El radar tiene dos características importantes:
a). - El emplea una onda electromagnética que se halla en la porción del espectro correspondiente a la microonda con longitudes de onda que van de 1 mm a 1m.
b). - Es de técnica activa, en el sentido que emite radiación y luego observa el objeto por medio de la radiación que la refleja. Este contraste con los métodos " pasivos "que dependen de la fuente natural de radiación como ser la emisión térmica.
Esta última característica representa una de las ventajas del radar: que no depende de la fuente de radiación externa, dado que él ilumina el objeto de interés.
Consecuentemente el radar puede ser usado tanto de día como de noche. Las microondas penetran la bruma, niebla, nieve, lluvia y granizo, estos dos últimos en menor grado, es decir que el radar tiene la habilidad de poder ver a través de las condiciones del entorno.
Puede medir la distancia a un objeto y determinar la velocidad de desplazamiento observando las distintas posiciones que toma en el tiempo.
La desventaja del radar incluye limitada habilidad de resolver detalles
del objeto, si se lo compara con los métodos ópticos y por
supuesto la percepción del color.
El blanco en este caso una tormenta, es iluminado por una microondas radiada por una antena que concentra la salida de un transmisor en un haz muy angosto. La onda emitida intercepta el blanco y una pequeña parte de energía es dispersada hacia el radar, esta es captada por la antena receptora y enviada al receptor donde es amplificada y procesada para poder extraer información acerca de la presencia y posición del blanco. Debido a la forma en que la onda electromagnética es enfocada permite localizar al blanco tanto en acimut como en elevación y además el radar permite medir la distancia entre él y el blanco. La distancia o rango de un blanco está determinada esencialmente midiendo el tiempo que transcurre entre la emisión de la onda y el arribo del eco en el receptor. La velocidad c de la microonda en la atmósfera es de alrededor de 3*108 m/s, la onda que intercepta un blanco situado a un rango r va y viene hasta el blanco recorriendo una distancia igual a 2r.Si el tiempo que tarda es Dt segundos.
r = c Dt / 2
Por lo tanto si el tiempo que tarda la onda en ida y vuelta es de 1ms la distancia al blanco será de 150km. Para los blancos de interés en un radar meteorológico, el intervalo de tiempo Dt puede variar entre algunos microsegundos y varios milisegundos. En la práctica para el cálculo de distancia se puede tomar la relación de 1km = 6,6ms, podemos decir que el tiempo-radar es 6,6ms/km.
En la práctica del radar meteorológico es común describir la señal transmitida en términos de longitud de onda en vez de la frecuencia. La longitud de onda está relacionada con la frecuencia por la ecuación c = f * l , donde c es la velocidad de propagación de la onda. Así para los valores mencionados arriba la gama de longitudes de onda es de 0,8 cm a 12 cm.
Una razón por la que se usa el término de longitud de onda es que la teoría de la dispersión de la onda por las gotas de agua y otras partículas de precipitación es usualmente formulada en términos de longitud de onda. La longitud de onda antes de viajar en la atmósfera debe ser radiada por la antena, y por lo tanto existe una diferente longitud de onda dentro de la guía de onda, esta relación está dada por la siguiente ecuación:
donde:
lg longitud de onda dentro de la guía
l longitud de onda en el espacio
fc frecuencia de corte de la guía de onda
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Los factores que gobiernan la búsqueda de la frecuencia a ser usada en una aplicación particular del radar incluye la sensibilidad (esencialmente la habilidad de detectar pequeños blancos a largas distancias), resolución espacial, la naturaleza de los blancos a ser estudiados y los efectos de la atmósfera interviniente sobre las microodas. Consideraciones prácticas de tamaño de equipo, peso y costo influencian la búsqueda de la frecuencia transmitida, altas frecuencias generalmente significan menores y baratos equipos.
La duración de pulso está determinado por el pulso que el modulador entrega al transmisor.
