Bir Meteoroloji Radarının Çalışma Prensibi
Resim 1: Meteorolojik resim
Bir Meteoroloji Radarının Çalışma Prensibi
Bir meteoroloji radarının çalışma prensibi bildiğimiz birincil radarın çalışma prensibine çok benzer ve benzeri birçok sorun bu radarlar için de söz konusudur.
En önemli fark şudur: Bir radar ile gözetim bölgesinde bulunan bir hedef sadece algılanır (hedef var ya da yok anlamında) ve konumunun koordinatları ölçülür. Buna karşılık bir meteoroloji radarında ise ayrıca yankı işaretinin genliği de ölçülür. Sonuç olarak, bu veriler gözlemlenen hacimdeki yansıtıcı nesnelerin hangi yoğunluk ve tutarlılıkta var olduğunu gösterir.
Bununla beraber, bu iki tür radar arasında çok daha önemli farklar da bulunmaktadır. Bu, çoğu kez araştırılan nesnenin farklı biçimlere sahip olup olmadığı olgusuna bağlıdır. Bulut kümeleri bir füzeden çok daha büyüktür, fakat içinden bazı frekanslar kısmen geçebilir. Bu bakımdan bir meteoroloji radarında en iyi sonuçlar Çok Frekanslı Radar aygıtları ile alınır. (Meteoroloji radarında bu konu, Çok Frekanslı Gözetim Radarında olduğundakinden daha farklı bir anlama sahiptir.)
Resim 2: Radar prensibi
Resim 2 deki radar grafiğinde güçlü bir gönderim işaretinin bir nesne tarafından nasıl yansıtıldığını ve bir yankı olarak anten yönünde nasıl geri yollandığını görmekteyiz. Gönderim işaretinin sıra dışı güce sahip olmasına karşılık, alınan yankı işareti normal olarak çok çok zayıftır ve bu nedenle alıcının gelen yankıları değerlendirebilmesi ve yorumlaması için çok hassas olması gerekmektedir.
Alışık olduğumuz bir birincil radarda uçakların veya diğer uçan nesnelerin yankıları beklenir. Gözetim radarlarında meteorolojik oluşumlardan kaynaklanan yankılar istenmez ve bastırılması gereklidir. Öte yandan bir meteoroloji radarı için uçak yankısı bir gürültü kaynağıdır. Diğer taraftan, her iki radar için de bir sorun olan sabit hedeflerden kaynaklanan yankı parazitlerinin de bastırılması için ek önlemlerin alınması gerekir.
Arama Radarının Meteoroloji Radarı ile Karşılaştırması
Meteoroloji Radarlarını Uçuş Güvenlik- (Air Traffic Control) veya Hava Savunma Radarları ile karşılaştıralım.
| Karakteristik | Birincil Gözetim Radarı | Meteoroloji Radarı |
|---|---|---|
| Gönderim frekansı | L, S-bandı | S, C & X- bandı |
| Doppler Yöntemi | Her iki sistemde kullanılıyor. | |
| Tarama | azimut açısı veya yükseklik | azimut açısı ve yükseklik |
| İşaret işleme | karmaşık ve gerçek zamanlı | çok karmaşık, ama zaman kritik değil |
| Polarizasyon | doğrusal ve/veya dairesel | Çiftli (dikey ve yatay) |
| Gönderim Darbe Gücü | değişken (kW - MW) | değişken (kW - MW) |
| Veri İşleme | I (aynı fazlı) & Q (kuadratik) | |
| Radar „resminin“ güncellenmesi | 6 - 12 Saniye | 5 - 15 Dakika |
| Parazit Bastırma | var (fakat hava bozuyor) | var (uçak yankıları bozuyor) |
| Anten Boyutu | daha büyük (daha uzun dalga boyları) | daha küçük (daha kısa dalga boyları) |
Çizelge 1: Meteoroloji radarı ile birincil gözetim radarının karşılaştırması
Frekans bölgeleri
Uçuş güvenlik- ve savunma radarları L-, S-bantlarında (en çok L-bandında) çalışırlar. Meteoroloji radarları S-, C-, X- bandında çalışırlar (eğer sadece L-bandında ise o zaman bu, birincil gözetim radarında bulunan bir meteoroloji kanalı demektir). L- bandı özellikle meteorolojik bozucu etkilerin en az hissedildiği bir birincil gözetim radarı için çok uygundur. Yine S-, C-, X- bantları daha küçük dalga boylarına sahip olmaları nedeniyle meteoroloji radarları için uygundur.
Doppler frekans işleme
Doppler frekans tekniğinin meteoroloji radarlarındaki uygulaması çok yeni olmasına rağmen, yeni üretilen ticari meteoroloji radarları artık Doppler frekans işlemcisi ile donatılmaya başlandı. Doppler sistemi bulunmayan bazı meteoroloji radarları da kullanım sürelerinin sonunda Doppler sistemi bulunan radarlarla değiştirilmektedir.
