Bölüm 2: RADARIN TEMELLERİ Dr. Kurtuluş ÖZTÜRK

Başlıklar Meteorolojik Uzaktan Algılama Hava Radarı Temel Radar Donanımı Radar Denklemi Doppler Radarlar, Doppler İkilemi

Meteorolojik Uzaktan Algılama Uzaktan Algılama bir obje, bölge veya olaydan fiziksel temas olmaksızın bilgi alma işlemidir.

Terminal Doppler Radar PASİF AKTİF Uydu Hava Radarı Terminal Doppler Radar Lidar Wind Profiler

RADAR RAdio Detection And Ranging. Radyo dalgaları atmosferde yayılır ve birtakım hedeflerle etkileşirler. Bir radyo dalgası herhangi bir hedefe çarptığında yayılma devam eder ancak dalganın küçük bir bölümü radar antenine geri döner. Reflektivite hedeften geri dönen enerji olarak tanımlanır. Reflektivitenin büyüklüğü hedefin ebatları, şekli ve cinsine bağlıdır.

Hava Radarları Yağmur, kar ve rüzgar Flood Microburst-Macroburst Wind Shear, Türbülans Thunderstorm, tornado Gust Front

Hava Radarları Ground based Weather Radar You are here: Radar Principles »»  Weather Radar »» Ground based Weather Radar Source: www.radartutorial.eu/15.weather/wx07.en.html Figure 1: Map of weather radars in Europe • conventional weatherradar • doppler radar • polarimetric radar The European Commission sponsored „COST 75” project has developed an inventory of all weather stations during 1995 (so it should be noted that this is provided for illustrative purpose only and will be out of date). The Graphic depicts this station inventory. The stations shown are classed into three types: Conventional Weather Radars (non Doppler) A conventional weather radar can be defined as an early, non-Doppler weather radar system which uses earlier, less efficient clutter elimination processing (such as clutter map and statistics) than modern systems. Althought there are still several conventional weather radar systems in operation, these are no longer manufactured specifically. Doppler Weather Radars The Module has concentrated on the characteristics of Doppler Weather Radars (althought some principles are common to all primary systems). Their implementation is widespread througout the world. Polarimetric Doppler Weather radars Polarimetric Radars are Doppler weather radars with additional processing functionality to allow them to further compute more advanced profiles based on the directionaly of the reflected electromagnetic energy received.

Radar Bantı (Mikrodalga Bantı) Radar elektromanyetik spektrumum mikrodalga bölgesinde çalışır ve antenden atmosfere doğru elektromanyetik dalga formunda enerji yayar. Hedeften geri dönen enerji hedef hakkında bilgi içerir.

Radar Bantları Bant Frekans Dalgaboyu HF 3-30 MHz 10-100 m VHF 1-2 GHz 15-30 cm S 2-4 GHz 8-15 cm C 4-8 GHz 4-8 cm X 8-12 GHz 2.5-4 cm Ku 12-18 GHz 1.7-2.5 cm K 18-27 GHz 1.2-1.7 cm Ka 27-40 GHz 0.75-1.2 cm W 40-300 GHz 1-7.5 mm

Radar Karakteristikleri Radar Frekansı S Band (~ 2700 MHz) C Band (~ 5400 MHz) Maksimum Menzil (Intensity mod) ~ 460 km ~ 240 km Anten Çapı ~ 8.5 m ~ 4.2 m

S bant Radarlar 8-15 cm arasında dalgaboyu ve 2-4 GHz arasında frekansa sahip olan radarlardır. Avantajları: Daha az güç azalması (atenüasyon)! Radara çok yakın ve çok uzak menzillerde daha tutarlı ölçümler yaparlar. Dezavantajları: Maliyeti ve işletmesi daha pahalı! Daha büyük anten, daha büyük motor ve daha büyük enerjiye ihtiyaç duyar.

C bant Radarlar 4-8 cm arasında dalgaboyu ve 4-8 GHz arasında frekansa sahip olan radarlardır. Avantajları: Daha ucuz! Daha küçük antenleri vardır. S bant radarların gücü 750 kW iken C bant radarlarda bu değer 250 kW’dır. Dezavantajları: Daha fazla atenüasyon! Kısa menzillerde daha tutarlı ölçümler yaparlar.

