新一代天气雷达系统功能规格需求书C波段.docx

1、新一代天气雷达系统功能规格需求书C波段新一代天气雷达系统功能规格需求书（C波段）中国气象局二一o年八月修订说明为指导和规范新一代天气雷达建设和技术升级工作，统一组网 新一代天气雷达技术状态，进一步提高雷达系统运行保障能力，更 好地满足气象业务应用和发展需求，根据天气雷达技术发展状况， 中国气象局组织对 1997 年发布的新一代天气雷达系统功能规格需 求书进行了修订完善。主要修订了新一代天气雷达系统的部分性能参数，增加了雷达 保障和培训方面的内容，同时对雷达的自动在线标定、易维护性、 保障维护时效、故障定位诊断、随机文件和仪表、机内状态监控、 厂家的保障培训职责等提出了明确要求。修订工作由中国气

2、象局综合观测司组织，中国气象局气象探测 中心牵头承担，高玉春、潘新民、黄晓、柴秀梅、陈大任、周红 根、高克伟、陈玉宝、蒋小平、徐俊领、雷茂生等同志参加了修 订，张培昌、葛润生、张沛源、王顺生、李柏、李建明、苏德斌、 李建国、张建云、蒋斌、陈晓辉、陆建兵等专家进行了指导。1.前言2.新一代天气雷达（ C 波段）系统总体性能规格需求3.雷达子系统功能规格需求4.雷达信号处理机功能规格需求5.数据处理与显示子系统功能规格需求6.雷达输出产品功能规格需求7.系统检测、标校功能规格需求8.系统与外部通信联接的性能规格需求9.保障性需求10.培训需求11.系统性能评估1 前言1.1 气象事业发展纲要（ 1

3、9912020 年）明确指出，“2000年前将大力发展 新一代天气雷达，加速多普勒天气雷达软硬件和应用技术的研究，建立新一代 天气雷达的业务试验基地； 2020 年前将进一步加强新一代天气雷达、多参数天 气雷达和激光雷达等的研制，发展具有通信功能的气象卫星、新一代天气雷达 及其他地基遥测遥感手段，进一步发展、完善中尺度气象监测网和气候监测 网”。发展新一代天气雷达，并投入气象业务使用，是气象事业发展的需要。1.2我国新一代天气雷达发展规划（ 19942010）明确指出，“新一代天气 雷达应该是一个能够定量估算回波强度、径向速度、谱宽和降水物相态等信息 的全相干系统。主要选用 S和C两种波段，选

4、取全相干体制。新一代天气雷达 的主要定量探测和测量对象，包括降水、热带气旋、雷暴、中尺度气旋、湍 流、龙卷、冰雹、冻雨、冻结层、融化层等，并具备一定的晴空回波的探测能 力”。1.3按照新一代天气雷达建设增补站点布局方案对建立培训、研发和保障 体系的要求，根据气象事业发展纲要 （19912020年）、我国新一代天气雷 达发展规划、新一代天气雷达建设增补站点布局方案，对中国新一代天气 雷达（CINRAD）性能要求进行了修订，它对新一代天气雷达系统基本结构、各 子系统的性能等提出了要求。1.4为保证新一代天气雷达性能进一步满足气象业务发展的需要，更好地在灾 害性天气监测、预警中发挥作用，修订了新一代

5、天气雷达系统功能规格需求 书。修订后的新一代天气雷达系统功能规格需求书分 S波段、C波段两 种，分别作为S波段和C波段新一代天气雷达系统设计生产、考核、验收的基 本依据。2 新一代天气雷达（ C 波段）系统总体性能规格需求2.1对台风、暴雨、飑线、冰雹、龙卷等灾害性天气的有效监测和预警是新一 代天气雷达系统的重要任务。上述灾害性天气的空间尺度分布跨度较大，从台 风的几百千米到龙卷的几百米，这就要求新一代天气雷达系统对不同尺度天气 进行有效监测的距离范围应有一定差异，对台风、暴雨等大范围强降水天气的 监测距离应不小于 400 千米，而对雹云、龙卷气旋等小尺度强天气现象的有效 监测和识别的距离应不

