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Radar à double polarisation

Figure 1 : Vue d’artiste de la mesure du diamètre de l’hydrométéore prise par chaque polarisation

Figure 1 : Vue d’artiste de la mesure du diamètre de l’hydrométéore prise par chaque polarisation

Vue d’artiste de la mesure du diamètre de l’hydrométéore prise par chaque polarisation, 
© 2015 Christian Wolff www.radartutorial.eu

Figure 1 : Vue d’artiste de la mesure du diamètre de l’hydrométéore prise par chaque polarisation

Radar à double polarisation

Une méthode plus récente de détection du type de précipitations, en particulier de la grêle, est celle de la double polarisation. Le radar émet alternativement deux faisceaux polarisés linéairement mais dont la polarisation est à angle droit l’un de l’autre. Cette alternance peut être entre chaque impulsion ou entre groupes d’impulsions. Le récepteur comporte également un canal de réception pour chaque polarisation. Certains radars polarimétriques modernes, comme le METEOR 1500 de Gematronik, peuvent émettre les deux polarisations simultanément.

Données obtenues

L’envoie de deux impulsions, avec polarisation verticale (V) et horizontale (H), permet de noter une différence de plusieurs caractéristiques entre ces retours:

Figure 2 : Plus la goutte est aplatie, plus de ZDR est grand

Figure 2 : Plus la goutte est aplatie, plus de ZDR est grand

Interprétation et algorithmes

Les données obtenues avec ce type de sondage peuvent donc donner des indications sur la forme des cibles ainsi que sur le mélange de formes. Ceci peut être utilisé, en plus de l’intensité du retour, pour une identification directe du type de précipitations (pluie, neige, grêle, etc.) grâce à un algorithme.

À titre d’exemple, on peut différencier la grêle de la pluie forte grâce à ZH et ZDR. Les deux types de précipitations ont une très forte réflectivité ZH, la constante diélectrique de la glace n’est que 20% de celle de l’eau mais les grêlons ont un diamètre beaucoup plus grand que ceux des gouttes de pluie, les deux effets se compensent dans l’équation météorologique du radar. Par contre, les gouttes dans la pluie forte à modérée sont de forme oblongue orientée horizontalement ce qui donne un retour horizontal plus fort que celui dans la verticale et donc un ZDR positif. La grêle est elle plutôt sphérique et culbute en chutant ce qui donne un ZDR près de 0. Le ZDR est parfois même légèrement négatif (en décibel) dans la grêle car elle est la seule des deux à pouvoir être oblongue verticalement. En résumé :

Chaque type de précipitions a ainsi des valeurs caractéristiques pour ZH, ZDR, ρhv, φdp et Kdp. Cependant, l’atténuation pour certaines longueurs d’onde de sondage, ainsi que des recoupements dans les caractéristiques de certains types de précipitations demandent en général un traitement poussé par des arbres de décisions utilisant la logique floue. Dusan S. Zrnic et Alexandre V. Ryzhkov, du NCAR aux États-Unis, ont été des pionniers dans le domaine ces algorithmes d’interprétation.

Double polarisation dans le monde

Plusieurs pays introduisent la double polarisation lorsqu’ils modernisent leurs réseaux de radars météorologiques. Le service météorologique américain équipera graduellement tout son réseau de ce type de radar à partir de 2010. Le radar de l’université McGill (Montréal) et celui d’Environnement Canada à King City sont deux radars qui formeront la base de la prochaine modernisation dans ce domaine au Canada. En Europe la France, l’Allemagne (avec Poldirad) et d’autres pays s’en équipent graduellement.

Radar à double polarisation

Voici un exemple de radar à double polarisation où l’énergie transmise est divisée en deux par un connecteur de –3dB. Les deux signaux polarisés orthogonalement produits sont envoyés simultanément par leur cornet d’alimentation individuel et le signal retourné sera capté par le cornet qui correspond à sa polarisation.

Figure 3 : Schéma simplifié du fonctionnement d’un radar à double polarité.

Figure 3 : Schéma simplifié du fonctionnement d’un radar à double polarité.

Figure 3 : Schéma simplifié du fonctionnement d’un radar à double polarité.

Grâce à un commutateur, il est aussi possible d’utiliser toute la puissance dans seul plan de polarisation. Comme la réflexion sur des précipitations change toujours la direction de polarisation des ondes électromagnétique. Il est toujours possible de recevoir dans les deux plans de polarisations, grâce aux deux cônes, et d’évaluer les retours dans chaque plan de polarisation dans le récepteur.

Transmetteur

Le transmetteur radar génère une impulsion radioélectrique de courte durée mais de grande puissance.

Répartiteur de puissance (-3dB hybride #1)

Ce répartiteur de puissance divise l’énergie émise en deux signaux d’égale intensité. Le premier est émis dans l’espace par un cornet d’alimentation polarisé verticalement, alors que l’autre sort d’un cornet polarisé horizontalement.

Répartiteur de puissance (-3dB hybride #2)

Si le mode à polarisation unique est choisi, l’interrupteur redirige les deux signaux vers ce répartiteur de puissance qui les recombinent.

Interrupteur simple/double polarisation

La part de la puissance transmise pour l’impulsion verticale est envoyée au cornet d’alimentation à polarisation verticale pour la double polarisation. Pour donner un signal à simple polarisation, l’interrupteur alimente le cornet horizontal où elle s’ajoute à l’autre impulsion.

Ligne de délais pour coïncidence de phase

Une ligne de délais permet de faire coïncider la phase des deux signaux.

Antenne parabolique

Les cornets d’alimentation se trouvent au foyer d’une antenne parabolique et émettent vers cette dernière. Cela permet la formation d’un faisceau de double polarisation très mince et directionnel.

Double cornets d’alimentation

Deux cornets d’alimentation permettent de polariser les signaux et de les envoyer vers l’antenne parabolique.

Circulateur ferreux (Duplexeur)

Le duplexeur est un commutateur qui alimente alternativement l’antenne avec le signal du transmetteur, puis le récepteur avec les signaux retournés par les cibles à l’antenne. Cela permet d’utiliser la même antenne pour les deux fonctions. La commutation permet également de ne pas alimenter le récepteur très sensible avec le signal du transmetteur, lui très puissant.

Récepteur

Le récepteur amplifie et démodule le signal radioélectrique retourné par les cibles. Il en extrait l’information sous forme de signal vidéo.

Traitement des données

Le processeur de signaux prend le signal brut et filtre les échos parasites, comme les échos de sol, grâce aux vitesses radiales Doppler et à l’amplitude du signal. Cela permet d’en extraire l’information météorologique.

Affichage CAPPI

L’information est présentée à l’utilisateur sur un affichage vidéo facile à consulter. Dans le cas présent, il s’agit d’une vue panoramique à altitude constante (CAPPI).