RADARS MÉTÉOROLOGIQUES AÉROPORTÉS

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT



Diagramme

Ce diagramme ci-dessous ne reflète pas une véritable structure de blocs du radar météo, mais illustre simplement le principe de fonctionnement.

Diagram Radar

- une unité de pilotage de l'horloge coordonne le travail de toutes les autres unités ;
- un émetteur génère la forme d'onde de sondage électromagnétique à micro-ondes, généralement constituée de courtes impulsions de durée τ (tau) avec des intervalles entre les impulsions T ;
- un duplexeur relie automatiquement l'antenne à la sortie de l'émetteur (pendant le temps de génération de l'impulsion τ ) et à l'entrée du récepteur (pendant le temps restant)
Ainsi, la fréquence de commutation du duplexeur est égale à la fréquence de répétition des impulsions.
- une antenne conçue pour former le diagramme de rayonnement, qui est normalement symétrique et relativement étroit afin d'émettre des impulsions sonores d'énergie électromagnétique et de recevoir l'énergie réfléchie diffusée par les objets observés.
- un récepteur détecte le signal sur un fond d'interférences et de bruit en filtrant et en amplifiant les informations utiles initiales.
- un traitement supplémentaire du signal est mis en œuvre dans l'unité de traitement, qui extrait des informations, notamment des données sur les phénomènes météorologiques dangereux.
- Un système de contrôle automatique de la fréquence AFC met en œuvre l'accord automatique du récepteur en fonction de la fréquence de l'émetteur. Une caractéristique importante de l'AFC est la fourniture de mesures de réflectivité qualitative pour déterminer le niveau de danger des nuages et des précipitations.
- une unité de compensation de distance RCU fournit un contrôle de temps de sensibilité pour éliminer toute dépendance de la puissance du récepteur par rapport à la distance.
- une unité d'affichage fournit au pilote des informations radar en coordonnées polaires (azimut-distance) ainsi que des informations auxiliaires.

Principe de base

Le radar est fondamentalement un système de mesure de distance utilisant le principe de l'écho radio. Il s'agit d'une méthode de localisation de cibles à l'aide d'ondes radio. L'émetteur génère de l'énergie micro-ondes sous forme d'impulsions. Ces impulsions sont ensuite transférées à l'antenne où elles sont focalisées en un faisceau par l'antenne. L'énergie est focalisée et rayonnée par l'antenne de telle manière qu'elle est plus intense au centre du faisceau avec une intensité décroissante près du bord. La même antenne est utilisée à la fois pour l'émission et la réception. Lorsqu'une impulsion intercepte une cible, l'énergie est réfléchie comme un écho, ou signal de retour, vers l'antenne. De l'antenne, le signal retourné est transféré au récepteur et aux circuits de traitement situés dans l'unité émettrice du récepteur. Les échos, ou signaux renvoyés, sont affichés sur un indicateur.

Distance de la cible

Les ondes radioélectriques se déplacent à la vitesse de 300 millions de mètres par seconde et fournissent ainsi une information presque instantanée lors du retour de l'écho. La télémétrie par radar est un processus bidirectionnel qui nécessite 12,36 microsecondes pour que l'onde radio se déplace dans les deux sens pour chaque mille nautique de portée de la cible. Comme le montre l'illustration de la distance ci-dessous, il faut 123,6 micro-secondes à une impulsion d'énergie radar émise pour faire l'aller-retour depuis une zone de précipitations située à 10 miles nautiques de distance.

ReflectiviteAllerRetour

La plupart des radars météorologiques aéroportés modernes sont des systèmes qui émettent entre 18 watts et 10 kW de puissance, des micro-ondes à une fréquence ƒ d’environ 10 GHz, soit environ 3,2 cm en termes de longueur d’onde λ (dans le vide). Le grand avantage des micro-ondes est qu’elles pénètrent les systèmes précipitants et, par conséquent, permettent de déterminer leur structure et leur contenu.
a - La longueur d’onde λ est calculée à partir de la fréquence à l’aide de la relation λ = c / ƒ, où c ≈ 3 108 m s–1 (vitesse de la lumière dans le vide).

Direction de la cible

L'énergie rayonne de la surface de l'antenne dans une direction similaire au faisceau d'une lampe de poche. Lorsque l'antenne est pointée vers une cible, le radar reçoit une réflexion de cette cible et en déduit sa direction par rapport à l'aéronef.

Reflexion Faisceau

Notion sur la localisation d'une cible

La source de ce paragraphe provient La Météorologie - n° 84, réalisé Olivier Pujol, Valentin Louf, Henri Sauvageot.