6、小于 150 千米。受降水对电磁波衰减的影响和制约，新 一代天气雷达监测的重点是中小尺度灾害性天气，针对灾害性天气有效监测的 需求，新一代天气雷达系统的总体性能应具有足够强的探测能力。新一代天气 雷达系统的探测能力由发射功率、天线增益、接收机灵敏度等雷达参数综合确 定，新一代天气雷达在200千米处的最小反射率因子应不大于 7dB Z。应具有良 好的角分辨力和距离分辨力，可以在距离雷达 150千米处识别雹云中尺度为 23千米的核区，或判别尺度为 10千米左右的龙卷气旋。同时该系统运行中 应具有低脉冲重复频率的远距离监测模式，避免在监测中出现二次回波现象， 干扰对强天气的监测。2.2定量测量大范围

7、降水是新一代天气雷达系统的主要功能之一，该系统结合 少量地面雨量站网，应能对 200千米半径范围内的降水量分布和区域降水量进 行较准确的估测，在水文和防汛抗洪中发挥重大作用。为适应这一气象业务需 求，新一代天气雷达系统应具有相当稳定的发射、接收系统，接收机应具有 95dB 左右的宽动态范围，适应对降水回波功率进行较准确的测量。新一代天气 雷达系统还应具有对雷达主要性能参数进行监测和标校的装置，具有优良的地 物消除处理装置，对降水回波强度实现精确估测，具有较强的数据处理能力， 及时对回波数据处理，提供大范围的降水量分布。2.3强天气造成的灾害中有相当大一部分是风害，新一代天气雷达系统采用相 干发

8、射、接收体制，具有获取降水区中风场信息的能力，监测恶劣天气带来的 风害也是对新一代天气雷达系统的主要业务需求之一。新一代天气雷达系统对 降水区内风场信息的获取距离应不小于 200千米，对造成风害的强天气监测和 识别的距离应不小于 150千米。新一代天气雷达系统应具有频率稳定度相当高 的相干发射、接收机和精度较高的多普勒信号处理器及高速的数据处理能力，可以准实时地提供较准确的径向速度分布数据，尽早识别台风、飑线、龙卷、 下击暴流等造成风害的灾害性天气。新一代天气雷达系统应开发对以上灾害性 天气的自动识别功能，并将径向速度分布反演为较直观的二维或三维风场分布 图像提供给用户使用。考虑到灾害性天气带

9、来的风速常超过 30米/秒，要求新一代天气雷达系统对径向风速测量的范围应不小于 _36 米/秒。受脉冲重复频率的限制，新一代天气雷达系统需采用速度退模糊技术，扩大对径向风速测量不 模糊的区间，以满足上述测距和测速区间的要求。由于新一代天气雷达系统的 探测能力强，在监测远距离目标强度信息时，可采用低脉冲重复频率的探测模 式，减少二次回波出现的机率；在测量风场分布时，须选用较高脉冲重复频 率，减少速度模糊现象，但这时会出现二次回波的干扰，应当采用新技术消除 径向速度分布中出现的二次回波干扰。新一代天气雷达系统应充分注意选择合 适的脉冲重复频率及速度退模糊方法，以满足测距范围和测速区间的双重要 求。

10、2.4强天气出现前对环境风场的监测有助于对强天气发生、发展的预测。新一 代天气雷达应具有一定的晴空探测能力，获取风暴前环境风场的信息，经过处 理得出晴空时边界层风场结构和中低高度的垂直风廓线，预测未来天气的演 变。折射指数涨落对电磁波的衍射形成了晴空回波，夏季湿润季节强天气临近 时，晴空回波信号增强很多，可以从其返回信号中获取风场信息。新一代天气 雷达系统在湿润季节特别是风暴临近时，用低仰角扫描应能探测到超过 80千米距离范围的晴空回波，获取环境风场分布信息。进行 VAD观测时应能获取高达34千米的垂直风廓线结构。新一代天气雷达系统需要有强的探测能力，稳 定度很高的相干系统和优良的多普勒信号处

