| 标准编号 | GB 31223-2014 (GB31223-2014) | | 中文名称 | 气象探测环境保护规范 天气雷达站 | | 英文名称 | Specifications for meteorological observing environs protection -- Weather radar station | | 行业 | 国家标准 | | 中标分类 | A47 | | 国际标准分类 | 07.060 | | 字数估计 | 24,252 | | 发布日期 | 9/30/2014 | | 实施日期 | 1/1/2015 | | 引用标准 | GB 4824-2004; GB 13618-1992 | | 标准依据 | 中华人民共和国国家标准批准发布公告2014年第22号 | | 发布机构 | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会 | | 范围 | 本标准规定了天气雷达站探测环境保护的范围和要求。本标准适用于天气雷达站探测环境保护活动。 | GB 31223-2014
Specifications for meteorological observing environs protection.Weather radar station
ICS 07.060
A47
中华人民共和国国家标准
气象探测环境保护规范 天气雷达站
2014-09-30发布
2015-01-01实施
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会发布
目次
前言 Ⅰ
引言 Ⅱ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 1
4 保护范围 2
5 保护要求 2
6 测量方法 4
附录A(规范性附录) 天气雷达天线电磁辐射场区计算方法 5
附录B(规范性附录) 天气雷达探测净空保护计算方法 7
附录C(规范性附录) 障碍物遮挡角容限值计算方法 11
附录D(资料性附录) 天气雷达站对各种干扰源干扰电压容限值计算方法和最小防护间距的
计算示例 13
附录E(规范性附录) 障碍物海拔高度及限制海拔高度与限制方位宽度测量和计算方法 15
参考文献 19
前言
本标准全部技术内容为强制性。
本标准按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
本标准由中国气象局提出。
本标准由全国气象仪器与观测方法标准化技术委员会(SAC/TC507)归口。
本标准起草单位:中国气象局气象探测中心、福建省气象局、贵州省气象局、辽宁省气象局。
本标准主要起草人:陈大任、高玉春、李麟、张沪生、吴太旺、柴秀梅、程飞、李喆、郭锐、陈玉宝。
引 言
天气雷达是监测台风、暴雨、冰雹、龙卷、下击暴流等灾害性天气系统,为防灾减灾、保护人民生命财
产安全、短期临近预报预警提供科学决策依据的重要遥感探测设备。为保护天气雷达站的探测环境,充
分发挥天气雷达的使用效能,特制定本标准。
气象探测环境保护规范 天气雷达站
1 范围
本标准规定了天气雷达站探测环境保护的范围和要求。
本标准适用于天气雷达站探测环境保护活动。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB 4824-2004 工业、科学和医疗(ISM)射频设备 电磁骚扰特性 限值和测量方法(CISPR11:
2003,IDT)
GB 13618-1992 对空情报雷达站电磁环境防护要求
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
天气雷达站 weatherradarstation
由天气雷达和满足设备运行环境要求的设施及其空间构成。
注:天气雷达是基于云、雾、雨、雪等粒子对电磁波的散射和产生多普勒效应等原理,探测降水回波强度与多普勒速
度的空间分布和演变,并以此警戒跟踪降水天气系统的雷达。
