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    Mesures par radarMars 2009

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  • *Radars de prcipitations

    Ces radars utilisent des ondes centimtriques sensibles aux gouttes deau

    Bande S : zone o il y a risque de fortes pluiesBande C : zones tempresBande X : observation locale, tude, trs bonne rflectivit mais forte attnuation par les RR

    BandeSCXFrquence f3 GHz6 GHz10.6 GHzLongueur donde 10 cm5 cm2.5 cm

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  • *GnralitsUn radar permet de faire de la tldtection; dtection de cibles, mesure distance. Cela est diffrent de la tlmesure, terme plus ancien qui consiste placer un capteur dans un endroit et de rcuprer les donnes distance (mesure in situ avec transmission de donnes).

    RADAR: Radio Detection And Ranging (Dtection par ondes radio-lectriques et mesure relative la distance)

    Un radar permet donc de dtecter une cible et dvaluer la distance de cette cible par rapport au dispositif de tldtection.

    Les premiers radars ont t conus et dvelopps en Angleterre au dbut de la 2me guerre mondiale. Les premiers essais ont eu lieu en 1941 dans la baie de Cardingam (bataille dAngleterre), il sagissait alors de reprer les avions allemands.

  • *Principes du radar mtorologique

    Un radar mtorologique est un radar impulsions, c'est--dire qu'il met des impulsions de trs courte dure suivi d'un temps mort beaucoup plus long pour couter les chos de retour venant des prcipitations.

    On peut ainsi reprer la position, l'intensit et le dplacement de ces dernires. On peut mme tirer le type du signal retourn, si on sait quelles variables de l'cho analyser.

    mission dune onde lectromagntique pulse :

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  • *Londe mise se propage a priori de manire isotrope, cest--dire dans toutes les directions.

    Cependant, on aura tendance privilgier une direction particulire dans laquelle on va concentrer la puissance du signal.

    Pour ce faire, on utilise un dispositif directionnel: une antenne. Le plus souvent cette antenne est de forme parabolique.

    En effet, en mettant au foyer dune parabole infinie, on obtient un faisceau unidirectionnel. En ralit, suivant la taille de lantenne, le faisceau est plus ou moins divergent.

  • *Trajectoire, hauteur du faisceau radar et volume sondUne impulsion est produite par un oscillateur (magntron, klystron ou autre) lectronique.

    Elle est envoy travers un tube guide donde une antenne parabolique qui lmet vers la prcipitation.

    Chaque impulsion a une certaine largeur qui dpend des caractristiques de l'antenne et une certaine profondeur qui dpend du temps qu'elle dure (lordre de la microseconde).

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    Hauteur du faisceau (m)

    Angle dlvationLargeur du faisceau

    Variation de la hauteur et de la largeur du faisceau en fonction de la distance

  • *Trajectoire , hauteur du faisceau radar et volume sond

  • *Volume sondAinsi, une impulsion sonde un volume de l'atmosphre qui augmente avec la distance au radar comme

    h: largeur de l'impulsion,r : la distance au radar : l'angle douverture du faisceau Hauteur du faisceau radar

  • *Composantes d'un radar monostatique)

  • *Un radar est form de diffrentes composantes:

    L'metteur qui gnre l'onde radio. Sur les radars hyperfrquences (frquences suprieures au gigahertz), c'est un guide d'onde qui amne l'onde vers l'antenne.

    Le duplexeur, un commutateur lectronique, dirige l'onde vers l'antenne lors de l'mission ou le signal de retour depuis l'antenne vers le rcepteur lors de la rception quand on utilise un radar monostatique. Il permet donc d'utiliser la mme antenne pour les deux fonctions. Il est primordial qu'il soit bien synchronis, puisque la puissance du signal mis est de l'ordre du mega-watt ce qui est trop important pour le rcepteur qui, lui, traite des signaux d'une puissance de l'ordre de quelques nano-watts. Au cas o l'impulsion mise serait dirige vers le rcepteur, celui-ci serait instantanment dtruit.

    L'antenne dont le rle est de diffuser l'onde lectromagntique vers la cible avec le minimum de perte. Sa vitesse de dplacement, rotation et/ou balancement, ainsi que sa position, en lvation comme en azimut, sont asservies, soit mcaniquement, mais parfois aussi lectroniquement. L'antenne est sollicite tant en mission qu'en rception. Ces deux fonctions peuvent tre cependant spares entre deux antennes dans le cas de radars multistatiques.

    Le rcepteur qui reoit le signal incident (cible - antenne - guide d'ondes - duplexeur), le fait merger des bruits radios parasites, l'amplifie, le traite;

    Un tage de traitement de signal permettant de traiter le signal brut afin d'en extraire des donnes utiles l'oprateur (dtection, suivi et identification de cible; extraction de paramtres mtorologiques, ocanographiques, etc.). Le tout est contrl par le systme lectronique du radar, programm selon un logiciel de sondage. Les donnes obtenues sont alors affiches aux utilisateurs.

