氣象行業標準《全固態 Ka波段毫米波測云儀測試方法》編制說明一、工作簡況任務來源本標準由全國氣象儀器與觀測方法標準化技術委員會 （SAC/TC507）提出并歸口。2019年2月26日，中國氣象局政策法規司下發《關于下達2016年氣象觀測裝備相關標準制定計劃的通知》（氣法函〔2016〕3號），《全固態ka波段毫米波測云儀測試方法》（以下簡稱：《測試方法》）項目列入中國氣象局2019年度氣象行業標準項目計劃，項目編號：QX/T-2019-72。本標準起草工作由中國氣象局氣象探測中心（以下簡稱：探測中心）承擔。協作單位西安華騰微波有限責任公司（以下簡稱：華騰公司）。主要工作過程2018年3月，探測中心針對全固態 ka波段毫米波測云儀的技術現狀和發展趨勢，調研國內相關生產企業，查閱相關的國家標準、行業標準和氣象部門業務文件，明確了全固態ka波段毫米波測云儀的主要技術指標，測試項目及主流測試方法。2018年4月-8月，探測中心根據前期調研結果，編制《測試方法（初稿）》，并向中電錦江、敏視達、西安華騰、恩瑞特、智鴻達電子、四創電子、航天科工 23所等相關企業征求意見，并邀請各生產和研發企業在北京召開 2次技術研討會，廣泛征求意見。2018年11月13日，探測中心將編寫完善的《測試方法（咨詢稿）》，在北京組織召開專家咨詢會，進一步對標準進行現場咨詢。2019年1月，根據中國氣象局政策法規司《關于征集氣象觀測裝備標準項目承擔單位的通知》（氣法函〔 2015〕38號），探測中心牽頭組織相關協作單位，組建了起草組，進行了任務分工，撰寫了申報材料，申報了《測試方法》行業標準起草項目。2019年2月，根據中國氣象局政策法規司《關于下達 2016年氣象觀測裝備相關標準制定計劃的通知》（氣法函〔 2016〕3號），探測中心聯系協作單位，成立標準編制項目組，啟動本標準的編制工作。2019年5月編制小組在北京召開研討會，確定了編制大綱，明確了人員分工、編制進度和溝通協調機制。2019年5月-6月，編寫組對編制過程中遇到的具體技術問題在華騰公司進行現場測試，對《測試方法》的可行性進行現場驗證，對測試方法進一步修改完善。2019年9月，經多次討論后，對測試方法進一步完善，根據《關于山洪標準化建設項目中期檢查活動的通知》（氣儀標委函〔 2019〕36號），對《測試方法》進行中期匯報，并針對意見進行修改，并形成《測試方法（征求意見稿）》。2019年9月至12月，將《測試方法（征求意見稿）》公布征求意見，共發出40份，截止到2019年12月底，共收到回函30份，項目組開始梳理專家意見并修訂標準，形成《測試方法（送審稿）》。標準主要起草人及其所做的工作陶法，中國氣象局氣象探測中心，高工，本標準的項目負責人，負責標準的總體設計、起草、修訂和征求意見的技術指導等工作。胡樹貞，中國氣象局氣象探測中心，工程師，負責標準的申報、起草、修訂及實際測試驗證等組織工作。何平，中國氣象局氣象探測中心，正研級高工，參與該標準的技術檢驗指導、技術性能測試部分編寫。張雪芬，中國氣象局氣象探測中心，正研級高工，主要負責標準起草前期的方案制定、主要部分章節的技術把關和修訂等工作。陳巖，西安華騰微波有限責任公司，參與該標準的技術性能測試部分編寫、負責環境適應性、電磁兼容性測試方法的制訂及修訂工作。王剛，西安華騰微波有限責任公司，參與該標準的技術性能測試部分編寫、負責可靠性、安全性測試方法的制訂及修訂工作。李毅，西安華騰微波有限責任公司，主要負責試驗方法的測試和驗證工作。周學華，西安華騰微波有限責任公司，主要負責試驗方法的審核工作。二、標準編制原則和確定標準主要內容的論據1．編制原則本標準依據GB/T1.1-2009《標準化工作導則第1部分：標準的結構和編寫》給出的規則起草，并堅持以下原則：（1）科學性和規范性本標準充分借鑒和參考了《全固態 Ka波段毫米波測云儀（基本型）功能規格需求書》 、《氣象觀測專用技術裝備測試方法 天氣雷達（試行）》、《氣象觀測專用技術裝備測試方法 風廓線雷達（試行）》、《新一代天氣雷達系統出廠驗收測試大綱修訂版》等技術文檔，力求在測試項目和測試方法等方面，兼顧當前主流技術和未來的發展趨勢，做到科學性和規范性。