Radar

Radar to system wykrywający odległe obiekty i określający ich położenie przez pomiar czasu, jaki jest potrzebny, żeby fale radiowe dobiegły do obiektu, odbiły się i wróciły. Radar jest używany w nawigacji, kontroli przestrzeni powietrznej, w kierowaniu ogniem artyleryjskim, do wykrywania burz, w astronomii radarowej i do chwytania kierowców przekraczających dozwoloną szybkość. Rozwinął się z doświadczeń prowadzonych w latach dwudziestych nad pomiarami odległości jonosfery za pomocą impulsów radiowych. R.A. Watson-Watt wykazał, że ta technika może być zastosowana do wykrywania samolotów, a od 1935 roku Wielka Brytania zainstalowała szereg stacji radarowych, które były ważnym czynnikiem w zwycięskiej Bitwie o Anglię w II wojnie światowej. Od roku 1940 Wielka Brytania i Stany Zjednoczone współpracowały nad rozwojem radaru. Istnieją dwa główne typy radaru: radar o fali ciągłej, który ciągle wysyła sygnały przy sinusoidalnie zmieniającej się częstotliwości i wykrywa sygnały otrzymane dzięki ich chwilowo innej częstotliwości oraz bardziej rozpowszechniony radar impulsowy. Ten ostatni ma mocno ukierunkowaną antenę, która systematycznie przeszukuje obszar albo idzie w ślad za obiektem. Magnetron wnękowy albo klistron wysyła impulsy, zwykle 400 na sekundę, o czasie trwania 1 ms i częstotliwości 3 Ghz. Przełącznik antenowy przełącza antenę automatycznie z nadawania na odbiór i z powrotem według potrzeby. Odbiornik przetwarza impulsy echa na częstotliwość pośrednią około 30 Mhz, a następnie są one wzmacniane, zamieniane na sygnał wizualny i wyświetlane w lampie elektronowej. Synchronizator mierzy czas, jaki upłynął pomiędzy wysłaniem a odbiorem sygnału i jest to przedstawione przez położenie impulsu na ekranie. Używane są różne sposoby wyświetlania: najczęściej stosowany jest wskaźnik wyglądu-położenia (PPI), pokazujący położenie poziome we współrzędnych biegunowych.



Radar czynny występuje w dwóch odmianach: radar pierwotny i radar wtórny.
Radar na z znajduje się wewnątrz pompowanej osłony, która chroni go przed wpływem czynników zewnętrznych (wiatru, deszczu). Osłony te są jednak na tyle cienkie, że są praktycznie przezroczyste dla promieni mikrofalowych, których używają radary.
Szczególną grupę radarów stanowią radary dopplerowskie. Radary te wykorzystują zmianę częstotliwości odbitego sygnału w stosunku do wysyłanego sygnału gdy ciało od którego odbiło się promieniowanie porusza się względem radaru. Radary tego typu są stosowane między innymi przez policję do mierzenia prędkości samochodów.
Podczas prac nad radarem jeden z badaczy przeszedł przed nim z batonikiem w kieszeni koszuli. Czekolada na batoniku roztopiła się – w ten sposób wynaleziono kuchenkę mikrofalową.

RADAR METEOROLIGICZNY
Pierwszy automatyczny meteorologiczny system radarowy w Polsce zainstalowano w czerwcu 1991 roku w Legionowie pod Warszawą. Powstał on na bazie radaru produkcji radzieckiej MRŁ-5, dla którego podstawowy zrąb oprogramowania przygotowano w Ośrodku Aerologii IMGW (użytkownik radaru) wraz z Centralnym Obserwatorium Aerologicznym w Moskwie.Nie jest to radar dopplerowski. Radar zainstalowany latem 1995 roku w Katowicach, a ściślej w Czerwionce-Leszczynach k. Orzesza, około 30 km od Katowic, to dopplerowski radar typu Meteor 360AC produkcji niemieckiej firmy Gematronik GmbH z Neuss. Oprogramowanie w postaci systemu RAINBOW zostało wykonane przez firmę Gamic z Aachen i dostarczone wraz z radarem. Użytkownicy nie mają możliwości ingerencji.


