RADARY METOROLOGICZNE - INTERPRETACJA WSKAZAŃ- Łukasz SZOSTAK - PRz.pdf - Inżynieria Lotnicza - maikpuk

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa

im. Ignacego Łukasiewicza

Katedra Awioniki i Sterowania

RADARY METOROLOGICZNE - INTERPRETACJA WSKAZAŃ

Łukasz SZOSTAK

Seminarium Dyplomowe 2001/2002

LOTNICTWO - PILOTAŻ

Streszczenie

Niniejsza praca zawiera, krotki opis zasady działania cyfrowych radarów meteorologicznych, powstawa-

nie obrazu radarowego jak i błędy z nim związane, a także teorie wykrywania turbulencji. W drugiej części

znajdują się praktyczne rady związane z prawidłowym posługiwaniem się radarem meteorologicznym, a także

prawidłowa interpretacją obrazu radarowego oraz zostały zaprezentowane typowe echa szczególnie niebez-

piecznych zjawisk jakie może napotkać pilot podczas przelotu.

1.Zasada działania

1.1 Powstawanie obrazu radarowego

Cyfrowe radary pogodowe działają na zasadzie zobrazowania echa. Radar wysyła krótkotrwały impuls

energii elektromagnetycznej, który porusza się w przestrzeni w postaci fali elektromagnetycznej. Kiedy fala ta

spotyka cel , cześć tej energii zostaje odbita i wraca do anteny. Odbiornik radaru mierzy czasz jaki upłynął od

momentu wysłania impulsu do powrotu echa i określa odległości do celu. Ponieważ antena radaru skanuje prze-

strzeń przed samolotem w sposób synchronizowany z wysłanym sygnałem, znany jest namiar na cel , a na ekra-

nie powstaje obraz, który jest przekrojem poprzecznym celu widzianym z góry. Wskaźnik radaru nazywa się

PPI (plan position indicator). Grubość warstwy zobrazowanej na ekranie zależy od wysokości jak i kąta pochy-

lenia anteny (tzw. TILT)

Radar pogodowy może czasami wykryć inny samolot, szczególnie lecący naprzeciwko, ale nie jest prze-

znaczony do unikania kolizji. Nie jest również radarem nawigacyjnym, chociaż gdy pochylimy antenę w dół

uzyskamy odbicia od powierzchni ziemi, a wybranie pozycji selektora parametrów pracy „MAP” ułatwia uzy-

skanie tych odbić.

Z punktu widzenia bezpieczeństwa lotu,

groźne zjawiska meteorologiczne, które powinny

być unikane to grad oraz turbulencja. Niestety żad-

ne z nich nie jest bezpośrednio widoczne na ekranie

radaru. Radar ukazuje jedynie te obszary opadów

deszczu, z którymi zjawiska są związane.

Radar najlepiej wykrywa wodę w postaci

ciekłej ( nie wykryje pary wodnej, lodu, suchego i

małego gradu). „Widzi” jedynie deszcz, mokry

śnieg, mokry grad oraz suchy grad, ale jeśli jego

średnica wynosi około 0.8 długości fali elekroma-

gnetycznej wysłanej przez radar, lub większej. ( w

przypadku gdy radar pracuje na zakresie fal X su-

chy grad zostaje wykryty jeśli jego wielkość wyno-

si około 1”)

Możliwość wykrywania przez radar opadów

atmosferycznych wypływa z faktu rozpraszania

energii na cząstkach opadów. Ponieważ moc sygnałów odbitych zmienia się proporcjonalnie do szóstej potęgi

Rys.1. Zasada działania radaru

Figure 1.How the radar works

Ł. Szostak

Radary pogodowe.

ŁS - 1

średnicy kropel, co wynika z równania wyważenia Rayleigha (wzór 1), który to wzór określa powierzchnię od-

bijającą przypadającą na jednostkę objętości, to mgły i chmury są źródłem słabych sygnałów rozproszonych w

porównaniu z kroplami deszczu.

(1)

gdzie: λ długość fali radaru,

a - średnica cząstek,

K - współczynnik związany z wypadkowym współczynnikiem refrakcji cząstek,

N -liczba cząstek w jednostce objętości

Odwrotnie ma się rzecz z cząstkami śniegu, które spadając topią się szybko na wysokości zamarzania

tworząc w przybliżeniu kuliste krople deszczu. Zjawisku temu towarzyszą silne echa, a nosi ono nazwę zjawiska

efektu jasnego pasma („bright band").