3.2
波束宽度 beamwidth
天线方向图中最大辐射方向两个半功率点之间的夹角。
3.3
障碍物 obstacle
对雷达所发射和接收的高频电磁波产生遮蔽和影响的物体。
3.4
孤立障碍物 isolatedobstacle
与相邻障碍物的横向间距大于2个波束宽度且遮挡方位角不大于容限值的障碍物。
3.5
遮挡仰角 blockelevationangle
从雷达最低工作仰角开始抬升波束直至其下边沿离开障碍物时的角度,即从存在遮挡至遮挡影响
消失时波束下边沿的抬升角度。
3.6
遮挡方位角 blockazimuthangle
障碍物对雷达波束形成遮挡,雷达波束边沿(-3dB)进入障碍物区域时所处方位,与雷达波束边沿
(-3dB)退出障碍物区域时所处方位之间的夹角。
3.7
所有遮挡方位角的总和。
3.8
根据允许的最大遮挡仰角计算得到的障碍物最高点所处海拔高度。
3.9
根据允许的最大遮挡方位角计算得到的障碍物宽度。
3.10
净空 clearance
天气雷达按照业务模式在最低仰角工作时,天线主波束不受到遮挡的探测环境。
4 保护范围
4.1 总则
天气雷达站探测环境保护范围由一级保护区和二级保护区构成,范围图示及说明见附录A。在天
气雷达站周边不应有对雷达正常工作产生影响的其他干扰。对于电磁干扰的防护范围不限于一级、二
级保护区。
4.2 一级保护区
天气雷达的辐射近场区范围内高于和低于雷达天线口上下沿10个雷达波长的平行线与过渡区“边
缘”构成的区域。
4.3 二级保护区
以天气雷达为中心,从一级保护区的外沿至距离雷达20km的环形区域。
5 保护要求
5.1 总则
5.1.1 障碍物对天气雷达造成的回波强度损失不应大于1dB。
5.1.2 不可避免的有源干扰造成的雷达接收机灵敏度损失不应大于1dB。
5.2 一级保护区
5.2.1 不应有对天气雷达探测造成遮挡的障碍物。
5.2.2 对应的限制海拔高度h2 按式(1)计算,图示及说明见B.1。
h2=
h1-10λ 0< d≤D2/2λ+10λ/tan(180λ/πD)
h1+D/2-d×tan(180λ/πD) D2/2λ+10λ/tan(180λ/πD)< d≤2D2/λ{ (1)
式中:
h2---雷达天线在水平扫描时物体最高点的限制海拔高度,单位为米(m);
h1---雷达天线口下沿点的海拔高度,单位为米(m);
λ ---雷达工作波长,单位为米(m);
d ---雷达天线口下沿点到物体最高点的水平距离,单位为米(m);
D---雷达天线直径,单位为米(m)。
5.3 二级保护区
5.3.1 孤立障碍物遮挡仰角限制
雷达工作在最低仰角时,孤立障碍物遮挡仰角容限值见表C.1,计算方法见附录C。
5.3.2 障碍物遮挡方位角限制
雷达工作在最低仰角时,孤立障碍物遮挡方位角容限值见表C.1,计算方法见附录C。
周边所有障碍物的总遮挡方位角不大于5°。
5.3.3 高度限制
障碍物限制海拔高度按式(2)计算,示意图及说明见B.2.1。
h3=h1+(D/2)×cosφ+[d+(D/2)×sinφ]×tan(φ-θ/2+β),d >2D2/λ (2)
式中:
h3 ---遮挡仰角容限值β对应障碍物最高点的限制海拔高度,单位为米(m);
d ---雷达天线口下沿点到障碍物最高点的水平距离,单位为米(m);
β ---障碍物最高点对应的遮挡仰角容限值,单位为度(°);
φ ---业务模式中雷达最低工作仰角,单位为度(°);
θ ---雷达天线波束宽度,单位为度(°);
h1,D---同式(1)。
5.3.4 方位宽度限制
孤立障碍物限制方位宽度按式(3)计算,图示及说明见B.2.2。
b=2×d1×tan(Ψ/2) (3)
式中:
b ---遮挡雷达波束的孤立障碍物的限制方位宽度,单位为米(m);
d1---障碍物上任意点所对应的该障碍物遮挡方位角(以雷达天线为圆心的圆心角)在该点的弦
到雷达天线中心的距离,单位为米(m);
Ψ---障碍物的遮挡方位角容限值,单位为度(°)。
