(高清版)GB 31223-2014 氣象探測環(huán)境保護規(guī)范 天氣雷達站

氣象探測環(huán)境保護規(guī)范天氣雷達站W(wǎng)eatherradarstation2014-09-30發(fā)布前言 I引言 Ⅱ l2規(guī)范性引用文件 3術語和定義 4保護范圍 25保護要求 26測量方法 4附錄A(規(guī)范性附錄)天氣雷達天線電磁輻射場區(qū)計算方法 5附錄B(規(guī)范性附錄)天氣雷達探測凈空保護計算方法 附錄C(規(guī)范性附錄)障礙物遮擋角容限值計算方法 附錄D(資料性附錄)天氣雷達站對各種干擾源干擾電壓容限值計算方法和最小防護間距的計算示例 附錄E(規(guī)范性附錄)障礙物海拔高度及限制海拔高度與限制方位寬度測量和計算方法 參考文獻 I本標準全部技術內(nèi)容為強制性。本標準按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本標準由中國氣象局提出。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)歸口。本標準起草單位：中國氣象局氣象探測中心、福建省氣象局、貴州省氣象局、遼寧省氣象局。Ⅱ產(chǎn)安全、短期臨近預報預警提供科學決策依據(jù)的重要遙感探測設備。為保護天氣雷達站的探測環(huán)境，充分發(fā)揮天氣雷達的使用效能，特制定本標準。1氣象探測環(huán)境保護規(guī)范天氣雷達站本標準規(guī)定了天氣雷達站探測環(huán)境保護的范圍和要求。本標準適用于天氣雷達站探測環(huán)境保護活動。2規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB4824—2004工業(yè)、科學和醫(yī)療(ISM)射頻設備電磁騷擾特性限值和測量方法(CISPR11:2003,IDT)GB13618—1992對空情報雷達站電磁環(huán)境防護要求3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。天氣雷達站weatherradarstation由天氣雷達和滿足設備運行環(huán)境要求的設施及其空間構成。波束寬度beamwidth天線方向圖中最大輻射方向兩個半功率點之間的夾角。對雷達所發(fā)射和接收的高頻電磁波產(chǎn)生遮蔽和影響的物體。孤立障礙物isolatedobstacle與相鄰障礙物的橫向間距大于2個波束寬度且遮擋方位角不大于容限值的障礙物。遮擋仰角blockelevationangle從雷達最低工作仰角開始抬升波束直至其下邊沿離開障礙物時的角度，即從存在遮擋至遮擋影響消失時波束下邊沿的抬升角度。遮擋方位角blockazimuthangle障礙物對雷達波束形成遮擋，雷達波束邊沿(一3dB)進入障礙物區(qū)域時所處方位，與雷達波束邊沿(一3dB)退出障礙物區(qū)域時所處方位之間的夾角。2總遮擋方位角totalblockangleinazimuth所有遮擋方位角的總和。障礙物限制海拔高度restrictedaltitudeforobstacle根據(jù)允許的最大遮擋仰角計算得到的障礙物最高點所處海拔高度。障礙物限制方位寬度restrictedazimuthwidthforobstacle根據(jù)允許的最大遮擋方位角計算得到的障礙物寬度。天氣雷達按照業(yè)務模式在最低仰角工作時，天線主波束不受到遮擋的探測環(huán)境。4保護范圍4.1總則天氣雷達站探測環(huán)境保護范圍由一級保護區(qū)和二級保護區(qū)構成，范圍圖示及說明見附錄A。在天氣雷達站周邊不應有對雷達正常工作產(chǎn)生影響的其他干擾。對于電磁干擾的防護范圍不限于一級、二級保護區(qū)。4.2一級保護區(qū)天氣雷達的輻射近場區(qū)范圍內(nèi)高于和低于雷達天線口上下沿10個雷達波長的平行線與過渡區(qū)“邊緣”構成的區(qū)域。