Időjárási radar

"Meteor 1500 S" időjárási radar Adelaide-ban (Ausztrália), még mindig védő radom nélkül

A "Meteor 1500 S" polarimetrikus időjárási radar adója, vevője és jelfeldolgozója

Időjárási radar a drezdai repülőtéren

Minden olyan radarkészüléket, amelyet elsősorban időjárási adatok gyűjtésére használnak , időjárási radarnak nevezzük . Az időjárási radareszközök gyakran hálózatba vannak kapcsolva, és radarinformációikat egy nagyszámítógépbe táplálják , amely ezeket a jelenlegi megfigyeléseket felhasználva kiszámítja az általános időjárási helyzetet, és szimulációkkal, valamint a múltból ismert időjárási folyamatokkal történő összehasonlítással lehetővé teszi az időjárás előrejelzését . Az időjárási radarok jól ismert típusa a csapadékradar , amelyet időnként esőradarnak is neveznek.

történelem

A radarberendezések időjárás-megfigyelésre való felhasználásának lehetőségét már a második világháborúban felismerték. A katonai otthoni és légi megfigyelő radarberendezések interferencia visszhangként jelenítették meg a rossz időjárási területek körvonalait. Ezt nem akarták katonai körülmények között, mivel ezek a rossz időjárási területek elrejtették az ellenséges repülőgépeket. Ezeket a jelenségeket meteorológusok vizsgálták. 1941-ben a General Electric John W. Ryde megépítette az első időjárási radart. Felismerte, hogy kezdetben a radarsugarak csillapítása az esős terület átlépésekor pontosabb mérést tett lehetővé, mint a visszaszórás. 1947-ig dr. John Stewart Marshall és tanítványa, Walter McK. Palmer kísérletileg összefüggést talált a radar intenzitása és az esősebesség között. Marshall és Palmer (1948) cseppméret-eloszlása ​​a mai napig a meteorológia legszélesebb körben használt funkciója.

A második világháború alatt inkább az időjárási radarral végzett munka volt a kivétel. A radar polgári felhasználása a célzott időjárási megfigyelésekre csak később, 1950 körül történt, főleg, hogy a radarberendezések nagyon drága beruházások voltak. Kezdetben költség okokból az időjárási radar készülékek a tiszta távolság meghatározására korlátozódtak, a mért reflexió osztályozásával . Az időjárási radar használata csak 1980-ban vált normává.

Az úgynevezett kampós visszhangot először 1953. április 9-én rögzítette egy radarberendezés a Chard (Illinois) közelében található Willard repülőtéren. Az ilyen horgos visszhangok kicsapódását radarok ismerték jeleként a jelenléte egy szupercella egy kockázati tornádó .

1957. július 7-én egy X sávos radart (9 GHz) állítottak üzembe a Berlini Szabadegyetem Meteorológiai Intézetében . Ugyanezen a napon figyelmeztetni lehetett a közeledő viharfrontra.

Roger Lhermitte és David Atlas 1961-ben írták le a Doppler-effektus alkalmazását a szélsebesség mérésére a csapadék területén . Ezek a sebességmérések kezdetben arra irányultak, hogy meghatározzák az esőcsepp méretét az esés sebességének mérésével. Mivel azonban az esés sebességét nem lehetett megkülönböztetni a helyi szélsebességtől, a cseppméret meghatározásának ezt a módját elvetették, és csak egy szélsebességet mértek. A Doppler időjárási radarok jó mérési lehetőségeket kínáltak a tornádók és hurrikánok mozgásirányának mérésére és előrejelzésére.

A folytonos hullámú radaron alapuló légköri vizsgálatok első időjárási radarját 1969-ben építették. A folyamatos hullámú radarokat az 1970-es évek óta használják időjárási radarként, valamint egyidejű távolság- és sebességmérés céljából. 1976-ban a folytonos hullámú radart használták először a szélsebesség Doppler-frekvenciájának mérésére.

Az 1970-es évek közepétől a radar és a számítástechnika technológiai fejlődése lehetővé tette a felhők dinamikájának és a szupercellák belső szerkezetének tanulmányozását zivatarban. Ezek az egyetlen Doppler-radarral végzett mérések csak egydimenziós képet adnak a sebességmezőről, de felhasználhatók a záporos zónák helyzetének meghatározására zivatarok esetén. Két Doppler radarkészülékkel egyszerre, különböző irányokból történő megfigyelés háromdimenziós képet is generálhat a sebességmezőről. A Német Meteorológiai Szolgálat radarhálózatának első radarját 1987-ben telepítették Münchenben. Csak 1990-ben készítették a DWD radarhálózat összetett képét négy radarhelyről. A radareszközök hálózatba kapcsolását és összekapcsolását nagy adatközpontokkal az időjárás-előrejelzés digitális feldolgozása érdekében az ezredfordulóig nagymértékben elvégezték.

Az ezredfordulótól kezdetét vette a polarimetrikus radarrendszerek gyakorlati tesztelése is. A cseppméret közvetlen mérése csak ezzel a polarimetrikus radarral lehetséges , ahogy Dušan Zrnić leírta az 1990-es években. Ez a radar meg tudja mérni a vízcseppek, hópelyhek és az ónos eső vagy jégeső (együttesen hidrometeorok ) magasságának és szélességének arányát . Ebből az arányból vagy az esőcseppek mérete meghatározható, vagy az esőcseppek megkülönböztethetők a jégesőtől.

Típusok

Frekvenciafüggő csillapítás esős területen (a radarberendezések amplitúdói csak relatív értékek, a görbék csak azt mutatják, hogy az esőeloszlás mekkora része vehet részt a reflexióban)

A távolságmérés alapelve minden időjárási radareszköz esetében azonos. Különbségek vannak a paraméterek variációjában, amelyek optimalizálhatók egy adott várható eredményhez. A fő különbség az alkalmazott frekvenciatartományban van. A frekvenciatartomány megválasztása határozza meg az elektromágneses hullámok csillapítását a légkör által, még inkább felhő vagy csapadék által. Az üzemi frekvencia meghatározza a radarnyalábok e csapadékterületre való behatolásának lehetséges mélységét, és hogy az e területről mely tárgyak járulnak hozzá a visszaverődéshez. Ez azt jelenti, hogy ettől a működési frekvenciától függ, hogy csak ennek a területnek a külső kontúrjai láthatók-e az időjárási radaron, vagy a belső szerkezet felismerhető-e. A legfelső (kék) görbében a jobb oldali képen látható egy 20 km átmérőjű zivatar geometriai kiterjedése, a csillapítás okaként növekvő, akár 100 mm / órás csapadékmennyiséggel. Az alábbi görbe (lila színnel) mutatja az S-sávban lévő radarberendezés radar visszhangjainak szintre beállított amplitúdóját. A következő két görbe ugyanazt mutatja, mint egy radarkészülék a C-sávban (okker) és egy az X-sávban (világoskék). Látható, hogy az időjárási radarkészülékek az X-sávban csak közeli távolságra tervezhetők. Az S-sáv radarátviteli energiája viszont alig gyengül - ez is annak a jele, hogy ez a radar csak nagyon gyengén jeleníti meg ezt a csapadékterületet, mivel nem tükröződik elég energia. A kívánt tartományhoz meg kell teremteni a szükséges energetikai feltételeket. Az időjárási radarberendezések ezért az adóegységtől származó impulzus teljesítményének széles skáláját kínálják, csupán néhány kilowatttól a több megawattig.

Csapadékradarok

A radarsugarak eltérése miatt a közeli radar sokkal pontosabb a mérésben, mint egy távoli radar

Példa állandó magasságterv-helyzetjelzőre . A kép a fényvisszaverő képességeket mutatja a föld feletti 1,5 km-es magasságban.

