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Principios de construcción y funcionamiento de los radares meteorológicos

Wetter picture

Figura 1: Imagen radar de la situación meteorológica

Principios de construcción y funcionamiento de los radares meteorológicos

Los principios de construcción y funcionamiento de los radares meteorológicos son muy parecidos a los de los radares primarios de vigilancia (PSR), por lo que se plantean muchos problemas similares.

La diferencia más importante entre estos dos tipos de radares es que en los radares de vigilancia aérea sólo se realiza la detección del blanco (¿está presente el blanco? ¿Sí o no?) y sólo la medición de sus coordenadas. Los radares meteorológicos también miden la amplitud de la señal de eco. Como resultado, los datos proporcionan información sobre la intensidad y consistencia de los objetos reflectantes en la zona de observación.

Pero también hay diferencias más importantes. Suelen deberse a que las formas de los objetos a buscar son muy diferentes para los radares de un tipo y otro. Las nubes y los cúmulos de nubes tienen dimensiones geométricas mucho mayores que, por ejemplo, un misil, y a algunas frecuencias son además semitransparentes. En este aspecto, los mejores resultados los proporcionan los radares meteorológicos, que utilizan la detección multifrecuencia. (Incluso el término „sondeo multifrecuencia“ tiene un significado diferente con respecto al radar meteorológico que con respecto al radar de diversidad de frecuencia.)

energía emitida
retrodispersión

Figura 2. Principio del radar

energía emitida
retrodispersión

Figura 2. Principio del radar

El principio general de funcionamiento de un radar meteorológico se explica en la conocida figura: los potentes impulsos emitidos son reflejados en todas las direcciones por un objeto y parte de ellos vuelven al radar en forma de señal de eco. Aunque la señal emitida tiene una gran potencia, la señal recibida suele ser muy, muy débil y, por tanto, requiere un receptor extremadamente sensible para captarla e interpretarla.

Para los radares primarios de vigilancia, las señales esperadas son ecos de aviones y otros objetos voladores. En este caso, los ecos causados por formaciones meteorológicas interfieren y deben filtrarse. Por el contrario, en los radares meteorológicos, los ecos de las aeronaves se consideran interferencias. Al mismo tiempo, en ambos tipos de radar deben aplicarse métodos de protección contra las interferencias pasivas, es decir, las reflexiones procedentes de objetos estacionarios.

Comparación entre radares de vigilancia y meteorológicos

Comparemos los radares meteorológicos con los radares de control del tráfico aéreo o de defensa aérea, pero limitémonos a tipos razonablemente comparables, por ejemplo, los radares de control del tráfico aéreo de largo y medio alcance, como los radares en ruta y los radares de vigilancia de aeropuertos, y comparémoslos con los radares de precipitaciones.

CaracterísticasRadar primario de vigilanciaRadar meteorológico
Bandas de frecuencia Bandas L, S Bandas S,C & X
Procesamiento Doppler Se utiliza en ambos sistemas.
Exploración Ángulo acimutal o de elevación Ángulo acimutal y de elevación
Procesamiento Complejo, tiempo real Muy complejo, el tiempo no es crítico
Polarización Lineal y circular Dual (vertical y horizontal)
Potencia del impulso Variable (kW - Mw) Variable (kW - Mw)
Tratamiento digital Procedimiento en fase y cuadratura
Actualización de imagen 6 - 12 seg 5 - 15 min
Supresión de interferencias Sí (interferencias - ecos de hidrometeoros) Sí (interferencias - ecos de aviones)
Tamaño de la antena Mayor (como longitud de onda más larga) Más pequeña (como longitud de onda más corta)

Tabla 1: Comparación del radar meteorológico con el radar de vigilancia

Bandas de frecuencia

Los radares de control del tráfico aéreo y los sistemas de defensa aérea operan en banda L, banda S (principalmente en banda L). Los radares meteorológicos suelen emitir en banda S, C y X (menos frecuentemente en banda L). La banda L en particular es adecuada para los radares de detección de largo alcance, ya que la influencia de las condiciones meteorológicas en este caso es mínima. En cambio, las bandas S, C y X son más adecuadas para los meteoradares debido a su menor longitud de onda.

Procesamiento Doppler

El procesamiento de frecuencias Doppler para radares meteorológicos es un procedimiento estándar desde aproximadamente la década de 1990. Casi todos los radares meteorológicos disponibles en el mercado están equipados con procesamiento Doppler.

Patrones de antena

Los radares de vigilancia Doppler suelen tener una antena con diagrama de haz cosecante al cuadrado y, por lo tanto, no proporcionan mediciones precisas del ángulo de localización del blanco. (Existen altímetros de radio especiales para este fin.)

Los radares meteorológicos tienen antenas en forma de aguja (haz de lápiz) que pueden girar en acimut y elevación (normalmente se realiza un giro a un ángulo de elevación fijo).