11、理器，以满足这一要求。2.5新一代天气雷达系统应是功能强的智能型多普勒天气雷达系统，系统除应 实时地提供各类降水天气的回波图像分布信息外，还应具备准实时地对各类灾 害性天气进行自动识别、追踪的能力，对冰雹、龙卷气旋、飑线、强风切变、 下击暴流等恶劣天气提供多种监测、预警产品。新一代天气雷达系统除应具有 较强的数据处理能力外，还应具备丰富的应用软件支撑，所提供的智能型应用 软件应适合国内天气特点，并应具有开放型的结构，用户可根据当地强天气的 特点对软件做适当修改，使其产品能符合当地使用。新一代天气雷达系统的软 件结构应具有可升级和可开发能力，可以根据软硬件发展而升级或不断地充实 和接纳最新的科研

12、成果，以完善其功能。2.6新一代天气雷达系统是气象业务布网使用的设备，应具有较高的可靠性、 稳定性、可维护性和全天候的连续工作能力。特别是在恶劣天气环境下要保证 工作，提供灾害性天气的信息。新一代天气雷达系统的设计中，要根据国内环 境、供电和安装等具体条件，严格地制定各项技术要求。新一代天气雷达系统 的分机、整机在组装过程中要严格进行各项参数性能指标测试和各种例行试 验，严格执行出厂验收、现场验收、业务验收等各项程序，保证新一代天气雷 达系统顺利地投入业务使用。2.7新一代天气雷达系统是气象业务运行的重要设备之一，在新一代天气雷达 系统的设计中必须充分注意到与气象业务运行的其他设备系统的协调，

13、在计算 机硬件设备、软件系统、及各种图形图像产品规格规范上取得协调和衔接。尤 其是在监测的气象产品通信、传输上充分应用其他气象业务系统的功能。2.8新一代天气雷达系统是 21 世纪初期气象部门天气雷达站网的主要设备，在 充分引用国外先进技术的同时，应充分注意到元器件的国产化，要按照国家现 行标准来购置系统所需的元器件。专用件自行制作时也要按照国内有关标准， 保证新一代天气雷达系统元器件的供给，尤其是主要消耗性器件要国产化，确 保新一代天气雷达系统在气象业务中长期地使用。2.9新一代天气雷达系统主要由雷达发射机、接收机、伺服系统、信号处理 器、数据处理与显示等子系统组成，各子系统之间有机的联系构

14、成一整体。新 一代天气雷达系统应具有自检、标校能力，及运行监测、故障告警和自保的能 力。2.10新一代天气雷达可采用由单部雷达、多部雷达及全国雷达组网进行观测的 工作方式，提供的雷达产品不仅是单部雷达的产品，还包括多部和全部雷达产 品组网生成的产品，因此必须保障全网运行雷达的数据质量，做好全网雷达的 统一标校工作，包括时间、回波强度、定位指向等。3雷达子系统功能规格需求3.1新一代天气雷达系统应为全相干体制的天气雷达系统，其子系统包含天 线、天线罩、伺服装置、相干发射/接收机等分机。雷达发射机应采用全固态调 制速调管放大链方式，发射功率应不小于 250kw，具有两种发射脉冲宽度，以使雷达具有较

15、高的距离分辨力和较强的探测能力。雷达脉冲发射重复频率可采 用参差重复频率发射方式，以扩大测速不模糊区间。雷达接收机采用中频数字 化技术，以提高系统的稳定性。雷达天线采用旋转抛物面的反射体和中心馈电 方式，具有高增益、低旁瓣的主波束，波束宽度不大于 1。天线罩采用刚性结构，具有良好的防水、防风、抗腐蚀的能力和对电磁波低损耗的性能。天线 伺服装置宜采用可编程全数字化闭环控制形式，具有操作员优先权控制和维护 状态时手动控制功能；并具有参数测量和故障自检、自保装置，提供对系统的 自检、保护和标校。3.2雷达子系统总体性能要求3.2.1雷达监测的空间范围强度监测距离_400km强度测量距离_200km速