A csapadékradarok impulzus radarok viszonylag alacsony frekvenciatartományban. 100 µm-től több milliméteres nagyságú hidrometeorokat regisztrálnak. A gyakorlatban időjárási radar eszközöket használnak csapadékradarként az S-sávban annak érdekében, hogy megtisztítsák a nagy távolságokat a nagyon intenzív időjárási jelenségekkel rendelkező trópusi régiókban. Ugyanezen feladathoz mérsékelt éghajlaton C-sávú radarberendezés is használható, amely a nagyobb frekvencia és a hatékonyabb antennaméret miatt sokkal pontosabb lehet. A felhő és a csapadék megkülönböztetésére szolgáló többfrekvenciás radareszközök használata az időjárási radarokban különleges jelentéssel bír: A két működési frekvencia közötti különbségnek legalább több frekvenciasávnak kell lennie. Például az MMCR a K és a W sávot használja, 1,5 oktáv frekvenciakülönbséggel.

A különböző feladatok elvégzéséhez az időjárási radar eszközöket különböző tulajdonságú érzékelőként szerelik fel. A maximális tartomány (és így az átviteli teljesítmény), valamint az alkalmazott frekvenciatartomány az elvárásoknak megfelelően igazodik az eredményekhez. Az elektromágneses hullámok távolságon belüli eltérése és a kibocsátott radarimpulzus ezzel járó térbeli tágulása miatt az időjárási radar annál kevésbé pontosodik, minél távolabb helyezkedik el a vizsgálandó időjárási jelenség. A radar szögfelbontása a távolságtól függ. Az impulzus térfogata a távoli radar sugárjában sokkal nagyobb (a pirossal körülhatárolt képen), mint a közeli radarban (a kékkel körülvett képen) az impulzus térfogata. Ez azt jelenti, hogy a távolabbi radar felbontása sokkal gyengébb, ezért kevésbé pontos. Emiatt sok kisebb időjárási radart kell előnyben részesíteni a nagyméretű időjárási radarokkal szemben. A német meteorológiai szolgálat 17 teljes radarral képes lefedni Németország teljes területét, egyenként 150 km hatótávolsággal.

Felhő radar

A felhőradar (amelyet általában felhőprofil radarnak hívnak ) a legkisebb vízcseppek és azok kondenzációs magjainak visszaverődését méri. Ezek a radareszközök ezért 30 GHz-től 96 GHz-ig terjedő frekvenciákat használnak annak érdekében, hogy képesek legyenek kimutatni a legkisebb 10–100 µm átmérőjű lebegő cseppeket. A műholdas alapú időjárási radarberendezések, amelyek állítólag közvetlenül mérik a páratartalom eloszlását a légkörben, szintén 94 GHz feletti frekvenciákat használnak. A TRMM ( Tropical Rainfall Measuring Mission ) műhold fedélzetén levő csapadékradar (PR) 14 GHz tartományban működik.

Szélprofil

Az Alaszka északi partján található Barrow szélprofilja 915 MHz-en működik

A szélprofil vagy a szélprofil radar olyan időjárási radarra utal, amelyet a függőleges és vízszintes szél magassági profiljának mérésére használnak a troposzférában. A szélsebesség méréséhez fényvisszaverő tárgyat kell használni, amely a levegőben lebeg és a szélsebességgel együtt mozog. Az elv két különböző tükröződő tárgycsoporton alapulhat. Az egyik csoport lebegő részecskéket használ a levegőben, ezért a lehető legmagasabb frekvenciákat használja. Egy másik csoport a légrétegek különböző törésmutatóját használja egy visszhangra.

A mikrohullámú hangjelzők (MWS) közvetlenül felfelé sugároznak, és közvetlenül a radar felett mérik a különféle levegőrétegek magasságát. Gyakran ez egy szonárszerű technológiávalegy időben történik,ezért a név inkább akusztikus eszköznek hangzik. Nagyon magas működési frekvenciájukkal nem tudnak behatolni a sűrű felhőkbe, a felhőben lévő szerkezet rejtve marad előttük.

Tiszta szél profilerek használjon fázisvezérelt antenna annak érdekében, hogy képes legyen enyhén elektronikusan elforduljon a felfelé gerenda. A Doppler-frekvenciát három különböző irányban mérik, és feltételezve, hogy ebben a kis mintavételi magasságtartományban a szélirány és a szélsebesség állandó, a vízszintes szélsebességet és a talaj feletti szélirányt a három mért sugársebességből számítják ki. Az úgynevezett rádióakusztikus hangrendszerrel a magasabb rétegekben lévő hőmérséklet közvetett módon is mérhető. A hangszórók nagyon nagy hangerővel bocsátanak ki felfelé. Ezekkel a hosszirányú hullámokkal időben összenyomódik a levegő, és olyan mozgó hullámok képződnek, amelyek hangsebességgel haladnak. A hangsebesség azonban kissé változik a levegő hőmérsékletétől függően. Ezért a hullámhossz változásai és a nyomásmaximumok közötti távolságok nem állandóak. A radar ezeket a távolságokat a Bragg-feltételnek megfelelő interferencia segítségével méri . A radar visszhangja egy bizonyos távolságból akkor a maximális, ha a hangsebességgel terjedő akusztikus hullám közötti távolság megegyezik az UHF radar rádióhullámainak hullámhosszának felével. Az átviteli frekvenciák enyhe változtatásával az akusztikai hullámhosszak nagyon pontosan mérhetők. A pontos hangsebesség kiszámítható az adott frekvenciájú akusztikus rezgés ezen mért hullámhosszaiból, és ebből levezethető a levegő hőmérséklete.

Clear-Air-Doppler-Radar Fogja a levegő törésmutatójának szabálytalanságait (az úgynevezett „ tiszta levegő visszhangjait”, az úgynevezett „angyalokat” a légi felderítő radarokban), és méri a visszhangjelek Doppler-spektrumát. szétszóródott a radar felé. Ezek az eszközök többnyire a 30 és 3000 MHz közötti frekvenciatartományt használják (VHF és UHF sáv), egyrészt azért, mert a légköri turbulencia energiatartalma az örvényméret csökkenésével gyorsan csökken, másrészt azért, mert a radar itt főként a turbulencia visszhangjait veszi fel, a Bragg-tartományon belül , vagyis a radar hullámhosszának a fele. Az UHF tartományt többnyire néhány ezer méteres magasságig használják. Ez biztosítja a viszonylag kicsi, gyorsan összeszerelhető és szétszerelhető antennákat. Ezeket az UHF radarokat gyakran határréteg radaroknak nevezik . Mivel a turbulencia minimális mérete a magasság növekedésével exponenciálisan növekszik, 50 MHz alatti frekvenciákat használnak úgynevezett MST radarokhoz (a mezoszféra , a sztratoszféra és a troposzféra magasságához ) vagy az ST radarokhoz (a sztratoszféra és a troposzféra magasságához). Ez a frekvenciatartomány sokkal nagyobb antennaméreteket igényel, de megvan az az előnye, hogy ezek a frekvenciák könnyen behatolhatnak még a nagy csapadékterületekre és a felhőkbe is.

Időjárási radar a gépen

A repülőgépbe épített időjárási radart légi időjárási radarnak nevezzük . A fedélzeti időjárási radar pontatlan német nyelvű fordítása nem tudta érvényesülni a nyelvi használatban. Adatai felhasználása alapján két különböző eszközcsoportot lehet megkülönböztetni. A fő alkalmazás a pilóták korai figyelmeztetése a veszélyes időjárási jelenségekről és a radaradatok megjelenítése közvetlenül a pilótafülkében. Egy másik alkalmazás egy Doppler radar használata egy speciális repülőgépben időjárási kutatásokhoz.

