Polarimetrik Radar
« Polarimetrik Radar » içeriği
Resim 1: Polarimetrik radarın stilize edilmiş ölçüm yöntemi
Resim 1: Polarimetrik radarın stilize edilmiş ölçüm yöntemi
Resim 1: Polarimetrik radarın stilize edilmiş ölçüm yöntemi
Resim 2: Düşen bir yağmur damlası havanın işgal ettiği yeri doldurur. Yan tarafında akış hatları sıkışır ve bir çekme kuvveti oluşur (bir uçak kanadındaki kaldırmaya benzer). Bu, damlayı parçalara ayırır. Damla ne kadar büyükse, bu sıkıştırma o kadar güçlü ve bu kuvvette o kadar güçlü olur.
Resim 2: Düşen bir yağmur damlası havanın işgal ettiği yeri doldurur. Yan tarafında akış hatları sıkışır ve bir çekme kuvveti oluşur (bir uçak kanadındaki kaldırmaya benzer). Bu, damlayı parçalara ayırır. Damla ne kadar büyükse, bu sıkıştırma o kadar güçlü ve bu kuvvette o kadar güçlü olur.
Polarimetrik Radar
Çiftli polarizasyon kullanımı ile dolu ve yağmur damlalarını ayırt etmek mümkündür. Radar aygıtı doğrusal olarak polarize edilmiş YF-işaretleri gönderir ve alır ve dönüşümlü olarak ya bireysel gönderim darbeleri veya darbe grupları arasında yatay ve dikey polarizasyon uygulamak için hızla geçiş yapar. Modern polarimetrik radar aygıtları genellikle her iki polarizasyon yönünü aynı anda iletir.
Farksal Yansıtırlık
İki alım işareti ZH ve ZV olarak adlandırılır ve bunlardan Farksal Yansıtırlık ZDR hesaplanır. Orta ila şiddetli bir yağışta yağmur damlaları büyüktür ve serbest düşüş sırasında düzleşir ve böylece düzleşmiş küremsi cisimler (spheroids) meydana getirir. Bu da bir yatay polarizasyonda bir kuvvetli yankının oluşumunun nedenidir.
Buzun dielektrik katsayısı suyun sadece yaklaşık %20 si kadardır ve bu nedenle parçacık şekli doluda, yağmurda olduğundan çok daha küçük bir etkiye sahiptir. Dolu parçacıkları yuvarlanarak düşerler, bu nedenle ZDR küçük olacaktır. Dolu, bir yüksek ZH ve bir düşük ZDR- değeri ile tanımlanır. Hatta birden daha küçük (veya negatif desibel değerine sahip) doğrusal ZDR değerleri ortaya çıkarsa, bu tipik bir dolu tanesi varlığının işaretidir. (Yalnızca bunlar sonunda „dik“ düşebilir!)
Bir polarimetrik radar ile belirli bir dereceye kadar su damlacıklarının boyutu ölçülebilir. Hidrometeorlar düşerken biraz düzleşirler. Hidrometeorlarda yükseklik ve genişlik oranı boyuta biraz bağlıdır. Ancak yansıtırlığın boyutu daha önemlidir. Metre küp başına belirli bir su miktarından itibaren, su damlacıklarının belirli bir büyüklüğe sahip olması gerekir. Bu, Farksal Yansıtırlığa da uyuyorsa, sonuç anlamlı demektir.
Resim 3: Yağmur damlaları ne kadar büyük olursa, şekli o kadar düzgün olur, ZDR de o kadar büyük olur.
Resim 3: Yağmur damlaları ne kadar büyük olursa, şekli o kadar düzgün olur, ZDR de o kadar büyük olur.
Doğrusal Depolarizasyon Oranı
Gönderim enerjisinin yatay polarizeli yayınında dikey polarizeli kanalın alıcısı kapanmaz ve yatay polarizeli ışımanın dikey düzlemde döndürülmüş (depolarize edilmiş) kısmını alır. Yatay ışıma ve dikey polarizeli alım için logaritmik yansıtma oranının, tamamen yatay polarize gönderim ve alım için olanına Doğrusal Depolarizasyon Oranı (Linear Depolarization Ratio, LDR) denilir.
LDR küresel parçacıklarda teorik olarak –∞ gider, ancak pratikte bu değer −40 dB e ulaşır.
Maalesef, bilinen hiçbir polarimetrik radar, tane büyüklüğünde doluyu doğrudan ölçemez. Bunun dolu olduğunu, yalnızca ZDR Farksal Yansıtırlığı ve alınan yatay ve dikey polarizeli işaret arasındaki ölçülebilir faz farkları ile belirleyebilir. Şimdiye kadar tam olarak bu radarla ölçülen yansıtırlıkların karşılaştırılmasından ve şimdiye kadar düşen gerçek yağış türleri ve miktarları hakkındaki deneyimlerden, yağış miktarı nispeten güvenilir bir şekilde belirlenebilir ve: yani belirli bir ZDR değerinde bunun dolu tanesi olması söz konusudur! O zaman çok sayıda küçük veya birkaç büyük dolu tanesi olsun, radar doluyu böyle doğrudan ölçemez.
