全固态Ka波段双偏振云雷达（1）：测试大纲总则与验收框架

本系列笔记基于中国气象局综合观测司 2023 年 3 月发布的《全固态 Ka 波段双偏振云雷达测试大纲》整理，共三篇。本篇为第一篇：总则、基本要求、设计检查、外场试验与综合评定。

一、这份文件是什么？

《全固态 Ka 波段双偏振云雷达测试大纲》是中国气象局综合观测司发布的官方技术文件，作用是规范云雷达的测试工作——即规定一部云雷达从出厂到业务运行前，必须通过哪些检查、按什么方法测、达到什么指标才算合格。

它依据《全固态 Ka 波段双偏振云雷达功能规格需求书》（简称《需求书》）编写，适用于云雷达的：

• 技术性能检查与测试
• 功能检查
• 外场试验

术语注释：

• 云雷达（Cloud Radar）：专门观测云的雷达，工作频段通常为 Ka（35GHz）、W（94GHz）等毫米波波段。与天气雷达不同，云雷达波长短、灵敏度高，能探测到云中微小的水滴和水晶，但穿透强降水能力弱。
• Ka 波段：频率 26.540GHz 的毫米波频段，本大纲为 34.535.5GHz。波长约 8.6mm，可用较小口径获得很窄的波束。
• 双偏振（Dual Polarization）：雷达交替或同时发射水平（H）和垂直（V）极化波，通过比较两极化通道回波的差异，推断云中粒子的形状、大小、相态（水滴/冰晶）等信息。
• 全固态（All Solid-State）：发射机采用固态功率器件（如 GaN、GaAs 功率放大器）而非电真空器件（磁控管、速调管），具有可靠性高、寿命长、可任意波形等优点，但单管功率小，需要功率合成。
• 测试大纲：规定"测什么、怎么测、合格标准是什么"的规范性文件。

二、引用文件（标准体系）

大纲引用了以下标准和文件，构成了云雷达的测试依据体系：

术语注释：

• QX/T：气象行业标准代号。
• 多普勒雷达（Doppler Radar）：能测量目标径向速度的雷达，利用多普勒效应（目标运动使回波频率发生偏移）。
• 偏振（极化，Polarization）：电磁波电场矢量振动的方向。水平极化 H、垂直极化 V 是两种基本线极化。

三、基本要求（测试的"游戏规则"）

3.1 被试产品

• 参试单位需提供至少 2 套同型号云雷达及测试所需材料
• 被试云雷达需为出厂合格产品，由参试单位在现场安装架设、调试、定标正常

3.2 交接检查

交接检查是测试的第一步，要点：

1. 按 QX/T 526-2019 进行外观、结构和成套性检查
2. 进行云雷达开机检查，确认设备能正常工作
3. 查看随机材料是否齐备：信号流图、备件信息、随机文件

交接检查的意义：把"设备自身问题"和"测试过程问题"分开，避免后续争议。参试单位和测试方人员都应在场。

3.3 测试项目四大类

测试项目共分四类：

┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ 1. 设计检查   —— 设计要求、机械材料、安全要求    │
│ 2. 功能检查   —— 系统功能逐项检查/演示           │
│ 3. 技术指标测试 —— 各分系统性能参数实测          │
│ 4. 外场试验   —— 数据完整性、可比较性、可靠性    │
└─────────────────────────────────────────────────┘

3.4 测试要求

• 技术参数须达到大纲要求，不合格时暂停测试，参试单位查明原因、采取措施后再继续
• 对难以测试的项目（如天线远场方向图），参试单位须提供具有资质的第三方测试报告，经测试组认可后可列入
• 所有测量仪表须在检定/校准有效期内，并记录名称、型号、有效期
• 未提及内容按 QX/T 526-2019、《需求书》执行

3.5 合格判据

• 全部测试或检查项目符合规定 → 判定测试合格
• 出现暂停测试情况，恢复后结果符合规定 → 判定测试合格
• 否则 → 判定测试不合格

四、设计检查

4.1 检查内容（四方面）

1. 结构要求：各分系统尺寸及结构符合《需求书》
2. 工艺、材质及标识标牌要求：工艺、材质、标牌符合要求
3. 机械与材料要求：整机机械结构与材料符合要求
4. 安全要求：电气安全与安全标识符合要求