Időjárási radar a TBM- től a szárnyhoz rögzítve

Íj radar

Orrradar egy Boeing 737-500-as gépen

A multifunkciós radarkijelző (MFRD) ötvözi az időjárási radar, a forgalmi figyelmeztetések, a digitális térképek és egyéb adatok megjelenítését

Általánosságban elmondható, hogy a nagyobb repülőgépek időjárási radarral vannak felszerelve, amelyet általában az orrban (a radar orrának ) nevezett orrban helyeznek el . Korábbi eszközök is beépíthetők egy szárny profil orrába . A radarberendezésnek különleges követelményei vannak a méret és a súly tekintetében. A repülőgép időjárási radara többnyire az X-sávban (kb. 10 GHz) működik. Ez azt jelenti, hogy az antenna jó irányíthatósága ellenére nagyon kicsi lehet. Nemcsak az esőcseppeket, hanem az aeroszolokat és a felhőket is megtalálja. Az időjárási információk egy multifunkciós radarképernyőn (MFRD vagy MFD) jelennek meg . Az időjárási radar mindig a kijelző eszközön keresztül kapcsolódik a másodlagos radarhoz, amelyre a repülőgépek jóváhagyásához már szükség van (például repülőgép rádió transzponder és ütközésjelző rendszer ), és a kiegészítő információkat is megjelenítheti. A legmodernebb repüléstechnika a jelenlegi pilótafülke helyzetkijelzőjén mutatja be a jelenlegi és a jövőbeli időjárást .

Az időjárás a pilótafülkében általában úgynevezett bőrfestési módban jelenik meg. Ez azt jelenti, mint egy analóg radar esetében, a képernyő felülete színnel van kiemelve az echo jel erőssége érdekében. Az időjárási radart ezért gyakran bőrfesték radarnak nevezik . Az időjárási radar hatótávolságú repülőgépeket használjuk szintetikus célkarakterként (a cél látható), akár az elsődleges radar plot plotterében , akár egy lekérdezés vagy ADS-B segítségével - a másodlagos radarból üzenet jön létre. A radar jelfeldolgozása akár az elsődleges radaradatokat is besorolhatja az adatbázisokban tárolt modellekből. Bizonyos katonai orrradarberendezésekben így felismerhető a propellerrel hajtott repülőgép jellegzetes Doppler-spektruma és a tartályhajókon alkalmazott effektív reflexiós felület megfelelő tipikus mérete.

Mivel a felhasznált hullámhosszhoz viszonyítva az antenna relatív mérete nem teszi lehetővé a nagyon erős kötegelést, ebben az esetben általában nagyobb felbontású kép készül a " Doppler-sugár élesítése " eljárással. Működési elve az, hogy minden, az aktuális iránytól eltérő szögnek Doppler-frekvenciát kell csökkentenie a szinuszfüggvénynek megfelelően. Ezért az echo jelek pontosabban helyezhetők el az áramnyalábon belül a vett Doppler-frekvencia szerint. A Doppler gerendahegyezés hatékony felhasználásának területén a 4 ° körüli tényleges nyitási szögű antenna oldalirányú szögfelbontása kb. 0,5 ° értékre javítható.

A katonai repülőgépek (vadászgépek) orrradart is használnak. Ez a radar egy multifunkcionális radar, amelyet elsősorban célkeresésre és célzásra használnak. Ugyanakkor megjelenik az időjárás is. A feladatok ilyen elosztása lehetséges, ha a vétel ideje alatt egyszerre több antennadiagramot készítünk digitálisan. Erre a célra a fázisú tömbantennák minden egyes antennaeleme saját vevővel és saját analóg-digitális átalakítóval van felszerelve . Az egyes vett jelek fázis-helyes hozzáadása a sugárformáló processzorban a szoftverben történik . Az átvitel pillanatában nagyon széles antennadiagramot kell kiadni, amely lefedi az összes szükséges nagyon keskeny vételi diagramot. Ebben az esetben az alapradaregyenletben külön antennaerősítést kell használni az adási momentumhoz és a vételi pillanathoz a tartomány kiszámításához.

Oldalsó vagy hátsó radar

Az időjárási radar eszközök oldalsó vagy hátsó radarként való használata egy speciális repülőgépen előnyöket kínál az álló radar eszközökkel szemben. Míg a helyhez kötött radarberendezéseknek passzívan kell várniuk a közeledő vihart, a repülőgép közvetlenül a történésekre repülhet, és rövid távolságból közelképeket készíthet. Ezeknek a közeli felvételeknek nagyon jó a felbontása, mert a radarsugár impulzus térfogata még nem szűnt meg széles körben. A zavaró jelek hatása kisebb a közvetlen közelségből származó visszhang jelek miatt. Másrészt hátránya, hogy a repülőgép által szállítandó antennák nem lehetnek nagy geometriai méretekkel. Ezért kompromisszumot kell találni az antenna méretének és a hullámhossz arányának. Ilyen különleges időjárási radarra példa az ELDORA / ASTRAIA Doppler időjárási radar

Időjárási csatorna a felderítő radarban

Az időjárási csatornát gyakran integrálják a nagy légi felderítő radarberendezésekbe. Időjárási adatokra van szükség a rakéták kimutatásának valószínűségének javításához a telekelszívó szűrőin belül. Ha a légtér felderítő radart légiforgalmi irányító radarként használják, akkor ezekre az időjárási adatokra egyszerre van szükség a repülési tanácsadáshoz és a leszállási megközelítés kezeléséhez. Ezért van értelme ezeket az időjárási adatokat külön képernyőn (vagy képernyőablakon) bemutatni a légiforgalmi irányítónak. A meteorológusok számára viszont ez az időjárási csatorna nem túl értelmes, mert csak korlátozott a felbontása. Ebben az időjárási csatornában általában csak négy különböző fényvisszaverő képesség jelenik meg színkódként. Ez az időjárási kép tehát csak rövid távú időjárási figyelmeztetésként használható.

Osztályozás

Az időjárási radareszközök több szempont szerint osztályozhatók. Az időjárási radarberendezések hagyományos, Doppler és polarimetrikus radareszközökre oszlanak a történeti fejlődés és az ebből adódó, eltérő fejlettségű műszaki mérési lehetőségek alapján.

• A hagyományos időjárási radar úgy határozható meg, mint egy időjárási radarrendszer, anélkül, hogy meg lehetne mérni a Doppler frekvenciáját. Szabadon futó, saját gerjesztésű adót (általában magnetron ) használ , ezért nem koherens . A tranzitidő mellett ez az időjárási radar csak az echo jel erejét méri. Ez azt jelenti, hogy csak a csapadékintenzitás térbeli eloszlása ​​határozható meg. A hagyományos időjárási radarberendezések a fejlődés történelmi szakasza, és gyakorlatilag már nem használják őket.
• A legszélesebb körben alkalmazott időjárási radarrendszer a Doppler időjárási radar . Ezek a radarberendezések legalább koherensek a vételi útvonalon, ezért mérni tudják a Doppler-frekvenciát is. A csapadékintenzitás térbeli eloszlása ​​mellett a csapadék radiális sebességét a Doppler-effektus alapján határozzuk meg . A radiális sebesség kismértékű változásai a megfelelő időjárási körülmények ( pl. Tornádók ) esetén a légkeringés indikátorai lehetnek .
• A polarimetrikus időjárási radar egy Doppler időjárási radar, amely képes különböző polarizációs irányú impulzusok küldésére és fogadására. Az elektromágneses hullámok többféle polarizációs irányának alkalmazásával és a kapott visszhangban bekövetkező különbségek kiértékelésével további információkat nyerünk a csapadék formájáról és típusáról. A kutatóintézeteken kívül a polarimetrikus radarokat csak csapadékradarként használják. Újabb készülékek is kínál a STAR módban (a S imultaneous T ransmit A ND R eceive ), amely áll az egyidejű küldő és a fogadó mindkét polarizációs irányok .

