www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Noções básicas de radar

Princípio técnico de um radar meteorológico

Wetter picture

Figura 1: Imagem de radar da situação meteorológica

Princípio técnico de um radar meteorológico

O princípio técnico do radar meteorológico é muito semelhante ao do radar de vigilância primária (PSR) e sofre de muitos dos mesmos tipos de problemas.

A diferença mais importante consiste em que apenas um objetivo será detectado na unidade de radar para a vigilância aérea (alvo visível: sim / não). Serão medidas apenas as coordenadas da localização do alvo. No entanto, em um radar meteorológico, o sinal de eco será estimado. Esses dados finalmente fornecem informações sobre isso, em que intensidade e em que consistência existem objetos refletivos na sala de observação.

Existem várias outras diferenças operacionais importantes. Isso geralmente ocorre devido ao fato de que a forma do „objeto de interesse“ é consideravelmente diferente (o clima é normalmente muito maior e mais fluido do que alvos móveis, por exemplo) e a velocidade do objeto é normalmente consideravelmente menor que a de uma aeronave ou outro objeto. A melhor detecção de objetos „climáticos“ ocorre em diferentes frequências. (Este tem outro significado no radar meteorológico que em um sistema PSR de múltiplas frequências.)

energia transmitida
retroespalhamento

Figura 2: Princípio do radar

energia transmitida
retroespalhamento

Figura 2: Princípio do radar

O diagrama familiar mostra transmissões de alta potência atingindo o objeto e as reflexões sendo espalhadas de volta (isto é, refletidas ou „retroespalhadas“) em direção à antena transmissora a ser interpretada por um sistema receptor sensível (bem como refletida em um padrão difuso). O sinal tem uma potência específica (por exemplo, 850 kW), mas os retornos ecoam dos objetos e do clima são normalmente bastante fracos e é necessário um receptor altamente sensível para identificá-los e interpretá-los.

Para sistemas PSR, os reflexos de interesse são os de aeronaves e outros objetos voadores. Isso é bem diferente das reflexões de interesse serem formações meteorológicas. Para o PSR, o clima é considerado ruído e confusão e é filtrado. Por radares meteorológicos, os reflexos das aeronaves são causa de ruído e confusão. Os sistemas de radar meteorológico e PSR sofrem de problemas de desordem no solo ou no terreno, refração e outras fontes de ruído e desordem.

Desempenho comparativo dos radares de detecção e meteorológicos

Vamos comparar os radares meteorológicos com os radares de controle de tráfego aéreo ou de defesa aérea, mas vamos nos limitar a tipos razoavelmente comparáveis, por exemplo, radares de controle de tráfego aéreo de longo e médio alcance, como o radar de rota e o radar de vigilância de aeroportos, e compará-los com o radar de precipitação.

CaracterísticasRadar de vigilânciaRadar meteorológico
Bandas de frequência Bandas L, S Bandas S,C e X
Processamento Doppler Ele é usado em ambos os sistemas.
Varredura Ângulo de azimute ou elevação Ângulo de azimute e elevação
Processamento de sinal Complexo, em tempo real Muito complexo, o tempo não é crítico
Polarização Linear e circular Dupla (vertical e horizontal)
Potência de pulso Variável (kW - Mw) Variável (kW - Mw)
Processamento de dados digitais Procedimento em fase e quadratura
Atualização de imagem 6 - 12 seg. 5 - 15 min.
Atenuação de interferência Sim (interferência - ecos de hidrômetros) Sim (interferência de ecos de aeronaves)
Tamanho da antena Maior (como comprimento de onda maior) Menor (como comprimento de onda mais curto)

Tabela 1: Comparação do radar meteorológico com o radar de vigilância

Bandas de frequência

Os radares de controle de tráfego aéreo e os sistemas de defesa aérea operam em banda L, banda S (principalmente banda L). Os radares meteorológicos geralmente emitem nas bandas S, C e X (menos frequentemente na banda L). A banda L, em particular, é adequada para radares de detecção de longo alcance, pois a influência das condições meteorológicas nesse caso é mínima. A banda S, a banda C e a banda X, por outro lado, são mais adequadas para meteoradares devido ao seu comprimento de onda mais curto.

Processamento de sinal Doppler

O processamento de frequência Doppler para radares meteorológicos tem sido um procedimento padrão desde a década de 1990. Quase todos os sistemas de radar meteorológico disponíveis comercialmente são equipados com processamento Doppler.

Padrões de antena

Os radares de detecção Doppler normalmente têm uma antena com um padrão cossecante ao quadrado e, portanto, não fornecem medições precisas do ângulo de localização do alvo. (Existem altímetros de radar especiais para essa finalidade.)

Os radares meteorológicos têm antenas de feixe de lápis que podem ser giradas em azimute e elevação (geralmente uma rotação é realizada em um ângulo de elevação fixo).