La duración determinada por el pulso de energía W está dada por
t = W/Pt (1-2)
Donde Pt es la potencia instantánea Pt sobre el total del pulso
(1-3)
Esta integral da el área bajo una curva de la potencia instantánea ploteada en el tiempo.
Por conveniencia decimos que Pt representa la envolvente de modulación de la potencia.
Debido a que la potencia es proporcional al cuadrado de la amplitud, la función amplitud debe ser elevada al cuadrado antes de evaluar la integral. Por lo tanto la duración de pulso t es el ancho de un rectángulo teniendo la misma altura y la misma área como el pulso real.
La selección de la duración de pulso a ser usado en un radar está determinado principalmente por consideraciones de sensibilidad y resolución en distancia. Mejores resoluciones hacen posible resolver detalles finos en la estructura de los blancos.
Un radar pulsado no puede determinar dos blancos que se encuentren en un mismo radial cuya separación sea menor que h/2.
El pulso de microondas radiado por la antena constituye un paquete de onda el cual puede iluminar a varios blancos al mismo tiempo. Los ecos se superpondrán en la antena si la separación de los blancos es pequeña; la separación mínima en distancia para que múltiples blancos puedan ser discriminados es de h/2, el factor 1/2; entra debido a que el lado frontal del paquete de onda puede viajar a una distancia mayor que la separación de los dos blancos separados en h/2 en distancia y vuelve, mientras que la parte posterior del pulso vuelve del blanco más cercano. Por lo tanto un pulso de 1ms de duración da una resolución de 150m.
Para obtener una buena resolución en distancia la duración de los pulsos debe ser pequeña. Por otro lado, la sensibilidad del radar en la medida que aumenta la duración del pulso. El factor sensibilidad es favorecido por los pulsos anchos mientras que para tener buena resolución es deseable tener pulsos angostos, por lo tanto será necesario tener soluciones de compromiso.
En los radares meteorológicos, la detección de ecos y su medición son más importantes que una fina resolución en distancia y las duraciones de pulso de 1 ms o más son comunes.
En contraste para radares que se utilizan en el seguimiento automático de móviles deben tener una muy buena resolución en distancia, las duraciones de pulso son pequeñas alrededor de 0.1 ms y menores.
El Duty Cycle (ciclo de rendimiento) es la fracción de tiempo en que el transmisor está emitiendo, el cual para un pulso rectangular es equivalente a la relación entre la potencia media y la potencia pico transmitida. Esta cantidad es de interés principalmente para los ingenieros de diseño de radares, pero además se lo emplea para calcular la potencia pico transmitida por la medición de la potencia media. Los valores del Duty Cycle en los radares meteorológicos están en el rango de 10-4 a 10-2. El Duty Cycle es igual al producto t*F, por ejemplo si t = 1,3ms y F =375 Hz será d = 4,8*10-4.
El término potencia pico utilizada en radar significa la potencia media sobre uno o más ciclos completos de radiofrecuencia, al pico de la envuelta de pulso de modulación, y no a la potencia instantánea del pico de la onda sinusoidal de radiofrecuencia. Las potencias pico de los radares meteorológicos están entre 3Kw y los 2mw, además se utilizan también valores más altos. La potencia pico está determinada por la válvula transmisora y el pulso entregado por el modulador. Para una dada válvula, esta puede variar su potencia de salida cambiando la amplitud del pulso del modulador. La determinación de la potencia pico se realiza por métodos indirectos, midiendo la potencia media por medio de instrumentos adecuados y utilizando luego la relación:
Pt = Pav/t.F (1-4)
La intensidad de los ecos de radar es directamente proporcional a la potencia transmitida de manera que es deseable tener altos valores de ella.
La energía contenida en el pulso transmitido en la mayoría de los radares meteorológicos varía entre 0.01 a 2 Joules. La energía del pulso es el producto de la potencia pico y la duración de pulso, esta puede ser determinada por la medición de la potencia media y la frecuencia de repetición usando la relación.
