Zasady konstrukcji i działania radarów meteorologicznych
Rysunek 1: Radarowy obraz sytuacji pogodowej
Zasady konstrukcji i działania radarów meteorologicznych
Zasady konstrukcji i działania radarów meteorologicznych są bardzo podobne do zasad działania radarów pierwotnego (PSR) do wykrywania i tak jak im towarzyszy wiele podobnych problemów.
Najważniejszą różnicą między tymi dwoma typami radarów jest to, że w radarach obserwacji lotniczej wykonywane jest tylko wykrywanie celu (czy cel jest obecny? Tak lub nie) i tylko pomiar jego współrzędnych. Radary meteorologiczne mierzą również amplitudę sygnału echa. W rezultacie dane dostarczają informacji o intensywności i spójności obiektów odbijających w obszarze obserwacji.
Istnieją jednak również ważniejsze różnice. Są one często spowodowane faktem, że kształty wyszukiwanych obiektów są bardzo różne dla radarów jednego i drugiego typu. Chmury i ich skupiska mają znacznie większe wymiary geometryczne niż na przykład pocisk, a przy niektórych częstotliwościach są również półprzezroczyste. W tym aspekcie lepsze wyniki zapewniają radary meteorologiczne, które wykorzystują detekcję wieloczęstotliwościową. (Nawet termin „sondowanie wieloczęstotliwościowe“ ma inne znaczenie w odniesieniu do radaru meteorologicznego niż w przypadku radaru o zróżnicowanej częstotliwości.)
Rysunek 2. Zasada działania radaru
Ogólna zasada działania radaru meteorologicznego jest wyjaśniona na dobrze znanym rysunku: silne emitowane impulsy są odbijane we wszystkich kierunkach przez obiekt, a część z nich jest odbijana z powrotem do radaru jako sygnał echa. Chociaż emitowany sygnał ma dużą moc, odbierany sygnał jest zwykle bardzo, bardzo słaby i dlatego wymaga niezwykle czułego odbiornika, aby go odebrać i zinterpretować.
W przypadku radarów pierwotnego oczekiwanymi sygnałami są echa samolotów i innych obiektów latających. W tym przypadku echa powodowane przez formacje meteorologiczne są zakłócające i muszą zostać odfiltrowane. Z kolei w radarach meteorologicznych echa samolotów są traktowane jako zakłócenia. W obu typach radarów należy wdrożyć metody ochrony przed zakłóceniami pasywnymi, tj. odbiciami od obiektów stacjonarnych.
Porównanie radarów wykrywających i pogodowych
Porównajmy radary pogodowe z radarami kontroli ruchu lotniczego lub radarami obrony powietrznej, ale ograniczmy się do w miarę porównywalnych typów, na przykład radarów kontroli ruchu lotniczego dalekiego i średniego zasięgu, takich jak radar trasowy i radar nadzoru lotniska, i porównajmy je z radarami opadów atmosferycznych.
| Charakterystyka | Pierwotny radar (do wykrywania) | Radar meteorologiczny |
|---|---|---|
| Pasma częstotliwości | pasma L, S | pasma S,C & X |
| Przetwarzanie dopplerowskie | Jest on używany w obu systemach. | |
| Skanowanie | Kąt azymutu lub elewacji | Kąt azymutu i elewacji |
| Przetwarzanie sygnału | Złożone, w czasie rzeczywistym | Bardzo złożone, czas nie jest krytyczny |
| Polaryzacja | Liniowa i kołowa | Podwójna (pionowa i pozioma) |
| Moc impulsu | Zmienna (kW - Mw) | Zmienna (kW - Mw) |
| Cyfrowe przetwarzanie danych | Sygnałów dolnopasmowych po detekcji w fazie i kwadraturze (I&Q) | |
| Aktualizacja obrazu | 6 - 12 s | 5 - 15 min |
| Tłumienie sygnałów zakłócających | Tak (zakłócenia - echa hydrometeorów) | Tak (zakłócenia od echa samolotu) |
| Rozmiar anteny | Większa (większa długość fali) | Mniejsza (krótsza długość fali) |
Tabela 1: Porównanie radaru meteorologicznego z radarem dozorowym
Pasma częstotliwości
Radary kontroli ruchu lotniczego i systemy obrony powietrznej działają w paśmie L i S (głównie w paśmie L). Radary meteorologiczne zwykle emitują w paśmie S, C, X (rzadziej w paśmie L). Pasmo L jest w szczególności odpowiednie dla radarów wykrywających dalekiego zasięgu, ponieważ wpływ warunków pogodowych w tym przypadku jest minimalny. Z drugiej strony pasma S, C i X lepiej nadają się do meteoradarów ze względu na krótszą długość fali.
Przetwarzanie sygnału dopplerowskiego
Przetwarzanie częstotliwości Dopplera dla radarów pogodowych jest standardową procedurą od około 1990 roku. Prawie wszystkie dostępne na rynku radary pogodowe są wyposażone w funkcję przetwarzania dopplerowskiego.
Wzory anten
Radary z detekcją dopplerowską mają zazwyczaj anteny z wiązką wiązką kwadratowy cosecantu i dlatego nie zapewniają dokładnych pomiarów kąta położenia celu. (W tym celu istnieją specjalne radarowe: radiowysokościomierze.)
Radary meteorologiczne mają anteny z wiązką ołówkową, które można obracać w azymucie i elewacji (zwykle jeden obrót jest wykonywany przy stałym kącie elewacji).