Przypadek kulek gradu jest bardziej złożony. Mimo że wartość K = 2 jest dla lodu pięciokrotnie mniejsza

niż dla wody, to jednak lód jest mało stratnym dielektrykiem dla mikrofal. Fakt ten powoduje, że duże kulki gra-

du (o średnicy porównywalnej z długością fali) mogą działać jak soczewki, skupiające padające promie-

niowanie od wewnętrznej strony krzywizny soczewki i

odbijające fale z powrotem do radaru. W przypadku czą-

stek o średnicy większej od długości fali uzyskuje się

echa od kulek lodu o większych wartościach niż echa od

porównywalnej wielkości kropel wody. W przeciwień-

stwie bowiem do lodu, krople wody wprowadzają straty,

pochłaniają energię fali padającej i odbijając ją tylko wy-

pukłą stroną swej powierzchni. Rezultatem tego jest roz-

praszanie energii odbitej w dużym kącie bryłowym, a

brak jest jakiegokolwiek kierunkowego odbijania do ra-

daru. Gdy kulki gradu przechodzą przez wysokość top-

nienia, to na ich powierzchni tworzy się warstewka wody

o grubości 0,1 mm. Kulki zaczynają wtedy odbijać jak

duże krople wody, a sygnały echa gwałtownie maleją

przynajmniej o rząd wielkości.

Rys. 2. Radarowe echa zjawisk

Figure 2. Weather Radar Images

1.2. Zniekształcenia obrazu radarowego

Fale elekromagnetyczne są wysyłane przez antenę radaru umiejscowioną na dziobie samolotu. Antena

zabudowana jest wewnątrz a jej osłona wykonana ze spe-

cjalnych materiałów łatwo przepuszczających promie-

niowanie elekromagnetyczne. Może się jednak zdarzyć,

że na jej powierzchni zacznie się gromadzić lód albo wo-

da. Nie powoduje to uszkodzenia osłony jednak osłabia

sygnał powrotny (odbity) i radar wskazuje mniejszą czu-

łość. Wtedy na ekranie radaru mogą pojawiać się ciemne

plamy.

Lód może wywoływać także zniekształcenie re-

frakcyjne (ugięcie fali) , co przejawia się utratą granic

obrazu, (zerowy pierścień zaczynający się od zerowej

odległości, na każdym zakresie ekranu). Czasami lód

powoduje powstanie przypadkowych ech wewnątrz osło-

ny i na ekranie pojawiają się nieistniejące cele. Znie-

kształcenia refrakcyjne, często mylą pilota, ponieważ za-

kłócenia te przypominają sytuację kiedy jest uszkodzone

sterowanie tiltem. Zalodzona lub zawodniona osłona

radaru może być również przyczyną zmian echa co do

kształtu jak i rozmiarów, podczas gdy samolot zmienia kurs lub wysokość.

Innym rodzajem błędów mogą zaistnieć, kiedy antena jest odchylona w dół i oglądamy obraz powierzch-

ni ziemi. Pierwsze jest zwane „efektem wielkich równin”, który uwidacznia się najczęściej, kiedy lecimy nad

płaskimi równinami Stanów Zjednoczonych. W tych rejonach zarówno granice posiadłości jak i drogi, zabudo-

wania, i linie wysokiego napięcia są ułożone wg prostopadłych kierunków N-S / E-W. W rezultacie ich odbicia

Rys. 3. Radarowy obraz morza

Figure 3. Sea returns

Ł. Szostak

Radary pogodowe.

ŁS - 2

są intensywniejsze niż odbicia z innych kierunków i uwidaczniają się w postaci siatki linii zorientowanych wg

głównych kierunków geograficznych nałożonych na mapę terenu.

Drugie zjawisko jest związane z obrazem radarowym powierzchni morza i jest pokazane na rysunku 3.

Spokojna powierzchnia wody daje bardzo słabe odbicie, ponieważ energia wiązki rozprasza się. Tak samo się

dzieje z wiązką, która napotyka nawietrzną stronę fali. Natomiast zawietrzna strona wody daje silne odbicie, ze

względu na jej stromość. Dlatego jasna plama na tle słabszego odbicia od powierzchni morza wskazuje nam

kierunek wiatrów powierzchniowych.

1.3 Teoria wykrywania turbulencji

Najczęściej stosowaną techniką wykrywania turbulencji jest metoda zwana PPP (Pulse Pair Processing).

