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Principi di costruzione e funzionamento dei radar meteorologici

Immagine radar della situazione meteorologica

Figura 1: Immagine radar della situazione meteorologica

Principi di costruzione e funzionamento dei radar meteorologici

I principi di costruzione e funzionamento dei radar meteorologici sono molto simili a quelli dei radar primario di sorveglianza (PSR) e sono accompagnati da molti problemi simili.

La differenza più importante tra questi due tipi di radar è che nei radar di sorveglianza aerea viene effettuata solo L’individuazione del bersaglio (è presente il bersaglio? Sì o no) e solo la misurazione delle sue coordinate. I radar meteorologici misurano anche L’ampiezza del segnale di eco. Di conseguenza, i dati forniscono informazioni sulL’intensità e sulla consistenza degli oggetti riflettenti nelL’area di osservazione.

Ma ci sono anche differenze più importanti. Spesso sono causate dal fatto che le forme degli oggetti da ricercare sono molto diverse per i radar di un tipo e delL’altro. Le nuvole e i loro ammassi hanno dimensioni geometriche molto più grandi rispetto, ad esempio, a un missile, e ad alcune frequenze sono anche semitrasparenti. Sotto questo aspetto, i risultati migliori sono forniti dai radar meteorologici, che utilizzano il rilevamento multi-frequenza. (Anche il termine „rilevamento multifrequenza“ ha un significato diverso rispetto ai radar meteorologici rispetto ai radar a diversità di frequenza.)

energia trasmessa
retrodiffusione

Figura 2. Principio del radar

energia trasmessa
retrodiffusione

Figura 2. Principio del radar

Il principio generale che sta alla base del funzionamento di un radar meteorologico è spiegato nella nota figura: i potenti impulsi emessi vengono riflessi in tutte le direzioni da un oggetto e una parte di questi viene riflessa al radar come segnale di eco. Sebbene il segnale emesso sia di elevata potenza, il segnale ricevuto è solitamente molto, molto debole e richiede quindi un ricevitore estremamente sensibile per essere captato e interpretato.

Per i radar di sorveglianza primario, i segnali attesi sono gli echi degli aerei e di altri oggetti volanti. In questo caso, gli echi causati dalle formazioni meteorologiche costituiscono un’interferenza e devono essere filtrati. Al contrario, nei radar meteorologici, gli echi degli aerei sono considerati un’interferenza. In entrambi i tipi di radar, è necessario implementare metodi di protezione contro le interferenze passive, ossia le riflessioni da oggetti stazionari.

Confronto tra radar di sorveglianza e radar meteorologici

Confrontiamo i radar meteorologici con i radar di controllo del traffico aereo o di difesa aerea, ma limitiamoci a tipi ragionevolmente comparabili, ad esempio i radar di controllo del traffico aereo a lungo e medio raggio, come i radar di rotta e i radar di sorveglianza aeroportuale, e confrontiamoli con i radar di precipitazione.

CaratteristicheRadar primario di sorveglianzaRadar meteorologico
Bande di frequenza Bande L, S Bande S,C & X
Elaborazione Doppler Viene utilizzato in entrambi i sistemi.
Scansione Angolo di azimut o di elevazione Angolo di azimut e di elevazione
Elaborazione Complessa, in tempo reale Molto complessa, il tempo non è critico
Polarizzazione Lineare e circolare Doppia (verticale e orizzontale)
Potenza degli impulsi Variabile (kW - Mw) Variabile (kW - Mw)
Elaborazione digitale Procedura In fase e Quadratura (I&Q)
Aggiornamento immagine 6 - 12 sec 5 - 15 min
Attenuazione delL’interferenze Sì (interferenze - echi di idrometeore) Sì (interferenze da eco di aerei)
Dimensioni delL’antenna Più grande (come lunghezza d’onda maggiore) Più piccola (come lunghezza d’onda minore)

Tabella 1: Confronto tra radar meteorologici e radar di sorveglianza

Bande di frequenza

I radar per il controllo del traffico aereo e i sistemi di difesa aerea operano in banda L e S (per lo più in banda L). I radar meteorologici emettono solitamente in banda S, C e X (meno frequentemente in banda L). La banda L, in particolare, è adatta per i radar di sorveglianza a lungo raggio, poiché L’influenza delle condizioni meteorologiche in questo caso è minima. La banda S, la banda C e la banda X, invece, sono più adatte per i meteoradar a causa della lunghezza d’onda più corta.

Elaborazione Doppler

L’elaborazione della frequenza Doppler per i radar meteorologici è una procedura standard dagli anni ’90 circa. Quasi tutti i sistemi radar meteorologici disponibili in commercio sono dotati di elaborazione Doppler.

Diagramma di radiazione

I radar di sorveglianza hanno in genere un’antenna con un fascio di tipo cosecante al quadrato non forniscono misure accurate delL’angolo di localizzazione del bersaglio. (A questo scopo esistono speciali radar per misurare l’altitudine.)

I radar meteorologici hanno antenne con una lobo matita che possono essere ruotate in azimut e in elevazione (di solito una rotazione viene eseguita a un angolo di elevazione fisso).