Un radar émet périodiquement (période T) des micro-ondes sous forme d’impulsions (ou paquets d’ondes) de durée τ dont la fréquence centrale f est comprise entre 1 et 100 GHz (voir bandes de fréquences ci-dessus). Lorsqu’une impulsion interagit avec un hydrométéore, une partie de l’onde est renvoyée (rétrodiffusée) en direction du radar alors que l’autre est absorbée ou diffusée dans une direction différente de l’incidente. La mesure de la durée ∆t qui sépare l’émission de la réception du signal permet d’estimer la distance r à laquelle se situe l’hydrométéore : r = c∆t/2. La distance maximale qui peut être atteinte, ou portée, est donnée en posant ∆t = T, car, pour éviter toute ambiguïté, l’impulsion émise doit revenir au radar avant que celui-ci n’émette la suivante. Pour ∆t = τ, on obtient la résolution radiale ∆r : tous les hydrométéores situés dans l’intervalle ∆r contribuent à l’écho radar correspondant à l’impulsion émise à l’instant t ; ils sont donc perçus comme une cible unique distante de r. Typiquement, τ ~ 1 μs, d’où ∆r ~ 150m,et T~1 ms,d’où une portée de 150 km. En outre, le rayonnement de l’antenne d’un radar est plus ou moins directif : il se concentre essentiellement en un faisceau appelé lobe principal qui contient 80 % de l’énergie électromagnétique totale. Ce faisceau utile est modélisé par un cône dont l’axe principal est celui de la direction de l’antenne et l’angle au sommet pris, par convention, à mi-puissance du faisceau. En termes logarithmiques, on parle d’ouverture à 3 dB et on introduit l’angle θ3dB, typiquement compris entre 0,1° et 4°. Généralement, le faisceau est dit directif en dessous de 1°, sinon il est qualifié d’ouvert. Cet angle, qui définit ainsi la résolution angulaire du radar, dépend de la longueur d’onde et du diamètre de l’antenne : précisément, θ3dB = 70 λ/Da (avec λ et Da dans la même unité). Ce qui précède permet de définir la cellule (ou volume Vr) de résolution, à la distance r : le signal reçu par l’antenne est celui renvoyé par tous les hydrométéores à l’intérieur de cette cellule. Ce volume correspond donc au pixel radar.

Bandes de fréquences utilisées dans la météorologie par radar

Les micro-ondes utilisées appartiennent à des domaines (ou bandes) de fréquences que l’on désigne par une lettre ou deux. Les plus connues, au nombre de six dans la météorologie par radar, sont données dans le tableau ci-dessous avec les ordres de grandeur de la fréquence centrale f et de la longueur d’onde λ (dans le vide).
Bandes de fréquences utilisées dans la météorologie pour les radars.

Bandes S C X Ku Ka W
f (GHz) 3 6 10 15 35 94
λ cm) 10 5 3 2 0,86 0,32


Les bandes S et C sont surtout utilisées par des radars situés au sol, alors que les quatre autres se rencontrent le plus souvent sur des radars embarqués : la bande X pour l’aéroporté, les bandes Ku, Ka et W pour les satellites. Pour la bande W, citons notamment les radars destinés à l’observation des nuages, comme par exemple le radar satellite Cloudsat. C’est la taille des radars, nécessairement petits, qui, jusqu’à présent, impose de telles fréquences pour les radars embarqués.

Réflectivité

La source de cet article provient de Safety first, réalisé par David Marconnet, Christian Noren et Laurent Vidal.

La réflectivité des précipitations ne dépend pas seulement de l'intensité des précipitations, mais aussi du type de précipitation. Les gouttelettes trop petites (gouttelettes de brouillard) ne renvoient aucun écho, alors que les gouttelettes d'eau (gouttelettes d'orage) renvoient la majorité des ondes radar. Les précipitations qui contiennent de l'eau auront un rendement plus élevé que les précipitations sèches. La grêle sèche, par exemple, réfléchira beaucoup moins que la grêle humide. Le niveau supérieur d'un orage, qui contient des cristaux de glace, donne un rendement plus faible que la partie centrale, qui est pleine d'eau ou de grêle mouillée. L'intensité de l'écho du radar météorologique varie donc en fonction de la taille, de la composition et de la quantité des gouttelettes. Par exemple, une particule d'eau est cinq fois plus réfléchissante qu'une particule de glace de même taille.

Reflectivite Radar

La détection météorologique est basée sur la réflectivité des gouttelettes d'eau et l'intensité de l'écho du radar météorologique varie en fonction de la taille, de la composition et de la quantité des gouttelettes. Par exemple, une particule d'eau est cinq fois plus réfléchissante qu'une particule de glace de même taille. L'écho météorologique apparaît sur l'écran de navigation ND avec une échelle de couleurs qui va du rouge (haute réflectivité) au vert (faible réflectivité).

Reflectivite Couleurs

Certains radars météorologiques sont équipés d'un mode d'affichage des turbulences. Cette fonction TURB est basée sur l'effet Doppler et est sensible au mouvement des précipitations. Comme le radar météorologique, la fonction TURB a besoin d'un minimum de précipitations pour être efficace. Une zone de pluie légère, représentée en vert en mode normal, est affichée en magenta lorsqu'il y a une forte activité de turbulence.



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