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改进型GTS1A型探空仪浅析【摘要】GTS1型数字式探空仪是我国L波段雷达进行高空探测使用的主要仪器之一，经过十年的运行，取得了令人满意的效果。
上海长望气象科技有限公司在此基础上又推出了它的改进型——GTS1A型数字式探空仪。
【关键词】数字式探空仪；GTS1型；GTS1A型；业务化试运行0 引言中国气象局气象探测中心对GTS1A探空仪的试验考核，按照定型设计以及业务要求，进行稳定性试验，其中业务化试运行检验GTS1A探空仪业务适用性在湖南气象培训中心长沙高空气象探测站进行。
现将试运行基本情况向各位同行做简单介绍。
1 GTS1A型数字探空仪概述1.1 直观的变化外壳采用泡沫成型，拿到手可以明显觉得质量轻于GTS1型（m≤350g，包括电池），如图1。
温度传感器与湿度传感器均已牢固焊接在支架之上，如图2。
供电电源：采用干电池组，GTS1A型数字探空仪采用干电池，中心零电位；直流电压-23V～+31V，工作时间平均不小于120min。
智能转换板和发射板外观变化不大，全部零件及集成块、晶体管等电子元件均牢固地安装在印制电路板上。
图1 GTS1A外形图注：1-珠状热敏电阻；2-湿敏电容；3-XP3；4-防雨罩图2 温湿度传感器支架1.2 工作原理数字探空仪由传感器、智能转换器、发射机和电池组成，电原理方框图见图3。
图3 电原理图1.3 传感器1.3.1 气温测量采用直径0.6×1.1mm珠状热敏电阻，在无风空气条件下响应时间约3秒，珠状热敏电阻表面采用镀铝工艺可减少长短波辐射误差。
1.3.2 气压附温测量采用DHT玻壳精密型NTC热敏电阻，作为温度补偿传感器，其安装在气压传感器外，用胶水封固。
1.3.3 湿度测量采用灵敏度高、滞后系数小、滞差环小、温度系数小的高分子薄膜湿敏电容。
其具有测湿范围广，响应速度快，体积小等优点。
在25℃时，响应时间<3秒，在-20℃时，响应时间<15秒，年漂移量<±1.5%。
常规高空气象探测规范（试行）（2003版）中国气象局监测网络司2002年11月目录第一章总则…………………………………………………………………………( 1 ) 第二章高空气象探测站……………………………………………………………( 1 ) 第三章探测装备……………………………………………………………………( 2 ) 第四章设备维护检测………………………………………………………………( 4 ) 第五章高空气象探测技术人员……………………………………………………( 4 ) 第六章探测前准备工作……………………………………………………………( 4 ) 第七章施放及探测…………………………………………………………………( 5 ) 第八章数据处理……………………………………………………………………( 6 ) 第九章编制月报表…………………………………………………………………( 13 ) 第十章台站质量控制………………………………………………………………( 13 ) 第十一章高空气象探测网质量保证体系……………………………………………( 14 ) 第十二章资料传送和管理……………………………………………………………( 14 ) 附录一：高空探测常用计算公式和参数……………………………………………( 16 )附录二：存盘数据文件名及内容与格式……………………………………………( 26 )第一章总则59型探空仪—701二次测风雷达探测系统已工作了近四十年，在我国气象事业发展中起到了重要的作用。
随着气象现代化进程和电子技术的发展，电子探空仪—L波段二次测风雷达、GPS高空气象探测系统已开始投入业务使用。
为了更好地发挥新系统的作用，特制订本规范。