W = t * Pt Pt = Pav / d W = t * (Pav / d) = t * (Pav / t * F)
W = Pav / F (1-5)
La sensibilidad del radar incrementa con la potencia pico y la duración de pulso, por lo tanto es deseable tener una alta energía. El tamaño y el peso del modulador están determinado por la cantidad de energía que entrega al transmisor.
Pav = Pt * t * F
La potencia media es la que siempre se mide en los radares para su calibración , esta se obtiene por medio de instrumentos apropiados; la exactitud de estos medidores puede llegar a 0.1db o mejor. Como esta medición se debe realizar a través de acopladores direccionales o atenuadores la exactitud de la medición dependerá de la calibración de ellos.
El otro parámetro que puede ser importante es la polarización de la microonda transmitida. La polarización determina la orientación del vector campo eléctrico de la onda, y afecta la iteración entre ella y el tipo de blanco. La configuración de antena determina la polarización. Las polarizaciones más usadas en los radares meteorológicos son: la polarización lineal (horizontal o vertical ) y la circular.
Las propiedades de la polarización de las microondas pueden ser usadas para obtener las características adicionales de los blancos de radar como por ejemplo la posible presencia de granizo en una tormenta.
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En el caso del primer eco que aparece representa a uno proveniente de un avión mientras que el eco más distante representa una zona extensa de lluvia. La diferencia consiste que en el caso de una zona de precipitación la onda viaja a través de toda ella dando un blanco extendido. Muchos radares meteorológicos no pueden ver nubes que no precipiten, dado que los ecos son muy débiles como para ser detectados.
Algunos parámetros usados para describir la señal transmitida
pueden ser además aplicado a los ecos, pero otras no. La forma de
la señal de eco es determinada por la iteración del ancho
del pulso transmitido el blanco y de alguna manera por la característica
de respuesta del receptor. El eco de un blanco cuya extensión en
distancia es menor que la longitud de pulso h transmitido puede
tener una forma de pulso reconocida, en cambio un blanco extendido proveniente
de una zona de precipitación su forma tiene poca semejanza con la
forma del pulso transmitido. La duración de pulso y energía
no son aplicables en este último caso. La siguiente tabla da algunos
parámetros que caracterizan a los radares meteorológicos.
| Cantidad | Símbolo | Unidad | Valores típicos | Comentarios |
| Frecuencia | ft | Mhz o Ghz | 3000 Ghz | |
| Longitud de onda | lt | metros | 10 cm | lt = c / ft |
| Frec. de repetición | F | 1 / segundo | 400Hz | Igual que el PRF |
| Período | Tr | segundos | 2.5 ms | Tr = 1 / F |
| Pot. recibida | Pr | mW | 10-6 mW | 10-6 mW = - 60 dbm |
Los ecos muy intensos pueden saturar al receptor haciendo imposible la medición cuantitativa del eco recibido; esto puede ocurrir con potencias recibidas de por ejemplo - 90 dbm (10-12W) a - 20 dbm ( 10 -5 W ) dependiendo del diseño del receptor y su configuración operativa. Existen diferentes técnicas para la medición de las potencias recibidas, las cuales se hablará mas adelante.
El rango r es la distancia radial desde el radar hasta el blanco y se lo denomina "distancia directa" o "slant range" para diferenciarlo de la componente horizontal o "ground range". El acimut q es el ángulo entre una referencia fija de dirección y la proyección del radio vector desde el radar al blanco sobre un plano especificado conteniendo la dirección de referencia. El ángulo de elevación f es el ángulo entre esta proyección y el radio vector.
Para los radares basados en tierra, la dirección de referencia esta tomada normalmente con respecto al norte verdadero y en el sentido de las agujas del reloj.
Los valores angulares de acimut y elevación son obtenidos de la dirección sobre la cual apunta el radar.
Sin embargo, el ancho del haz de antena trae aparejado cierta dificultad en la medición angular de las coordenadas del blanco. La antena recibe ecos no solamente ecos cuando el blanco está en el eje del haz sino también cuando está un poco fuera de él.