La principale limitazione quando si utilizza un canale meteorologico aggiuntivo come parte del radar primario è che L’antenna non è acutamente direzionale nel piano delL’angolo di posizione (15° … 30° di ampiezza del fascio). Come ricordiamo, ciò avviene per poter rilevare oggetti aerei in un determinato intervallo di altitudine ad ogni rotazione delL’antenna. Di conseguenza, le immagini radar di un radar meteorologico in questa configurazione saranno imprecise e di scarsa qualità.

I radar meteorologici utilizzano antenne altamente direzionali, comprese quelle sul piano angolare. In questo caso, solo un settore angolare ristretto viene coperto in un singolo giro e un’immagine radar tridimensionale viene compilata da singole scansioni. Questa operazione richiede diverse volte più tempo rispetto ai radar di sorveglianza e quindi L’immagine radar della situazione meteorologica viene aggiornata per almeno 5 minuti. Non è necessario farlo più velocemente, poiché la situazione meteorologica (posizione delle idrometeore) è più costante della posizione attuale delL’aereo.

Elaborazione dei segnali radar

NelL’elaborazione degli echi radar, dalL’antenna alla visualizzazione, vengono applicate diverse funzioni e filtri. Questo tipo di elaborazione può essere definito „complesso“. Queste funzioni e filtri sono utilizzati anche nei radar meteorologici. Ma esiste anche un’elaborazione speciale dei dati in cui i segnali eco ricevuti vengono confrontati con i valori memorizzati in una tabella e viene formata un’immagine tridimensionale dalle singole viste angolari. Per questo motivo L’elaborazione dei segnali nei radar meteorologici è convenzionalmente definita „molto complessa“.

Polarizzazione

Nei radar di sorveglianza si utilizzano sia la polarizzazione lineare che quella circolare. Lo scopo della selezione della polarizzazione è ottenere un’immagine radar senza interferenze causate da fenomeni atmosferici. Se si ricevono forti echi di nuvole, il radar passa alla polarizzazione circolare per ridurre L’influenza di questi segnali di disturbo.

Nei radar meteorologici, la polarizzazione circolare non viene utilizzata per lo stesso motivo. In questo caso, gli echi nella polarizzazione verticale lineare vengono confrontati con quelli nella polarizzazione orizzontale lineare per fornire informazioni aggiuntive sui diversi fenomeni meteorologici.

Potenza d’impulso

La potenza d’impulso di ciascun tipo di sistema varia a seconda della sorgente di microonde e delle specifiche tecniche richieste. Per entrambi i tipi di radar, la potenza delL’impulso può variare da 20 kW a 1,5 MW. I moderni radar per il sorveglianza di oggetti in volo utilizzano trasmettitori a stato solido con modulazione interna delL’impulso di trasmissione. In questo caso la potenza delL’impulso è molto più bassa. In linea di principio, questo approccio può essere applicato ai radar meteorologici. Tuttavia, i lobi laterali nel tempo causano imprecisioni. Per questo motivo, L’uso di tubi amplificatori ad alta potenza, come i klystron, rimane preferibile nei radar meteorologici.

Elaborazione digitale

In linea di principio, L’elaborazione digitale in fase e quadratura (I&Q) viene utilizzata in entrambi i tipi di sistemi. Per i radar meteorologici, la gamma dinamica del ricevitore è un po’ più importante che per i radar di sorveglianza. In questo caso, di solito diversi ricevitori con sensibilità diverse lavorano in parallelo. L’elaborazione digitale seleziona il ricevitore che fornisce il miglior rapporto segnale/rumore senza sovraccarico.

Aggiornamento delL’immagine (Velocità di recupero dei dati)

I sistemi radar primari di controllo del traffico aereo hanno L’obbligo di ottenere la posizione di tutti gli aeromobili in ogni rilevamento (cioè ogni 6 … 12 secondi circa). Questo requisito è determinato dalL’elevata dinamica della situazione aerea. I radar con un’antenna con lobo a ventaglio o a fascio di tipo cosecante al quadrato soddisfano questo requisito, poiché il pattern copre tutte le altezze richieste.

Nei radar meteorologici si forma un pattern più complesso, che richiede diverse rotazioni delL’antenna. Il diagramma ad ago di questo radar copre solo una piccola gamma di angoli di elevazione. Pertanto, per ottenere una scansione volumetrica completa, sono necessarie diverse scansioni successive a diversi angoli di elevazione. Di conseguenza, L’immagine radar delle condizioni meteorologiche si aggiorna ogni pochi minuti.

Soppressione delle interferenze

Entrambi i tipi di sistemi utilizzano ampiamente tecniche passive di soppressione delle interferenze. La scelta del metodo utilizzato dipende in larga misura dal tipo di radar. In linea di principio, però, viene sempre applicata L’elaborazione Doppler. La differenza principale è che in ogni tipo di radar si devono estrarre diversi segnali utili dalla miscela segnale-rumore.

Dimensioni delL’antenna

Le dimensioni delL’antenna dipendono dalla frequenza operativa del radar e dai requisiti di precisione della focalizzazione del fascio. Nella banda L a onde lunghe, corrispondente alla gamma di frequenze operative dei radar per il controllo del traffico aereo e la difesa aerea, sono necessarie antenne di dimensioni notevoli. L’antenna del radar meteorologico in banda X è posizionata nel muso delL’aereo, pur garantendo la stessa risoluzione delle coordinate angolari.