www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Grondbeginselen

Constructie- en werkingsprincipes van weerradars

Wetter picture

Figuur 1: Radarbeeld van de weersituatie

Constructie- en werkingsprincipes van weerradars

De constructie- en werkingsprincipes van weerradars lijken sterk op die van primaire detectieradars (PSR) en gaan met veel vergelijkbare problemen gepaard.

Het belangrijkste verschil tussen deze twee soorten radars is dat bij weerradars alleen de detectie van het doel (is het doel aanwezig? ja of nee) en alleen de meting van de coördinaten ervan worden uitgevoerd. Meteorologische radars meten ook de amplitude van het echosignaal. Daardoor geven de gegevens informatie over de intensiteit en de consistentie van reflecterende objecten in het waarnemingsgebied.

Maar er zijn ook belangrijkere verschillen. Deze worden vaak veroorzaakt door het feit dat de vormen van de te zoeken objecten zeer verschillend zijn voor radars van het ene en het andere type. Wolken en wolkenclusters hebben veel grotere geometrische afmetingen dan bijvoorbeeld een raket, en bij sommige frequenties zijn zij ook semi-transparant. In dit opzicht leveren meteorologische radars, die gebruik maken van multifrequentiedetectie, betere resultaten op. (Zelfs de term frequentiediversiteitsradar heeft een andere betekenis met betrekking tot weerradars dan voor multifrequentie-detectieradars.)

uitgezonden energie
backscatter

Figuur 2. Principe van radar

uitgezonden energie
backscatter

Figuur 2. Principe van radar

Het algemene principe achter de werking van een weerradar wordt uitgelegd in de bekende figuur: krachtige uitgezonden pulsen worden door een object in alle richtingen gereflecteerd en een deel daarvan wordt als echosignaal teruggekaatst naar de radar. Hoewel het uitgezonden signaal een hoog vermogen heeft, is het ontvangen signaal gewoonlijk zeer, zeer zwak en daarom is een uiterst gevoelige ontvanger nodig om het op te vangen en te interpreteren.

Voor primaire detectieradars zijn de verwachte signalen echo's van vliegtuigen en andere vliegende voorwerpen. In dit geval zijn echo's van meteorologische formaties storend en moeten zij worden uitgefilterd. Omgekeerd worden bij meteorologische radars de echo's van vliegtuigen als storend beschouwd. Tegelijkertijd moeten in beide typen radar methoden worden toegepast ter bescherming tegen passieve interferentie - reflecties van stilstaande objecten.

Vergelijking tussen detectie- en weerradars

Laten we weerradars vergelijken met luchtverkeersleiding- of luchtverdedigingsradars, maar laten we ons beperken tot redelijk vergelijkbare types, bijvoorbeeld lange- en middellangeafstandsradars voor luchtverkeersleiding zoals en-route radar en luchthavenbewakingsradar, en deze vergelijken met neerslagradars.

KenmerkenPrimaire detectieradarMeteorologische radar
Frequentiebanden L, S-banden S,C & X-banden
Dopplerverwerking Het wordt in beide systemen gebruikt.
Scannen Azimut- of elevatiehoek Azimut- en elevatiehoek
Signaalverwerking Complex, real-time Zeer complex, tijd is niet kritisch
Polarisatie Lineair en cirkelvormig Dubbel (verticaal en horizontaal)
Pulsvermogen variabel (kW - Mw) variabel (kW - Mw)
Digitale gegevensverwerking I (in-phase) & Q (quadrature)
Actualisering van het radarbeeld 6 - 12 sec 5 - 15 min
Vermindering van interferentie Ja (interferentie - echo's van hydrometeoren) Ja (interferentie van vliegtuigecho's)
Antennegrootte Groter (als langere golflengte) Kleiner (als kortere golflengte)

Tabel 1: Vergelijking van weerradar met surveillanceradar

Frequentiebanden

Luchtverkeersleidingsradars en luchtverdedigingssystemen zenden uit in L-band, S-band (meestal L-band). Meteorologische radars zenden gewoonlijk uit in S-, C- en X-band (minder vaak in L-band). Met name de L-band is geschikt voor langeafstandsdetectieradars, omdat de invloed van weersomstandigheden in dit geval minimaal is. De S-band, C-band en X-band zijn daarentegen beter geschikt voor meteoradars vanwege de kortere golflengte.

Doppler-frequentieverwerking

Doppler-frequentieverwerking voor weerradars is sinds ongeveer de jaren negentig een standaardprocedure. Bijna alle commercieel verkrijgbare weerradarsystemen zijn uitgerust met Doppler-processing.

Antennepatronen

Doppler-detectieradars hebben gewoonlijk een antenne met een cosecant kwadraatpatroon en bieden daarom geen nauwkeurige metingen van de locatiehoek van het doel. (Hiervoor bestaan speciale radarhoogtemeters.)

Meteorologische radars hebben potloodbundel antennes die in azimut en elevatie kunnen worden gedraaid (gewoonlijk wordt één rotatie uitgevoerd bij een vaste elevatiehoek).