X bant Radarlar 2,5-4 cm arasında dalgaboyu ve 8-12 GHz arasında frekansa sahip olan radarlardır. Avantajları: En ucuz, en küçük, işletme maliyeti az, kurulumu kolay ve maliyeti az, mobil olabilir! Meteorolojik parametrelere en hassas dalga boyu! Polarimetri ile en iyi sonuç! Dezavantajları: Çok daha fazla atenüasyon! En kısa menzil!.

Radar Tipleri Monostatik Radarlar : Gönderim ve alım için aynı anten kullanılır. Doppler radarlar monostatik radarlardır. Bistatik Radarlar : Gönderim ve alım için iki ayrı anten kullanılır.

Konvansiyonel Hava Radarları (Doppler olmayan) - Eski tip - Clutter elimine etmekte çok başarılı değiller - Hedefin yalnızca konumu ve büyüklüğü hakkında bilgi verirler Doppler Hava Radarları - Son teknoloji - Hedefin konumu, büyüklüğü ve hızı hakkında bilgi verirler Polarimetrik Doppler Hava Radarları - Hem yatay hem de dikey polarizasyonda dalga yayabilir ve geri alabilirler. - Yağışın tipiyle ilgili daha detaylı bilgi verirler.

Tekil Polarize Hava Radarları Tekil polarize (Single polarized) radarlar yatay polarize olmuş darbe üretip, yatay geri yansıma alırlar. Ölçülen Parametereler: Reflektivite (Z) Radyal Hız (V) Spektral Genişlik (W) Yağış (R)

Dual Polarize (Polarimetrik) Hava Radarları Dual polarize radarlar hem yatay hem dikey polarize olmuş darbe üretebilirler. Bu da hedef hakkında daha detaylı bilgi alınmasını sağlar. Polarimetrik radar değişkenlerinin sağladığı yatay ve dikey bilgiler sayesinde (ebat, yoğunluk vb.), yağış tipinin belirlenmesi mümkün olmaktadır. Ölçülen Parametereler: Reflektivite (Z) Radyal Hız (V) Spektral Genişlik(W) Yağış (R) ZDR LDR PhiDP and KDP RhoDP

Radar Blok Diyagramı Modülatör vericiye (transmitter) elektromanyetik dalgayı ne zaman ve ne kadar süre ile yayacağını söyler. Verici güç üretir. Duplexer darbenin yayılımı sırasında vericiyi ve ardışık iki darbe arasındaki zamanda alıcıyı antene bağlar.

Alıcı anten tarafından alınan zayıf sinyali gerekli düzeye yükseltir. Sinyal işlemci alıcıdan alınan sinyali değerlendiri ve işler. Gösterim (display) cihazı sinyaldeki bilgiyi operatörün yorumuna sunar.

Radarın Çalışma Prensipleri The following figure shows the operating principle of a primary radar. The radar antenna illuminates the target with a microwave signal, which is then reflected and picked up by a receiving device. The electrical signal picked up by the receiving antenna is called echo or return. The radar signal is generated by a powerful transmitter and received by a highly sensitive receiver. All targets produce a diffuse reflection i.e. it is reflected in a wide number of directions. The reflected signal is also called scattering. Backscatter is the term given to reflections in the opposite direction to the incident rays. Radar signals can be displayed on the traditional plan position indicator (PPI) or other more advanced radar display systems. A PPI has a rotating vector with the radar at the origin, which indicates the pointing direction of the antenna and hence the bearing of targets.

Radar Denklemi Pr : Hedeften radara dönen ortalama güç Pt : Radar tarafından yayılan tepe güç (Peak power) G : Anten kazancı (Bilinen değer) θ : Açısal ışın genliği (Angular beamwidth, bilinen değer) H : Darbe genişliği (Pulse length, bilinen değer) K : Fiziksel sabit (suyun dielektrik sabiti, bilinen değer)

Radar Denklemi L : Kayıp faktörü (bilinen değer). Yağış, atmosferik gazlar ve alıcı limitleri nedeniyle oluşan atenüasyonu dengelemek için kullanılır. λ : Gönderilen radyasyonun dalgaboyu Z : Reflektivite faktörü R : Hedefin radardan olan uzaklığı (Sinyal dönüş zamanından hesaplanır)

Reflectivity (dBZ) = 10 log(Pr) + 20 log(R) + 10 log(C) Z = Pr . R² . C Z : Reflektivite Faktörü Pr : Alınan güç R : Menzil C : Radar sabiti 10log(Z) = 10log(Pr . R² . C) Reflectivity (dBZ) = 10 log(Pr) + 20 log(R) + 10 log(C)

Işın Genliği (Beamwidth) Radar ışın genliği yarı güç noktaları arasındaki ana ışının açısal genişliğidir. Yarı güç ışın gücünde 3 dB’lik bir azalmaya tekabül eder. Yan kulakçıklar radardan az bir uzaklıkta belirir ve düşük güç yoğunluğuna sahiptir. Fakat zayıf olsalar dahi bazen meteorolojik olmayan ve radara yakın olan bazı hedeflerden güçlü geri yansıma alabilirler.