4.3二級保護區(qū)以天氣雷達為中心，從一級保護區(qū)的外沿至距離雷達20km的環(huán)形區(qū)域。5保護要求5.1.1障礙物對天氣雷達造成的回波強度損失不應大于1dB。5.1.2不可避免的有源干擾造成的雷達接收機靈敏度損失不應大于1dB。5.2—級保護區(qū)5.2.1不應有對天氣雷達探測造成遮擋的障礙物。5.2.2對應的限制海拔高度h,按式(1)計算，圖示及說明見B.1。h?雷達天線在水平掃描時物體最高點的限制海拔高度，單位為米(m);h?——雷達天線口下沿點的海拔高度，單位為米(m);λ——雷達工作波長，單位為米(m);3d——雷達天線口下沿點到物體最高點的水平距離，單位為米(m);D——雷達天線直徑，單位為米(m)。5.3二級保護區(qū)5.3.1孤立障礙物遮擋仰角限制雷達工作在最低仰角時，孤立障礙物遮擋仰角容限值見表C.1,計算方法見附錄C。5.3.2障礙物遮擋方位角限制雷達工作在最低仰角時，孤立障礙物遮擋方位角容限值見表C.1,計算方法見附錄C。周邊所有障礙物的總遮擋方位角不大于5°。障礙物限制海拔高度按式(2)計算，示意圖及說明見B.2.1。h?=h?+(D/2)×cosq+[d+(D/2)×sinq]×tan(q-0/2+β),d>2D2/a (2)式中：h?——遮擋仰角容限值β對應障礙物最高點的限制海拔高度，單位為米(m);d——雷達天線口下沿點到障礙物最高點的水平距離，單位為米(m);β——障礙物最高點對應的遮擋仰角容限值，單位為度(°);φ——業(yè)務模式中雷達最低工作仰角，單位為度(°)θ——雷達天線波束寬度，單位為度();h?,D——同式(1)。5.3.4方位寬度限制孤立障礙物限制方位寬度按式(3)計算，圖示及說明見B.2.2。b=2×d?×tan(4/2)………………(3)式中：b——遮擋雷達波束的孤立障礙物的限制方位寬度，單位為米(m);d?——障礙物上任意點所對應的該障礙物遮擋方位角(以雷達天線為圓心的圓心角)在該點的弦到雷達天線中心的距離，單位為米(m);亞——障礙物的遮擋方位角容限值，單位為度(°)。5.4電磁干擾限制天氣雷達站周邊，其他電子設備在雷達工作頻點及所占頻譜范圍內(nèi)的干擾電壓的容限值應滿足表1的規(guī)定。表1干擾電壓的容限值頻率范圍/GHz2.7～3.09.3～9.7干擾電壓容限值/μV注：2.7GHz～3.0GHz頻段的干擾電壓容限值引自GB13618—1992;5.3GHz～5.7GHz、9.3GHz～9.7GHz頻段的干擾電壓容限值計算方法參見D.1。45.5最小防護間距天氣雷達站與典型的干擾源的最小防護間距應滿足表2中的規(guī)定。表2最小防護間距容限值干擾源最小防護間距高壓架空輸電線路0.300.100.800.240.080.700.210.07高壓變電站0.360.120.800.240.080.700.210.07電氣化鐵路電力機車0.700.340.18非電氣化鐵路0.500.240.13汽車公路0.700.420.26二級0.700.420.26高頻熱合機0.560.27注：2.7GHz～3.0GHz頻段的最小防護間距的容限值引自GB13618—1992;5.3GHz～5.7GHz、9.3GHz~9.7GHz頻段的最小防護間距的容限值計算示例參見D.2。6測量方法6.1障礙物測量和計算方法角度測量精度應不大于2”,全站儀的距離測量精度應不大于1.5mm。6.1.2障礙物測量與計算方法障礙物的海拔高度、限制海拔高度和限制方位寬度按照附錄E中的方法測量和計算。6.2電磁干擾測量進行干擾測量所用設備應符合GB4824—2004中6.2的要求。按照GB4824—2004中8.4的要求進行。5(規(guī)范性附錄)天氣雷達天線電磁輻射場區(qū)計算方法A.1天氣雷達天線周圍的電磁輻射場區(qū)劃分為輻射近場區(qū)和輻射遠場區(qū)，如圖A.1所示，圖A.2為俯視示意圖。說明：1——陰影部分為一級保護區(qū)，0<d?≤2D2/λ;h=10λ;高于和低于雷達天線口上下沿10個雷達波長平行線的延長線，D2/2λ<d?