Radar w czasie pracy typu „Wx+T” wysyła około 1400 impulsów na sekundę o mocy 10 kW. Procesor porów-

nuje odbicia kolejnych par impulsów ze sobą, tzn. sygnał powrotny impulsu pierwszego jest porównywany z

sygnałem powrotnym impulsu drugiego, a odbicie impulsu drugiego z odbiciem trzeciego.

Dla porównania wszystkich sygnałów powrotnych,

radar dzieli ustawiony przez pilota zasięg na 128 jednako-

wych wycinków skanowanej przestrzeni, a następnie porów-

nuje sygnały powrotne (odbicia) pierwszego impulsu w każ-

dym wycinku z drugim w tym samym wycinku. Dla przykła-

du : odbicie pierwszego impulsu w wycinku 34 jest porów-

nywane z odbiciem drugiego impulsu w wycinku 34. Ten

proces zachodzi w całej przestrzeni (128) wycinków i decy-

zja czy sygnalizować turbulencję lub nie sygnalizować

turbulencji jest podejmowana przez PPP dla każdego

wycinka osobno. Jeśli turbulencja zostanie wykryta, wycinek

przybiera kolor biały.

Informacją o mocy odbitej jest wektor całkowitego

odbicia TRV ( Total Return Vector ), jest on sumą odbić od

każdej kropli znajdującej się w danym wycinku. Pokazany

jest on na rysunku 4.

Uproszczony przykład wyjaśniający sens pojęcia TRV

pokazany na tym rysunku jest następujący: wycinek napro-

mieniowany wiązką radarową zawiera 5 jednakowych kropli

wody, znajdujących się w niewielkiej odległości od siebie.

Amplitudy odbić (długości wektora) są identyczne, bo krople

wody są jednakowej wielkości, ale faza (rotacja wektora) każ-

dego indywidualnego odbicia jest inna, ponieważ każda z

tych kropli znajduje się w trochę innej odległości od anteny

radaru .

Radar nie dostrzega indywidualnych odbić, ale widzi

TRV, który jest sumą wszystkich odbić indywidualnych, bo-

wiem w rzeczywistości zostaje napromieniowanych setki mi-

lionów kropli, czyli TRV będzie sumą ich odbić cząstkowych.

Impuls w przypadku pracy „Wx+T” jest wypromie-

niowany co 0.0008 sec. Nieznaczna turbulencja lub jej brak

powoduje nieznaczne zmiany położenia kropli lub ich brak,

jak również wielkość kropli pozostaje niezmieniona, a tym

samym TRV (amplituda i faza) nie zmienia się również. Jeżeli

brak jest różnicy pomiędzy dwoma TRV w tym samym wy-

cinku, lub jest ona nieznaczna, to znaczy, że brak jest w tym

wycinku turbulencji lub jest ona nieznaczna. Możemy to so-

bie wyobrazić porównując wykresy z rysunku 5.

Jeżeli zaś turbulencja jest wykryta w opadzie,

występują znaczące zmiany w rozmiarze kropel jak i pozycji

w stosunku do kolejnych impulsów radaru. Zmiany

pojedynczych odbić wpływają na zmianę całego TRV. Jeżeli wiec występuje znacząca różnica pomiędzy dwo-

ma TRV w tym samym wycinku, oznacza to, że jest tam turbulencja a ekran zostanie zabarwiony na biało. Mo-

żemy to sobie wyobrazić porównując rysunki 4 i 6.

Radar wykrywa jedynie ruch kropli, który jest równoległy do wysyłanego impulsu. Radar nie jest w sta-

nie wykryć ruchu prostopadłego do anteny ponieważ krople nie powodują powstania efektu Dopplera. Dlatego

Rys. 5. Brak turbulencji

Figure 5. No turbulence

TRV

Rys. 6. Turbulencja

Figure 6. Turbulence

Ł. Szostak

Radary pogodowe.

ŁS - 3

Rys. 4. Wektor całkowitego odbi-

cia

należy jednak pamiętać, że strefy turbulencji nie

zawsze mogą być wykryte przez radar, a ponadto ob-

raz turbulencji może się zmieniać z każdym następ-

nym ruchem anteny ponieważ krople deszczu mogą

poruszać się pod jej wpływem w różnych kierun-

kach. Ważne jest jeszcze żeby zdawać sobie sprawę,

że radar pokładowy wykrywa turbulencję tylko tam

gdzie występuje opad. Nie wykrywa CAT (Clear Air

Turbulence).