5.4 电磁干扰限制
天气雷达站周边,其他电子设备在雷达工作频点及所占频谱范围内的干扰电压的容限值应满足
表1的规定。
表1 干扰电压的容限值
频率范围/GHz 2.7~3.0 5.3~5.7 9.3~9.7
干扰电压容限值/μV 0.40 0.43 0.44
注:2.7GHz~3.0GHz频段的干扰电压容限值引自GB 13618-1992;5.3GHz~5.7GHz、9.3GHz~9.7GHz频
段的干扰电压容限值计算方法参见D.1。
5.5 最小防护间距
天气雷达站与典型的干扰源的最小防护间距应满足表2中的规定。
表2 最小防护间距容限值
干扰源
最小防护间距
km
2.7GHz~3.0GHz 5.3GHz~5.7GHz 9.3GHz~9.7GHz
高压架空输电线路
500kV 1.00 0.30 0.10
220kV~330kV 0.80 0.24 0.08
110kV 0.70 0.21 0.07
高压变电站
500kV 1.20 0.36 0.12
220kV~330kV 0.80 0.24 0.08
110kV 0.70 0.21 0.07
电气化铁路 电力机车 0.70 0.34 0.18
非电气化铁路 0.50 0.24 0.13
汽车公路
高速、一级 0.70 0.42 0.26
二级 0.70 0.42 0.26
高频热合机 1.20 0.56 0.27
注:2.7GHz~3.0GHz频段的最小防护间距的容限值引自 GB 13618-1992;5.3GHz~5.7GHz、9.3GHz~
9.7GHz频段的最小防护间距的容限值计算示例参见D.2。
6 测量方法
6.1 障碍物测量和计算方法
6.1.1 测量设备
角度测量精度应不大于2″,全站仪的距离测量精度应不大于1.5mm。
6.1.2 障碍物测量与计算方法
障碍物的海拔高度、限制海拔高度和限制方位宽度按照附录E中的方法测量和计算。
6.2 电磁干扰测量
6.2.1 测量设备
进行干扰测量所用设备应符合GB 4824-2004中6.2的要求。
6.2.2 测量程序
按照GB 4824-2004中8.4的要求进行。
附 录 A
(规范性附录)
天气雷达天线电磁辐射场区计算方法
A.1 天气雷达天线周围的电磁辐射场区划分为辐射近场区和辐射远场区,如图A.1所示,图A.2为俯
视示意图。
说明:
1---阴影部分为一级保护区,0< d2≤2D2/λ;
平行波束区,0< d1≤D2/2λ;
h=10λ;
高于和低于雷达天线口上下沿10个雷达波长平行线的延长线,D2/2λ< d4≤D2/2λ+10λ/tan(180λ/πD);
2---阴影外至20km处为二级保护区,2D2/λ< d3≤20km;
3---波束上“边缘”(对应过渡区的“边缘”)。
图A.1 电磁辐射场区及保护区示意图
说明:
1---一级保护区,0< d1≤2D2/λ;
2---二级保护区,2D2/λ< d2≤20km。
图A.2 电磁辐射场区及保护区俯视示意图
A.2 对于孔径天线,辐射近场区范围按式(A.1)计算:
0< d≤2D2/λ (A.1)
式中:
d---观察点到天线的距离,单位为米(m);
D---雷达天线直径,单位为米(m);
λ ---雷达工作波长,单位为米(m)。
其中0< d≤D2/2λ为平行波束区,D2/2λ< d≤2D2/λ为过渡区。
A.3 对于孔径天线,辐射远场区范围按式(A.2)计算:
d >2D2/λ (A.2)
式中:
d---观察点到天线的距离,单位为米(m);
D---雷达天线直径,单位为米(m);
λ ---雷达工作波长,单位为米(m)。
附 录 B
(规范性附录)
天气雷达探测净空保护计算方法
B.1 雷达天线辐射近场区净空环境保护计算方法
B.1.1 平行波束区及延伸区内障碍物限制海拔高度计算方法
平行波束区内,雷达天线辐射的能量主要集中在直径为D 的圆柱形空间内传播,考虑工程实践的
经验,近场区中以高于和低于雷达天线口上下沿10个雷达波长的平行线为雷达净空环境保护基准线,