Głównym ograniczeniem podczas obsługi dodatkowego kanału pogodowego jako części głównego radaru jest to, że antena nie jest ostro kierunkowa w płaszczyźnie kąta położenia (szerokość wiązki 15° … 30°). Jak pamiętamy, ma to na celu umożliwienie wykrywania obiektów powietrznych w danym zakresie wysokości przy każdym obrocie anteny. W związku z tym obrazy radarowe radaru meteorologicznego w tej konfiguracji będą niedokładne i niskiej jakości.
Radary meteorologiczne wykorzystują wysoce kierunkowe anteny, w tym te w płaszczyźnie kątowej. W tym przypadku tylko wąski sektor kątowy jest pokrywany w jednym obrocie, a trójwymiarowy obraz radarowy jest następnie kompilowany z poszczególnych skanów. Trwa to kilka razy dłużej niż w przypadku radarów wykrywających, dlatego obraz radarowy sytuacji pogodowej jest aktualizowany przez co najmniej 5 minut. Nie ma potrzeby robienia tego szybciej, ponieważ sytuacja pogodowa (pozycja hydrometeorów) jest bardziej stała niż aktualna pozycja samolotu.
Przetwarzanie sygnałów radarowych
Wiele różnych funkcji i filtrów jest stosowanych w przetwarzaniu echa radarowego od anteny do wyświetlacza. Ten rodzaj przetwarzania można nazwać „złożonym“. Te funkcje i filtry są również stosowane w radarach pogodowych. Istnieje jednak również specjalne przetwarzanie danych, w którym odbierane sygnały echa są porównywane z wartościami przechowywanymi w tabeli, a trójwymiarowy obraz jest tworzony z poszczególnych widoków kątowych. Dlatego właśnie przetwarzanie sygnału w radarach pogodowych jest umownie nazywane „bardzo złożonym“.
Polaryzacja
W radarach detekcyjnych stosowana jest zarówno polaryzacja liniowa, jak i kołowa. Celem wyboru polaryzacji jest uzyskanie obrazu radarowego bez zakłóceń spowodowanych zjawiskami atmosferycznymi. Jeśli odbierane są silne echa chmur, radar przełącza się na polaryzację kołową, aby zmniejszyć wpływ tych zakłócających sygnałów.
W radarach pogodowych polaryzacja kołowa nie jest używana z tego samego powodu. W tym przypadku echa w liniowej polaryzacji pionowej są porównywane z echami w liniowej polaryzacji poziomej, aby uzyskać dodatkowe informacje o różnych zjawiskach pogodowych.
Moc impulsu
Moc impulsu każdego typu systemu różni się w zależności od źródła mikrofal i wymaganych specyfikacji technicznych. W przypadku obu typów radarów moc impulsu może wynosić od 20kW do 1,5MW. Nowoczesne radary do wykrywania obiektów w powietrzu wykorzystują nadajniki półprzewodnikowe z modulacja wewnątrzimpulsowa. W tym przypadku moc impulsu jest znacznie niższa. Takie podejście można zasadniczo zastosować do radarów meteorologicznych. Jednak boczne płaty w czasie prowadzą do niedokładności. Z tego powodu w radarach pogodowych preferowane jest stosowanie lamp wzmacniających o dużej mocy, takich jak klistrony.
Cyfrowe przetwarzanie danych
Zasadniczo, cyfrowe przetwarzanie w fazie i kwadraturze (I&Q) jest stosowane w obu typach systemów zapewniająca utrzymanie fazy po demodulacji. W przypadku radarów pogodowych zakres dynamiki odbiornika jest nieco ważniejszy niż w przypadku radarów wykrywających. W tym przypadku zazwyczaj kilka odbiorników o różnych czułościach pracuje równolegle. Przetwarzanie cyfrowe wybiera odbiornik, który zapewnia najlepszy stosunek sygnału do szumu bez przeciążenia.
Aktualizacja obrazu
Podstawowe systemy radarowe kontroli ruchu lotniczego mają wymóg uzyskania pozycji wszystkich statków powietrznych w każdym pomiarze (tj. w przybliżeniu co 6 … 12 sekund). Wymóg ten wynika z dużej dynamiki sytuacji w powietrzu. Radary typu wiązką płetwowa lub wykres cosecant squared spełniają ten wymóg, ponieważ wzór obejmuje wszystkie wymagane wysokości.
W radarach pogodowych tworzony jest bardziej złożony wzór, który wymaga kilku obrotów anteny. Wzorzec igłowy tego radaru obejmuje tylko niewielki zakres kątów elewacji. W związku z tym do uzyskania pełnego skanu wolumetrycznego wymagane jest wykonanie kilku kolejnych skanów pod różnymi kątami wysokości. W rezultacie obraz radarowy warunków pogodowych aktualizuje się co kilka minut.
Tłumienie sygnałów zakłócających
Oba typy systemów powszechnie wykorzystują pasywne techniki tłumienia zakłóceń. Wybór stosowanej metody zależy w dużej mierze od typu radaru. Zasadniczo jednak zawsze stosowane jest przetwarzanie dopplerowskie. Główna różnica polega na tym, że w każdym typie radaru należy wyodrębnić różne użyteczne sygnały z mieszaniny sygnału i szumu.
Rozmiar anteny
Rozmiar anteny zależy od częstotliwości pracy radaru i wymagań dotyczących dokładności ogniskowania wiązki. W paśmie długofalowym L, odpowiadającym zakresowi częstotliwości pracy radarów kontroli ruchu lotniczego i obrony powietrznej, wymagane są duże rozmiary anten. Antena radaru meteorologicznego w paśmie X jest umieszczona w nosie samolotu, zapewniając taką samą rozdzielczość współrzędnych kątowych.