（2）簡化性、實用性原則在標準起草過程中，綜合考慮行業現狀和實際使用需求，以及經濟成本等因素，對同類產品的技術指標做了分析篩選，除明顯不合理的或明顯落后于當代普遍技術水平的個別指標外，盡量涵蓋各廠商指標。在試驗方法的選擇設計方面，盡量引用現有的成熟規范或經過驗證的試驗方法，確保標準的實用性。（3）協調性原則編寫組在收集市面上已有設備的性能、 查閱大量資料、征求多方意見后， 在綜合考慮各方面需求和意見的基礎上對標準內容進行了適當的調整，達到內容全面，規定具體，語言通俗，易于實施。2．主要內容的依據（1）國內外研究現狀調研應用背景在天氣預報中， 云觀測資料主要用于明確天氣狀況，判別天氣系統類型、覆蓋范圍、移動和強弱，分析大氣層結穩定度，對預報降水、氣溫、輻射等有重要作用。在數值預報中，有關云的觀測主要是通過云分析方案在中尺度數值模式中的試驗應用， 所謂云分析是指利用多種云資料，根據云熱力 -動力學原理及觀測實驗經驗關系等，對云區、云量、云底高、云頂高、云狀等進行診斷和分析， 進一步根據云雷達觀測及物理經驗關系確定云內各種水凝物（云水、云冰、雨水、雪水、雹等）的含量，并進一步通過松弛逼近 (Nudging)方法實現云內信息初始化應用， 對云內動力熱力場進行相應的調整。 在人工影響天氣中， 通過云觀測資料主要應用于作業條件選擇識別、 作業追蹤指揮和作業效果評估等業務需求， 獲取云的宏觀和微物理特征，如云狀、云類型、云結構、過冷水區、云水含量、云粒子譜、云粒子特性等。重點提高對云降水形成、演變及其催化過程的精細監測能力。雖然在靜止氣象衛星云圖上可以得到云分布、 云量、云狀信息，利用紅外輻射與溫度相關，可以從紅外氣象衛星云圖上反演得到云頂高度信息， 但紅外輻射強度還與云體結構 （疏密）等因素有關，因此云頂高度有時誤差較大。 氣象應用中最典型的云信息包括云垂直分布、云水平分布、云量、云狀等，在人影領域還需要云微物理信息。而衛星云圖只給出了云量、云狀、云頂分布（需要校準），而沒有給出云垂直分布、云底水平分布。而 Ka波段毫米波測云儀能夠提供云的高度信息和云的垂直分布信息，彌補衛星觀測不足。2) 國外發展情況科學研究中，發現云體和水凝物的宏觀特征和微觀特征的觀測對于大氣輻射模型、 天氣系統描述等具有重要意義。因此，美、德、英、日等發達國家，開展了通過毫米波微波開展云宏觀特征和水凝物微觀特性觀測的相關研制和業務應用技術的研究。 20世紀90年代開始，歐美等發達國家完成了包括偏振、 雙波長、全相干極化多普勒等多種型號地基毫米波云探測雷達的研制， 以針對云開展相關探測， 探測能力已趨于成熟， 數據質量控制和產品應用開發也已達到業務應用水平。3) 國內發展情況我國從20世紀70年代開始，就嘗試性開展了毫米波雷達的研制工作， 但受到波導核心部件技術水平的限制， 與國外先進國家存在明顯差距， 但全固態發射技術的成熟， 為我國云雷達研制提供了快速發展的契機。 為此，我國電科集團 14所、38所、航天科工集團 23所、西安華騰紛紛研制了以固態發射技術為核心的云雷達， 包括單線偏振云雷達、 雙線偏振云雷達、連續波云雷達，特別是研制了針對地面業務觀測需要的毫米波測云儀， 為我國建設世界先進水平的地面自動化云觀測和垂直大氣廓線探測提供了技術和設備條件。2013年開始，中國氣象局氣象探測中心在南郊基地開展全固態 Ka波段毫米波測云儀的技術孵化，經過幾年的功能、性能改進， 目前已經有 1家企業的定型產品通過測試，取得了裝備許可證，另有 3種型號正在開展測試評估工作。目前，針對天氣雷達的測試方法已經成熟，由于 Ka波段頻率更高，造成測試存在一定困難，因此有必要建立一套規范化的 Ka波段毫米波測云儀測試方法，以便在將來業務使用中進行規范化測試。相關標準制訂情況已經發布的《 QX/T461-2018C波段多普勒天氣雷達》，重點規范了地基固定式和移動式速調管發射機 C波段多普勒天氣雷達的通用要求，測試方法，檢驗規則，標識、標簽和隨行文件，包裝、運輸和貯存等要求。已經發布的《 QX/T462-2018C波段雙線偏振多普勒天氣雷達》，重點規范了地基固定式和移動式速調管發射機 C波段雙線偏振（雙極化）多普勒天氣雷達的通用要求， 測試方法，檢驗規則，標識、標簽和隨行文件，包裝、運輸和貯存等要求。