La forma del haz de antena varia de acuerdo al tipo de radar en cuestión, para nuestro caso se hablará de un haz cónico o "pencil beam" cuyo ancho puede variar entre 1 y 2 grado .
Los bordes del haz de antena no son precisamente definidos lo cual causa una serie de complicaciones. El haz de irradiación contiene varios lóbulos laterales o máximos secundarios en direcciones fuera del haz principal; muchas antenas tienen lóbulos en la dirección opuesta al lóbulo principal. En algunos casos es difícil determinar cuando un eco particular viene desde un blanco al lóbulo principal y cuando proviene de uno lateral. Una de las consecuencias que trae consigo la forma del haz del radar es de sobre estimar la altura de las tormentas.
En este tipo de presentación vemos que en el eje de las abscisas está representada la distancia, teniendo como origen el radar y las ordenadas cuantifica la intensidad de la señal recibida, esta puede ser dada en un volt, decibeles, dbz de acuerdo a la calibración que se realice. Además representa la serie de ecos que ve el radar en un acimut determinado y al ángulo de elevación que se encuentra la antena. En general esta presentación se utiliza para realizar la verificación y calibración del radar.
La presentación tipo B tiene como abscisas la distancia al radar y de ordenada el acimut comenzando en la parte superior con el 0º o sea el norte geográfico, la figura está compuesta por 360 líneas; este valor puede variar de acuerdo a las características del radar.
Los distintos colores representan la intensidad de eco recibido, cuya gama depende del tipo de calibración que se adopta en el radar.
Los ecos se encuentran deformados y es necesario saber por lo tanto como interpretar la figura que se obtiene en una imagen determinada.
Esta presentación, o en forma mas apropiada la distribución de los datos acomodados de esta forma es muy utilizada para el procesamiento de los valores obtenidos, es conocida como el Raw Data.
La presentación
PPI (Plan Position Indicator) nos permite ver un corte horizontal - cuando
la antena se encuentra a 0 grado de elevación- de la zona explorada
por el radar, en general esta cubre los 360grados; en acimut, en algunos
casos por motivos operativos se pueden realizar barridos sectoriales con
ángulos variables; es importante recalcar que en la medida que la
antena se va elevando este tipo de corte representa mas un cono que un
plano.
Como se aprecia en la primera figura la distancia al radar se determina por medio de anillos que se generan en el sistema por medio de pulsos separados en tiempo en múltiplos de 6,6ms, en este caso como ellos están cada 50km, el tiempo entre pulsos es de 330ms, estos valores pueden cambiar de acuerdo a las características del radar.
En este tipo de presentación realiza un corte vertical según un acimut predeterminado, las coordenadas que se presentan son en abscisas la distancia al radar proyectada sobre el plano horizontal y las ordenadas la altura. Debido a la diferencia de escala como se puede apreciar, las formas de las zonas de precipitación se encuentran distorsionadas.
Estos tipos de presentaciones son considerados como básicos ya que existen otras derivadas de ellas tales como el "CAPPI" (Constant Altitude PPI).
Para la formación de presentaciones especiales la antena de radar produce un barrido volumétrico, es decir que a cada vuelta de antena, esta se eleva una cantidad de grados previamente programados, hasta un valor máximo y luego comienza nuevamente el ciclo.
b.- El rango dinámico de un eco de precipitación es la relación (expresada en decibeles) entre la máxima potencia recibida de un eco de una tormenta muy intensa cercana al radar y la mínima potencia recibida desde una tormenta muy débil que pueda ser detectada dentro del rango de interés.
El rango dinámico del receptor es determinado principalmente por su diseño. En un radar meteorológico el rango dinámico del receptor se deberá adaptar a los ecos de precipitación, si se desea realizar mediciones cuantitativas; en el caso de los ecos de precipitación el rango dinámico típico es de 80 db o más. Para un receptor lineal el rango dinámico está dentro de 40 db.
El amplificador logarítmico es muy importante en el procesamiento automático de la señal recibida.