  • *Dans lair, milieu peu dense, on suppose que lon a une propagation quasiment sans attnuation, la vitesse c (vitesse de propagation dune onde dans le vide).

    Quand londe rencontre de la matire, il peut se produire une interaction onde/matire: londe est rflchie et repart dans la mme direction en sens oppos et la mme vitesse.

  • *Quelle relation peut-on crire? t0: moment de lmission du signalt: retour du signal rflchir: distance radiale (de la cible au radar )c: vitesse de propagation de londeOn peut surtout connatre laide cette expression la distance de la cible au radar:

  • *chos reusLes chos reus par les radaristes ne sont pas le seul fait des avions. Ainsi, on peut rencontrer des chos de sol qui rendent aveugles les radars de par la puissance des chos reus.

    Ils proviennent de linterception entre le faisceau donde et une forme topographique ou de btiments prominente. On les rencontre galement lors dune propagation anormale qui le rabat vers le sol.

    On trouve galement des chos dus aux prcipitations (les orages constituent une barrire la propagation du faisceau), des chos danges (chos de turbulence en ciel clair) et de manire anecdotique des chos dorigine animale (migration des oiseaux ou insectes).

    La cible qui permet de recevoir des chos est constitue dun ensemble de gouttes deau. Lorsque lon met un faisceau dune puissance de quelques 100 kW, on en reoit que quelques W.

  • *lments et fonctionsMoteursMoteurs

  • *Les gammes dmission

  • *Les gammes dmissionLinteraction entre les ondes lectromagntiques et les gouttes deau ne se fait pas avec la mme efficacit toutes les frquences.

    Les 3 types de frquences les plus utilises

    BandeSCXFrquence3 GHz6 GHz10 GHzLongueur donde 10 cm5 cm3 cm

  • *La bande X (=2.5 cm)

    Trs courte longueur dondeExcellente dtection: la quasi-totalit de londe est rflchieLes revers de la mdaille: un train peut en cacher un autre Si une deuxime ligne dorage se situe derrire la premire, on ne la dtecte pas (le radar est aveugl par la premire bande orageuse). Par rapport aux autres, cest un radar faible cot.

    En effet, pour avoir un faisceau le plus concentr possible, il faut:

    Soit utiliser un arien de grande dimension ( on sapproche de la parabole infinie)Soit utiliser une longueur donde faible car langle douverture du faisceau est proportionnel .De fait, plus est grand, plus la dimension de lantenne doit tre importante pour avoir un faisceau fin. Pour un =3cm, on trouve des ariens (antenne du radar) dun mtre de diamtre.Mais pour la mto synoptique, il faut tre capable de voir derrire une ligne de grain: on utilise alors des longueurs dondes moins rtrodiffuses qui pourront partiellement traverser les prcipitations de premier plan. On utilise doncla bande S

  • *La bande S (=10 cm)

    Bande utilise sous les tropiques et sur larc mditerranen.Inconvnients: cho faible (moins dinteraction onde/gouttes)Bruit atmosphrique et lectronique important par rapport au signal utile rtrodiffus.Solution: mettre plus de puissanceOptimiser le rapport signal/bruitConstruire un arien de plusieurs mtres de diamtre mais difficile concevoir :(+ lourd, +rigide, ncessit de produire une parabole exacte)ncessit dun moteur plus puissant pour faire tourner lensemblersistance plus importante face au vent.On vent de voir les deux cas extrmes. Dans un souci de recherche dun meilleur rapport qualit/prix, on a opt en mtropole pour lutilisation de radars en bande S

    La bande C (= 5 cm)

    Bon compromis entre les deux autres bandes de longueurs dondes.

  • *quation radar dans le cas des prcipitations

  • *quation simplifie du radar

    .Puissance reue :

  • *Rflectivit :

    En optique, la rflectivit est la rflectance (le rapport de l'nergie rflchi sur la puissance incidente, gnralement en dcibel ou pourcentage) la surface d'un matriau d'une paisseur telle que le facteur de rflexion ne change pas lorsqu'on augmente cette paisseur. Ce concept est trs utilis en tlcommunications et en radar.

    La rflection peut tre subdivise en rflectance diffuse (de Beer-Lambert) et rflectance spculaire ou miroitante.

    La rflectance efficace pour une surface idale de Lambert est indpendant de l'angle de vision de l'observateur (loi de Rayleigh).

    La rflectance spculaire est quant elle trs dpendante de l'angle de vision tant maximale dans la direction du faisceau incident et son oppose (thorie de Mie). La plupart des objets ont un mlange de ces deux types de rflectance.

  • *quation simplifie du radar

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    valable pour leau liquiden(D) reprsente le nombre de diamtre de goutte par unit de volume et par mm.D6: La rflectivit augmente en puissance 6 du diamtre de la goutte.

    Il en dcoule que les grosses gouttes sont facilement dtectables et que la rflect