Munka módja

Az időjárási radar műszaki elve nagyon hasonlít a katonai légi felderítés elsődleges radarjához és impulzus radarjához. Mint minden elsődleges radar esetében, a nagy frekvenciájú rezgéseket is nagy teljesítményű adó generálja. Ezt az energiát az antenna elektromágneses hullámként köti össze, és irányított módon sugározza. Ha ez a hullám akadályba ütközik, részben vagy teljesen visszaverődik. Ezt a visszhangot az időjárási radar fogadja és értékeli újra. A döntő különbség az, hogy a légtér felderítéséhez használt radarkészülékkel csak egy célt észlelnek (cél elérhető: igen / nem), csak a célhely koordinátáit mérik. Időjárási radar esetén azonban fontos a visszhang jel intenzitása. Ezt az echo jel erejének mérésével határozzák meg, és információt nyújtanak a megfigyelési területen lévő visszaverő tárgyak intenzitásáról és konzisztenciájáról. A légi felderítő radarokhoz képest a nem kívánt visszhangok ( rendetlenség ) által okozott interferenciát ellentétesen osztályozzák. A repülőgép visszhangjai az időjárási radar zavarait jelentik, és a légi megfigyelő radar által behívott "időjárási rendetlenség" a célpont itt.

A légi felderítéshez használt radarberendezésekkel (pl. Légiforgalmi irányítás vagy légvédelem) ellentétben a kompakt pontcélok nem helyben vannak, hanem térfogati célpontok, amelyek viszont energiakülönbségeket eredményeznek. Mennyiségi cél esetén a teljes impulzus térfogatát fényvisszaverő tárgyak töltik ki. Minél távolabb van a térfogatcél, annál nagyobb lesz az impulzus térfogata, és annál több fényvisszaverő tárgy lehet benne. Például egy olyan időjárási radar pulzustérfogata, amelynek antennájának nyitási szöge kevesebb, mint 1 °, és impulzusának időtartama 0,4 µs 50 km távolságban, 800 m × 800 m × 80 m. csapadék általában nagyon magas, sokkal nagyobb méretű. A vízcseppek eloszlását (akár esőként, akár sűrű felhőként) ebben a térfogatban feltételezzük, hogy egyenletes, és így bizonyos sűrűségben teljesen kitölti ezt a térfogatot. Egyetlen célpont viszont távolságtól független effektív visszaverő felületével elveszik ebben az impulzus térfogatban.

Ez mindkét hatótávolsági körülményt eredményez mindkét radaralkalmazásban. Ha az S-sávban, mint légiforgalmi irányító radar, a célpontok 100 km-es hatótávolsággal rendelkeznek, akkor a csapadékradarként használt radar 230 km-es hatótávolságot ér el a térfogat-céloknál.

Mivel az időjárási radarnak nem kell időkritikus méréseket végeznie, az antenna lehet élesen fókuszált parabolikus antenna, amely például a csapadékradar folyamatosan 360 ° -on forog és kissé eltérő magassági szöget pásztáz minden egyes forgatás után. Ez a spirális űrkutatás az időjárási radart 3D-s radarrá teszi, amely alapértelmezés szerint csak 5–15 percenként szolgáltat új adatokat. A teljes térfogat-beolvasást 15 percen belül végezzük, 18 különböző magassági szög keresésével + 0,5 ° és + 37 ° között. + 0,5 ° - + 4,5 ° magassági szögekben 230 km-es hatótávolságot szoktak úgynevezett intenzitási módban keresni. A többi magassági szögben az úgynevezett Doppler módot alkalmazzák 120 km hatótávolsággal. Mivel a legkisebb tartomány értékei (+ 0,5 ° - + 1,8 °, a terep fedési szögétől függően ) különös jelentőséggel bírnak a csapadékmérés szempontjából, a teljes térfogat-leolvasást 5 percenként megszakítják ennek a legkisebb magasságnak a csökkentése érdekében szögtartomány rövidebb idő alatt Keresési epizód.

Nagyon magas igényeket támaszt a távolság pontossága meghatározása, folyamatos radaros eszközök használata helyett impulzus radar egy időben a repülés mérés, mint egy intézkedés a távolság . Mivel a frekvenciakülönbség mérése az átmeneti idő kiszámításához és ezt követően a távolság meghatározásához, a folyamatos hullámú radar módszer lényegesen pontosabb mérési lehetőségeket kínál, de az eszközöknek ezután csak rövid a hatótávolságuk. Ezt célzottan lehet kihasználni, ha ezeket a folyamatos hullámú radarkészülékeket kifejezetten mikrohullámú hangjelzőként használják a felhők magasságának vagy a különböző sűrűségű légtömegek közötti határrétegek mérésére. A folyamatos hullámú radarkészülékek nagyon olcsók az impulzus radar készülékekhez képest, ezért nagy számban előállíthatók és használhatók.

Blokk diagramm

Az időjárási radar, mint impulzus radar általános blokkvázlata

Az időjárási radarkészülék általános blokkdiagramja egy többnyire nagyon nagy antennából áll, amelyet forgótányérra szerelnek fel, így forgatható és forgatható, az elektronikai állványok egy műtőben és egy vagy több monitoros rendszerű számítógépből áll.

antenna

Az antenna általában szimmetrikus parabolikus antenna, amelynek mérete a felhasznált hullámhosszhoz viszonyítva kb. 1 ° -os irányhatás jön létre. Az S sávban (3 GHz) ennek az antennának az átmérője körülbelül 8,5 m, a C sávban (5,6 GHz) körülbelül 4,2 m. A repülőgépbe telepített időjárási radar esetében az átmérő lehet legfeljebb egy méter lehet. Ennek az átmérőnek megfelelően a radar az X-sávban (kb. 10 GHz) működik. Az aktuális mechanikai helyzetmeghatározást kódolón keresztül jelentik közvetlenül a rendszer számítógépének.

Egy adás / vétel kapcsoló (vagy duplex egység ) az adást az antennához kapcsolja az adás pillanatában. Ugyanakkor meg kell védenie az érzékeny vevőt az adó nagy teljesítményétől. A vétel pillanatában az echo jeleket át kell adni a vevőnek, és csak enyhén kell csillapítani. Általában gázkisülési csövek alapján épül fel .

A szélprofilok többnyire fázisos tömb antennát használtak annak érdekében, hogy a radarsugarat elektronikusan be lehessen pásztázni. A levegőben lévő radarok szintén fázissoros antennát használnak, de már nem az elektronikus nyaláb elforgatásához, hanem egy rögzített antennaminta előállításához, amelyet aztán mechanikusan elforgatnak. Ezt a mechanikus elfordulást a szervomotorok vízszintes irányban stabilizálják, a repülési pozíciótól függően.

Adó és modulátor

Félvezető-alapú adó (főleg MMIC technológia) nagyon rövid hatótávolságokra használható . Mivel többnyire nagyon nagy impulzusteljesítményre van szükség, a klystronokat gyakran használják a teljesítmény kimeneti fokozataként, és a haladó hullám csöveket hajtó fokozatként . A modulátor biztosítja, hogy az adócsövek csak az átadás idején kapják meg a szükséges magas feszültséget.