≤D2/2λ+10λ/tan(180λ/πD);2—-陰影外至20km處為二級保護區(qū)，2D2/λ<d?≤20km;圖A.1電磁輻射場區(qū)及保護區(qū)示意圖說明：2——二級保護區(qū)，2D2/λ<d2≤20km。圖A.2電磁輻射場區(qū)及保護區(qū)俯視示意圖6A.2對于孔徑天線，輻射近場區(qū)范圍按式(A.1)計算：0<d≤2D2/λ……………(A.1)d——觀察點到天線的距離，單位為米(m);D——雷達天線直徑，單位為米(m);λ——雷達工作波長，單位為米(m)。A.3對于孔徑天線，輻射遠場區(qū)范圍按式(A.2)計算：d>2D2/λd——觀察點到天線的距離，單位為米(m);D——雷達天線直徑，單位為米(m);λ——雷達工作波長，單位為米(m)。7(規(guī)范性附錄)天氣雷達探測凈空保護計算方法B.1雷達天線輻射近場區(qū)凈空環(huán)境保護計算方法B.1.1平行波束區(qū)及延伸區(qū)內(nèi)障礙物限制海拔高度計算方法平行波束區(qū)內(nèi)，雷達天線輻射的能量主要集中在直徑為D的圓柱形空間內(nèi)傳播，考慮工程實踐的經(jīng)驗，近場區(qū)中以高于和低于雷達天線口上下沿10個雷達波長的平行線為雷達凈空環(huán)境保護基準線，保護距離相應予以延伸(構成延伸區(qū))。對應的限制海拔高度按照圖B.1用式(B.1)計算：h?=h?-10λ,0<d≤D2/2λ+10λ/tan(180λ/πD)………………(B.1)h?——雷達天線在水平掃描時物體最高點的限制海拔高度，單位為米(m);h?——雷達天線口下沿點的海拔高度，單位為米(m);d——雷達天線口下沿點到物體最高點的水平距離，單位為米(m)。說明：1——波束中心線，h=10λ;A——雷達天線在水平掃描時物體剛好不造成遮擋的限制海拔高度點；C——雷達天線口下沿點；O——雷達天線中心點(饋源)。圖B.1平行波束區(qū)及延伸區(qū)物體限制海拔高度示意圖B.1.2過渡區(qū)內(nèi)限制海拔高度計算方法過渡區(qū)以其“邊緣”為雷達凈空環(huán)境保護基準線。對應的限制海拔高度按照圖B.2用式(B.2)計算：h?=h?+D/2-d×tan(180λ/πD),D2/2λ+10λ/tan(180λ/πD)<d≤2D2/λ……(B.2)h?——雷達天線在水平掃描時物體最高點的限制海拔高度，單位為米(m);h?——雷達天線口下沿點的海拔高度，單位為米(m);8d——雷達天線口下沿點到物體最高點的水平距離，單位為米(m)。2——波束中心線；A——雷達天線在水平掃描時物體剛好不造成遮擋的限制海拔高度點；C——雷達天線口下沿點；O——雷達天線中心點。圖B.2過渡區(qū)域內(nèi)限制海拔高度示意圖B.2雷達天線輻射遠場區(qū)凈空環(huán)境保護計算方法B.2.1遠場區(qū)孤立障礙物限制海拔高度計算方法遠場區(qū)以天線波束下邊沿線為雷達凈空環(huán)境保護基準線，障礙物最高點A的限制海拔高度按照h?=h?+(D/2)×cos?+[d+(D/2)×sing]×tan(g-θ/2+β),d>2D2/λ……(B.3)h?——雷達天線在遮擋仰角容限值β掃描時障礙物最高點的限制海拔高度，單位為米(m);h?——雷達天線口下沿點的海拔高度，單位為米(m);d——雷達天線口下沿點到障礙物最高點的水平距離，單位為米(m);9說明：1——波束中心線；2——波束下邊沿；C——雷達天線口下沿點；O——雷達天線中心點；d——雷達天線口下沿點到障礙物最高點A的水平距離。圖B.3遠場區(qū)孤立障礙物限制海拔高度示意圖B.2.2遠場區(qū)孤立障礙物限制方位寬度計算方法遠場區(qū)以天線中心線為雷達凈空環(huán)境保護基準線，雷達探測方向上遠場區(qū)孤立障礙物限制方位寬度按照圖B.4用式(B.4)計算：b=2×d?×tan(T/2)…………………(B.4)b——遮擋雷達波束的孤立障礙物的限制方位寬度，單位為米(m);d?