已經發布的《 QX/T463-2018S波段多普勒天氣雷達》，重點規范了速調管發射機 S波段多普勒天氣雷達的通用要求，試驗方法，檢驗規則，標識、標簽和隨行文件，包裝、運輸和貯存等要求。已經發布的《 QX/T464-2018S波段雙線偏振多普勒天氣雷達》，重點規范了速調管發射機S波段雙線偏振（雙極化）多普勒天氣雷達的通用要求，試驗方法，檢驗規則，標識、標簽和隨行文件，包裝、運輸和貯存等要求。目前已經頒布的 C波段和S波段天氣雷達的相關標準中， 對于測試方法進行了明確規定，截止目前還沒有針對全固態 Ka波段毫米波測云儀的測試標準。 全固態Ka波段毫米波測云儀的技術指標在《全固態 Ka波段毫米波測云儀（基本型）功能規格需求書》沒有全面規定約束，只規定了最基本的要求，但是與之相對應的檢測方法尚不全面。在本標準制訂過程中，吸收借鑒了行業內外經過實踐檢驗， 行之有效、合理且可重復操作的技術方法， 將其中成熟的技術方法納入本標準。2）參考依據本標準主要依據的標準包括：GB191-2008包裝貯運圖示標志GB3784-1983雷達名詞術語GB/T33695-2017地面氣象要素編碼與數據格式QXT129-2011氣象數據傳輸文件命名GB/T2423電工電子產品環境試驗GB/T17626電磁兼容試驗和測量技術GB8702電磁輻射防護規定GJB151B-2013軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量GJB299B-1998電子設備可靠性預計手冊GB5080.7-1986設備可靠性試驗GJB2072-1994維修性試驗與評定QX4-2000氣象臺（站）防雷技術規范QX/T8-2000氣象儀器術語參考的文獻資料主要包括：《全固態Ka波段毫米波測云儀（基本型）功能規格需求書》（氣測函〔2017〕110號）《氣象觀測專用技術裝備測試方法總則（修訂）》（氣測函〔2017〕36號）《氣象觀測專用技術裝備測試方法地面氣象觀測設備（試行）》（氣測函〔2016〕5號）《氣象觀測專用技術裝備測試方法天氣雷達（試行）》（氣測函〔2016〕156號）《氣象觀測專用技術裝備測試方法風廓線雷達（試行）》（氣測函〔2017〕185號）（3）測試內容測試內容包括：成套性檢查、外觀結構檢查、功能檢查、技術性能測試、測量性能測試、環境適應性測試、可靠性和維修性、安全性能等。（4）技術指標本標準規定的全固態 Ka波段毫米波測云儀的技術指標要求與 《全固態Ka波段毫米波測云儀（基本型）功能規格需求書》中重復部分保持一致， 測試方法參照天氣雷達和風廓線雷達的方法，根據 Ka波段的實際特性進行制定。表1測云儀技術性能指標要求系統名稱測試項目指標要求工作頻率35GHz±500MHz天線體制卡塞格倫天線口徑≤2.5m波束寬度≤0.6°第一副瓣≤-20dB天線和饋線天線增益≥50dB駐波比≤1.5收發饋線損耗≤3dB極化方式水平極化發射，水平極化接收天線罩雙程損耗≤2dB天線罩指向誤差≤0.4°最窄脈沖寬度≤1μs發射峰值功率≥10W發射系統發射功率穩定度±0.5dBm頻譜寬度≤20MHz極限改善因子≥25dB接收機增益≥30dB（不含AGC）接收系統接收機噪聲系數≤6dB接收系統線性動態范圍≥80dB系統最小可測信號功率≤-110dBm≤-30dBZ（10km高度，不計大氣衰減）整機系統系統相干性≤0.4°機內強度自標定精度≤1dBZ遠程監控功能遠程監控：具有對開/關機、參數設置、運行狀態、錯誤故主要功能障的遠程監控；自定標功能自定標：主要實現對強度的自定標；數據獲取率缺測率≤2%數據數據可比較性云底高：云高＜1km時，±100m；云高≥1km時，±10%；云頂高：云高＜1km時，±100m；云高≥1km時，±10%。設備設備可靠性平均故障間隔時間（MTBF）≥2000h；平均故障修復時間（ MTTR）≤0.5h（5）測試儀表要求頻譜儀：用于測試發射頻率和脈沖上升、下降沿等，測量范圍 0～40GHz；矢量網絡分析儀：用于測試天線電壓駐波比、收發隔離度和系統損耗等；示波器：用于測試中頻信號波形和控制時序等，測量范圍 0～500MHz；三、

