Principy konstrukce a provozu meteorologických radarů
Obrázek 1: Radarový snímek povětrnostní situace
Principy konstrukce a provozu meteorologických radarů
Principy konstrukce a provozu meteorologických radarů jsou velmi podobné principům primárních přehledový radarů (PSR) a provází je mnoho podobných problémů.
Nejdůležitější rozdíl mezi těmito dvěma typy radarů spočívá v tom, že u leteckých přehledových radarů se provádí pouze detekce cíle (je cíl přítomen? Ano nebo ne) a pouze měření jeho souřadnic. Meteorologické radary měří také amplitudu echosignálu. Výsledné údaje poskytují informace o intenzitě a shodě odrážejících se objektů v oblasti pozorování.
Existují však i důležitější rozdíly. Ty jsou často způsobeny tím, že tvary vyhledávaných objektů jsou u radarů jednoho a druhého typu velmi odlišné. Mraky a jejich shluky mají mnohem větší geometrické rozměry než například raketa a na některých frekvencích jsou také poloprůhledné. V tomto ohledu poskytují lepší výsledky meteorologické radary, které využívají vícefrekvenční snímání. (Dokonce i termín „multifrekvenční sondování“ má v souvislosti s meteorologickými radary jiný význam než v případě multifrekvenčních přehledový radarů.)
Obrázek 2. Princip radaru
Obecný princip fungování meteorologického radaru je vysvětlen na známém obrázku: silné vysílané impulsy se od objektu odrážejí do všech směrů a část z nich se odráží zpět do radaru jako echo signál. Ačkoli má vysílaný signál velký výkon, přijatý signál je obvykle velmi, velmi slabý, a proto je k jeho zachycení a interpretaci zapotřebí mimořádně citlivý přijímač.
U primární radarů jsou očekávanými signály ozvěny od letadel a jiných letících objektů. V tomto případě jsou echa způsobená meteorologickými útvary rušivá a musí být odfiltrována. Naopak u meteorologických radarů jsou ozvěny od letadel považovány za rušivé. Současně musí být v obou typech radarů zavedeny metody ochrany proti pasivnímu rušení - odrazům od stacionárních objektů.
Srovnání přehledových a meteorologických radarů
Porovnejme meteorologické radary s radary řízení letového provozu nebo protivzdušné obrany, ale omezme se na přiměřeně srovnatelné typy, například radary řízení letového provozu dlouhého a středního dosahu, jako jsou traťové radary a letištní přehledové radary, a porovnejme je se srážkovými radary.
| Charakteristiky | Primární přehledový radar | Meteorologický radar |
|---|---|---|
| Frekvenční pásma | L, S-pásmo | S,C & X-pásmo |
| Doppler- Verfahren | Používá se v obou systémech. | |
| Skenování | Azimut nebo elevace | azimut a elevační úhel |
| Zpracování | Komplexní, v reálném čase | Velmi složité, čas není rozhodující |
| Polarizace | Lineární a kruhová | Duální (vertikální a horizontální) |
| Impulsní výkon | Proměnný (kW - Mw) | Proměnný (kW - Mw) |
| Digitální zpracování | Reálné a imaginární veličiny komplexního signálu | |
| Aktualizace obrazu | 6 - 12 s | 5 - 15 min |
| Potlačení rušení | Ano (rušení - ozvěny od hydrometeorů) | Ano (rušení od ozvěny letadel) |
| Velikost antény | Větší (jako delší vlnová délka) | Menší (jako kratší vlnová délka) |
Tabulka 1: Srovnání meteorologického radaru s přehledovým radarem
Frekvenční pásma
Radary řízení letového provozu a systémy protivzdušné obrany pracují v pásmu L, S (většinou v pásmu L). Meteorologické radary obvykle vysílají v pásmu S, C, X (méně často v pásmu L). Zejména pásmo L je vhodné pro přehledový radary velkého dosahu, protože vliv povětrnostních podmínek je v tomto případě minimální. Pásma S, C a X jsou naopak vhodnější pro meteoradary, protože mají kratší vlnovou délku.
Dopplerovské zpracování
Dopplerovské frekvenční zpracování pro meteorologické radary je standardním postupem přibližně od 90. let 20. století. Téměř všechny komerčně dostupné meteorologické radary jsou vybaveny dopplerovským zpracováním.
Vzory antén
Dopplerovské přehledový radary mají obvykle anténu s kosekant-čtvercový radiační diagramem, a proto neposkytují přesná měření úhlu polohy cíle. (Pro tento účel existují speciální radiovýškoměry.)
Meteorologické radary mají antény s tužkovým paprskem, které se mohou otáčet v azimutu a elevaci (obvykle se jedna rotace provádí při pevném elevačním úhlu).