——障礙物上任意點所對應的該障礙物遮擋方位角(以雷達天線為圓心的圓心角)在該點的弦到說明：1——天線中心水平線；O——雷達天線中心點；A、B——遠場區(qū)內(nèi)孤立障礙物的兩個邊沿點；C——雷達天線在水平掃描時波束中心線與孤立障礙物邊緣的切點，與O點處于同一海拔高度；D——雷達天線中心點到AB連線的垂線交點；|AB|——遮擋雷達波束的孤立障礙物的限制方位寬度，即雷達天線在某一仰角掃描時，從雷達天線中心處向孤立障礙物掃描方向看去的允許水平橫向最大距離，|AB|=2×|OD|×tan(∠AOB/2);∠AOB——障礙物的遮擋方位角容限值；∠BOC——障礙物的遮擋仰角容限值。(規(guī)范性附錄)障礙物遮擋角容限值計算方法C.1計算障礙物遮擋造成的雷達回波功率損失率在雷達探測距離不變的情況下，當雷達回波強度損失為a時，有式(C.1):p——波束未被障礙物遮擋時的雷達接收回波功率，單位為瓦(W);p'——波束被障礙物遮擋后的雷達接收回波功率，單位為瓦(W)。雷達回波功率損失率為(p-p')/p。根據(jù)5.1.1,取雷達回波強度損失最大值a=1dB,按式(C.1)計算得出雷達回波功率損失率為21%。C.2計算雷達輻射的總功率(遮擋前)在實際工程中，天氣雷達天線方向圖主波束(3dB)內(nèi)的功率密度變化近似于高斯函數(shù)曲線，高斯分布天線方向圖中的主瓣能量用軸線的角度。根據(jù)3dB波束寬度的定義，當功率密度下降到最大值的一半(半功率點)時，解得x?=1.18。P(x≤1.18)=0.881則P(x>1.18)=0.119。雷達輻射的總功率(遮擋前)為：P(-1.18≤x≤1.18)=1-2×0.119=0.762C.3計算孤立障礙物遮擋角容限值當障礙物遮擋造成雷達輻射功率損失率為21%時，有效輻射功率為總輻射功率的79%;為簡化計算，僅考慮障礙物遮擋造成雷達輻射功率的單程損失，損失功率為0.762×21%=0.16。GBP(x≤x?)=0.881-0.762×21%=0.721θ?——半功率點下邊沿偏離主波束軸線的角度(值等于半波束寬度),單位為度();單位為度單位為度天氣雷達波束寬度孤立障礙物遮擋仰角容限值孤立障礙物遮擋方位角容限值0.1250.1250.250.250.3750.37531223—2014(資料性附錄)天氣雷達站對各種干擾源干擾電壓容限值計算方法和最小防護間距的計算示例D.1干擾電壓容限值計算方法根據(jù)5.1.2,取干擾信號造成靈敏度損失最大值1dB,由雷達氣象方程可得到即式(D.1)P':min=P-min+0.26Pmin…………P':mn——存在干擾信號時的雷達接收機輸入信號功率，單位為分貝毫瓦(dBm);Prmin—-無干擾信號時的雷達接收機輸入信號功率(等于最小可檢測信號功率N),單位為分貝毫瓦P'.mn應滿足最小可檢測信噪比要求，即P′.mn=I+N,其中I是干擾功率，則I=0.26N。根據(jù)干擾源對天氣雷達造成的干擾功率最小的原則，對應的干擾電壓容限值Ur.mx為Ut.max=0.51U由噪聲功率與噪聲溫度的關系式(D.2);U=√kTB,R…………(D.2)k——玻耳茲曼常數(shù)，單位為焦耳每開爾文(J/K);T——系統(tǒng)噪聲溫度，單位為開爾文(K);由式(D.2)計算可知，5.3GHz～5接收機輸入端等效噪聲電壓Usnt為0.85μV。D.2最小防護間距計算示例以高壓架空輸電線路、變電站為例，由GB13618—1992附錄B中式(B.2)可得式(D.3)和式(D.4):Esq,mx=Ustmx+20lgfs—G-10lgZ+△E+L-9.8……………(D.3)Esm,mx——S波段準峰值干擾場強容限值，單位為分貝微伏每米(dB·μV/m);GB31223—2014fs——S波段天氣雷達的典型工作頻率，單位為兆赫茲(MHz);fe——C波段天氣雷達的典型工作頻率，單位為兆赫茲(MHz);△E——準峰值場強與峰值場強分貝數(shù)之差，單位為分貝(dB);L——雷達天饋系統(tǒng)損耗，單位為分貝(dB)。由于C波段和S波段天氣雷達的技術指標G、L、Z相近，且兩波段△E。