Les Principes du Radar

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:

• Les retours en réflectivité sont nommés Z_H (réflectivité horizontale) et Z_V (réflectivité verticale). Le rapport entre les deux est nommé réflectivité différentielle ou Z_DR et permet de déterminer le degré de sphéricité de la cible;
  
• Le faisceau radar sonde un volume plus ou moins grand selon les caractéristiques de l’antenne émettrice. Ce qui revient est l’addition des ondes réfléchies par les cibles individuelles dans le volume. Comme les cibles peuvent changer de position dans le temps les unes par rapport aux autres, l’intensité des ondes V et H ne demeure constante que si les cibles ont toute la même forme. Le rapport d’intensité entre les canaux H et V revenant de sondages successifs s’appelle le coefficient de corrélation (ρhv) et donne donc une idée de l’homogénéité ou non des cibles dans le volume sondé ;
• La phase de l’onde change lorsqu’elle traverse un milieu de densité différente. En comparant le taux de changement de phase de l’onde de retour avec la distance, la phase différentielle spécifique ou K_dp, on peut évaluer la quantité de matière traversée;
• On peut également comparer le déphasage entre les retours H et V (différentiel de phase ou φ_dp).
• L’énergie émise dans le faisceau polarisée horizontalement peut être retourné au radar et reçu par le canal de réception vertical (Z_HV) et vice-versa. C’est ce qu’on appelle la polarisation croisée et elle est due au changement de polarisation du signal par les précipitations, ou dépolarisation. Le rapport logarithmique de la réflectivité à la réception entre le rayonnement dépolarisé (Z_HV) et celui polarisé (Z_H) est appelée rapport de dépolarisation linéaire (LDR):
  LDR = 10 log₁₀(Z_HV/Z_H)
  Pour des particules sphériques, ce rapport est théoriquement nul, mais en pratique sa valeur peut atteindre 40 dB car les hydrométéores ont une variété de formes. LDR est donc extrêmement utile car elle permet de distinguer la phase des précipitations détectées: les très petites gouttelettes d’eau, de par leur forme sphérique, produisent un rapport de dépolarisation nul; en revanche, les cristaux de glace produisent des rapports de dépolarisation élevés. LDR est particulièrement grand dans la bande brillante, niveau de la neige fondante, et pour les échos de sol.

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

Figure 2 : Plus la goutte est aplatie, plus de Z_DR 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 Z_H et Z_DR. Les deux types de précipitations ont une très forte réflectivité Z_H, 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 Z_DR positif. La grêle est elle plutôt sphérique et culbute en chutant ce qui donne un Z_DR près de 0. Le Z_DR est parfois même légèrement négatif (en décibel) dans la grêle car elle est la seule des deux à pouvoir être oblongue verticalement. En résumé :

• Z_H élevé avec Z_DR ≅  0 ou négatif est un signe de grêle ;
• Z_H élevé avec Z_DR très positif est un signe de pluie modérée à forte.

Chaque type de précipitions a ainsi des valeurs caractéristiques pour Z_H, Z_DR, ρ_hv, φ_dp et K_dp. 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.
(Image interactive)

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.