16、度监测距离-200km速度测量距离-150km方位角扫描范围0 360仰角扫描范围-2 +90322雷达测量性能分辨力和精度:内容分辨力精 度*距离_ 150m50m方位角0.1o0.2仰角0.10.2测高100m200m(100km)300m(100 200km)*精度用均方误差表示。参数测量范围、分辨力和精度:*精度用均方误差表示。323综合雷达的各项参数，在200千米处雷达探测的最小反射率因子应不大于7dBZ 03.2.4为适应雷达测速不模糊区间（_Vn ）为_ 36米/秒、测速距离为200千米 的需求，雷达应采用参差重复频率发射方式，来扩大测速不模糊区间，其参差 重复频率的比值应不大于

17、3/4,尽量减少误差。3.2.5为保证新一代天气雷达系统的地物对消能力达到 46dB以上，除了要求雷达信号处理器中采用高阶的滤波器外，雷达整机的相位稳定度（用相位噪声衡 量）应不大于0.3。3.2.6雷达系统可采用相位编码等技术，以消除二次回波，提高雷达的数据质 量。3.2.7雷达系统的工作频率为53005500MHz,具体频点与当地无线电管理机 构协商。3.3雷达各分机性能指标3.3.1天线罩3.3.3天线伺服装置天线扫描方式PPI、RHI、体扫、任意指向PPI 0360连续扫描，速度为036o/s可调天线扫描范围、速度RHI -230往返扫描，速度为012/s可调 体积扫描 由一组PPI扫

18、描构成，最多可到30个PPI，仰角可预置a预置全自动天线控制方式b、人工干预自动C、本地手动控制天线定位精度方位、仰角均应乞0.2天线控制精度方位、仰角均应乞0.1 天线控制字长角码数据字长-14位-14位3.4雷达整机应能全天24小时不间断地连续工作。系统的平均无故障工作时间（MTBF ）应不小于600小时，平均故障修复时间（MTTR ）应不大于0.5小 时。具体连续工作时间见新一代天气雷达观测及维护的相关规定。3.5雷达工作环境要求雷达工作环境要求按现行国家标准执行。雷达各分机进行例行环境实验时其温度、湿度要求如下：高温低温湿度室外装置+50 C-40C95 98%（30C 时）室内装置+

19、40 C0C90 96%（30C 时）计算机终端设备+30 C+10C80%雷达系统在海拔3000米以下的高度上应能正常工作。雷达系统应尽量使用市电工作，电源电压三相 380V （或单相220V）,在电 源电压变化_10%，频率变化_ 5%的情况下，雷达能正常工作。雷达设备应具有防水、防霉、防盐雾、防风沙的性能，适应在海拔 3000米下的咼山以及沿海地区和岛屿工作。雷达系统应具有较强的防雷击能力，天线罩设有避雷器，保护系统安全， 应符合新一代天气雷达防雷规范。雷达系统应具有市电滤波和防电磁干扰、无线电频率干扰的能力，符合电 磁容性（EMC），电磁干扰（EMI），无线电频率干扰（RFI）的国际标

20、准。4雷达信号处理机功能规格需求4.1新一代天气雷达系统的信号处理器应是高集成芯片的智能型信号处理器。它接收到雷达子系统输出的 I、Q信号后，进行脉冲对处理（PPP）和傅里叶谱分 析（FFT），再将得到的回波功率进行距离订正后得到回波强度（ Z）、平均径向速度（V）、速度谱宽（W）的估算值。同时信号处理器也向雷达子系统提供时钟信 号，同步整个系统的运行，并向数据处理与显示子系统提供数字化的方位角、 仰角、Z、V、W数据和时钟数据。信号处理系统应按照要求，可输出 PPP处理方式的数据和FFT处理的数据。具有相位编码和解码处理能力。4.2雷达信号处理器输出的Z、V、W应具有较好的空间分辨力和较高的

21、精度库长库数探测距离logZ125m、150m对应最大距离3600 3000450kmI125m、150m对应最大探测距离2000、1700250kmQ125m、150m对应最大探测距离2000、1700250km4.3信号处理器对信号强度的估算，距离上采用分库累积平均，每E个距离库进行4次以上的取样信号累加，方位角上采用滑动累积平均，综合距离平均和方位角平均，其有效平均次数超过 32 次，对信号强度的估算精度不低于 1dB， 当天线扫描速度不大于 3 周/分时，数据分辨率不低于 1 度。信号处理应具有距 离订正和标校功能。信号强度估算值经过处理后，输出数字化的回波强度估算 值(dBZ)或数字

