www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основи на радиолокацията

Радар за откриване на валежи

Изображение 1: Радар за откриване на валежи на германската метеорологична служба Есен-Бреденей
(51°24'20,5" N 6°58'01,6"E)

Изображение 1: Радар за откриване на валежи на германската метеорологична служба Есен-Бреденей
(51°24'20,5" N   6°58'01,6" W)

Как работи радарът за валежи?

Радар за откриване на валежи

Радарът за откриване на валежи (или накратко: радар за валежи) е метеорологичен радар които работи в честотните ленти S, C или (по-рядко) X. Радарът има параболична антена на въртящо се устройство. В честотната лента X може да се използва и вълноводно-процепна антенна решетка. Противно на мнението на аматьори, такъв локатор не измерва облаци. Той измерва отражателната способност, която след това се използва като мярка за количеството вода в облаците. Този радар се използва за откриване на зони с валежи и за определяне на количеството на валежите в дадена област. Едновременно с това разпределението на скоростта на вятъра може да се определи чрез оценка на доплеровите честоти.

Радарът за откриване на валежи винаги е радар с три координатни оси. Ъгълът на позицията на антената (наклон на антената) се променя след всеки оборот и по този начин се извършва сканиране на ъгъла на пространството. Това води до т.нар. обемно сканиране (много по-бавно от скоростта на обновяване на радара за контрол на въздушното движение). Честотата на обновяване на радара за откриване на валежи може да варира от 5 до 15 минути.

Приемник
Параболичен
рефлектор
«Ортомод»
Рупорен
облъчвател
Предавател
Радом
Мълниеприемник
Въртящ се
платформа
Вълновод

Изображение 2. Схематична илюстрация на метеорологичен радар с радиокупол

Предавател
Мълниеприемник
Въртящ се
платформа

Изображение 2. Схематична илюстрация на метеорологичен радар с радиокупол

Технически данни

Радарите за откриване на валежи обикновено използват само теснолентови къси сондиращи импулси, генерирани от мощни електровакуумни устройства (магнетрон или клистрон). Могат да се използват и полупроводникови предаватели, но те имат ниска импулсна мощност поради ограничената електрическа устойчивост на полупроводниците. Поради тази причина трябва да се използват широколентови сигнали с вътрешноимпулсна модулация, което от своя страна води до влошаване на точността на измерването поради временните странични лобове, получени в резултат на процедурата за компресиране на импулсите. Освен това чувствителността на приемника е ограничена, тъй като широколентовият приемник улавя повече шум в своята честотна лента.

Изображение 3: Поради дивергенцията на електромагнитната вълна разрешаваният обем е по-голям при по-големи разстояния, поради което радар с по-малък обсег е по-точен.

Изображение 3: Поради дивергенцията на електромагнитната вълна обем на разделителната способност на радара е по-голям при по-големи разстояния, поради което радар с по-малко разстояние е по-точен.

Максималният обсег на радара за откриване на валежи определя броя на тези устройства, необходими в даден район. Точността на такива радари намалява с увеличаване на разстоянието от радара (сравнете сините и червените обемите на разделителната способност на изображение 3).

В региони със слабо развита метеорадарна мрежа (тропици и субтропици) се използват предимно радари за S-обхвата, работещи на разстояние до 800 км. В Европа (с умерен климат), където мрежата от метеорадари е добре развита, се използват радари в C-обхвата. Работата в този честотен диапазон осигурява по-висока точност на измерване. Обхватът на тези радари е ограничен до 250 км, като за постигане на по-висока точност се използват интервали до 150 … 180 км. Изкривяването на Земята също оказва неблагоприятно въздействие на по-големи разстояния, така че по-дълбоките метеорологични явления се скриват под хоризонта.

За да се осигури необходимият динамичен обхват на приемника (до 110 dB), няколко приемника с различна чувствителност работят паралелно. Софтуерът избира приемника, който не е претоварен и чието съотношение сигнал/шум на изхода е най-добро.

Съвременните радари за откриване на валежи имат динамично променяща се скорост на антената и честота на повторение на импулсите. Тъй като метеорологичните явления съществуват в тропопаузата, диапазонът на абсолютните височини е ограничен до около 18 km. Следователно не е необходимо да се работи с максимален обхват при високи ъгли на издигане. Може да се използва по-висока честота на повтаряне на импулсите и по-висока скорост на въртене на антената, отколкото при ниски ъгли на издигане.

Дистанция [км]
Надморска височина [км]
Сканиране на валежи

Изображение 4: Стратегия за радарно сканиране за откриване на валежи
(Мащабът на височината е увеличен с 1:5)

Дистанция [км]
Надморска височина [км]
Сканиране на валежи

Изображение 4: Стратегия за радарно сканиране за откриване на валежи
(Мащабът на височината е увеличен с 1:5)

Стратегия за сканиране

Тази стратегия за сканиране е обяснена на изображение 4. Честотата на повторение на импулсите на радара е 600 Hz, което съответства на максимален недвусмислен обхват от 250 km, от които се използват само 150 km. Антената се върти със скорост 12 градуса в секунда. Сканирането започва с ъгъл на издигане 5,5 градуса и намалява с 1 градус след всеки оборот. При тези сканирания се използва честота на повторение от 600 Hz или 800 Hz. Скоростта на въртене леко се увеличава (до 18 градуса/секунда) и само при минималния ъгъл на издигане се връща на 12 градуса/секунда (за по-добро потискане на пасивните смущения от неподвижни обекти). При осмото завъртане ъгълът на наклона на антената става 8 градуса, а честотата на повторение на импулсите е 800 Hz или 1200 Hz. Ъглите на наклон от 12, 17 и 25 градуса имат честота на повторение на импулсите от 2410 Hz и скорост на въртене на антената от 30 градуса в секунда. Накрая се извършва вертикално сканиране нагоре, което се използва за вътрешно калибриране. След това антената се завърта на север и изчаква началото на следващия цикъл на сканиране. Въртенето на всички радарни антени в мрежата за откриване на валежи е синхронизирано, за да се избегне попадането на радиацията на един радар в антената на друг. Това подкрепя възможността за радарно изобразяване с данни от няколко радара, тъй като времето се променя бавно и могат да се използват данни от различни радари, които са свързани с времето, например в една и съща минута.

Фигура 5: Хоризонтален разрез на мрежата от метеорологични радари в Германия (Източник: Deutscher Wetterdienst)

Фигура 5: Хоризонтален разрез на мрежата от метеорологични радари в Германия (Източник: Deutscher Wetterdienst)

Разгръщане на радарите

Германската метеорологична служба (Deutscher Wetterdienst) се осигурява от мрежа от 17 радара за откриване на валежи, разположени така, че да покриват цялата територия на Федерална република Германия. Зоните им на покритие се припокриват, така че при повреда на един радар се използват данни от съседния радар. Един от тези радари е преносим. Той може да бъде преместен на подходящо място, в случай че някой от стационарните радари е планирано да бъде извън строя за продължителен период от време.

Обзор на представените тук метеорологични радари.