Próg detekcji turbulencji jest ustawiony na

wykrywanie turbulencji moderate. Tak więc jeśli ja-

kaś strefa kropli będących w ruchu została określona

jako moderate, severe lub extreme jest ona zabar-

wiona na kolor biały, jeśli więc spotkamy strefę tur-

bulencji, to musimy ją obchodzić, bo mogą w niej

wystąpić wszystkie trzy jej intensywności. Turbulen-

cja jest najlepiej widoczna w sektorze ±30° od osi podłużnej samolotu.

Na rysunku 7 widzimy radarowy obraz turbulencji , jest to biała strefa widoczna na środku ekranu, w od-

ległości ok. 23 NM od samolotu. Na ekranie widoczne są również inne echa zabarwione na kolor żółty i czer-

wony. Widać, że obchodzenie strefy turbulencji musi być wykonane lewą stroną, gdyż tam echa są najsłabsze.

2.Praktyczne wykorzystanie radaru

Typowy radar meteorologiczny posiada kilka typowych funkcji m.in. range selection (wybór zasięgu),

gain (wzmocnienie), mod pogodowy, mod MAP ( tryb nawigacyjny) oraz tilt (kąt pochylenia anteny).

Wydaje się, że wszystkie funkcje radaru są łatwe do zinterpretowania i wykorzystania, jednak okazuje

się, że największe kłopoty sprawia posługiwanie się kątem pochylenia anteny ( tilt) , który zazwyczaj jest wyko-

rzystywany niewłaściwie, a którego prawidłowa obsługa ma istotne znaczenie dla bezpiecznego przebiegu lotu

w warunkach burzowej pogody.

2.1 Kąt pochylenia anteny (tilt)

Pilot może i powinien posługiwać się tiltem w celu zminimalizowania odbić od powierzchni ziemi, wtedy

kiedy chce obserwować zjawiska pogodowe, jest to bardzo ważne zwłaszcza podczas lotu w terenie górzystym.

Poprawne posługiwanie się tiltem, jest nie-

zwykle ważne ze względu na położenie izotermy

0°C (poziom zamarzania). Należy bowiem pamię-

tać, że część chmury leżąca ponad poziomem za-

marzania, jest znacznie gorzej widoczna na ekranie

radaru dlatego, że jak wiemy woda w postaci lodu

znacznie gorzej odbija fale radarowe niż deszcz. W

Rys. 8. Rozmiar wiązki radarowej anten 12” i 18” na

dużych wysokościach

Figure 8.Radar beam illumination high altitude 12 and

18-inch radiator

instrukcji użytkowania radaru są podane tabele z zaleca-

nymi kątami pochylenia anteny zapewniającymi uzyskanie

minimalnych odbić od powierzchni ziemi, jednak pilot

zawsze powinien brać pod uwagę dodatkowe czynniki np.

obecność wysokich gór pod samolotem, które będą redu-

kowały zasięg radaru.

Rysunek 8 pokazuje zależności pomiędzy zasię-

Ł. Szostak

Radary pogodowe.

Rys. 9. Rozmiar wiązki radarowej 12” i 18” na małych

wysokościach

Figure 9. Radar beam illumination 12 and 18 inch ra-

diator

ŁS - 4

Rys. 7. Radarowy obraz turbulencji

Figure 7.Weather display with turbulence

giem, a wysokością lotu dla anten o średnicy 12” i 18” w czasie lotu na dużych wysokościach (40000 ft), przy

kącie pochylenia anteny 0°. Natomiast rysunek 9 pokazują te same zależności ale w czasie lotu na małych wy-

sokościach, kiedy antena jest podniesiona 2,8° do góry.

Widzimy wyraźnie zależności pomiędzy średnicą anteny, a zasięgiem oraz rozmiarami wiązki. Im więk-

sza średnica anteny tym mniejsza szerokość wiązki. W przypadku jak na rysunku 9 widzimy, że szeroka wiązka

anteny 12 calowej zetknie się z powierzchnią ziemi na 55 mili i napromieniuje słup powietrza o wysokości pra-

wie 40 000 stóp. Natomiast wąska wiązka anteny18-to calowej nie zetknie się w ogóle z powierzchnią ziemi, a

słup powietrza „oświetlony” promieniowaniem fali radarowej będzie miał wysokość tylko 28 000 stóp.

Kąt pochylenia anteny radaru powinien być tak dobrany, aby na granicy zasięgu ekranu mogły pojawiać

się tylko najwyraźniejsze odbicia od celów naziemnych.