Idővezérlés óra generátorral

Egyértelmű távolságmérés és egyértelmű Doppler-frekvenciamérés (a „ Doppler-dilemma ” kulcsszó alatt ismert ) kompromisszumokat kell kötni a radar időzítésében. A távolság egyértelmű meghatározása érdekében az impulzusismétlődési frekvenciának a lehető legkisebbnek kell lennie , hogy az átviteli impulzusok között elegendő idő álljon rendelkezésre a visszhang jelek vételéhez nagy távolságból, viszonylag hosszú átmeneti idővel. A sebességet az impulzusperiódusról az impulzusperiódusra eső fázisváltással mérjük. Ez azonban a Doppler-effektus révén korlátozza az egyértelmű sebességmérés tartományát. Mivel egy Doppler-frekvenciát az echo-jel egyik impulzusperiódusról a másikra történő fázisváltozásai alapján mérnek, csak a pulzusismétlődési sebességnél kisebb Doppler-frekvencia mérhető egyedileg. Ennél a mérésnél az impulzusismétlődési sebességnek a lehető legnagyobbnak kell lennie. A C sávban lévő időjárási radarberendezéseknek 1 kHz-nél kisebb impulzusismétlődési frekvenciát igényelnek a tiszta távolságméréshez 150 km-en belül. Ahhoz, hogy meg lehessen mérni a legfeljebb 300 km / h- s hurrikán várható legnagyobb csúcssebességét, legalább 3 kHz-es impulzusismétlődési frekvenciára van szükség. Az időjárási radarberendezések ezért változó impulzusismétlési frekvenciát használnak, amellyel például alacsonyabb impulzusismétlődési frekvenciát használnak a talajhoz közeli irányban, nagy hatótávolságra számítva. Ha az antenna nagy magassági szögben mutat, és ezért csak rövidebb hatótávolságra van szükség, az időjárási radar nagyobb impulzusismétlődési frekvenciát használ. Ugyanakkor ebben az esetben alacsonyabb impulzusteljesítményre is szükség van, így az adó az időzítés és a változtatható impulzus teljesítmény ellenére is folyamatosan ugyanazt a folyamatos hullámerőt képes kimenni .

Ez technikailag lehetséges használni intrapulse moduláció és az impulzus tömörítési eljárás , mint javításának eszköze a felbontást a távolságot, de nem használják szívesen időjárási radar. A kimeneti jel elkerülhetetlen időbeli oldalsó lebenyei meghamisítanák a szomszédos tartomány celláinak mérési eredményeit . Kiszámítás akkor lehetséges, ha az oldalsó lebenyek mérete ismert, de ez hatalmas számítási erőfeszítést jelent, mivel ezt a korrekciót minden tartománycellára külön-külön kell elvégezni. Az időjárási radarberendezések ezért általában rendkívül rövid átviteli impulzust használnak, például 0,4 - 4,5 µs tartományban. Ha intrapulzus modulációt hajtanak végre, ez gyakran egy fázis kódolás egy Barker-kód szerint , mivel a kapott oldalsó lebenyek ismert méretűek.

vevő

Lineáris vevő nagy dinamikával a szabályozott csillapító és a logaritmikusan felerősített vezérlőjel miatt

A vevő a magas frekvenciájú visszhangjeleket könnyebben feldolgozható köztes frekvenciává alakítja. Az interferenciát és a zajt a lehető legnagyobb mértékben kiszűrik. Ezt a köztes frekvenciát digitalizálják. A demoduláció csak digitálisan megy végbe a rendszer számítógépén.

Az időjárási radarban használt vevőkészülékekre külön követelmények vonatkoznak a linearitás és a dinamikatartomány vonatkozásában . A legkisebb feldolgozandó visszhangjelek erőssége körülbelül -120 dBm (ez a teljesítmény a pico watt-tartományban van). A kedvezményezettek által megengedett erős rendetlenséget beavatkozás nem a (echo jelek földi akadályokat, mint a járművek, épületek, fák és domborzati magasságokban) telítettség jön. Ezek a fix cél interferencia 96 dB-rel (4.000.000.000-szer) nagyobb lehet, mint ezek a gyenge visszhangjelek. Ahhoz, hogy ezeket a teljesítménybeli különbségeket egyáltalán fel lehessen dolgozni, különleges intézkedéseket kell hozni a befogadóban.

A vevők nagyon nagy dinamikát, rendkívüli érzékenységet és mindenekelőtt nagyon jó pontosságot igényelnek. Az erősítés linearitásában bekövetkezett változásokat a radar jelfeldolgozójának ismernie kell annak érdekében, hogy a vevőben szükséges dinamikus tömörítés esetén az eredeti pontos amplitúdójára vonatkozó információkat vissza lehessen állítani. Emiatt az egyszerű STC áramkörök és a demodulált logaritmikus IF erősítők, amelyeket a légfigyelő radarberendezésekben használnak, általában nem alkalmasak.

A vevő ezen dinamikus tartományának bővítése érdekében több vevő áramkört működtetnek párhuzamosan. Logaritmikus erősítési karakterisztikával rendelkező vevő áramkört használnak az echo jel amplitúdójának durva áttekintéséhez. Kimeneti jelét egy downstream analóg-digitális átalakítóban használják, hogy szabályozott csillapítóhoz vezérlőjelet hozzanak létre . Ugyanakkor ezt a jelet elküldik a radar jelfeldolgozónak , hogy az amplitúdó kiszámításakor figyelembe vehessék a csillapító aktuális állapotát. Ennek az analóg-digitális átalakítónak rendkívül gyorsnak kell lennie, hogy a csillapítás továbbra is befolyásolja az aktuális visszhang jelet. Az alkalmazott ADC áramkörök villognak, amelyek késleltetése nagyságrendileg nanoszekundum.

A lineáris vevőáramkör bemeneti jelét pontosan ezen belső futási idővel kell késleltetni a csillapító előtt, a csúcsok kapcsolásának elkerülése érdekében. Ez a vevő általában kettős szuperheterodin vevő , két különböző köztes frekvenciával . Ez viszonylag nagy sávszélességet tesz lehetővé, a vételi frekvencia egyidejű kiválasztásával. A kapcsolási rajzon azonban néha csak lefelé történő átalakítás látható, mert a második köztes frekvenciát gyakran már digitalizálják, és az ezt követő demodulálást a szoftver végzi.

Eszközök megtekintése

Hagyományos időjárási radar alapvetően használják a katódsugárcső a panoráma megtekintésére eszköz (angolul: Plan helyzetjelző , PPI) a térkép-szerű kijelzőn. A modern monitorokat és képernyőket többnyire csak számítógépes kijelzőként, vagy speciális esetekben (a pilótafülkében ) kis LC kijelzőkként tervezik .

A fényvisszaverő rétegek magasságát nem lehetett könnyen felismerni a panorámaképen (vagy a PPI skálán ). A tiszta PPI-kép hátránya, hogy csak egy nagyon specifikus (általában a legalacsonyabb) magassági szög reflektivitását tudta megmutatni . Ezt az ábrázolást bázis reflektivitásnak nevezzük . A visszhangok felhőkből vagy más magasságból érkező csapadékból származnak, amely a távolságtól függ. A közeli mérési eredmények ezért alulreprezentáltak voltak. Egy további nézőeszköz, mint RHI hatókör , az összes magassági szöget egyetlen oldalszögben megmutathatja egymás felett. A területek alulreprezentáltságának hiányának orvoslására összetett reflektivitást vezettek be. A reflektivitás varrott képe. Kezdetben csak a legmagasabb fényvisszaverő képességgel rendelkező magassági szög pásztázása jelent meg az adott oldalszögben. Különböző feldolgozott fényvisszaverő képességek vagy helyi szélsebességek jeleníthetők meg a PPI képen. Lehetőség van egy időn belül a felhalmozott esőmennyiségek megjelenítésére is, de ehhez a radar más adatforrásait is fel kell használni.