Hlavním omezením při provozu přídavného meteorologického kanálu jako součásti primárního radaru je, že anténa není ostře směrová v úhlové rovině (šířka směrového diagramu je 15° … 30°). Jak si pamatujeme, děje se tak proto, aby bylo možné detekovat vzdušné objekty v celém daném výškovém rozsahu při každém natočení antény. V důsledku toho budou radarové snímky meteorologického radaru v této konfiguraci nepřesné a nekvalitní.
Meteorologické radary používají vysoce směrové antény, včetně antén v úhlové rovině. V takovém případě je při jedné otáčce pokryt pouze úzký úhlový sektor a z jednotlivých skenů je pak sestaven trojrozměrný radarový obraz. To trvá několikanásobně déle než u přehledových radarů, a proto se radarový obraz povětrnostní situace aktualizuje nejméně 5 minut. Není třeba to dělat rychleji, protože povětrnostní situace (poloha hydrometeorů) je konstantnější než aktuální poloha letadla.
Zpracování radarových signálů
Při zpracování radarového echa od antény po displej se používá řada různých funkcí a filtrů. Tento typ zpracování lze nazvat „komplexním“. Tyto funkce a filtry se používají také v meteorologických radarech. Existuje však i speciální zpracování dat, při kterém se přijaté echo signály porovnávají s hodnotami uloženými v tabulce a z jednotlivých úhlových pohledů se vytváří trojrozměrný obraz. Proto se zpracování signálů v meteorologickém radaru konvenčně nazývá „velmi složité“ abo „velmi komplexním“.
Polarizace
V přehledových radarech se používá lineární i kruhová polarizace. Účelem volby polarizace je získat radarový obraz bez rušení způsobeného atmosférickými jevy. Pokud jsou přijímány silné ozvěny z mraků, přepne radar na kruhovou polarizaci, aby se snížil vliv těchto rušivých signálů.
U meteorologických radarů se kruhová polarizace ze stejného důvodu nepoužívá. Zde se echa v lineární vertikální polarizaci porovnávají s echy v lineární horizontální polarizaci, čímž se získávají další informace o různých meteorologických jevech.
Impulsní výkon
Impulsní výkon jednotlivých typů systémů se liší v závislosti na mikrovlnném zdroji a požadovaných technických specifikacích. U obou typů radarů se dostupný impulzní výkon pohybuje od 20 kW do 1,5 MW. Moderní letecké radary pro detekci objektů používají polovodičové vysílače s vnitropulsní modulací signálu. V tomto případě je pulzní výkon mnohem nižší. Tento přístup lze v zásadě použít i pro meteorologické radary. Boční časové laloky však vedou k nepřesnostem. Z tohoto důvodu je u meteorologických radarů i nadále vhodnější použití vysoce výkonných zesilovacích trubic, jako jsou klystrony.
Digitální zpracování
V zásadě se v obou typech systémů používá digitální synchronního detektoru (I & Q -detektor). U meteorologických radarů je dynamický rozsah přijímače o něco důležitější než u přehledových radarů. V tomto případě obvykle pracuje paralelně několik přijímačů s různou citlivostí. Digitální zpracování vybírá přijímač, který poskytuje nejlepší odstup signálu od šumu, aniž by došlo k přetížení.
Aktualizace obrazu (Rychlost obnovy dat)
Primární radarové systémy řízení letového provozu mají požadavek na získání polohy všech letadel při každém průzkumu (tj. přibližně každých 6 … 12 sekund). Tento požadavek je dán vysokou dynamikou vzdušné situace. Radary s vějířovitý paprsek nebo kosekant-čtvercový radiační diagram tento požadavek splňují, protože obrazec pokrývá všechny požadované výšky.
U meteorologických radarů se vytváří složitější obrazec, který vyžaduje několik otáček antény. Jehlový vzor tohoto radaru pokrývá pouze malý rozsah výškových úhlů. Proto je k získání úplného objemového snímku zapotřebí několik po sobě jdoucích skenů v různých výškových úhlech. Z tohoto důvodu se radarový obraz povětrnostní situace aktualizuje každých několik minut.
Potlačení rušení
Oba typy systémů hojně využívají techniky pasivního potlačení rušení. Volba použité metody závisí do značné míry na typu radaru. V zásadě se však vždy používá dopplerovské zpracování. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že u každého typu radaru je třeba ze směsi signál/šum extrahovat jiné užitečné signály.
Velikost antény
Velikost antény závisí na pracovní frekvenci radaru a na požadavcích na přesnost zaměření paprsku. V dlouhovlnném pásmu L, které odpovídá pracovnímu kmitočtovému rozsahu radarů pro řízení letového provozu a protivzdušné obrany, jsou vyžadovány velké rozměry antén. Anténa meteorologického radaru v pásmu X je umístěna v přídi letadla a zároveň poskytuje stejné rozlišení úhlových souřadnic.