A principal limitação ao operar um canal meteorológico adicional como parte do radar primário é que a antena não é direcional aguda no plano do ângulo de posição (15° … 30° de largura do feixe). Como lembramos, isso é feito para que seja possível detectar objetos aéreos em uma determinada faixa de altitude a cada volta da antena. Consequentemente, as imagens de radar de um radar meteorológico nessa configuração serão imprecisas e de baixa qualidade.

Os radares meteorológicos usam antenas altamente direcionais, inclusive aquelas no plano angular. Nesse caso, apenas um setor angular estreito é coberto em uma única volta e uma imagem de radar tridimensional é compilada a partir de varreduras individuais. Isso leva várias vezes mais tempo do que nos radares de detecção e, portanto, a imagem do radar da situação meteorológica é atualizada por pelo menos 5 minutos. Não há necessidade de fazer isso mais rapidamente, pois a situação meteorológica (posição dos hidrômetros) é mais constante do que a posição atual da aeronave.

Processamento de sinais de radar

Várias funções e filtros diferentes são aplicados no processamento do eco do radar, desde a antena até a tela. Esse tipo de processamento pode ser chamado de „complexo“. Essas funções e filtros também são usados em radares meteorológicos. Mas há também um processamento de dados especial no qual os sinais de eco recebidos são comparados com os valores armazenados em uma tabela e uma imagem tridimensional é formada a partir de visualizações angulares individuais. É por isso que o processamento de sinais no radar meteorológico é convencionalmente chamado de „muito complexo“.

Polarização

Tanto a polarização linear quanto a circular são usadas nos radares de detecção. O objetivo da seleção da polarização é obter uma imagem de radar sem interferência causada por fenômenos atmosféricos. Se forem recebidos fortes ecos de nuvens, o radar mudará para a polarização circular para reduzir a influência desses sinais interferentes.

Nos radares meteorológicos, a polarização circular não é usada pelo mesmo motivo. Aqui, os ecos na polarização vertical linear são comparados com os ecos na polarização horizontal linear para fornecer informações adicionais sobre diferentes fenômenos meteorológicos.

Potência de impulso

A potência de pulso de cada tipo de sistema varia de acordo com a fonte de micro-ondas e as especificações técnicas necessárias. Para ambos os tipos de radar, a potência de pulso pode variar de 20nbsp;kW a 1,5nbsp;MW. Os radares modernos de detecção de objetos aéreos usam transmissores de estado sólido com modulação intrapulso. Nesse caso, a potência de pulso é muito menor. Essa abordagem pode, em princípio, ser aplicada a radares meteorológicos. Entretanto, os lóbulos laterais no tempo levam a imprecisões. Por esse motivo, o uso de tubos amplificadores de alta potência, como os klystrons, continua sendo preferível em radares meteorológicos.

Processamento de dados digitais

Em princípio, o processamento digital em fase e quadratura (I&Q) é usado em ambos os tipos de sistemas. Para o radar meteorológico, o alcance dinâmico do receptor é um pouco mais importante do que para o radar de detecção. Nesse caso, geralmente vários receptores com diferentes sensibilidades trabalham em paralelo. O processamento digital seleciona o receptor que fornece a melhor relação sinal-ruído sem sobrecarga.

Atualização da imagem

Os sistemas primários de radar de controle de tráfego aéreo têm a exigência de obter a posição de todas as aeronaves em cada pesquisa (ou seja, aproximadamente a cada 6 … 12 segundos). Esse requisito é determinado pela alta dinâmica da situação aérea. Os radares com antena de feixe de ventilador ou em padrão cossecante ao quadrado atendem a esse requisito, pois o padrão cobre todas as alturas necessárias.

No radar meteorológico, é formado um padrão mais complexo, que exige várias rotações da antena. O padrão de agulha desse radar cobre apenas uma pequena faixa de ângulos de elevação. Portanto, são necessárias várias varreduras sucessivas em diferentes ângulos de elevação para obter uma varredura volumétrica completa. Como resultado, a imagem do radar das condições meteorológicas é atualizada a cada poucos minutos.

Supressão de interferência

Ambos os tipos de sistemas empregam amplamente técnicas de supressão de interferência passiva. A escolha do método usado depende, em grande parte, do tipo de radar. Mas, em princípio, o processamento Doppler é sempre aplicado. A principal diferença é que, em cada tipo de radar, diferentes sinais úteis precisam ser extraídos da mistura de sinal e ruído.

Tamanho da antena

O tamanho da antena depende da frequência de operação do radar e dos requisitos de precisão do foco do feixe. Na banda L de ondas longas, que corresponde à faixa de frequência de operação dos radares de controle de tráfego aéreo e de defesa aérea, são necessários tamanhos de antena muito grandes. A antena do radar meteorológico de banda X é colocada no nariz da aeronave e oferece a mesma resolução de coordenadas angulares.