1.1常规高空气象探测是指采用气球自由升空方式对自地球表面到几万米高度空间空气运动的状态（风向、风速）和气象要素（气压、温度、湿度）的变化进行探测、收集、处理的活动和工作过程。
中国气象局关于印发综合气象观测系统发展规划(2010―2015年)的通知文章属性•【制定机关】中国气象局•【公布日期】2009.12.30•【文号】气发[2009]463号•【施行日期】2009.12.30•【效力等级】部门规范性文件•【时效性】现行有效•【主题分类】气象综合规定正文中国气象局关于印发综合气象观测系统发展规划（2010-2015年）的通知（气发〔2009〕463号）各省、自治区、直辖市气象局，各直属单位，各内设机构：《综合气象观测系统发展规划（2010-2015年）》已经中国气象局局长办公会议审议通过，现印发给你们，请遵照执行。
《综合气象观测系统发展规划（2010-2015年）》是对《综合气象观测系统发展指导意见》（气发〔2009〕175号）的进一步细化，明确了“科学调整站网布局、提升观测自动化水平、增强观测能力、确保观测系统稳定运行、发挥观测系统效益”的发展目标、主要任务和保障措施等。
请各省（区、市）气象局依据本规划，结合本地实际，制定相应的综合气象观测系统实施计划，并报中国气象局备案。
二○○九年十二月三十日综合气象观测系统发展规划（2010－2015年）中国气象局2009年12月目录一、发展目标二、主要任务（一）国家气候观测网1.地面气候观测2.高空气候观测3.大气成分观测4.海洋基本气候变量观测5.陆地基本气候变量观测（二）国家天气观测网1.地面气象观测2.海洋气象观测3.高空气象观测4.天气雷达观测5.气象卫星观测6.移动气象观测（三）区域气象观测网（四）专业气象观测网1.农业气象观测2.交通气象观测3.人工影响天气观测4.风能观测5.太阳能观测6.电力气象观测7.环境气象观测8.城市气象观测9.空间天气观测（五）技术装备保障1.建立健全技术装备保障体系2.运行监控3.维护维修4.装备供应5.计量检定6.气象专用技术装备管理（六）观测数据质量与观测产品1.主要内容2.实施进度（七）技术研发及平台建设1.技术研发2.国家气候观象台3.基础平台建设和设备考核试验三、保障措施（一）加强行业管理和社会管理（二）完善体制机制（三）提高队伍素质（四）统筹各类资金投入（五）加强交流与合作附录附表1：气候观测要求（GCOS指标）（a）基本气候变量（b）地面和高空基本气候变量观测精度要求附表2：天气观测要求（WMO指标）（a）地面气象观测（b）高空气象观测（c）辐射观测附图1：优化后国家基准气候站分布图（草案）附图2：国家级地面观测站布局图（草案）附图3：全国雷电观测网布局图（草案）附图4：新一代天气雷达布局图（216部）附图5：调整后的农业气象观测站分布图附图6：风能资源观测网布局图（草案）附图7：太阳能资源观测网布局图（草案）附图8：空间天气观测布局图（草案）本规划依据《综合气象观测系统发展指导意见》（气发〔2009〕175号）的指导思想和基本原则，针对经济社会发展和各项气象工作日益增长的需求，统筹国家、地方政府、有关部门和相关行业对气象工作的投入，按照综合、协调、可持续发展思路，提出了2010-2015年综合气象观测系统发展目标，明确了科学调整站网布局、提升观测自动化水平、增强观测能力、确保稳定运行、发挥观测系统效益等方面的发展任务、实施进度和保障措施。
附件1常规高空气象观测业务规范中国气象局2010年5月前言59型探空仪—701二次测风雷达观测系统已工作了近五十年，在我国气象事业发展中起到了重要的作用。
