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Principes d’opération

Image montrant la position et l’intensité des précipitations

Figure 1 : Image montrant la position et l’intensité des précipitations

Principes d’opération

Un radar météorologique fonctionne sur le même principe qu’un radar primaire de surveillance aérienne. Il souffre également des mêmes limitations: problèmes d’échos de sol, de réfraction anormale à travers l’atmosphère, de cibles biologiques comme les oiseaux et les insectes, de blocages, etc.

La différence fondamentale entre les deux est dans le traitement des données. Alors qu’un radar primaire ne doit qu’identifier la présence et la position d’une cible (présente oui/non), le radar météorologique sonde un volume de l’atmosphère qui est rempli d’une multitude de hydrométéores (pluie, neige, grêle, etc.). Il doit non seulement permettre de reconnaître la position de ces précipitations mais à partir du signal de retour, il doit estimer leur intensité, la vitesse à laquelle elles se déplacent et leurs mouvements à l’intérieur des nuages.

énergie rayonnée
onde réfléchie

Figure 2 : Principe du radar météorologique

énergie rayonnée
onde réfléchie

Figure 2 : Principe du radar météorologique

Ce diagramme familier s’applique donc aussi dans le cas d’un radar météorologique à impulsions. L’énergie émise (par exemple 850 kW) est rétrodiffusée vers l’antenne radar, réfléchie en partie, par les précipitations. Ce retour est très faible, beaucoup plus faible que pour un aéronef, et demande un récepteur très sensible. La nuée de gouttes change également de forme et occupe un très grand volume dans l’espace sondé par le radar, au contraire des aéronefs. Finalement, leur vitesse est beaucoup moins grande que les objets volants créés par l’homme.

Ainsi pour un radar de surveillance aérienne, l’intérêt est de détecter des cibles ponctuelles relativement intenses et à déplacement rapide qui peuvent être noyées dans la précipitation. Pour un radar météorologique, il s’agit au contraire de reconnaître un signal faible mais étendu auquel des échos de retour provenant d’avions est nuisible. Ce qui est donc du bruit pour l’un est la donnée « essentielle » pour l’autre.

Pour le radar météorologique, la rétrodiffusion comporte une complication supplémentaire. Elle est la somme des réflexions combinées de toutes les gouttes dans la cellule de résolution, de dernier étant de l’ordre du kilomètre cube. La somme peut être additive ou constructive, selon la position des gouttes dans le volume, et variera entre deux impulsions revenant du même volume sondé. Cette réflectivité, est donc obtenue grâce à une moyenne des retours d’un même volume sondé. L’interprétation des données en taux ou en type de précipitations nécessite donc quelques hypothèses :

  1. La largeur du faisceau est faible et l’impulsion courte afin d’avoir la plus petite cellule de résolution possible ;
  2. Le retour d’énergie provenant des lobes secondaires est négligeable ;
  3. Le volume sondé est complètement rempli d’hydrométéores de même type pour ne pas moyenner le signal sur des cibles différentes ;
  4. Le taux de précipitation est le même dans tout le volume ;
  5. Le changement d’indice de réfraction de l’air avec l’altitude est « normal » et les atténuations sont faibles.

Les radars météorologiques modernes utilisent des techniques sophistiquées pour transformer le signal brut et en tirer la donnée météorologique. Ils utilisent diverses informations contenues dans le signal de retour: réflectivité, vitesse Doppler et signal à double polarimétrie. D’un autre côté, une technique rapide pour les radars primaires de surveillance aérienne afin de reconnaître les cibles météorologiques est de comparer les signaux provenant de différentes longueurs d’onde d’émission (une technique différente dans ce contexte de celle du radar à diversité de fréquence).

Radar de surveillance vs. Radar météorologique

Voici une liste comparative des caractéristiques recherchées pour un radar primaire de surveillance aérienne (RPS) et pour un radar météorologique sous forme de tableau:

Caractéristiques Radar de contrôle aérien Radar météorologique
Fréquences Bandes L et S Bandes S, C et X (parfois L et K)
Doppler Oui Oui
Balayage En azimut ou élévation En azimut et élévation
Traitement du signal Complexe et en temps réel Très complexe, moins critique sur sa durée
Polarisation Linéaire (horizontale) et circulaire Double (verticale et horizontale)
Puissance de pointe Variable (KW à MW) Variable (KW à MW)
Traitement Doppler I (en-phase) & Q (quadrature)
Rafraîchissement de l’image 6 - 12 secondes 5 - 15 minutes
Traitement des échos parasites Oui (incluant la météo) Oui (incluant les avions)
Dimensions de l’antenne Grande (plus grande longueur d’onde) Petite à moyenne (longueur d’onde plus courte)