Poniżej są opisane funkcje najważniejszych bloków.
Nadajnik i odbiornik - Nadajnik pracuje w zakresie pasma C, częstotliwość wysyłania impulsu mieści się między 5450-5825 MHz, natomiast częstotliwość powtarzania impulsu wynosi - dla trybu pracy LP (długi impuls) 250 Hz, dla SP (krótki impuls) 900-1200 Hz. Szerokość formowanego impulsu wynosi odpowiednio 2,0 ms dla trybu LP i 0,85 ms dla SP. Wszystkie operacje zachodzące w bloku nadajnika i odbiornika są kontrolowane na bieżąco przez procesor kontroli radaru. Elementami układu nadajnik-odbiornik są ponadto:
Kontrola systemowa A 200 - jest to zespół urządzeń, które rejestrują wskazania liczników napięć operacyjnych, prądów stałych oraz prądu magnetronu, jak również kontrolują parametry nadawanego sygnału i rejestrują wszystkie zmiany zachodzące w czasie pracy nadajnika. Wskaźnik osiągów eksploatacyjnych - moduł ten ma za zadanie kontrolować poziom współczynnika szumów oraz mierzyć moc wiązki nadanej i odbitej. Pomiary te są stale prezentowane na wyświetlaczu.
Dehydrator - jego praca polega na ciągłym utrzymywaniu stałego ciśnienia suchego powietrza wewnątrz falowodu obwodu nadajnika. Sterownik - zespół urządzeń elektronicznych i mechanicznych kontrolujących pracę anteny, kąty elewacji i azymutu. W skład sterownika wchodzą: transformator liniowy, napędy mechaniczne (osobny dla elewacji i dla azymutu), bezpieczniki i przekaźniki mocy, silnik napędzający antenę oraz ograniczniki uniemożliwiające ruch anteny poniżej -2 i powyżej 90. Antena może pracować w trybie ręcznym lub automatycznym, tzn. jej położenie może być ustawione za pomocą joysticka, terminalu diagnostyki albo komputerem.
Antena jest umieszczona na statywie, wewnątrz którego znajdują się mechaniczne i elektroniczne urządzenia poruszające, kontrolujące i chroniące antenę oraz falowód, który jest bezpośrednio połączony z układem nadajnik-odbiornik. Antena o średnicy 4,2 m ma przekrój paraboliczny. Przed warunkami pogodowymi chroniona jest kopułą o średnicy 5,4 m, wykonaną z tworzywa odpornego na niekorzystne warunki atmosferyczne, przy tym nie pochłaniającego energii wiązki elektromagnetycznej promieniowania wysyłanego i odbitego.
System procesorów radarowych składa się z programowalnego kontrolera logicznego (SPS), procesora sygnału (RVP6) oraz procesora kontroli radaru (VME).
Kontroler SPS - nadzoruje funkcje programu testującego BITE (Built-in test equipment), natomiast procesor kontroli radaru porównuje parametry aktualne pracy anteny z parametrami zadanymi, jak również sprawuje kontrolę nad komunikacją pomiędzy SPS a komputerem.
Procesor sygnału RVP6 stanowi standardowe wyposażenie radarów. Tutaj znajduje się centralny zegar sterujący wszystkimi procesami radaru, odbierający surowe dane z poszczególnych skanów i przesyłający je do procesora VME. Procesor RVP6 bierze również udział w filtrowaniu surowych danych z zakłóceń biernych (np. ech stałych), oraz oblicza i porównuje prędkości obiektów metodą Dopplera.
Procesor kontrolny VME - lokalny procesor radarowy. Procesor ten umożliwia dostęp do programowalnego logicznego kontrolera SPS. Jest on podłączony do procesora sygnału RVP6 oraz do komputera. Procesor ten, oprócz obserwacji ruchu anteny, bierze również udział w odbieraniu „surowych" produktów z procesora sygnału i przekazywaniu ich w postaci pliku do dalszej obróbki, która ma miejsce w procesorze produktów. Terminal diagnostyki - bezpośrednio przyłączony do karty procesora radarowego VM30, służy do obserwacji poszczególnych procesów zachodzących w czasie pracy radaru. Dane te wyświetlane są w postaci cyfrowej. Za pomocą tego terminala można obsługiwać radar lokalnie, tzn. na wieży można dokonać bezpośrednich pomiarów niektórych funkcji lub wykonać obserwację. Procesor produktów radarowych - terminal umożliwiający wizualizację gotowych produktów, które są przedstawiane w formie dwuwymiarowych kolorowych map.