Bir Polarimetrik Radarın Blok Şeması
Bu örnekte yer alan bir polarimetrik radarda gönderim enerjisi bir −3 dB lik bağlaştırıcı (coupler) üzerinden ikiye bölünür ve bunlar daha sonra çift kutuplu bir besleme boynuzu (feed horn) vasıtasıyla farklı polarizasyonla eşzamanlı olarak yollanır.
Resim 4: Bir polarimetrik radarın blok şeması
Resim 4: Bir polarimetrik radarın blok şeması
Resim 4: Bir polarimetrik radarın blok şeması
Yansıtırlık ölçümlerini bir seçme anahtarı vasıtasıyla yalnızca bir polarizasyon düzleminde (ancak iki kat güçte) iletmek mümkündür. Ancak, bu durumda da her iki polarizasyon düzlemine ait işaretler alınır ve her iki işarette işaret işlemcisinde değerlendirilir.
Bu çok kullanışlıdır, çünkü elektromanyetik dalgaların kutuplaşma yönelimi yağmurlu bir alana girerken ve ardından yansıma yaparken de değişebilir. Bu,hidrometeorların boyutu ve şekli hakkında ek bilgi demektir.
Radar göndericisi
Radar göndericisi yüksek güce sahip çok kısa süreli yüksek frekanslı bir darbe üretir.
Güç bölücü (Hibrit 1)
Bu yönlü bağlaştırıcı gönderim enerjisini iki eşit parçaya ayırır. Birini yatay polarizasyonla, diğerini ise dikey polarizasyonla besleme boynuzuna gönderir.
Güç bölücü (Hibrit 2)
Bu yönlü bağlaştırıcı (directional coupler), anahtarlanan tek/çift kutuplu seçici anahtarla gücün dallanan (branched) bölümünü yeniden yatay dala gönderir.
Tek/çift kutuplu seçme anahtarı
Gücün dallanan bölümü ya dikey besleme boynuzuna ya da yeniden geriye yatay besleme boynuzuna yollanır.
Faz açısını eşitlemek için dolambaçlı yol
Kayıpsız bir geri besleme sadece faz açılarının eşit olması durumunda gerçekleşir.
Bu dolambaçlı yol, anahtarın faz kaymasını tekrar dengeler.
Parabolik anten yansıtıcısı
Anten, göndericinin yüksek frekanslı enerjisini elektromanyetik alanlara dönüştürür ve gücü belirlenen yönlere gönderir. Yankı işaretlerinin antene dönüşünde bu işlemin tersi gerçekleşir.
Besleme boynuzu
Bir besleme boynuzu dalga kılavuz sisteminin dalga empedansını havanın dalga empedansına uyumunu sağlar.
Dubleks aygıt
Dubleks aygıt, anteni, işareti gönderim anında göndericiye, alım anında ise alıcıya yönlendirir. Gönderim anında alıcı devrelerinin girişlerinin gönderim enerjisinin yüksek gücünden korunması gerekir.
Alıcı
Alıcı yüksek frekanslı yankı işaretini video işarete dönüştürür.
İşaret işlemcisi
İşaret işlemcisi yankılar, girişimler ve parazitlerden oluşan işaretlerden bir meteorolojik resim elde etmek üzere verileri işleyen modüldür.
Ekran
Meteoroloji radarı ekranı hava durumunun kolayca algılanabilir bir grafiksel görüntüsünü vermelidir.
Çiftli Polarizasyonda çalışma türleri
Farklı polarizasyonlarla gönderim ve alım ya eşzamanlı olabilir ya da bir darbe periyodundan diğer darbe periyoduna değişebilir (alternatif). Bu, gönderim enerjisini iki kanala bölmek istemenize ve bağımsız iki alım kanalının olup olmamasına bağlıdır. Genel olarak, çift polarizasyonlu dört çalışma türü mümkündür:
- eşzamanlı gönderim ve alım (Simultaneous Transmit Simultaneous Receive, STSR);
- eşzamanlı gönderim ve alternatif alım (Simultaneous Transmit Alternating Receive, STAR);
- alternatif gönderim ve eşzamanlı alım (Alternating Transmit Simultaneous Receive, ATSR);
- alternatif gönderim ve alım (Alternating Transmit Alternating Receive, ATAR).
Bununla birlikte, uygulamada, eşzamanlı iletim ve alım, donanım gereksinimlerinin (çift iletim gücü ve iki bağımsız alıcı) uygulanması çok kolay olduğundan ve diğer yandan, eşzamanlı işlemden kaynaklanan zaman tasarrufu üstünlüğü olduğu için genel kabul görmüştür. Bu nedenle, bazen radar aygıt üreticileri eşzamanlı tür olarak
- Simultaneous Transmit And Receive (STAR)
adını kullanırlar. Farklı polarizasyonların dönüşümlü kullanımı, ihtiyaç duyulan çarpılmış zaman nedeniyle daha anlamsız hale geldi. Bununla birlikte, bazı üreticiler bunun için belirli bir pazarlama terimi kullanırlar: Quad-Pol, bu bir radarın, çiftli polarizasyonun dört çalışma türünü de gerçekleştirme yeteneği olduğunu ifade eder.