Fejlettebb jelfeldolgozással lehetséges volt, hogy az echo jeleket egyetlen magassági szakaszként ábrázolják. Ezt a megtekintő eszközt Constant Altitude Plan Position Indicator ( Constant Altitude Plan Position Indicator) ( CAPPI ) néven hívták, és ez is egy összetett visszaverő képességű változat . A CAPPI a radar által mért értékek vízszintes kétdimenziós ábrázolása egy bizonyos magasságban (vagy magasságban). A CAPPI-t számos PPI-mérés alapján számítják ki és interpolálják, különböző magassági szögeken (magasságok). Időjárási radar képek, amelyek az interneten közzétett többnyire ilyen PPI képviseletet a kompozit visszaverő a hamis színben . Az echo jelek színkódolása alternatívaként választható akár magasságkijelzésként, akár a visszaverődés megjelenítéseként.

Egy másik megjelenítési opció az úgynevezett Vol-CAPPI ( Volume Constant Altitude Plan Position Indicator ), amely egyértelmű visszhang-allokációt tesz lehetővé mindhárom repedésben . Az alaprajz mellett egy magasság (az elölnézet; keletről nyugatra eső oldalmagasságnak felel meg) és egy keresztrajz (az oldalnézet; északról délre eső oldalmagasságnak felel meg) is látható. Egy célkereszt segítségével e vágások helyzete tetszés szerint kiválasztható.

A MAX-CAPPI a CAPPI-adatok maximumait mutatja különböző magasságokból. A Max CAPPI kijelző általában áttekintést nyújt az időjárásról. Ez egyrészt függőleges maximális vetítéssel történik (kép) magasságban, másrészt horizontális maximális vetületekkel délről északra vagy nyugatról keletre oldalsó magasságban. Az oldalsó repedésekben az oldalsó skála a magasságot jelzi km-ben. A reflektivitásokat általában egy MAX-CAPPI ábrázolja.

A radarkép az egyes kötetek értékéből áll. Általában erősen pixeles ábrázolás, mivel a legkisebb kötetek élhossza több száz méter nagyságrendű. A médiában történő bemutatáshoz a kép megjelenik, és a közbenső értékek interpolálódnak. Ezeket a számításokat speciális számítógépes programok, például a „RadVis” radarszoftver végzik a DWD által biztosított és tárolt radaradatok alapján. Általános szabály, hogy a legújabb radarkép körülbelül három perc múlva érhető el minden negyedóra után.

A valós hangerő-kijelző az összes rendelkezésre álló információ 3D-s számítását mutatja. Minden egyértelműség ellenére egy ilyen 3D-s ábrázolás nem túl hasznos egy meteorológus számára, mivel a képen látható zivatar szuper sejtjének részterületein nem lehet célzott méréseket végezni.

• 

  Az első PPI reprezentációkat csak fényképileg lehetett elmenteni.

• 

  korszerűbb PPI kijelző alapvisszaverő képességgel

• 

  Ugyanaz a kép összetett visszaverő képességgel

• 

  Hatótávolság-jelző (RHI) zivatar szupercellájával

• 

  CAPPI kiszámítása különböző távolságok és magassági szögek fényvisszaverő képességeiből

• 

  A Vol-CAPPI elemei, az időjárási radaradatok normál vetülete

Hálózatépítés

A német meteorológiai szolgálat összes radarkészüléke nagygépekkel van összekapcsolva. Ily módon az adatok összeállíthatók ( összetettek ), amelyek messze meghaladják a radareszközök egyedi tartományait, és a radaradatok következetesebbé válnak . A kettős Doppler-mérés vagy a kettős Doppler-elemzés két vagy több szomszédos Doppler radarberendezés adatainak összeállítása. Ezekkel a különböző helyekről egyidejűleg mért sugársebességekkel további információk nyerhetők a vízszintes vagy háromdimenziós szélmező meghatározásakor. Ha a radarberendezések közötti távolság 30 és 60 km között van, a mérési geometria kedvező.

Doppler radarok a kerekeken ( DOW ) viharterületre vezető úton

Az USA-ban, ahol a nagy megtett távolság miatt nem lehet nagyon sűrű időjárási radarberendezéseket kiépíteni, sok kisebb mobil radareszközt használnak a hurrikánok és a tornádók speciális kivizsgálására. A teljes időjárási radar kisebb teherautókra van felszerelve, és dízel generátorok táplálják. Ezt a kampányt Doppler Radars On Wheels ( DOW ) néven hívják . Az X, K vagy W frekvenciasávokat úgy használjuk, hogy az antenna a magas irányíthatóság ellenére a lehető legkisebb maradjon. Ezekkel a mobil radareszközökkel közvetlenül a helyszínre vezethet, és perceken belül ott kezdheti a méréseket. Ez lehetővé teszi a talaj feletti, körülbelül 50 m-es méréseket, és nagy részletességet a mért értékekben.

Bistatikus radar rendszerek

Egy bisztatikus radarberendezés az adót és a vevőt különböző helyeken működteti. Bosztatikus radarrendszer monosztatikus csapadékradarból (adó és vevő ugyanazon a helyen) építhető úgy, hogy több passzív vevőt felállít egy monosztatikus csapadékradar közelében. Ily módon további információkhoz jutnak. Minél több átfedés van ezen passzív vevők antennadiagramjainál, annál pontosabbá válik a háromdimenziós széltér meghatározása. Az ilyen bisztatikus rendszerek sokkal olcsóbbak, mint a közvetlen közelében lévő több monosztatikus radarberendezés. Hátránya, hogy a geometria sokkal összetettebbé és hajlamosabbá válik (például az oldalsó lebenyek miatt).

Radaregyenlet a térfogati célokra

Az egyes radarkészülékek elméleti hatótávolságát kiértékeljük az alap radaregyenlet segítségével . Az alapradaregyenlet független a moduláció típusától és függetlenül attól, hogy impulzusradarról vagy folytonos hullámú radarról van-e szó . Ezért időjárási radarokhoz is használható. Beállítja a kapott visszhang jel teljesítményét az átviteli teljesítményhez viszonyítva. Ha átviteli impulzust használunk, akkor az alap radaregyenlet kezdetben azt feltételezi, hogy az átvitt impulzus hossza megegyezik a vett visszhang jel hosszával. Így az impulzus energiatartalma helyett a hatalom jöhet szóba.

(1)

${\ displaystyle P_ {r} = P_ {t} {{G ^ {2} \ lambda ^ {2} \ sigma _ {0}} \ over {{(4 \ pi)} ^ {3} r ^ {4 } L_ {ges}}}}$

Itt azt jelenti:

P r = fogadott teljesítmény P t = átvitt teljesítmény G = antennaerősítés λ = a vivőfrekvencia hullámhossza σ = effektív visszaverődési terület , σ 0 = 1 m 2 gömbös referenciafelület L Ges = belső és külső veszteségek összege (angolul: veszteségek ) r = távolság tükröző tárgy az adó -Faxok antenna (időjárási radar, a kisbetű helyett használt szokásos nagybetűvel a tartományban, mivel a nagybetű már hozzá van rendelve a eső aránya R. )

Mivel ezt a kezdeti egyenletet egy radarberendezés maximális tartományának kiszámításához vezettük le , a tényleges visszaverődési felülethez a σ ₀ referenciát is felhasználjuk . Ez az effektív 1 m² reflexiós terület, amelyet egy 1,4 m átmérőjű fémes golyó okoz. Ebben az esetben a tartományt ebben az egyenletben ismeretlenként határozzák meg az r ⁴ egyenletének megoldásával és a maximális érték felhasználásával. a vevő érzékenységét használják. A következő esetben azonban a hatótávolság a tranzitidő méréséből ismeretes, és a fogadott visszhangjel teljesítményének és a térfogat célpontjának tényleges visszaverődési felületének változékonysága közötti kapcsolatot a távolság függvényében kell megvizsgálni.