Sposób posługiwania się kątem pochylenia anteny jest często niedoceniany lub wręcz lekceważony.

Jest to niezwykle groźne dla bezpiecznego posługiwania się radarem po-

kładowym. Jeżeli bowiem nieprawidłowo ustawimy tilt, to nasz obraz po-

gody może być fałszywy, burze mogą być niezauważone, lub ich

intensywność niedoceniona.

Górne poziomy burz konwekcyjnych są najbardziej niebezpieczne,

z powodu dużego prawdopodobieństwa spotkania gwałtownych prądów

pionowych i opadu gradu o dużej średnicy. Pamiętajmy, że grad i podmu-

chy pionowe nie dają silnych odbić, ponieważ nie posiadają wody w sta-

nie ciekłym, to znaczy nie posiadają dużych zdolności odbijania promie-

niowania radarowego.

Rysunki 10 i 11 pokazują zależności pomiędzy wysokością

lotu i właściwym kątem pochylenia, pierwszy na małych, a drugi na

dużych wysokościach.

Idealny kąt pochylenia anteny jest wówczas, kiedy widzimy

jeszcze kilka odbić od ziemi na skraju zasięgu ekranu.

Krzywizna powierzchni ziemskiej może być ograniczeniem,

kiedy lecimy na małej wysokości lub przełączyliśmy na zbyt duży

zasięg.

Burze konwekcyjne tracą swoją zdolność odbijania powyżej

poziomu zamarzania (izotermy 0°C). Ta zdolność zmniejsza się

stopniowo w przedziale pierwszych 5000 – 10000 stóp powyżej izo-

termy zero.

Pilot samolotu przedstawionego na rysunku 11 ma prawdo-

podobnie klarowny obraz radarowy burzy, trochę przesłonięty odbi-

ciami od powierzchni Ziemi, występującymi za burzą. Jeżeli kąt po-

chylenia nie zmieni się, to echo burzy będzie stawało się coraz słab-

sza w miarę zbliżania się do niej samolotu.

Prawidłowe posługiwanie się kątem pochylenia anteny wy-

maga jego ciągłej zmiany (w miarę zbliżania się samolotu do bu-

rzy), na tyle, żeby odbicia od ziemi nie były „tłem” obrazu radaro-

wego. W normalnych warunkach (takich jakie spotykamy w umiar-

kowanym klimacie), groźna burza może rozwinąć się w ciągu 10-ciu minut, a więc w czasie, kiedy samolot bę-

dzie się do niej zbliżał. Taką sytuację widzimy na rysunku 12.

Zapamiętaj: jeżeli kąt pochylenia anteny pozostaje stały w czasie lotu na dużych wysokościach, to bu-

rza wykryta na dalekim zasięgu może wykazywać słabnące echo, lub nawet zniknąć z ekranu. Dzieje się to dla-

tego, że burza oglądana z odległości 100 NM jest cała pokryta wiązką, a w miarę zbliżania się „wchodzi pod

wiązkę”.

Rys. 12. Szybko rozwijająca się burza

Figure 12. Developing thunderstorm

Lecąc na małych wysokościach podnieś antenę do góry, żeby uniknąć przelatywania pod burzą, co mo-

że być groźne. Istnieją dowody, że maksymalna turbulencja występuje w chmurach burzowych na średnich wy-

sokościach (20 – 30 tysięcy stóp), ale nie znaczy to, że turbulencja pod chmurami może być lekceważona. Jest

ona wywoływana przez wypływające z burzy powietrze i może być bardzo silna na małych wysokościach w są-

siedztwie burzy.

Na małych wysokościach lotu kąt nachylenia anteny powinien być ustawiony tak, żeby odbicia od po-

wierzchni Ziemi wystąpiły jedynie na peryferiach ekranu.

Pamiętać należy także że nadmierne podniesienie anteny do góry jest niewskazane, ponieważ wiązka

radaru będzie wtedy opromieniowywać chmurę powyżej poziomu zamarzania, a tym samym echo będzie słabe i

może to być mylące dla pilota.

Ł. Szostak

Radary pogodowe.

ŁS - 5

Rys. 10. Sterowanie kątem pochylenia na ma-

łych wysokościach

Figure 10. Low altitude tilt management

Rys 11. Sterowanie kątem pochylenia na dużych wyso-

kościach

Figure 11 High altitude tilt management

RADARY METOROLOGICZNE - INTERPRETACJA WSKAZAŃ- Łukasz SZOSTAK - PRz.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: