Principii de construcție și funcționare a radarelor meteorologice
Ilustrație 1: Imagine radar a situației meteorologice
Principii de construcție și funcționare a radarelor meteorologice
Principiile de construcție și de funcționare a radarelor meteorologice sunt foarte asemănătoare cu cele ale radarelor de supraveghere primară (PSR) și, de asemenea, sunt însoțite de multe probleme similare.
Cea mai importantă diferență între aceste două tipuri de radare este că în cazul radarelor de supraveghere aeropurtate se realizează doar detectarea țintei (este prezentă ținta? Da sau nu) și doar măsurarea coordonatelor acesteia. Radarele meteorologice măsoară, de asemenea, amplitudinea semnalului de ecou. Ca urmare, datele oferă informații despre intensitatea și consistența obiectelor reflectante din zona de observare.
Dar există și diferențe mai importante. Acestea sunt adesea cauzate de faptul că formele obiectelor care trebuie căutate sunt foarte diferite pentru radarele de un tip și altul. Norii și grupurile lor au dimensiuni geometrice mult mai mari decât, de exemplu, o rachetă, iar la anumite frecvențe sunt, de asemenea, semitransparenți. Din acest punct de vedere, rezultatele mai bune sunt furnizate de radarele meteorologice, care utilizează detectarea pe mai multe frecvențe. (Chiar și termenul „sondare multifrecvență“ are o semnificație diferită în ceea ce privește radarele meteorologice față de radarele cu diversitate de frecvență.)
Ilustrație 2. Principiul radarului
Principiul general care stă la baza funcționării unui radar meteorologic este explicat în binecunoscuta figură: impulsurile puternice emise sunt reflectate în toate direcțiile de către un obiect, iar o parte dintre acestea sunt reflectate înapoi la radar sub forma unui semnal de ecou. Deși semnalul emis are o putere mare, semnalul recepționat este, de obicei, foarte, foarte slab și, prin urmare, este nevoie de un receptor extrem de sensibil pentru a-l capta și a-l interpreta.
Pentru radarele de supraveghere primară, semnalele așteptate sunt ecourile de la aeronave și alte obiecte zburătoare. În acest caz, ecourile cauzate de formațiunile meteorologice interferează și trebuie filtrate. Invers, în cazul radarelor meteorologice, ecourile aeronavelor sunt considerate interferențe. În ambele tipuri de radare, trebuie implementate metode de protecție împotriva interferențelor pasive, adică a reflexiilor de la obiectele staționare.
Comparație între radarele de supraveghere și radarele meteorologice
Să comparăm radarele meteorologice cu radarele de control al traficului aerian sau cu radarele de apărare aeriană, dar să ne limităm la tipuri comparabile în mod rezonabil, de exemplu, radarele de control al traficului aerian cu rază lungă și medie de acțiune, cum ar fi radarele de rută și radarele de supraveghere a aeroporturilor, și să le comparăm cu radarele de precipitații.
| Caracteristici | Radar de supraveghere | Radar meteorologic |
|---|---|---|
| Bande de frecvență | Bande L, S | Bande S,C și X |
| Procesare Doppler | Acesta este utilizat în ambele sisteme. | |
| Scanare | Unghi de azimut sau de elevație | Unghi de azimut și de elevație |
| Procesarea semnalului | Complex, în timp real | Foarte complexă, timpul nu este critic |
| Polarizare | Lineară și circulară | Dublă (verticală și orizontală) |
| Puterea impulsurilor | Variabilă (kW - Mw) | Variabilă (kW - Mw) |
| Prelucrarea digitală a datelor | Procedura în fază și în cuadratură (I&Q) | |
| Actualizarea imaginii | 6 - 12 sec | 5 - 15 min |
| Atenuarea interferențelor | Da (interferențe - ecouri de la hidrometori) | Da (interferențe de la ecourile aeronavelor) |
| Dimensiunea antenei | Mai mare (ca lungime de undă mai mare) | Mai mică (ca lungime de undă mai mică) |
Tabelul 1: Comparație între radarul meteorologic și radarul de supraveghere
Benzile de frecvență
Radarele de control al traficului aerian și sistemele de apărare aeriană funcționează în banda L, banda S (în cea mai mare parte în banda L). Radarele meteorologice emit de obicei în benzile S, C, X. Banda L este potrivită în special pentru radarele de detecție cu rază lungă de acțiune, deoarece influența condițiilor meteorologice este minimă în acest caz. Pe de altă parte, benzile S, C și X sunt mai potrivite pentru meteoradare datorită lungimii de undă mai scurte.
Prelucrarea semnalului Doppler/h6>
Prelucrarea frecvenței Doppler pentru radarele meteorologice a fost o procedură standard încă din jurul anilor 1990. Aproape toate sistemele radar meteorologice disponibile în comerț sunt echipate cu procesare Doppler.
Diagramele antenelor
Radarele de detecție Doppler au, de obicei, o antenă cu un diagramă cosecantă pătrată și, prin urmare, nu oferă măsurători precise ale unghiului de localizare a țintei. (Există radioaltimetre speciale în acest scop).
Radarele meteorologice au antene cu fascicul de creion care pot fi rotite în azimut și elevație (de obicei, o rotație este efectuată la un unghi de elevație fix).
Principala limitare atunci când se operează un canal meteorologic suplimentar ca parte a radarului principal este faptul că antena nu este acut direcțională în planul unghiului de amplasare (15° … 30° lățimea fasciculului). După cum ne amintim, acest lucru se face pentru a putea detecta obiectele aflate în aer pe o anumită gamă de altitudine cu fiecare rotire a antenei. În consecință, imaginile radar ale unui radar meteorologic în această configurație vor fi inexacte și de calitate slabă.
Radarele meteorologice utilizează antene foarte direcționale, inclusiv cele din planul unghiular. În acest caz, doar un sector unghiular îngust este acoperit într-o singură tură, iar o imagine radar tridimensională este apoi compilată din scanări individuale. Acest lucru durează de câteva ori mai mult decât în cazul radarelor de detecție și, prin urmare, imaginea radar a situației meteorologice este actualizată timp de cel puțin 5 minute. Nu este necesar să se facă acest lucru mai repede, deoarece situația meteorologică (poziția hidrometeorologilor) este mai constantă decât poziția curentă a aeronavei.
Prelucrarea semnalelor radar
În procesarea ecourilor radar se aplică o serie de funcții și filtre diferite, de la antenă până la afișare. Acest tip de procesare poate fi numit „complex“. Aceste funcții și filtre sunt, de asemenea, utilizate în cazul radarelor meteorologice. Dar există și o prelucrare specială a datelor, în care semnalele eco recepționate sunt comparate cu valorile stocate într-un tabel și se formează o imagine tridimensională din unghiuri individuale. Acesta este motivul pentru care procesarea semnalelor în radarul meteorologic este denumită convențional „foarte complexă“.
Polarizarea
În radarele de detecție se utilizează atât polarizarea liniară, cât și cea circulară. Scopul selecției polarizării este de a obține o imagine radar fără interferențe cauzate de fenomenele atmosferice. În cazul în care se recepționează ecouri puternice ale norilor, radarul trece la polarizare circulară pentru a reduce influența acestor semnale de interferență.
În cazul radarelor meteorologice, polarizarea circulară nu este utilizată din același motiv. Aici, ecourile în polarizare verticală liniară sunt comparate cu ecourile în polarizare orizontală liniară pentru a oferi informații suplimentare despre diferite fenomene meteorologice.
Puterea de impuls
Puterea de impuls a fiecărui tip de sistem variază în funcție de sursa de microunde și de specificațiile tehnice necesare. Pentru ambele tipuri de radare, puterea impulsurilor poate varia de la 20 kW la 1,5 MW. Radarele moderne de detectare a obiectelor din aer utilizează emițătoare de stare solidă cu modulație a intrapuls. În acest caz, puterea impulsului este mult mai mică. Această abordare poate fi aplicată, în principiu, radarelor meteorologice. Cu toate acestea, lobii laterali în timp duc la inexactități. Din acest motiv, utilizarea tuburilor de amplificare de mare putere, cum ar fi klystrons, rămâne preferabilă în radarele meteorologice.
Prelucrarea digitală a datelor
În principiu, în ambele tipuri de sisteme se utilizează procesarea digitală în fază și în cuadratură (I&Q). În cazul radarelor meteorologice, domeniul dinamic al receptorului este ceva mai important decât în cazul radarelor de detecție. În acest caz, de obicei, mai multe receptoare cu sensibilități diferite lucrează în paralel. Procesarea digitală selectează receptorul care oferă cel mai bun raport semnal-zgomot fără supraîncărcare.
Actualizarea imaginii (Rata de reînnoire a datelor)
Sistemele radar primare de control al traficului aerian au obligația de a obține poziția tuturor aeronavelor în fiecare sondaj (adică aproximativ la fiecare 6 … 12 secunde). Această cerință este determinată de dinamica ridicată a situației aeriene. Radarele cu diagrame de antenă în formă de evantai sau de cosecantă pătrată, deoarece diagrama acoperă toate înălțimile necesare.
În cazul radarelor meteorologice, se formează un model mai complex, care necesită mai multe rotații ale antenei. Diagrama cu ace a acestui radar acoperă doar o gamă mică de unghiuri de elevație. Prin urmare, sunt necesare mai multe scanări succesive la diferite unghiuri de elevație pentru a obține o scanare volumetrică completă. Ca urmare, imaginea radar a condițiilor meteorologice se actualizează la fiecare câteva minute.
Eliminarea interferențelor
Ambele tipuri de sisteme utilizează pe scară largă tehnici pasive de eliminare a interferențelor. Alegerea metodei utilizate depinde în mare măsură de tipul de radar. Dar, în principiu, se aplică întotdeauna procesarea Doppler. Principala diferență constă în faptul că în fiecare tip de radar trebuie extrase diferite semnale utile din amestecul semnal-zgomot.
Dimensiunea antenei
Dimensiunea antenei depinde de frecvența de funcționare a radarului și de cerințele privind precizia focalizării fasciculului. În banda L cu unde lungi, care corespunde gamei de frecvențe de operare a radarelor de control al traficului aerian și de apărare aeriană, sunt necesare antene de dimensiuni mari. Antena radarului meteorologic în banda X este plasată în botul aeronavei, oferind în același timp aceeași rezoluție a coordonatelor unghiulare.