Table 1: Comparaison entre un radar primaire de surveillance et un radar météorologique

Fréquences

Les radars primaires de surveillance (RPS) opèrent en bande L et S. La bande L est la plus utilisée car ses longueurs d’onde sont les plus adaptées à la détection des aéronefs. Les radars météorologiques utilisent les bandes X, C et S qui lui permettent d’avoir un retour proportionnel à l’intensité de la précipitation selon la diffusion de Rayleigh. Cependant, un RPS de bande L peut avoir un module de traitement des échos météorologiques et certains radars météorologiques de recherche utilisent les bandes K pour la détection des gouttelettes de nuage et de brouillard.

Doppler

Même si l’utilisation de l’effet Doppler-Fizeau pour trouver la vitesse de déplacement des hydrométéores ne s’est répandue que depuis les années 1990, la plupart des réseaux nationaux de radar météorologiques incorporent maintenant le traitement Doppler. Les radars conventionnels qui n’ont pas encore cette caractéristique sont graduellement modernisés ou remplacés.

Antenne de sondage

Le RPS utilise une antenne cosécante² qui fait un balayage en azimut uniquement. Un radar de recherche de hauteur est souvent associé à un RPS pour fin de comparaison. Le faisceau d’un RPS est mince latéralement mais couvre toute la verticale, ce qui est nécessaire pour obtenir un balayage complet de l’horizon à chaque sondage.

Les radars météorologiques sondent en azimut et en élévation à l’aide d’une antenne produisant un « faisceau-crayon ». Le nombre d’élévations (ou angles de site) est variable, selon la stratégie de sondage, grâce à des engrenages plus sophistiqués.

Le volume sondé par un RPS sur un angle d’azimut donne une moyenne des échos dans tout le faisceau. Le radar météorologique subdivise lui ce volume sur un certain nombre d’élévations. C’est pourquoi les données du module météo d’un RPS sont considérées de mauvaise qualité comparées à celle d’un radar météorologique.

Le PRS est conçu pour suivre des cibles se déplaçant rapidement et qui peuvent changer d’altitude à volonté, c’est pourquoi il doit effectuer son sondage rapidement. La vitesse de sondage est moins critique pour un radar météorologique car les précipitations se déplacent de façon plus prévisible, mais la précision des données est très importante pour déterminer leur structure.

Traitement des données

Le traitement des échos par un RPS est fourni par un ensemble de fonctions et de filtres. Il peut être défini comme « complexe ». Le traitement pour un radar météorologique cherche également à éliminer les artefacts non météorologiques. Cependant, il est beaucoup plus complexe car il se fait sur un volume de données en 3 dimensions au lieu de seulement un traitement en azimut comme celui du RPS.

Polarisation

Les polarisations linéaires et circulaires du faisceau radar sont utilisées pour éliminer les échos de précipitations d’un RPS de bande L. La double polarisation est elle utilisée par les radars météorologiques qui peuvent fait une comparaison des retours de polarisation verticale et horizontale sur chacun de leurs angles de sondage.

Puissance de pointe

La puissance utilisée par les deux types de radars varie selon la source micro-onde et les caractéristiques techniques requises par la fréquence d’utilisation. Cependant, la puissance de pointe est généralement entre 200 kW et 1 50 MW.

Traitement Doppler

Les deux types utilisent les techniques standards de I & Q.

Taux de rafraîchissement de l’image

Le RPS met à jour son image filtrée par le traitement de visualisation des cibles mobiles à chaque balayage, soit entre 6 et 12 secondes. Ce taux de rafraîchissement est dû aux exigences opérationnelles. Pour le radar météorologique, la mise à jour peut prendre plusieurs minutes puisqu’il fait un sondage sur plusieurs angles.

Filtre des échos parasites

Les deux radars utilisent des filtres pour éliminer les échos parasites. Le nombre et le type de filtres dépend de la sophistication du système mais le plus souvent ils sont basés sur les données de vitesses radiales Doppler. La seule différence est dans ce qui est considéré comme des échos parasites: la météo est parasite pour le RPS et les avions le sont pour le radar météorologique.

Dimensions de l’antenne

Le diamètre d’une antenne dépend de la longueur d’onde utilisée et de la largeur du faisceau requis. En général, cela veut dire que plus grande est la longueur d’onde plus l’antenne doit avoir un diamètre important. Donc, les radars utilisant la bande L auront des antennes plus grande que ceux pour la les bandes S, C ou X. Par exemple, dans le nez d’un avion on utilise un radar de bande X dont la petite antenne peut quand même avoir un faisceau très mince.