随着气象观测业务现代化进程和电子技术的发展，L波段二次测风雷达—电子探空仪等新型高空气象观测系统陆续投入业务使用,结合世界气象组织《气象仪器和观测方法指南》（第六版）（世界气象组织，2005年）的技术要求，及时总结我国高空气象观测业务规范执行方面的经验，更好地发挥新系统的作用，在《常规高空气象探测规范（试行）》（2003版）的基础上修订和完善，编制了本规范。
本规范与《高空气象观测规范》（1977年）和《常规高空气象探测规范（试行）》（2003年）之间具有连续性和继承性。
在历时近三年的编制过程中，多次多层面征求意见，反复讨论修改，先后几易其稿，最终完成本规范编写。
本规范对高空气象观测的基本任务、观测方法、技术要求以及观测记录处理方法等进行了规定。
各类观测系统的具体安装、操作和维护及软件使用方法由相应的使用手册进行规定，并作为本规范的重要补充。
本规范的修改和解释权属中国气象局。
本规范由中国气象局综合观测司组织，中国气象局气象探测中心编写，李伟、许正旭、陈永清、马舒庆、刘凤琴、张宇、陈益玲、吴桂根、夏峰、郭启云、赵培涛等同志参加编写。
目录前言第一章总则 (1)第二章高空气象观测站 (1)第三章观测装备 (3)第四章设备维护检测 (5)第五章高空气象观测技术人员 (5)第六章高空压、温、湿、风观测 (5)第七章观测前准备工作 (6)第八章探空仪施放及观测 (6)第九章观测数据实时处理 (8)第十章报告电码编制及传输 (14)第十一章月报表编制 (15)第十二章测站质量保证 (16)第十三章高空气象观测网质量保证 (16)第十四章资料管理 (17)附件A 高空观测常用计算公式和参数 (18)附件B 数据文件命名规则 (34)附件C 探空系统秒级观测资料上传文件格式 (38)附件D 高空全月观测数据归档格式 (51)第一章总则常规高空气象观测是指采用气球携带无线电探空仪，以自由升空方式对自地球表面到几万米高度空间的大气气象要素（气压、温度、湿度）和运动状态（风向风速）等的变化进行观测、收集、处理的活动和工作过程。
附件1常规高空气象观测业务规范中国气象局2010年5月前言59型探空仪—701二次测风雷达观测系统已工作了近五十年，在我国气象事业发展中起到了重要的作用。
随着气象观测业务现代化进程和电子技术的发展，L波段二次测风雷达—电子探空仪等新型高空气象观测系统陆续投入业务使用,结合世界气象组织《气象仪器和观测方法指南》（第六版）（世界气象组织，2005年）的技术要求，及时总结我国高空气象观测业务规范执行方面的经验，更好地发挥新系统的作用，在《常规高空气象探测规范（试行）》（2003版）的基础上修订和完善，编制了本规范。
本规范与《高空气象观测规范》（1977年）和《常规高空气象探测规范（试行）》（2003年）之间具有连续性和继承性。
在历时近三年的编制过程中，多次多层面征求意见，反复讨论修改，先后几易其稿，最终完成本规范编写。
本规范对高空气象观测的基本任务、观测方法、技术要求以及观测记录处理方法等进行了规定。
各类观测系统的具体安装、操作和维护及软件使用方法由相应的使用手册进行规定，并作为本规范的重要补充。
本规范的修改和解释权属中国气象局。
本规范由中国气象局综合观测司组织，中国气象局气象探测中心编写，李伟、许正旭、陈永清、马舒庆、刘凤琴、张宇、陈益玲、吴桂根、夏峰、郭启云、赵培涛等同志参加编写。
目录前言第一章总则 (1)第二章高空气象观测站 (1)第三章观测装备 (3)第四章设备维护检测 (5)第五章高空气象观测技术人员 (5)第六章高空压、温、湿、风观测 (5)第七章观测前准备工作 (6)第八章探空仪施放及观测 (6)第九章观测数据实时处理 (8)第十章报告电码编制及传输 (14)第十一章月报表编制 (15)第十二章测站质量保证 (15)第十三章高空气象观测网质量保证 (16)第十四章资料管理 (16)附件A 高空观测常用计算公式和参数 (18)附件B 数据文件命名规则 (34)附件C 探空系统秒级观测资料上传文件格式 (38)附件D 高空全月观测数据归档格式 (51)第一章总则常规高空气象观测是指采用气球携带无线电探空仪，以自由升空方式对自地球表面到几万米高度空间的大气气象要素（气压、温度、湿度）和运动状态（风向风速）等的变化进行观测、收集、处理的活动和工作过程。