PROGNOZY OPADU W OPARCIU O RADAR

Szybki i możliwie dokładny pomiar opadu na zlewnię jest niezwykle ważny do prowadzenia osłony przeciwpowodziowej i optymalizacji gospodarki wodnej na zbiornikach. Oddział katowicki leży w regionie źródliskowym trzech największych polskich rzek: Wisły, Odry i Warty. Powodzie tu więc się rozpoczynają, istotne zatem jest kontrolowanie opadów w tym rejonie. Ważne są: 1) szybkość w przekazywaniu informacji, 2) dokładne odtworzenie pola opadowego. Pierwszy punkt nie wymaga komentarza. Odnośnie zaś punktu drugiego: najintensywniejsze opady, a więc te wywołujące największe wezbrania, są krótkotrwałe i mają niewielki zasięg. Charakteryzują się więc dużą zmiennością i czasową, i przestrzenną. Obserwacje naziemne dostarczają informacji w trybie operacyjnym w postaci sum dobowych, a w najlepszym przypadku 6-godzinnych; jedynie stacje meteorologiczne 1-godzinnych. W sytuacji, gdy czas koncentracji opadu wynosi ok. doby lub dwóch, dokładne odwzorowanie przebiegu opadu w czasie ma zasadnicze znaczenie dla wielkości kulminacji nadchodzącej fali wezbraniowej. Z drugiej strony, jak wynika chociażby z doświadczeń zdobytych przy okazji prac nad modelem prognostycznym przepływów dla górnej Odry, aktualna gęstość pokrycia zlewni posterunkami opadowymi, zwłaszcza jeśli idzie o dane dochodzące do nas z Czech, niekiedy okazuje się niewystarczająca. Dane radarowe ze swej istoty stanowią materiał uśredniony przestrzennie, do pikseli o wielkości rzędu co najwyżej kilkuset metrów. Mogą więc one stanowić doskonałe wejście do modeli hydrologicznych, gdyż nie zachodzi tu obawa „wciśnięcia się" opadu burzowego pomiędzy istniejące posterunki. Poza tym ważna jest też wspomniana na początku szybkość, praktycznie natychmiastowość przekazywania informacji, oraz całkowita automatyzacja.

KLASYFIKACJA CECH RADAROWYCH
Echa radarowe dzieli się na:
• warstwowe - charakteryzuje się dużym zasięgiem (nawet do 200 km), małą odbiciowością; związane jest przeważnie z frontami ciepłymi, latem dają opady deszczu, czasami burze, zimą opady deszczu ze śniegiem i śniegu (rys. 2a).
• konwekcyjne - długość echa sięga 200-300 km i więcej, a szerokość dziesiątków kilometrów, rozmiary poszczególnych komórek mieszczą się w przedziale 5-30 km, bardzo duża odbiciowość i ostro zaznaczone granice. Echo to związane jest z frontem chłodnym lub obszarami pionowych ruchów powietrza, zjawiska towarzyszące: latem opady przelotne deszczu i burze oraz grad, zimą opady przelotne śniegu (rys. 2b).
• mieszane - długość echa sięga do 100-150 km, a szerokość do kilkudziesięciukm, odbiciowość słaba, charakter ciągły lub nieciągły; związane jest z okluzją ciepłą lub chłodną, zjawiska towarzyszące: latem deszcz jednostajny i przelotny oraz burze, zimą opady śniegu jednostajnego, bardzo rzadko burze.







BILBLIOGRAFIA
1. Doviak R.J., Zrnić D.S., Doppler radar and weather observations. Academic Press Inc., San Diego - New York - Boston - London - Sydney - Tokyo - Toronto, 1993 (2. wyd.).
2. Moszkowicz S., Automatyzacja rozpoznawania wybranych zjawisk meteorologicznych obserwowanych radarem i zastosowanie w prognozie meteorologicznej. Maszynopis rozprawy doktorskiej, Legionowo 1982.
3. Moszkowicz S., Dziewit Z., Ciach G., Lityńska Z., Dewiszek P., Tuszyńska I., Automatyczny Meteorologiczny System Radarowy. „Materiały Badawcze", Seria: Meteorologia, nr 20, IMGW, Warszawa 1994.
4. Moszkowicz S., Krajewski W., Tuszyńska I., Wstępne porównanie godzinnych sum opadów na zlewnię zmierzonych pluwiografami i radarem meteorologicznym. Wiad. IMGW, t. XVIII: 1995, z. 2, s. 57-72.
5. Rinehart R.E., Radar for meteorologists. Center for Aerospace Sciences, University of North Dakota, Grand Forks, ND, 1991 (2. wyd.)
6. Szturc J., Jurczyk A., Jawor J., Wójcik B., O możliwościach radaru meteorologicznego w Katowicach, Wiad. IMGW, t. XXI (XLII): 1998, z. 2, s. 65-80.