同源，按照探測環(huán)境最佳保護要求，取fs=3GHz,fc=5.3GHz,式(D.4)減去式(D.3),可得C波段相對于S波段的干擾場強容限值的差值為△E=Ugn,mx—Ust,max+20lg(fc/fs)=Ugi.mx—Usi.mx+20lg(5.3/3)Usi.mx=20×1g(0.48CUsn)=20×lg(0.48×3×0.85)=1.76dB·μVUgt.mx=20×lg(0.51CUcnt)=20×lg(0.51×3×0.86)=2.38dB·μV則△Emx=2.38—1.76+20lg(fc/fs)=0.62+20lg(5由GB13618—1992附錄D中式(D.2)可得式(D.5):……………E?——不同電壓等級的場強常量，取值參見GB13618—1992附錄C中表C.1,單位為分貝微伏每米(dB·μV/m);f——雷達工作頻率，單位為兆赫茲(MHz);Bn——雷達接收機等效噪聲帶寬，單位為千赫茲(kHz);Emx——準峰值干擾場強的容限值，單位為分貝微伏每米(dB·μV/m)。假設C波段和S波段的E。和B?；鞠嗤瑒tC波段相對于S波段的最小防護間距增量系數(shù)由式(D.6)得出。Dcmn——C波段的最小防護間距，單位為千米(km);Ds.mn——S波段的最小防護間距，單位為千米(km)。…當高壓架空輸電線路對S波段雷達的防護間距為1km時，由Dc.mn=0.30Ds.mn得到C波段雷達的最小防護間距為0.30km。同理，按照探測環(huán)境最佳保護要求，X波段天氣雷達的工作頻率取fx=9.3GHz,X波段相對于S波段的防護間距增量系數(shù)由式(D.7)得出。Ds.mn——S波段的最小防護間距，單位為千米(km)。當高壓架空輸電線路對S波段雷達的防護間距為1km時，由Dx.min=0.1Ds.min得到X波段雷達的最小防護間距為0.10km。其他干擾源最小防護間距計算方法同上，計算結果為表2。(規(guī)范性附錄)障礙物海拔高度及限制海拔高度與限制方位寬度測量和計算方法E.1障礙物頂點K的海拔高度測量計算E.1.1在障礙物外適當距離選擇兩個全站儀測量點A和B,如圖E.1所示，兩個測量點之間應通視，且分別應與障礙物頂點K通視。說明：O——雷達天線饋源點；K——障礙物頂點；G——K點在水平面ACG上的投影。圖E.1障礙物頂點K測量計算示意圖E.1.2在A點使用全站儀對準障礙物頂點K進行測量，得到仰角β,然后把全站儀方位角設定為0°,沿小于180°方位角旋轉(zhuǎn)，對準點B,測量得到角θ及點A和點B間的水平距離l?。E.1.3在B點處使用全站儀對準障礙物頂點K,把全站儀方位角設為0°,沿小于180°方位角旋轉(zhuǎn)對準AE.1.4使用精度為厘米級(cm)的全球定位設備，測量得到A點處的海拔高度ho。E.1.5通過幾何關系，計算K點海拔高度。GB31223—2014……………(E.2)障礙物最高點K的海拔高度按式(E.5)計算：…………(E.4)Hk=h?+h?………(E.5E.2.1如圖E.2所示，在A點處使用全站儀對準雷達天線饋源O點，測量得到仰角α,把全站儀方位角設定為0°,沿小于180°方位角旋轉(zhuǎn)，對準測量點B,進行測量得到方位角γ。說明：O——雷達天線饋源點；K——障礙物頂點；OE和KG——均垂直于水平面AEG。圖E.2雷達天線饋源海拔高度及其與障礙物頂點間的水平距離計算示意圖GB31223—2014E.2.2在B點處使用全站儀對準雷達天線饋源O點，把全站儀方位角設定為0°,沿小于180°方位角旋轉(zhuǎn)E.2.3按照E.1中的方法，測量計算得到天線饋源O點相對于天線饋源O點的海拔高度HR及其與障礙物頂點間的水平距離l?,其中O點的海拔高度按式(E.6)計算：HR=h?+h?l?——在E.1.2中使用全站儀直接測量得到。在△AEG中，直線DF的長度與l相同，按式(E.9)計算：l?=l22+l?2-2×l2×l?×cos(y-0)l?——使用式(E.3)計算得到；…………(E.7)……(E.8)………(E.9)E.3最低工作仰角時障礙物的限制海拔高度和限制方位寬度測量計算E.3.1如圖E.3所示，