22、化的信号强度估算值(dBm)。4.4信号处理器对径向速度、速度谱宽的估算采用脉冲对处理算法，对数字化的I、Q信号，首先分别在距离库内进行算术平均，平均次数不小于 4次，以减少涨落，然后对相同距离上距离库平均的I、Q数据进行处理，处理脉冲对数应 不小于 32对，以保证真实谱宽为 4米/秒的情况下估算径向速度不低于 1米/ 秒。当天线扫描速度不大于 3周/分时， V 数据分辨率不低于 1度。4.5信号处理器对径向速度、速度谱宽的估算应具有适应参差重复频率发射时 进行处理的能力。4.6信号处理器对I、Q信号的处理，应具有全程进行快速傅里叶变换(FFT)处理能力，产生强度、速度和谱宽数据，并能对整个系

23、统相干情况、地物对消能 力进行检测。4.7 信号处理器应具有对回波信号中地物杂波进行对消处理的能力，地物对消 处理的方式可以在时域中进行，也可在频域中进行。信号处理器对地物对消的 能力应达到46dB以上，对消处理在Z、V、W估算之前进行，带阻槽口半宽度 为00.2VN，槽口功率抑制深度3050dB，分46级可选。5数据处理与显示子系统功能规格需求5.1数据处理与显示子系统是新一代天气雷达系统直接面向用户的窗口，它承 担了对雷达获取的 Z、 V、 W 数据进行实时显示、数据质量控制及数据预处 理、二次产品生成和显示及原始数据、产品数据存储等功能。同时，还承担了 对整个雷达系统工作参数的预置、观测

24、方式选择等功能。为实现以上功能，数 据处理与显示子系统可由商用工作站与微机构成的局域网承担，也可由高档微机组成的局域网承担，大体可由产品生成、服务器、显示终端、用户终端等几部分组成，局域网应当和现代业务网络相联接。5.2数据处理与显示子系统应具有对新一代天气雷达系统工作参数预置功能， 控制雷达的工作状态、扫描方式、信号处理流程、产品生成的种类及数据存档 方式等，它应设置的工作参数大体如下：脉冲重复频率、参差重复频率、脉冲 宽度、天线扫描速率、库长、累积次数、地物抑制通道选择、噪声电平、 SQI阈值、扫描方式（PPI、RHI、立体扫描等）。5.3新一代天气雷达系统的探测方式应由数据处理与显示子系

25、统进行选择和控 制，进行PPI扫描探测时，可进行探测仰角及显示距离范围的选择；进行 RHI 探测时，则可选择探测的方位角，显示距离和高度范围；进行体积扫描时，可 选择合适的扫描模式（如晴空、大面积降水、对流性降水等）。除系统本身带有 缺省的扫描模式外，应当设立至少两种用户可定义的扫描模式。扫描的仰角设 定最大为30个，仰角的范围为-0.5 90。5.4数据处理与显示子系统的主要功能之一是对雷达探测的原始数据进行采 集，形成原始数据文件，同时实时显示回波图像，提供给观测人员分析使用和 对系统的工作状态进行监测。5.4.1数据处理与显示子系统对雷达原始数据以极坐标的形式从雷达信号处理器 中进行实时

26、采集，包括强度、径向速度、速度谱宽、仰角、方位、时间以及各 种参数数据。强度数据应经过噪声阈值、距离订正、标校等处理，以回波强度（dBZ）数据存档，数据分辨力应不大于 0.5dBZ，径向速度数据需经过SQI控 制、退模糊、去二次回波等预处理后存档，数据取值的最大范围应与 _Vn值相一致，速度谱宽数据的最大取值范围应与 _ 值相一致。1 Vn25.4.2原始数据应有四种类型，单强度 PPI、三要素PPI、三要素RHI、体积扫描。不同类型原始数据的文件名，应由文件命名格式中的最后一个字符区别。原始数据文件格式应由文件头和记录组成，文件头中应包括雷达站名称、代 码、地点、经纬度、海拔高度、开始观测时

