为3.0的标准型定时试验统计方案，试验的总时间为规定MTBF下限值的4.3倍，拒收故障数为3。测云仪试验总时间T为：T=4.32000h=8600h。若有2套测云仪参加测试，每套平均试验T为：T=8600h/2=4300h=180d6个月。即2套测云仪可靠性试验需要180d（约6个月），期间可以出现2次故障。外场试验期间，统计故障记录时，应区别责任故障和非责任故障，只有责任故障参与统计。测云仪发生故障时，记录故障修复所需时间，统计平均维修时间（MTTR）。出现一次故障记录一次，重复故障确认修复并经验证后只记录一次。5.6环境适应性测试5.6.1气候环