Anten çizgesi
Bir arama radarı normal olarak bir „kosekant-kare çizgeli antenle” ile çalışır ve bu nedenle hassas bir yükseklik açısı ölçümü yapamaz. (Bu amaca yönelik özel yükseklik bulucu radarlar vardır.)
Meteoroloji radarları azimut ve yükseklik açılarında dönerek tarama yapan „Kalem Demetli Anten” ile çalışırlar (genellikle bir sabit yükseklik açısında dönerek tarama yapar).
İlave meteoroloji kanalı ile donatılmış bir birincil radarın çalışmasındaki başlıca kısıtlama, anten demetinin dikey genişliğinin dar olması (15° … 30°) ve antenin, her dönüşte her bir yükseklikteki hava hedeflerini algılayamamasıdır. Bu yüzden böyle bir yapılandırma ile elde edilen meteorolojik radar resimleri, kesin olmayan ve yetersiz kalitede olmak üzere ikiye ayrılır.
Meteoroloji radarları, dar açılı keskin demetli anteninin dönüşlerinde dikey yönde tarama yapar ve bu bireysel taramalardan gelen bilgilerle 3-boyutlu radar resmini üretir. Bu, bir normal arama radarına göre daha uzun zaman alır ve bir meteoroloji resmi ancak 5 dakika sonra güncellenebilir. Hava durumu bu 5 dakikalık süre içinde yeterince kalıcıdır ve söz konusu uçak için daha kısa bir güncelleme aralığına da gerek yoktur.
İşaret işleme
Bir arama radarında hedefe ait işaretler antenden ekrana kadar birçok işlevden ve süzgeçten geçer. Bu işleme biçimi „karmaşık“ diye nitelenebilir. Bu işlevleri ve süzgeçleri aynı zamanda meteoroloji radarı da kullanır. İlaveten alınan işaretlerin, çizelgelerde kayıtlı karşılık gelen değerlerle karşılaştırıldığı ve her bir yükseklik açısı taramaları yardımı ile bir 3-boyutlu resmin yaratıldığı bir özel veri işleme tekniği de vardır. Bu nedenle bir meteoroloji radarındaki verilerin işlenmesi „çok karmaşık“ olarak nitelenir.
Polarizasyon
Bir arama radarı ya doğrusal ya da dairesel polarizasyonla çalışır. Seçimin amacı, meteorolojik olaylardan parazitsiz bir radar görüntüsü elde etmektir Bulutlardan kaynaklanan kuvvetli hedeflerde bozucu işaretlerin etkisini azaltmak için dairesel polarizasyon kullanılır.
Meteoroloji radarı, doğrusal dikey polarizasyonla alınan yankıyı doğrusal yatay polarizasyonla alınan yankıyla karşılaştırır ve böylece değişik meteorolojik oluşumlar hakkında ilave bilgiler elde eder.
Darbe gücü
Bu değer, radarın tipi ve kullanılan frekans bandı ile çok ilgilidir. Kurulu gönderim gücü 200 kW ile 1500 MW arasında değişebilir.
Veri işleme
Prensip olarak her iki sistem de sayısal I & Q veri işleme tekniğini kullanır.
Radar „resminin“ güncellenmesi
Uçuş güvenlikte Birincil Gözetim Radarı anteninin her dönüşünde (yani 6 ila 12 saniye arasında) uçuş durumu bilgilerinin güncellenmesi istenir. Bu ihtiyaç uçuş trafik dinamiğinden kaynaklanır. Fan- ya da kosekant-kare çizgeli bir arama radarında, anten çizgesi tüm yükseklik bölgesini kapsar ve bu nedenle tam bir tarama için antenin bir dönüşü yeterlidir.
Meteoroloji radarı karmaşık hava resmini ancak antenin birkaç dönüşünden sonra oluşturur. Bir meteoroloji radarının dar çizgesi ancak bir küçük yükseklik açısı bölgesini kaplar. Anten, tam radar resmi elde edilene kadar farklı yükseklik bölgelerinde birkaç defa döner. Böylece meteorolojik resim ancak birkaç dakikada güncellenir.
Parazit yansımaların işlenmesi
Her iki sistem kapsamlı parazit bastırma yöntemlerini kullanır. Seçilecek yöntem, hangi radarın kullanılacağına çok sıkı bağlıdır. Fakat uygulamada daima Doppler frekans yöntemine başvurulmaktadır. Temel fark, değişik faydalı yankıların seçilen yönteme bağlı olarak farklı yankı işaretlerinin karışımından elde edilmesidir.
Anten boyutu
Anten boyutunun ne kadar olması gerektiği kullanılan çalışma frekansına ve ışıma demetinin hassasiyetine bağlıdır. Uzun dalga boylarına sahip L-bandında çalışan uçuş güvenlik- ve hava savunma radar antenlerinin oldukça büyük olması istenir. Aynı çözünürlüğe sahip X-bandı meteoroloji radar antenleri ise uçakların burun kısmına takılması için uygundur.