Bölüm 2: RADARIN TEMELLERİ

Dr. Kurtuluş ÖZTÜRK

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

Başlıklar

• • • • • Meteorolojik Uzaktan Algılama Hava Radarı Temel Radar Donan ımı Radar Denklemi Doppler Radarlar, Doppler İkilemi

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

Meteorolojik Uzaktan Algılama

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

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

Uydu PASİF AKTİF Hava Radarı Terminal Doppler Radar Lidar Wind Profiler

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

RADAR

• RA dio D etection A nd R anging. • Rad yo 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.

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

Hava Radarları

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

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi

9

Antalya, Nisan 2013

Hava Radarları

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

Radar Bantı (Mikrodalga Bantı)

• Radar elektromanyetik spektrumum mikrodalga bölgesinde çalışır ve antenden atmosfere doğru elektromanyetik dalga formunda enerji yayar. Hedeften geri dönen enerji hedef hakk ı nda bilgi içerir.

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

Bant

HF VHF UHF L S C X Ku K Ka W

Radar Bantları

Frekans

3-30 MHz 30-300 MHz 300-1000 MHz 1-2 GHz 2-4 GHz 4-8 GHz 8-12 GHz 12-18 GHz 18-27 GHz 27-40 GHz 40-300 GHz

Dalgaboyu

10-100 m 1-10 m 0.3-1 m 15-30 cm 8-15 cm 4-8 cm 2.5-4 cm 1.7-2.5 cm 1.2-1.7 cm 0.75-1.2 cm 1-7.5 mm

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

Radar Frekans ı Maksimum Menzil (Intensity mod) Anten Çapı

Radar Karakteristikleri

S Band (~ 2700 MHz) ~ 460 km ~ 8.5 m C Band (~ 5400 MHz) ~ 240 km ~ 4.2 m

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

•

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.

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

•

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 radar larda bu değer 250 kW’dır. • Dezavantajları: Daha fazla atenüasyon! Kısa menzillerde daha tutarlı ölçümler yaparlar.

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

•

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!.

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

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.

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

• • •

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.

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

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)

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

• •

Dual Polarize (Polarimetrik) Hava Radarları

Dual polariz sağlar. e radarlar hem yatay hem dikey polarize olmuş darbe üretebilirler. Bu da hedef hakkında daha detaylı bilgi alınmasını 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

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

• • •

Radar Blok Diyagramı Mod ülatör

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.

Antalya, Nisan 2013

• • •

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.

Antalya, Nisan 2013

Radarın Çalışma Prensipleri

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

• • • • • •

Radar Denklemi P r



P t G

2



2

H Π

3

K

2

L

1024 (ln 2 )



2

x Z R

2 P r P t : :

Hedeften radara Radar dönen ortalama güç tarafından yayılan tepe güç (Peak power)

G :

Anten kazancı (Bilinen değer)

θ :

değer) Açısal ışın genliği ( Angular beamwidth , bilinen

H :

Darbe genişliği ( Pulse length , bilinen değer)

K :

Fiziksel sabit (suyun dielektrik sabiti, değer) bilinen

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

• • • •

Radar Denklemi P r



P t G

2



2

H Π

3

K

2

L

1024 (ln 2 )



2

x Z R

2 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)

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

C = 1024 ( ln 2 )λ 2 P t G 2 θ 2 HΠ 3 K 2 L

Z

=

P r

.

R²

. C Z P r R :

Reflektivite Faktörü

:

Alınan güç

: Menzil C : Radar sabiti

10log( Z ) = 10log( P r . R ² . C) Reflectivity (dBZ) = 10 log(P r ) + 20 log(R) + 10 log(C)

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

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.

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

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

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

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. 1 PRF = PRT

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

Doppler Radarlar

• Doppler radar tespit ederler. lar hedefin yalnızca konumunu ve büyüklüğünü değil aynı zamanda hızını ve hareket yönünü de • 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

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

Doppler Değişimi

Antalya, Nisan 2013

Hız Ölçümleri

• Frekans ve dalgaboyu arasındaki ilişki:

c



f

.

 2

V r



f dop

.

 V r : Hedefin radyal hızı f dop : Doppler  frekansı : Dalgaboyu

2 V r f dop

=

λ

• Sabit bir hedef için dalgaboyunda ve frekansta bir değişim olmaz.

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

Hız Ölçümleri

f d

max



2

V r



max

f d

max



PRF

2

V r

max



PRF



4

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

Menzil Ölçümleri

x = V .

t 2 .

R = c .

t R = c .

t 2 R max = c .

PRT 2 R max c = 2 .

PRF

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

Menzil Ölçümleri

Antalya, Nisan 2013

• 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.

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013

•

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. • V max ve R max 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.

PRF

.



V r

max 

R

max 

c

4 2

.

PRF

(Doppler

V r

max .

R

İkilemi) max 

c

.



8

Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi Antalya, Nisan 2013