新一代天气雷达系统功能规格需求书doc.docx
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新一代天气雷达系统功能规格需求书doc
新一代天气雷达系统功能规格需求书
（S波段）
中国气象局
二〇一〇年八月
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（S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（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（S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48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。
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，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
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650kw，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
150m
50m
方 位 角
0.1
0.2o
仰 角
0.1o
0.2o
测 高
100m
200m（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：
内 容
范 围
分 辨 力
精 度*
强度
-10～+70dBZ（降水模式）
-28～+28dBZ
（晴空模式）
0.5dB
1dB
速度
48m/s
0.2m/s
1m/s
谱宽
16m/s
0.2m/s
1m/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（
）为
48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50dB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0.15°。
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2700～2900MHz，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（2800MHz）
引入波束偏差
0.03°
引入波束展宽
0.03°
直径
10～12m
抗风能力（阵风）
60m/s能工作
80m/s天线不受损坏
3.3.2天线
反射体直径
8～9m
增益
44dB（2800MHz）
波束宽度
1.0°
第一旁瓣电平
-29dB
远端付瓣（10°以外）
-40dB
极化方式
线性水平
馈线损耗
1.5dB
3.3.3天线伺服装置
天线扫描方式
PPI、RHI、体扫、任意指向
天线扫描范围、速度
PPI0～360o连续扫描，速度为0～36o/s可调
RHI-2～30o往返扫描，速度为0～12o/s可调
体积扫描由一组PPI扫描构成，最多可到30个PPI，仰角可预置
天线控制方式
a、预置全自动
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0.2°
天线控制精度
方位、仰角均应0.1°
天线控制字长
14位
角码数据字长
14位
3.3.4发射机
脉冲峰值功率
650kw
发射窄脉冲宽度
发射宽脉冲宽度
1或1.57μs
4或4.7μs
脉冲重复频率
300～1300Hz（窄脉冲）
300～450Hz（宽脉冲）
参差重复频率比
2/3、3/4
发射占空比
0.002
速调管寿命
5000小时
发射机输出端极限改善因子
优于52dB
发射机频谱特性
符合相关规定中对所占频谱的要求
3.3.5接收机（含数字中频）
频综短期（1ms）频率稳定度
10-11
ADC速率
48MHz
动态范围
95dB
噪声系数
4dB
最小可测灵敏度
-107dBm（1μs）
-113dBm（4μs）
相位编码
频综具有相位编码受控功能
接收机输出
I、Q
3.3.6系统相位噪声
0.15°。
3.3.7接收系统动态范围85dB
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℃
-40℃
95～98%（30℃时）
室内装置
+40℃
0℃
90～96%（30℃时）
计算机终端设备
+30℃
+10℃
80%
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米下的高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精度。
库长
库数
探测距离
logZ
150m、250m
对应最大距离3000、1800
450km
I
150m、250m
对应最大探测距离1667、1000
250km
Q
150m、250m
对应最大探测距离1667、1000
250km
4.3信号处理器对信号强度的估算，距离上采用分库累积平均，每一个距离库进行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50dB以上，对消处理在Z、V、W估算之前进行，带阻槽口半宽度为0～0.2VN，槽口功率抑制深度30～50dB，分4～6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
值相一致，速度谱宽数据的最大取值范围应与
值相一致。
5.4.2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
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