附件1气象观测专用技术装备测试方法风廓线雷达(试行)中国气象局综合观测司2017年10月编写说明《气象观测专用技术装备测试方法（试行）》针对气象观测专用技术装备测试编制，所涉及的装备是拟用于气象观测专用的仪器和设备（暂不包括气象卫星及人工影响天气作业设备），可以是整机、系统、传感器和部件等。
本《方法》目前主要包括以下部分：气象观测专用技术装备测试方法总则（修订）气象观测专用技术装备测试方法环境适应性（试行）气象观测专用技术装备测试方法地面气象观测设备（试行）气象观测专用技术装备测试方法高空气象观测设备（试行）气象观测专用技术装备测试方法天气雷达（试行）气象观测专用技术装备测试方法风廓线雷达（试行）气象观测专用技术装备测试方法地基GNSS遥感水汽探测设备（试行）气象观测专用技术装备测试方法气溶胶质量浓度设备（试行）根据需要，可补充增加其他类型装备的测试方法。
本《方法》由中国气象局综合观测司提出，中国气象局气象探测中心组织编写，经多次反复讨论修改，最终完成本《方法》的编写。
本《方法》的修改和解释权归中国气象局综合观测司。
本部分为《气象观测专用技术装备测试方法风廓线雷达》，规定了风廓线雷达测试的要求、内容和方法，包括交接检查、技术性能测试、探测能力试验、显示和控制终端检查、环境适应性试验、可靠性和维修性试验等。
本部分主要起草人：何平、吴蕾、齐涛、任晓毓、陈瑶、王天天。
目次1 范围 (1)2 规范性引用文件 (1)3 基本要求 (1)4 交接检查 (1)5 技术性能测试 (1)5.1 天线和馈线 (1)5.2 发射系统 (4)5.3接收系统 (6)5.4整机 (8)5.5数据与产品 (11)5.6显示与控制终端 (11)6 探测性能 (12)6.1 探测高度统计 (12)6.2被试雷达自身比对 (12)6.3气球测风比对 (13)7环境适应性试验 (13)7.1气候环境 (13)7.2运输或行驶 (13)7.3电磁兼容性 (13)8可靠性和维修性 (13)8.1可靠性 (13)8.2连续工作时间 (14)8.3维修性 (14)9安全性 (14)9.1高压警告及防护 (15)9.2绝缘电阻 (15)9.3防雷措施 (15)9.4安全信号联络 (15)9.5微波辐射安全 (15)9.6噪声安全 (15)10测试结果及评定 (15)附录A 风廓线雷达测风自比较的数据处理和评定附录B 风廓线雷达与气球定位测风比对试验数据处理方法和要求1 范围本部分规定了风廓线雷达的测试要求、内容和方法。
本部分适用于风廓线雷达的测试和评估。
2 规范性引用文件GB 5080.7-1986设备可靠性试验GB 8702 电磁辐射防护规定GJB 151B-2013 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量GJB 2072 维修性试验与评定气象观测专用技术装备测试方法总则（修订）（气测函〔2017〕36号）气象观测专用技术装备测试方法天气雷达（试行）（气测函〔2016〕156号）风廓线雷达（L波段）出厂和现场测试大纲（试行）（气测函〔2013〕315号）3 基本要求应符合《气象观测专用技术装备测试方法总则（修订）》中4、5的相关要求。
4 交接检查除按照《气象观测专用技术装备测试方法总则（修订）》中8的要求进行外观、结构和成套性检查外，还应进行雷达开机检查，以确定被试雷达是否能够正常工作。