Ebből a célból az összes paramétert, amelyet a radar szerkezetileg meghatároz és nem változik (pl. Átviteli teljesítmény, hullámhossz, veszteségek ...), az β konstans tényezővel kombináljuk az általános formában :

(2)

${\ displaystyle P_ {r} = {{\ beta \ sigma} \ felett {r ^ {4}}}}$

Itt azt jelenti:

P r = befogadott teljesítmény β = az időjárási radar paraméterei konstansra egyesítve σ = egy célpont tényleges visszaverő felülete r = a fényvisszaverő tárgy távolsága az adó / vevő antennával

Az időjárási radarral a hatékony visszaverődés felülete nem pontszerű célpont, hanem térfogati cél. Mennyiségi cél esetén a teljes V impulzus térfogatot statisztikailag elosztott fényvisszaverő tárgyak töltik ki teljesen. Ideális esetben ezek a mikrohullámok számára félig átlátszó közeget képeznek. Az átviteli energia egy része visszaverődik, egy része továbbadódik, kissé csillapítva. A térfogategység (1 m³) összes fényvisszaverő felületének összegére itt az η ideiglenes változóval hivatkozunk, és az ebben a térfogategységben előforduló összes szétszórt tárgy fényvisszaverő felületének összegeként tekinthető:

(3)

${\ displaystyle \ sigma = \ eta V}$

Itt azt jelenti:

η = reflektivitás, az effektív reflexiós területben kifejezve, térfogategységre V = impulzus térfogat

A η változó a következőképpen írható le:

(4)

${\ displaystyle \ eta = \ sum _ {i = 1} ^ {N} \ sigma _ {i}}$

Itt azt jelenti:

N = szórási objektumok száma a térfogategységben σ i = az I. szórási objektum tényleges visszaverődési területe minden esetben

Már nem fényvisszaverő felületekről beszélünk, hanem szétszórt tárgyakról. Általában nincs homogén szerkezet, hanem különböző tárgyak keveréke.

A radar által a végén regisztrált visszavert energiát nemcsak a visszaverődés okozza , hanem a diffrakció , a fénytörés és a szétszórt energia egyes alkotóelemeinek későbbi egymásra helyezése egy bizonyos irányban (itt az irány vissza a radarantennához). . Az, hogy túlnyomóan visszaverődés vagy túlnyomóan diffrakció és törés történik, a szétszórt tárgyak méretétől és elektromos tulajdonságaitól függ.

Meg lehet vizsgálni a szóródó részecskék nagysága és az időjárási radar hullámhossza közötti kapcsolatot. Gustav Mie kifejlesztett egy elméletet a sík elektromágneses hullámának a gömb alakú tárgyakra történő rugalmas szórásáról. Ez a róla elnevezett Mie-szórás részben vonatkozik a csapadékterület szórási viselkedésére. A közvetlenül visszaverődő részt ráhelyezzük az energia egy részével, amely a vízcsepp kerülete körül hajlik. Ez amplifikációhoz vezethet, ha a fázis azonos, és a reflektált komponens gyengüléséhez vezethet, ha a fázis ellentétes. A visszaszórt energia tehát függ a sugár egy (az egyébként szokásos levél r már hozzá van rendelve ide a távolság) a esőcsepp, a hullámhossz λ az az időjárási radar és a komplex törésmutatóval m a csepp. Az arány meghatározza, hogy az objektum diffúzabb vagy reflektívebb-e. A nagy cseppek a hullámhosszhoz képest nagyon nagyok lehetnek, ezért az úgynevezett "optikai régióban" helyezkednek el. A kisebb cseppek rezonanciában lehetnek, ha méretük a hullámhossz tartományában van. Ez az úgynevezett Mie terület. Ha sokkal kisebbek, mint a hullámhossz, a ≤ λ / 10 tartományban  , akkor az úgynevezett Rayleigh régióban vannak .${\ displaystyle 2 \ pi a / \ lambda}$

A csapadékradarok hullámhosszait 10 cm-től (középső S-sáv ) 3 cm-ig (X-sáv) használják. A felhő radar 40 GHz feletti frekvenciákat használ, amelyek 8 mm-nél kisebb hullámhossznak felelnek meg. A várható 0,1–5 mm esőcseppméret mindig a Rayleigh régióban lesz, egy csapadékradaron. Ehhez a régióhoz a következő közelítés vonatkozik egyetlen csepp tényleges visszaverődési területére:

(5)

${\ displaystyle \ sigma _ {i} = {{\ pi ^ {5}} \ felett {\ lambda ^ {4}}} {\ vert K \ vert} ^ {2} {D_ {i}} ^ {6 }}$

Itt azt jelenti:

| K | 2 = kiszámítása a törésmutatója m szerinti D i = átmérője i edik csepp ${\ displaystyle {\ vert K \ vert} ^ {2} = {\ bal ({\ frac {\ vert m-1 \ vert} {\ vert m + 2 \ vert}} \ right)} ^ {2}}$

A | K | kifejezés ^{A következőkben a 2-} et állandóként kezeljük, amely vízcseppek esetén körülbelül 0,93, jég esetén pedig körülbelül 0,197. Ez az egyenlet csatlakoztatható az előzőhöz. Az állandó tényezőket szorzóként vonják ki az összegbõl. Az η ideiglenes változót, mint a térfogategységben előforduló összes szétszórt objektum visszaverődési területének összegét, az alábbiakkal számoljuk:

(6) ${\ displaystyle \ eta = {{\ pi ^ {5}} \ felett {\ lambda ^ {4}}} | K | ^ {2} \, \ sum _ {i = 1} ^ {N} D_ {i } ^ {6} \, \, \, = {\ frac {\ pi ^ {5}} {\ lambda ^ {4}}} | K | ^ {2} Z}$

A Z reflektivitás ebből az egyenletből határozható meg . Ez megegyezik az egyenletben szereplő kifejezéssel az összeg szimbólummal. Mértékegységük a vízcseppek átmérőjének méretéből adódik [mm] / térfogategység [m ³ ]. Természetesen ezt pusztán matematikailag meg lehet rövidíteni, de mivel a cseppátmérő hatosra esik, és köbméterekre kellene átszámítani, az eredmény nagyon nehézkes szám lenne, tízes hatványokkal. Ezért szokás ezeket az adott mértékegységeket megtartani. A Z visszaverődés tehát rögzített mértékegységgel rendelkezik [mm ⁶ / m ³ ].

A (3) egyenlet második mérete az V impulzus térfogata . Ez egy része egy gömbfelület , amely által meghatározott vízszintes szöget θ és egy függőleges szög φ . Ez az illető fél szélessége az a fő lebenye az antennát. A térfogat harmadik koordinátája az τ átviteli impulzus időtartamából és az elektromágneses hullámok terjedési sebességéből, azaz a c fénysebességből adódik .