Işın genişlemesi (beam broadening) nedeniyle ışın enerjisi radardan uzaklaştıkça azalır. Güç mesafenin karesiyle ters orantılıdır. Güç ışın ekseninin dışındaki bölgelerde daha azdır.

PRF & PRT (PRI) (Darbe Tekrarlama Frekansı & Zamanı (Aralığı)) PRF saniyedeki darbe sayısıdır. PRF dinleme süresi ile maksimum menzili kontrol eder. PRF’in tersi olan PRI ise ardışık iki darbe arasındaki zamandır.

Doppler Radarlar Doppler radarlar hedefin yalnızca konumunu ve büyüklüğünü değil aynı zamanda hızını ve hareket yönünü de tespit ederler. Doppler radarlar, Doppler Teorisi’ni kullanarak hareket eden hedeflerin radyal hızını ölçerler. Doppler Değişimi (Doppler shift) hedef alıcının doğrultusunda hareket ettiğinde gönderilen ve geri alınan EM dalgalar arasındaki frekans farkıdır. Christian Andreas Doppler

Doppler Değişimi

Hız Ölçümleri Frekans ve dalgaboyu arasındaki ilişki: Vr : Hedefin radyal hızı fdop : Doppler frekansı  : Dalgaboyu Sabit bir hedef için dalgaboyunda ve frekansta bir değişim olmaz.

Hız Ölçümleri

Menzil Ölçümleri

Menzil Ölçümleri The electronic principle on which radar operates is very similar to the principle of sound-wave reflection. If you shout in the direction of a sound-reflecting object (like a rocky canyon or cave), you will hear an echo. If you know the speed of sound in air, you can then estimate the distance and general direction of the object. The time required for an echo to return can be roughly converted to distance if the speed of sound is known. Radar uses electromagnetic energy pulses in much the same way, as shown in above Figure. The radio-frequency (rf) energy is transmitted to and reflected from the reflecting object. A small portion of the reflected energy returns to the radar set. This returned energy is called an ECHO, just as it is in sound terminology. Radar sets use the echo to determine the direction and distance of the reflecting object. The distance is determined from the running time of the high-frequency transmitted signal and the propagation  C0. The actual range of a target from the radar is known as slant range. Slant range is the line of sight distance between the radar and the object illuminated. While ground range is the horizontal distance between the emitter and its target and its calculation requires knowledge of the target's elevation. Since the waves travel to a target and back, the round trip time is divide by two in order to obtain the time the wave took to reach the target. Therefore the following formula arises for the slant range: R = c0 · t2/C0 = speed of light = 3·108 m/s t = measured time [s] R = slant range [m]The Distances are expressed in kilometers or nautical miles.

Eğer dinleme süresi çok kısa ise, uzak mesafedeki bir hedeften geri dönen eko, verici yeni bir darbe (pulse) ürettikten sonra alıcı tarafından algılanabilir. Bu durumda alınan sinyalin gönderilen hangi sinyale ait olduğu anlaşılamaz. Bu duruma ‘menzil belirsizliği (range ambiguity)’ denir. Kısa dinleme zamanı yüksek PRF demektir. Yüksek PRF kullanarak daha yüksek çözünürlük ve daha tutarlı menzil bilgisi elde edilir. Öte yandan, yüksek PRF maksimum menzili düşürür.

Doppler İkilemi Yüksek PRF, kısa dinleme süresi ve yüksek maksimum hız elde edilmesini sağlar. Ancak, maksimum menzili artırmak için de radarın düşük PRF kullanması gerekir. Vmax ve Rmax birbirleriyle ters ilişkilidir. Yani eğer uzak mesafelerdeki ekoları tespit etmek istiyorsak, düşük hız bilgisi elde edilir. İkisini beraber artırmanın tek yolu daha yüksek dalga boyu kullanmaktır. (Doppler İkilemi)