4.2 检查方法

查阅研制、生产及测试相关技术资料，辅助直接测量、目视检查。具体检查项目见大纲附件 4（含标准器件检查记录：各分系统的名称、器件代号、功能规格、材质、颜色、序列号、插座数量等，均需附检查照片）。

五、外场试验

外场试验依据 QX/T 526-2019 进行不少于 3 个月的动态比对试验，主要评定三个指标。

5.1 数据完整性（缺测率）

去除外界干扰（非设备原因）造成的缺测后评估：

评定指标：缺测率 ≤ 2%

5.2 可比较性（云高比对）

以 L 波段业务探空仪观测大气廓线资料识别出的云底/云顶高度作为参考标准云高，评估云雷达垂直观测的准确性。

标准云高计算条件：

• 气温低于 0℃ 时按冰面饱和水汽压计算相对湿度
• 云层中相对湿度大于阈值，且云底/云顶有明显跳变

云雷达样本选取原则：

• 放球时刻前 10 分钟云雷达观测数据取平均
• 10 分钟内无云记录大于 4 次 → 样本无效

评定指标：

• 云底高（云顶高）＜1km：系统误差 ±100m
• 云底高（云顶高）≥1km：相对系统误差 ±10%

系统误差公式：

其中 $x_{di}$ 为云雷达第 $i$ 个样本观测值，$x_{si}$ 为标准云高，$n$ 为样本对数。

术语注释：

• 探空仪（Radiosonde）：由气象气球携带升空，沿途测量温度、湿度、气压、风等大气要素的仪器。探空数据是气象观测的"基准真值"。
• 云底高/云顶高：云层底部/顶部距离地面的高度。
• 饱和水汽压：某一温度下空气中水汽达到饱和时的水汽压。0℃以下需用冰面饱和水汽压（比水面低约 12%）。
• 全天空成像仪：拍摄全天空图像判断云量云状的设备，用于剔除雾、降水等无效样本。

5.3 设备可靠性（MTBF）

以**平均故障间隔时间（MTBF）**表示可靠性，要求 MTBF ≥ 2000h。

试验方案（定时截尾试验，二选一）：

方案 A：标准型（17 号方案）

• 生产方和使用方风险各 20%，鉴别比 3
• 总试验时间 T = 4.3 × MTBF下限 = 4.3 × 2000h = 8600h
• 接受故障数 2，拒收故障数 3
• 2 套样品各测 4300h（≈180 天）；3 套各 2867h（≈120 天）；4 套各 2150h（≈90 天）

方案 B：短时高风险（21 号方案）

• 生产方和使用方风险各 30%，鉴别比 3
• 总试验时间 T = 1.1 × 2000h = 2200h
• 接受故障数 0，拒收故障数 1
• 2 套样品各测 1100h（≈46 天）；3 套各 733h（≈31 天）；4 套各 550h（≈23 天）

术语注释：

• MTBF（Mean Time Between Failures）：平均故障间隔时间，设备两次故障之间的平均工作时间，是可靠性最常用的指标。
• 定时截尾试验：预先规定试验总时间，到时间就结束并判定结果。
• 鉴别比：生产方风险与使用方风险的折中参数，衡量试验方案区分好坏产品的能力。
• 生产方风险/使用方风险：好产品被判不合格（α风险）/坏产品被判合格（β风险）的概率。
• 责任故障：设备本身损坏、不能显示规定数据、数据超范围、感应雷击导致数据异常等设备原因故障。客观原因（直接雷击、操作员过失、外部设备故障）为非责任故障，记录但不计入。

六、综合评定

• 按大纲规定方法测试，结果符合技术指标要求 → 合格
• 功能检查、设计检查不符合的，允许参试单位修改或增加后重新检查，合格也可判为合格
• 全部合格 → 综合评定合格，云雷达方可进入业务运行

七、本篇小结

本测试大纲的验收框架可以概括为"四查一评"：

要点记忆：

• 缺测率 ≤ 2%
• 云高比对：<1km 误差 ±100m；≥1km 相对误差 ±10%
• MTBF ≥ 2000h（标准型 8600h 总试验时间 / 短时型 2200h）
• 测试仪表须在检定有效期内

下一篇：全固态Ka波段双偏振云雷达（2）：分系统技术指标与测试方法

说明：本系列笔记为学习整理，公式与指标均摘自公开的《全固态 Ka 波段双偏振云雷达测试大纲》，供技术学习参考。