保护距离相应予以延伸(构成延伸区)。对应的限制海拔高度按照图B.1用式(B.1)计算:
h2=h1-10λ,0< d≤D2/2λ+10λ/tan(180λ/πD) (B.1)
式中:
h2---雷达天线在水平扫描时物体最高点的限制海拔高度,单位为米(m);
h1---雷达天线口下沿点的海拔高度,单位为米(m);
λ ---雷达工作波长,单位为米(m);
d ---雷达天线口下沿点到物体最高点的水平距离,单位为米(m)。
说明:
1 ---波束中心线,h=10λ;
A---雷达天线在水平扫描时物体刚好不造成遮挡的限制海拔高度点;
C ---雷达天线口下沿点;
O ---雷达天线中心点(馈源)。
图B.1 平行波束区及延伸区物体限制海拔高度示意图
B.1.2 过渡区内限制海拔高度计算方法
过渡区以其“边缘”为雷达净空环境保护基准线。对应的限制海拔高度按照图B.2用式(B.2)计算:
h2=h1+D/2-d×tan(180λ/πD),D2/2λ+10λ/tan(180λ/πD)< d≤2D2/λ (B.2)
式中:
h2---雷达天线在水平扫描时物体最高点的限制海拔高度,单位为米(m);
h1---雷达天线口下沿点的海拔高度,单位为米(m);
λ ---雷达工作波长,单位为米(m);
D---雷达天线直径,单位为米(m);
d ---雷达天线口下沿点到物体最高点的水平距离,单位为米(m)。
说明:
1 ---波束上“边缘”;
2 ---波束中心线;
3 ---波束下“边缘”;
A---雷达天线在水平扫描时物体刚好不造成遮挡的限制海拔高度点;
C ---雷达天线口下沿点;
O---雷达天线中心点。
图B.2 过渡区域内限制海拔高度示意图
B.2 雷达天线辐射远场区净空环境保护计算方法
B.2.1 远场区孤立障碍物限制海拔高度计算方法
远场区以天线波束下边沿线为雷达净空环境保护基准线,障碍物最高点A 的限制海拔高度按照
图B.3用式(B.3)计算:
h3=h1+(D/2)×cosφ+[d+(D/2)×sinφ]×tan(φ-θ/2+β),d >2D2/λ(B.3)
式中:
h3---雷达天线在遮挡仰角容限值β扫描时障碍物最高点的限制海拔高度,单位为米(m);
h1---雷达天线口下沿点的海拔高度,单位为米(m);
D---雷达天线直径,单位为米(m);
d ---雷达天线口下沿点到障碍物最高点的水平距离,单位为米(m);
β ---障碍物最高点对应的遮挡仰角容限值,单位为度(°);
φ ---业务模式中雷达最低工作仰角,单位为度(°);
θ ---雷达天线波束宽度,单位为度(°)。
其中,遮挡角容限值见表C.1。
说明:
1 ---波束中心线;
2 ---波束下边沿;
C ---雷达天线口下沿点;
O---雷达天线中心点;
d ---雷达天线口下沿点到障碍物最高点A 的水平距离。
图B.3 远场区孤立障碍物限制海拔高度示意图
B.2.2 远场区孤立障碍物限制方位宽度计算方法
远场区以天线中心线为雷达净空环境保护基准线,雷达探测方向上远场区孤立障碍物限制方位宽度
按照图B.4用式(B.4)计算:
b=2×d1×tan(Ψ/2) (B.4)
式中:
b ---遮挡雷达波束的孤立障碍物的限制方位宽度,单位为米(m);
d1---障碍物上任意点所对应的该障碍物遮挡方位角(以雷达天线为圆心的圆心角)在该点的弦到
雷达天线中心的距离,单位为米(m);
Ψ ---障碍物的遮挡方位角容限值,单位为度(°)。
其中,遮挡角容限值见表C.1。
说明:
1 ---天线中心水平线;
O ---雷达天线中心点;
A、B ---远场区内孤立障碍物的两个边沿点;
C ---雷达天线在水平扫描时波束中心线与孤立障碍物边缘的切点,与O点处于同一海拔高度;
D ---雷达天线中心点到AB连线的垂线交点;
︱AB︱---遮挡雷达波束的孤立障碍物的限制方位宽度,即雷达天线在某一仰角扫描时,从雷达天线中心处向孤立
障碍物扫描方向看去的允许水平横向最大距离,AB =2× OD ×tan(∠AOB/2);