De belangrijkste beperking bij het gebruik van een extra weerkanaal als onderdeel van de primaire radar is dat de antenne niet scherp gericht is in het hoekvlak (15° … 30° verticale bundelbreedte). Zoals bekend wordt dit gedaan om met elke draai van de antenne objecten in de lucht in een bepaald hoogtebereik te kunnen waarnemen. Bijgevolg zullen de radarbeelden van een weerradar in deze configuratie onnauwkeurig en van slechte kwaliteit zijn.

Meteorologische radars gebruiken sterk gerichte antennes, ook in het hoekvlak. In dit geval wordt slechts een smalle hoeksector in één keer gedekt en wordt vervolgens een driedimensionaal radarbeeld samengesteld uit afzonderlijke scans. Dit duurt enkele malen langer dan bij detectieradars en daarom wordt het radarbeeld van de weersituatie minstens 5 minuten lang bijgewerkt. Het is niet nodig dit sneller te doen, aangezien de weersituatie (positie van de hydrometeoren) constanter is dan de actuele positie van het vliegtuig.

Verwerking van radarsignalen

Een aantal verschillende functies en filters worden toegepast bij de verwerking van radarecho's van antenne tot display. Dit type verwerking kan „complex“ worden genoemd. Deze functies en filters worden ook gebruikt bij weerradar. Maar er is ook een speciale gegevensverwerking waarbij de ontvangen echosignalen worden vergeleken met de in een tabel opgeslagen waarden en een driedimensionaal beeld wordt gevormd uit afzonderlijke hoekaanzichten. Daarom wordt de signaalverwerking bij weerradar gewoonlijk „zeer complex“ genoemd.

Polarisatie

In detectieradars worden zowel lineaire als circulaire polarisatie gebruikt. Het doel van de polarisatiekeuze is het verkrijgen van een radarbeeld zonder storingen door atmosferische verschijnselen. Indien sterke wolkecho's worden ontvangen, schakelt de radar over op circulaire polarisatie om de invloed van deze storende signalen te verminderen.

In weerradars wordt om dezelfde reden geen gebruik gemaakt van circulaire polarisatie. Hier worden de echo's in de lineaire verticale polarisatie vergeleken met de echo's in de lineaire horizontale polarisatie om aanvullende informatie te verkrijgen over verschillende weersverschijnselen.

Impulsvermogen

Het pulsvermogen van elk type systeem is afhankelijk van de microgolfbron en de vereiste technische specificaties. Voor beide typen radar kan het pulsvermogen variëren van 20 kW tot 1,5 MW. Moderne boordradars voor objectdetectie gebruiken solid-state zenders met intra-pulse modulatie. In dit geval is het pulsvermogen veel lager. Deze aanpak kan in principe worden toegepast op meteorologische radars. De laterale lobben in de tijd leiden echter tot onnauwkeurigheden. Daarom blijft het gebruik van versterkingsbuizen met hoog vermogen, zoals klystrons, in weerradars de voorkeur genieten.

Digitale gegevensverwerking

In principe wordt in beide soorten systemen gebruik gemaakt van digitale in-fase en quadratuurverwerking. Voor weerradars is het dynamisch bereik van de ontvanger iets belangrijker dan voor detectieradars. In dit geval werken meestal meerdere ontvangers met verschillende gevoeligheden parallel. De digitale verwerking selecteert de ontvanger die de beste signaal-ruisverhouding biedt zonder overbelasting.

Actualisering van het beeld (Gegevensvernieuwing)

Primaire luchtverkeersleidingsradarsystemen hebben de eis de positie van alle vliegtuigen in elk onderzoek te verkrijgen (dat wil zeggen ongeveer elke 6 … 12 seconden). Deze eis wordt bepaald door de hoge dynamiek van de luchtsituatie. Radars met waaier- of cosecant kwadraatpatroonen voldoen aan deze eis, aangezien het patroon alle vereiste hoogten bestrijkt.

Bij weerradars wordt een complexer patroon gevormd, waarvoor meerdere omwentelingen van de antenne nodig zijn. Het naaldpatroon van deze radar bestrijkt slechts een klein bereik van elevatiehoeken. Daarom zijn verscheidene opeenvolgende scans onder verschillende elevatiehoeken nodig om een volledige volumetrische scan te verkrijgen. Daardoor wordt het radarbeeld van de weersomstandigheden om de paar minuten bijgewerkt.

Onderdrukking van storing

Beide soorten systemen maken uitgebreid gebruik van technieken om interferenties van vaste doelen te onderdrukken. Welke methode wordt toegepast hangt in hoge mate af van het radartype. Maar in principe wordt altijd Doppler-processing toegepast. Het belangrijkste verschil is dat bij elk radartype verschillende nuttige signalen uit het signaal-ruismengsel moeten worden gehaald.

Antennegrootte

De grootte van de antenne is afhankelijk van de werkfrequentie van de radar en de eisen die worden gesteld aan de nauwkeurigheid van de bundel. In de langegolf L-band, die overeenkomt met het werkfrequentiebereik van luchtverkeersleiding- en luchtverdedigingsradars, zijn ernstige antennegroottes vereist. De X-band weerradarantenne wordt in de neus van het vliegtuig geplaatst met dezelfde hoekcoördinaatresolutie.