(7)

${\ displaystyle V = {\ frac {\ pi \ phi \ theta r ^ {2} c \ tau} {8}}}$

Itt azt jelenti:

φ = az antenna diagram függőleges nyitási szöge θ = vízszintes nyitási szög r = a radartól való távolság τ = átviteli impulzus időtartama c = fénysebesség

A (3) egyenlet két elemének ezek a leírása felváltja a tényleges σ reflexiós területet a (2) egyenletben :

(8.) ${\ displaystyle P_ {r} = {{\ beta} \ over {r ^ {4}}} \ cdot {{\ pi \ phi \ theta r ^ {2} c \ tau} \ over {8}} \ cdot {{\ pi ^ {5}} \ felett {\ lambda ^ {4}}} | K | ^ {2} \, \ sum _ {i = 1} ^ {N} D_ {i} ^ {6}}$

${\ displaystyle = \ beta \ cdot {{\ pi ^ {6} \ phi \ theta c \ tau {\ vert K \ vert} ^ {2}} \ over {8 \ lambda ^ {4} r ^ {2} }} \ cdot Z}$

A meteorológiai radar β konstansban összefoglalt paramétereinek megoldása után a radar alapegyenlete a következő formában jelenik meg:

(9) ${\ displaystyle P_ {r} = P_ {t} {{G ^ {2} \ lambda ^ {2}} \ over {{(4 \ pi)} ^ {3} L_ {ges}}} \ cdot {{ \ pi ^ {6} \ phi \ theta c \ tau {\ vert K \ vert} ^ {2}} \ over {8 \ lambda ^ {4} r ^ {2}}} \ cdot Z}$

${\ displaystyle = {{P_ {t} G ^ {2} \ phi \ theta c \ tau \ pi ^ {3} {\ vert K \ vert} ^ {2}} \ over {512L_ {ges} \ lambda ^ {2}}} \ cdot {{Z} \ over {r ^ {2}}}}$

${\ displaystyle = \ beta '\ cdot {{Z} \ over {r ^ {2}}}}$

Összefoglaláskor és rövidítéskor ügyeltünk arra, hogy a rögzített eszközparaméterek vagy állandók megjelenjenek az elülső frakcióban. Ezek a paraméterek és konstansok ismét kombinálhatók a radarkészülék szempontjából egyedi konstansban (például  β ' ). Ezen állandó mellett csak a változók maradnak meg

• Reflektivitás Z és
• a fordított arányosság a távolság négyzetével, 1 / r ² .

Az állandót (itt β ′ ) minden időjárási radarberendezéshez külön-külön (azaz nem csak típus-specifikusan) tároljuk táblázatos formában, különféle csapadéktípusokra kalibrálva, hogy a szoftver könnyen hozzáférhessen ezekhez az adatokhoz. A befogadott energia térfogatának (1 / r ² ) négyzetének inverz arányossága, amely térfogati célokra érvényes , ellentétben kell lennie az (1 / r ⁴ ) -függőséggel a célpontok esetében, amelyet az egyenlet említ (1) Ha az összes többi paraméter azonos vagy összehasonlítható, és a Z visszaverő képesség nagysága összehasonlítható a referenciaként alkalmazott σ ₀ tényleges visszaverő felülettel , akkor az 1 / r ² arányosság az időjárási radarberendezések levegőhöz képest lényegesen nagyobb maximális tartományát eredményezi megfigyelő radar eszközök.

Amikor intrapulse modulációt , a radar ér egy sor, amely nagyobb a impulzussűrítés tényező. Mivel az impulzus tömörítési tényező az átviteli jel sávszélességétől függ, vagy közvetlenül beépíthető tényezőként a radaregyenletbe, vagy megfogalmazható az adó sávszélességének függvényében ( idő-sávszélesség szorzat ).

Időjárás radar képgaléria

• 

  A német űrkutatási központ POLDIRAD kutatóradarja

• 

  Meteor 1500S Adelaide-ban (Ausztrália)

• 

  Meteor 1500S Gwangdeokban (Korea)

• 

  Meteor 1500S Seongsan-po-ban (Korea)

• 

  WSR-88D Doppler radar New Underwood közelében, Dél-Dakotában , egy zivatar szupercellája előtt

• 

  A DWD időjárási radara Dreieich- Offenthal (Németország)

web Linkek

• A DLR eV polarimetriás kutatási időjárási radarja (München közelében)
• Időjárási radarkutatás az ETH Zürichben.

Egyéni bizonyíték

1. ↑ Jens Grenzhäuser: Új mérési és értékelési stratégiák kidolgozása egy pásztázó felhő radarhoz és azok alkalmazási területeihez. KIT Tudományos Kiadó, 2011, ISBN 978-3-86644-775-2 . ( korlátozott előnézet a Google Könyvkeresőben)
2. ^ ^{A b} David Atlas: Radar a meteorológiában. Battan-emlékmű és a 40 éves jubileumi radar meteorológiai konferencia. Amer Meteorological Society, 1990, ISBN 978-0-933876-86-6 .
3. ↑ RM Lhermitte, D. Atlas: Csapadékmozgás impulzus doppler radarral. In: 9. időjárási radar konf. AMS, Boston 1961.
4. ^ RJ Doviak, Dušan S. Zrnić: Doppler radar és időjárási megfigyelések. Academic Pr, 1984, ISBN 0-12-221420-X , 260. o.
5. ^ JH Richter: Nagy felbontású troposzférikus radarhangzás. In: Rádiótudomány. 4, 1969. 12. sz., 1261–1268.
6. ↑ DE Barrick: FM / CW radarjelek és digitális feldolgozás. NOAA műszaki jelentés: ERL 283-WPL 26, 1973.
7. ^ RB Chadwick, KP Moran, RG Strauch, GE Morrison, WC Campbell: Új radar a szél mérésére. In: Az Amerikai Matematikai Társaság Értesítője. 57, 1976. 9. szám, 1120-1125.
8. ^ RG Strauch: Az FM-CW Doppler radar elmélete és alkalmazásai. Ph.D. értekezés, Colorado Egyetem, 1976.
9. ^ Howard B. Bluestein: Súlyos konvektív viharok és tornádók. Megfigyelések és dinamika. Springer Verlag, 2012, ISBN 978-3-642-05380-1 , 429. o.
10. ↑ DS Zrnić: Időjárási radar polarimetria: Trendek az operatív alkalmazások felé. In: Az Amerikai Meteorológiai Társaság Értesítője , vol. 77, 1996, 1529-1534.
11. ↑ VN Bringi, T. A Seliga, K. Aydin: Jégeső észlelése differenciál reflektivitási radarral. In: Tudomány , vol. 225, 1986, 1145-1147.
12. ↑ ^{a b c} Merrill Skolnik: Radar kézikönyv, harmadik kiadás. McGraw-Hill Professional, 2008, ISBN 978-0-07-148547-0 , 19.14.
13. ↑ Szállításügyi Osztály, Szövetségi Repülési Igazgatóság, Repülési Szabványszolgáltatás: Haladó Avionikai Kézikönyv, 2009-es kormánynyomtatási hivatal, ISBN 978-0-16-086923-5 , 5–9–5–11 . Oldal ( korlátozott előnézet a Google Könyvkeresőben)
14. ↑ A Honeywell többfunkciós radarkijelzőjének adatlapja a TCAS és a navigációs segédeszközök példaképes megjelenítésével a radarkijelzőn
15. Cr John Croft, "A NASA előrelépett az egypilótás üzemeltetési koncepciókban", az Aviation Week & Space Technology alkalmazásában , 2015. január 12. ( Online )
16. ^ Wikiverzitás: A DWD radarhálózata
17. ↑ Vaisala , új jelfeldolgozási technológia a polarimetrikus időjárási radarhoz, online
18. B ^{a b} Az ASR-910 és a NEXRAD radar összehasonlítása ( NEXRAD adatok: lásd Merrill Skolnik: Radar Handbook, Third Edition. McGraw-Hill Professional, 2008, ISBN 978-0-07-148547-0 , 19.16. O. ).
19. ↑ Időjárási radar a DWD-ben - radarhelyek és mérési elv www.dwd.de
20. ↑ A Doppler-dilemma, amelyet a Radar oktatóanyag ismertet , és 2019. október 12-én érhető el.
21. ↑ A Meteor 1700C időjárási radar adatlapja a Gematronik , Neuss cégtől ( online )
22. ↑ Interaktív radarelemző szolgáltatás (IRAS) a www.skywarn.de webhelyről
23. ↑ Az alapvető radaregyenlet levezetése a radar bemutatón
24. ↑ Mie scatter vs. Rayleigh scatter radareszközökhöz a radar bemutatóban , hozzáférés: 2019. október 15.