5 技术性能测试技术性能测试包括：天线和馈线、发射系统（含T/R组件）、接收系统、整机、数据和产品以及显示与控制终端六个部分。
5.1 天线和馈线本部分包括：天线体制、方向图、天线增益、天线罩损耗与指向误差、天线和馈线系统损耗、电压驻波比、屏蔽网隔离度七项测试。
5.1.1 天线体制检查天线体制、天线类型和天线辐射单元分布结构。
5.1.2方向图测试框图：图1 典型天线远场测试框图按照图1安置测量支架、仪器和设备。
辅助天线的极化状态与被测天线匹配，将信号源的频率设置为被测天线工作的中心频率。
经远场测试给出各个波束的方向图。
波束指向、波束宽度、最大副瓣高度与位置、远瓣平均高度等参数均由方向图导出。
测试步骤：a)使辅助天线最大辐射方向与被测天线某个波束最大辐射方向对准，记录频谱分析仪接收电平。
b)沿扫描面步进调整被测天线阵面,依次记录频谱分析仪接收电平，得到该波束扫描面方向图。
c)沿非扫描面步进调整被测天线阵面,依次记录频谱分析仪接收电平，得到该波束非扫描面方向图。
d)重复a)至c)测试，测出不同波束的方向图。
e)如果雷达使用多个工作频率，重复a)至d)测试，得到其它频率点上的各波束的方向图。
5.1.3天线增益测试步骤：a)在被测天线处用点源辐射天线替代，注入一功率，在辅助天线处测量接收功率，记为P1。
b)换用被测天线，注入相同的功率，调整被测天线的方位角和仰角，使辅助天线处测量的接收功率最大，记为P2。
c)计算天线增益：G=10Lg(P2/P1)。
d)将信号源频率依次设置为其它工作频率点，重复a)、c)的测试，以得到其它频率点上的天线增益。
5.1.4 天线罩损耗与指向误差天线罩损耗是指加装天线罩后辐射功率的减少。
天线罩指向误差是指加装天线罩前后的波束中心指向之差。
测试方法:在5.1.2和5.1.3测量的基础上，将被测天线加装天线罩，重复5.1.2和5.1.3的测试，比较测量结果，求出天线罩损耗与指向误差。
5.1.5 天线和馈线系统损耗测量天馈线分系统工作频带范围内发射通道、接收通道损耗。
有多个发射、接收通道时，各个通道均需测量。
测试框图：图2 天馈损耗测试框图测试方法：将被测天馈分系统的发射机输入端接入矢量网络分析仪的端口1、天线输入端接入矢量网络分析仪的端口2，进行发射通道损耗测试，找出频带范围内的最小值即为被测天馈分系统的发射通道损耗。
5.1.6 电压驻波比测试天线馈线系统工作频带内的最大电压驻波比。
测试框图：图3 电压驻波比测试框图测试步骤：a)根据天馈系统工作频带设置矢量网络分析仪的测试频带，将测试参数设置为S11，参数形式设置为电压驻波比；b)将开路器、短路器、负载分别接入矢量网络分析仪的端口1按仪器提示进行操作；c)将被测天馈系统接入矢量网络分析仪的端口1进行电压驻波比测试，找出频带范围内的最大值即为被测天馈系统的电压驻波比。
5.1.7 屏蔽网隔离度测试框图：测试连接如图4所示。
将两个天线单元分别连接在矢量网络分析仪的输出端和输入端，两个天线单元一个在屏蔽网内，一个在屏蔽网外。
图4 天线屏蔽网隔离度测试示意图测试方法：首先在打开屏蔽网的情况下记录矢量网络分析仪的读数P1（dBm），然后关闭屏蔽网，记录矢量网络分析仪的读数P2（dBm），屏蔽网的单向隔离度为：I＝P1-P2（dB），双向隔离度为单向隔离度的2倍，即2×（P1-P2）（dB）。
5.2 发射系统本部分包括：T/R组件、发射（峰值）功率、发射脉冲（脉冲宽度、脉冲上升时间、下降时间、脉冲重复频率）、发射频率与频谱四项测试。
有多个工作模式时，需要逐一测量。
有多个发射通道时，需要逐一测量。
发射系统测试连接示意图如图5所示。
将大功率衰减器接在发射机输出端，用功率计、频谱分析仪、功率计、示波器、检波器等仪表，分别在不同工作模式、不同通道下逐一进行测量。
图5 发射机性能测试示意图5.2.1 T/R组件T/R组件的测试内容包括发射波形、发射频谱、峰值功率。
T/R发射波形测试：示波器端口1与监控组合同步，示波器端口2接T/R组件输出，分别测量不同工作模式下的发射波形。
T/R发射峰值功率测试：T/R组件输出经大功率衰减器接功率计，分别测量不同工作模式下的峰值功率。
发射频谱：T/R组件输出经大功率衰减器接频谱仪，频谱仪设置为雷达工作频率、扫宽100mhz，分别测量不同工作模式下的频谱。
检查T/R组件的幅/相一致性、噪声系数、接收增益、收/发隔离度等重要指标。
5.2.2 发射（峰值）功率测试方法：如图5测试连接。
将大功率衰减器接在发射机输出端，用功率计分别测量不同组件、不同模式下的发射功率。
对于多路发射系统，根据各路的测量结果，计算总发射峰值功率。
5.2.3发射脉冲及重复周期测试方法：如图5测试连接。
将大功率衰减器接在发射机输出端，用示波器分别测量不同模式下的发射脉冲宽度、脉冲幅度、脉冲上升时间、下降时间得到发射脉冲参数，如图6。
通过示波器测量两相继脉冲的间隔时间，即脉冲重复周期。
t图6 射频脉冲包络示意图5.2.4发射频率与频谱测试方法：如图5测试连接。
将大功率衰减器接在发射机输出端，用频谱分析仪测试发射频率。
频谱分析仪设置适当的中心频率、扫频范围、分辨带宽和视频带宽，分别测量不同工作模式下的发射脉冲频谱，找出中心频率，在低于中心频率峰值-10dBc、-20dBc、-30dBc、-35dBc、-40dBc、-50dBc处记录频率值，并计算出发射信号的频谱宽度。
f1f0f2图7 射频脉冲频谱示意图5.3接收系统本部分包括：噪声系数、接收机增益、接收机灵敏度、动态范围四项测试。
有多个工作模式时，需要逐一测量；有多个接收通道时，需要逐一测量。
5.3.1噪声系数噪声系数是接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值，表征测量接收机内部噪声的大小，通常用分贝表示，采用噪声系数测试仪表直接进行测试。
测试框图：图8 噪声系数测试框图测试方法：a)按图8连接设备；对噪声系数仪表进行初始设置，将噪声系数仪的附件噪声源直接接入仪表的输入输出端，进行校准。
b)然后将被测接收机接入，进行噪声系数测量。
5.3.2接收机增益测定自接收机前端至输入到中频检波器输出，对信号可呈现的最大增益，通常用频谱分析仪直接进行测量。
测试框图：图9 接收机增益测试框图测试方法：a)信号源频率设置为工作频率,输出功率调节在接收机线性区,记录为1G ；b)使用频谱仪测量接收机中放输出，读出此时频谱仪功率,记录为2G ；c)按公式12G G G -=计算中频接收机增益G 。
5.3.3接收机灵敏度测试接收机接收微弱信号的能力，用接收机输入端的最小可检测信号功率表示。
测试框图：图10 接收机灵敏度测试示意图测试方法：将信号源接在接收机前端的低噪声放大器入口处，接收机的模拟中频输出端接频谱分析仪。
频谱分析仪设置合适的中心频率、扫频范围、分辨带宽和视频带宽。
测试时，首先关闭信号源，在频谱分析仪上测得噪声电平P1（dBm ），再打开信号源，调整信号源的输出功率，使频谱分析仪的读数为（P1＋3）dBm ，此时信号源的输出功率值即为接收机的灵敏度。
对测试环境和仪表的要求：a)信号源的频率测量误差应在自频控剩余误差以内，信号源输出信号幅度和衰减器的误差应不大于0.5 dBmW，信号源的漏能功率应低于从正规通道进入接收机的信号功率；b)信号源的输出信号应按产品具体规范要求来调整，一般有连续波信号、脉冲调制信号等；c)测试场地应是干净的电磁环境，除被测接收机和信号源以外，没有其它频率相近或与接收机中频相近的能量源，最好在屏蔽房或微波暗室内进行测试。