功率計（包括探頭）：用于測試發射機功率等，測量范圍≤ -20dB；旋翼無人機：用于攜帶金屬反射靶，飛行高度≥ 2Km；金屬反射靶（如采用菱形） ，邊長應不小于毫米波測云儀工作波長的 5倍；主要試驗（或驗證）的分析、綜述報告，技術經濟論證，預期的經濟效果1本標準界定的全固態 Ka波段毫米波測云儀測試方法驗證情況綜述2018年，探測中心就著手開展毫米波測云儀的測試工作，并在該標準編寫之初，就召集相關研發企業進行相關指標和測試方法的技術研討。并編寫《測試方法（初稿）》進行發布征求意見，并讓相關企業針對各自設備進行測試，并按照《測試方法（初稿）》對測試結果進行反饋。2018年12月開始，探測中心啟動毫米波測云儀的測試評估工作，先后在中國氣象局大氣探測試驗基地、華騰公司開展功能和性能測試， 并在上海寶山區氣象和湖南省長沙市氣象局開展外場試驗。其測試方法嚴格按照《測試方法（初稿）》開展。功能和技術指標測試由測試組組織專業技術人員依據《全固態 Ka波段毫米波測云儀（基本型）功能規格需求書》（2017）和《全固態 Ka波段毫米波測云儀（基本型）測試方案》（ 2019），檢查廠家提供儀器各項內容是否符合要求，包括：（ 1）天線和饋線；（ 2）發射系統；（ 3）接收系統；（4）整機系統；（ 5）信號處理；（6）數據處理和產品輸出功能檢查；（ 7）隨機材料及外觀檢查等。 根據測試方案要求， 對被試設備進行功能和技術性能測試， 測試項目主要包括（1）天線和饋線；（2）發射系統；（3）接收系統；（4）整機系統；（5）信號處理；（6）數據處理和產品輸出功能檢查；（ 7）隨機材料及外觀檢查等。經測試，測云儀外觀整潔，無損傷和變形，產品標志和字符清晰完整；設備結構完整，各零部件、緊固件、連接件安裝牢固；三臺設備功能和技術性能測試結果均為合格。外場試驗測試評估按照《總則》的要求執行， 測云儀應在至少 2個不同氣候特點的區域進行測試，每個不同氣候區域連續測試至少 3個月，滿足有關標準或規定的可靠性要求。外場測試站點應選擇在具有 L波段業務探空的氣象觀測站進行， 配備激光云高儀、全天空成像儀輔助進行數據分析。外場測試內容包括：（1）數據完整性（考核數據缺測率或稱數據獲取率）；去除由于外界干擾（非設備原因）造成的數據缺測，對測云儀數據缺測率進行評估。缺測率（%）=（測試期內累計缺測次數 /測試期內應觀測總次數）× 100%。缺測率（%）≤2%。（2）數據準確性（考核數據可比較性）；以L波段業務探空儀觀測大氣廓線資料識別出的云底和云頂高度作為參考標準云高， 評估測云儀觀測的云底高、云頂高準確性。（3）設備可靠性（考核設備穩定可靠性、可維修性）。結論根據《測試方案》，外場試驗的評定項目為數據完整性、數據準確性和設備可靠性。4.1數據完整性排除網絡和市電故障等客觀因素， 統計參試設備上傳到數據處理和產品輸出單元的數據完整性。外場試驗期間 2套參試設備缺測率應不大于 2%。寶山站數據完整性統計時間為 2019年1月1日~8月23日，共235天，每5秒輸出一組數據，應測數為235天×24小時×60分×12次=4060800組數據樣本，期間缺測數為 29208組，缺測率為0.7%。長沙站由于發生2次人為磁盤損壞導致2019年1月1日~4月13日和7月1日~7月22日數據丟失，有效觀測110天，每5秒輸出一組數據，應測數為110天×24小時×60分×12次=1900800組數據樣本，期間缺測數為10241組，缺測率為0.5%。經分析，所有參試設備數據缺測率最大為0.7%，滿足《測試方案》要求，合格。參試設備的數據完整性統計結果見表3-1。表3-1參試設備數據完整性統計序號設備編號指標(%)應測數缺測數缺測率(%)測試結論1HT101-1502007≤21900800102410.5合格2HT101-17070224060800292080.7合格4.2數據準確性用探空獲取的參考標準云高與參試設備觀測數據組成樣本對， 分別計算兩者之間的系統偏差?！稖y試方案》要求的準確性指標見表 3-2。表3-2參試設備準確性指標準確性指標觀測要素云高＜1km 云高≥1km云底高±100m±10%云頂高±100m±10%外場試驗期間，寶山站共獲取94組云底高樣本對，71組云頂高樣本對；北京站共獲取64組云底高樣本對， 37組云頂高樣本對。按照《測試方案》統計分析方法，參試設備滿足《測試方案》要求，合格。具體測試結果統計見表3-