La principal limitación cuando se opera un canal meteorológico adicional como parte del radar primario es que la antena no es direccional aguda en el plano de ángulo de posición (15° … 30° de ancho de haz). Como recordamos, esto se hace para poder detectar objetos aéreos en todo un rango de altitud determinado con cada giro de la antena. En consecuencia, las imágenes de radar de un radar meteorológico con esta configuración serán inexactas y de mala calidad.

Los radares meteorológicos utilizan antenas altamente direccionales, incluidas las del plano angular. En este caso, sólo se cubre un estrecho sector angular en un solo giro y, a continuación, se compila una imagen de radar tridimensional a partir de exploraciones individuales. Esto lleva varias veces más tiempo que en los radares de detección y, por lo tanto, la imagen radar de la situación meteorológica se actualiza durante al menos 5 minutos. No es necesario hacerlo más rápido, ya que la situación meteorológica (posición de los hidrometeoros) es más constante que la posición actual de la aeronave.

Tratamiento de las señales de radar

En el procesamiento de ecos de radar se aplican diversas funciones y filtros desde la antena hasta la pantalla. Este tipo de procesamiento puede denominarse „complejo“. Estas funciones y filtros también se utilizan en los radares meteorológicos. Pero también existe un procesamiento de datos especial en el que las señales de eco recibidas se comparan con los valores almacenados en una tabla y se forma una imagen tridimensional a partir de vistas angulares individuales. Por eso, el procesamiento de señales en el radar meteorológico se denomina convencionalmente „muy complejo“.

Polarización

En los radares de vigilancia se utilizan tanto la polarización lineal como la circular. El objetivo de la selección de la polarización es obtener una imagen de radar sin interferencias causadas por fenómenos atmosféricos. Si se reciben fuertes ecos de nubes, el radar cambia a polarización circular para reducir la influencia de estas señales interferentes.

En los radares meteorológicos, la polarización circular no se utiliza por la misma razón. Aquí, los ecos en la polarización vertical lineal se comparan con los ecos en la polarización horizontal lineal, proporcionando así información adicional sobre los diferentes fenómenos meteorológicos.

Potencia de impulso

La potencia de impulso de cada tipo de sistema varía en función de la fuente de microondas y de las especificaciones técnicas requeridas. Para ambos tipos de radar, la potencia pulsada disponible oscila entre 20 kW y 1,5 MW. Los radares modernos de vigilancia de objetos aerotransportados utilizan transmisores de estado sólido con modulación de señal intrapulso. En este caso, la potencia pulsada es mucho menor. En principio, este enfoque puede aplicarse a los radares meteorológicos. Sin embargo, los lóbulos laterales en el tiempo provocan imprecisiones. Por este motivo, en los radares meteorológicos sigue siendo preferible el uso de tubos amplificadores de alta potencia, como los klystrons.

Tratamiento digital

En principio, en ambos tipos de sistemas se utiliza el procesamiento digital en fase y cuadratura (I & Q). Para el radar meteorológico, el rango dinámico del receptor es algo más importante que para el radar de vigilancia. En este caso, suelen trabajar en paralelo varios receptores con diferentes sensibilidades. El procesamiento digital selecciona el receptor que proporciona la mejor relación señal/ruido sin sobrecargarlo.

Actualización de la imagen

Los sistemas de radar de control del tráfico aéreo primario tienen la obligación de obtener la posición de todas las aeronaves en cada sondeo (es decir, aproximadamente cada 6 … 12 segundos). Este requisito viene determinado por la elevada dinámica de la situación aérea. Los radares con antena de haz en forma de abanico o en cosecante al cuadrado, ya que el diagrama cubre todas las alturas requeridas.

En los radares meteorológicos se forma un patrón más complejo, que requiere varias revoluciones de la antena. El diagrama de aguja de este radar sólo cubre una pequeña gama de ángulos de elevación. Por lo tanto, se requieren varias exploraciones sucesivas en diferentes ángulos de elevación para obtener una exploración volumétrica completa. Por esta razón, la imagen radar de la situación meteorológica se actualiza cada pocos minutos.

Supresión de interferencias

Ambos tipos de sistemas utilizan ampliamente técnicas de supresión de interferencias pasivas. La elección del método depende en gran medida del tipo de radar. Pero, en principio, siempre se aplica el procesamiento Doppler. La principal diferencia es que en cada tipo de radar hay que extraer diferentes señales útiles de la mezcla señal-ruido.

Tamaño de la antena

El tamaño de la antena depende de la frecuencia de funcionamiento del radar y de los requisitos de precisión de enfoque del haz. En la banda L de onda larga, que corresponde a la gama de frecuencias de funcionamiento de los radares de control del tráfico aéreo y de defensa antiaérea, se requieren tamaños de antena considerables. La antena del radar meteorológico de banda X se coloca en el morro del avión y proporciona la misma resolución de coordenadas angulares.