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）中国气象局二〇一〇年八月I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。II目录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11前言1.1《气象事业发展纲要（1991－2020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（1994－2010）》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(1991－2020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2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7dBZ。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2～3千米的核区，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3用。考虑到灾害性天气带来的风速常超过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。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3～4千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成果，以完善其功能。42.6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，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53.1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速度监测距离速度测量距离≥200km≥150km方位角扫描范围0～360°仰角扫描范围-2°～+90°3.2.2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0.1o0.2o仰角0.1o0.2o测高100m200m(100km)300m(100～200km)*精度用均方误差表示。6参数测量范围、分辨力和精度：内容范围分辨力精度*强度-10～+70dBZ（降水模式）-28～+28dBZ（晴空模式）0.5dB1dB速度±36m/s0.2m/s1m/s谱宽16m/s0.2m/s1m/s*精度用均方误差表示。3.2.3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。3.2.4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5300～5500MHz，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天线罩射频损失（双程）≤0.3dB(5400MHz)引入波束偏差≤0.03°引入