∠AOB ---障碍物的遮挡方位角容限值;
∠BOC ---障碍物的遮挡仰角容限值。
图B.4 远场区孤立障碍物限制方位宽度示意图
附 录 C
(规范性附录)
障碍物遮挡角容限值计算方法
C.1 计算障碍物遮挡造成的雷达回波功率损失率
在雷达探测距离不变的情况下,当雷达回波强度损失为a时,有式(C.1):
10lg
p'=
a (C.1)
式中:
p ---波束未被障碍物遮挡时的雷达接收回波功率,单位为瓦(W);
p'---波束被障碍物遮挡后的雷达接收回波功率,单位为瓦(W)。
雷达回波功率损失率为(p-p')/p。
根据5.1.1,取雷达回波强度损失最大值a=1dB,按式(C.1)计算得出雷达回波功率损失率为21%。
C.2 计算雷达辐射的总功率(遮挡前)
在实际工程中,天气雷达天线方向图主波束(3dB)内的功率密度变化近似于高斯函数曲线,高斯分布
函数为:
Φ(x)=∫
2π
θ2
2dθ
天线方向图中的主瓣能量用∫
θ1
-θ1
2π
θ2
2dθ计算,其中(-θ1,θ1)为天线主波束上、下边沿偏离主波束
轴线的角度。
由《标准正态分布函数数值表》,可知
2π
x2
2dx=1
根据3dB波束宽度的定义,当功率密度下降到最大值的一半(半功率点)时,
2π
x21
2 =
2×
2π
x2
x=0
2×
2π
解得x1=1.18。
查阅《标准正态分布函数数值表》得
P(x≤1.18)=0.881
则P(x >1.18)=0.119。
雷达辐射的总功率(遮挡前)为:
P(-1.18≤x≤1.18)=1-2×0.119=0.762
C.3 计算孤立障碍物遮挡角容限值
当障碍物遮挡造成雷达辐射功率损失率为21%时,有效辐射功率为总辐射功率的79%;为简化计算,
仅考虑障碍物遮挡造成雷达辐射功率的单程损失,损失功率为0.762×21%=0.16。
P(x≤x2)=0.881-0.762×21%=0.721
查阅《标准正态分布函数数值表》得x2=0.59。
由天线方向图与高斯概率密度函数的对应关系,可得式(C.2):
θ2
θ1=
x2
x1=
0.59
1.18=
(C.2)
式中:
θ1---半功率点下边沿偏离主波束轴线的角度(值等于半波束宽度),单位为度(°);
θ2---遮挡后波束下边沿偏离主波束轴线的角度,单位为度(°)。
从雷达波束下边沿算起的遮挡角容限值Δθ=θ1-θ2。
由式(C.2)可知Δθ=0.5θ1,该式适用于仰角和方位角。
C.4 典型天气雷达波束宽度下孤立障碍物遮挡方位角、仰角容限值
当天线波束宽度为0.5°时,θ1=0.25°,Δθ=0.125°。
当天线波束宽度为1.0°时,θ1=0.5°,Δθ=0.25°。
当天线波束宽度为1.5°时,θ1=0.75°,Δθ=0.375°。
典型天气雷达波束宽度下孤立障碍物遮挡方位角、俯仰角容限值见表C.1。
表C.1 孤立障碍物遮挡角容限值 单位为度
天气雷达波束宽度 孤立障碍物遮挡仰角容限值 孤立障碍物遮挡方位角容限值
0.5 0.125 0.125
1.0 0.25 0.25
1.5 0.375 0.375
附 录 D
(资料性附录)
天气雷达站对各种干扰源干扰电压容限值计算方法和最小防护间距的计算示例
D.1 干扰电压容限值计算方法
根据5.1.2,取干扰信号造成灵敏度损失最大值1dB,由雷达气象方程可得到
10lg
P'r,min
Pr,min=
1,
即式(D.1)
P'r,min=Pr,min+0.26Pr,min (D.1)
式中:
P'r,min---存在干扰信号时的雷达接收机输入信号功率,单位为分贝毫瓦(dBm);
Pr,min---无干扰信号时的雷达接收机输入信号功率(等于最小可检测信号功率N),单位为分贝毫瓦
(dBm)。
P'r,min应满足最小可检测信噪比要求,即P'r,min=I+N,其中I是干扰功率,则I=0.26N。
根据干扰源对天气雷达造成的干扰功率最小......
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