27、间及雷达各项参数；记录头中应包 括时间、仰角和方位角；记录的数据应按距离库的顺序依次排列。每一个库中 的数据应包括强度、速度、谱宽等参数，同时应当有雷达数据观测时的系统状 态参数和标定的结果。5.4.3 实时显示应以极坐标方式进行，显示与天线转动同步。显示方式有两种，PPI和RHI。进行三要素观测时，应同时显示强度、径向速度、速度谱宽的分 布图像。以伪彩色编码方式表示强度、速度、谱宽的大小，回波强度应采用 16 种彩色和色调表示，径向速度显示则应用 15种彩色和色调，其中要设一种彩色 表示零速度区，朝向雷达、离开雷达各用 7种等级。速度谱宽显示可采用 12个 等级编码，也可采用 16 个等级编

28、码。5.5经过质量控制和预处理后的原始数据，按照产品设计需求经过处理形成多 种二次产品，提供给各类用户调用，是对数据处理与显示子系统的主要功能要 求。在雷达数据处理部分，从信号处理器输出后形成的原始数据，应采取径向 数据流传输方式，向第三方编制的应用程序发送数据，其中含有状态信息和标 定结果，便于快速的产品处理，提高产品显示的时效。5.5.1二次产品按数据形式来划分可分为数据产品和图像产品两类。数据产品以 数据方式存储和传输，根据产品的性质选择数据排列方式和数据格式。图像产 品以图像形式存储和传输，可使用通用图像数据排列方式和格式。5.5.2二次产品的生成应有两种工作方式，全自动方式和人机交互

29、方式。全自动 方式时，数据处理与显示子系统根据观测流程和产品生成表，自动生成所有基 本产品和选项产品，生成图像产品文件和数据产品文件并存档，同时按产品分 发表向用户传输。人机交互方式时，由用户查阅所有原始数据文件、产品数据 文件和图像数据文件，选择调用。5.5.3二次产品的显示应建立在 Windows、 Linux 操作平台上，其数据产品和图 像产品的显示规范应符合有关规定。5.5.4新一代天气雷达系统的原始数据和数据产品、图像产品将以文件的形式进 行存储，原始数据文件的数据格式参见 5.4.2。数据产品和图像产品的文件格式 可自行设计，但其显示应适应气象业务平台的规范要求。5.6数据处理与显

30、示子系统的硬件结构应具有灵活性，可由一台或多台计算机完成，也可根据任务和其它原因选择。单机结构对计算机的要求较高，所用计算机应采用国内较通用型号的计算机，以提高硬件设备的通用性，便于维修和 更新。计算机中应配有相应的开发环境，以便使数据处理与显示子系统具有可 开发的条件，应具有与操作系统相适应的 C语言或Fortran编程器及各种需要的库。5.7数据处理与显示子系统的系统软件应以 C语言或Fortran语言编写。系统便于二次开发，可增添功能和删改不需要的部分，提高系统的时效。各种参数和 流程应该以制表的形式出现，可以根据需要重新设置和改变，增强系统的可开 放性。6雷达输出产品功能规格需求6.1

31、应用雷达探测到的数据，经过处理、变换、计算等步骤，产生出的数据和 图像称为产品。根据某种需求，安排计算处理得出的产品有着一定的气象意 义。根据产品的计算处理和气象上的意义，新一代天气雷达系统的产品应具有 以下几类：基本数据产品、物理量产品、风场反演产品、强天气识别产品、预 报产品等。随着新一代天气雷达在气象业务中的广泛深入使用，产品将不断地 丰富。6.2基本数据产品是新一代天气雷达系统的基本产品，它主要将雷达观测到的 数据，不变化其数据的属性，在多种不同的坐标中表现出来，应有 PPI、RHI、CAPPI、VCS 等产品。6.2.1平面位置显示( PPI)6.2.2距离高度显示 (RHI)6.2.3等高平面位置显示 (CAPPI)6.2.4任意垂直剖面显示 (VCS)6.2.5局部多层 CAPPI 显示6.2.6垂直最大回波强度显示 (CR)6.2.7为方便用户使用，新一代天气雷达系统应设有将 6.2.1-6.2.6等各种产品的 图像转换成等值线显示的功能。等值线要求平滑、连续，符合气象上常用等值 线绘制原理。6.3物理量产品 是指由雷达