ITU-R RAPPORT M 2013 FRENCH-1997 Wind Profiler Radars《风力测绘雷达》.pdf

1、Rap. UIT-R M.2013 1RAPPORT UIT-R M.2013RADARS PROFILEURS DE VENT(1997)Rap. UIT-R M.20131 Gnralits1.1 IntroductionLes radars profileurs de vent sont des systmes radiolectriques qui peuvent tre dune trs grande utilit dans lesapplications de prvision mtorologique. Il est ncessaire de dfinir des bandes

2、de frquences radiolectriquesappropries ce type de systme pour tirer parti des avantages quil offre.Il convient de noter quil existe des profileurs de vent acoustiques (radars sonores (SODAR sonic radar) effetDoppler) qui peuvent servir complter certaines mesures des SODAR Doppler de trs faible altit

3、ude, sans toutefoispouvoir se substituer ces radars.Dune part, il est ncessaire dexploiter les systmes radar de prvision mtorologique dans les bandes de frquencesattribues au service de radiolocalisation et/ou au service des auxiliaires de la mtorologie, de protger les oprationsactuellement effectue

4、s dans ces bandes et dassurer la compatibilit avec les services fournis dans les bandes adjacentes.Mais dautre part, lutilisation des bandes de frquences exploites par dautres services de radiocommunication pourraittre envisage si cela est acceptable au niveau du partage des frquences.Il est ncessai

5、re de bien comprendre le concept des radars profileurs de vent ainsi que leur comportement danslenvironnement lectromagntique pour dfinir les diverses options en matire de compatibilit et/ou de partage.Les paragraphes suivants traitent des exigences relatives aux radars profileurs de vent et prsente

6、nt une descriptiongnrale de ces systmes, ainsi que de leur comportement type dans un environnement lectromagntique.1.2 Besoins de lutilisateur concernant les donnes fournies par les radars profileurs de ventDu fait de lvolution des prvisions mtorologiques, il est actuellement ncessaire dobtenir sur

7、le vent des donnesfrquentes, rapproches, de bonne qualit et dune plus grande prcision dans les zones situes entre la surface de laTerre et une altitude leve dans latmosphre. Les donnes fournies principalement par des instruments installs bordde ballons, des dispositifs de mesure par satellite et des

8、 systmes de signalisation automatiques aroports ne sont passuffisantes pour rpondre aux besoins des modles atmosphriques informatiss, qui demandent une rsolution de plusen plus grande, ainsi quaux besoins des systmes de prvision avec interaction homme-machine. La capacit desnouveaux modles et des sy

9、stmes interactifs mis en application la fin de la prsente dcennie amliorer les servicesde prvision mtorologique et dalerte mtorologique grave sera grandement limite sans une substantielle amlio-ration de la rsolution des donnes sur le vent.A lchelle plantaire, les modles atmosphriques numriques prod

10、uisant des prvisions sur une priode comprise entretrois et dix jours ncessitent des donnes sur la haute atmosphre dans des zones tendues du globe. Dans les rgionsloignes en particulier, les radars profileurs de vent fonctionnant sans surveillance peuvent offrir un moyen dobtenirdes donnes importante

11、s haute altitude pour les modles se rapportant aux rgions o les donnes sont rares.Quant aux modles numriques relatifs des prvisions couvrant un continent ou une zone plus petite sur une durecomprise entre 3 et 48 h, les donnes doivent tre obtenues dans latmosphre sur une grande distance verticale, e

12、ngnral de 200 m 18 km, avec une rsolution verticale de 250 m environ selon lapplication. En ce qui concerne larsolution temporelle, les donnes doivent tre obtenues une fois par heure.Pour les prvisions mtorologiques trs court terme, la surveillance de la pollution atmosphrique, lanalyseanmomtrique s

13、ur le terrain et la prvision des trajectoires des tranes toxiques rsultant daccidents chimiques ounuclaires, les alertes mtorologique graves destines laviation, les observations mtorologiques, les oprationsaroportuaires et la protection du public, les mtorologues doivent disposer dinformations anmom

14、triques dune trsgrande rsolution temporelle et spatiale, en particulier dans la basse atmosphre. Lacquisition des donnes doit treeffectue de manire continue, sur une distance comprise entre le sol et une hauteur de 5 km, la rsolution souhaitepouvant parfois atteindre 30 m seulement. Les mesures sero

15、nt gnralement ralises dans les rgions peuples.2 Rap. UIT-R M.2013Les radars profileurs de vent jouent galement un rle important dans les recherches exprimentales sur latmosphre.Grce leur capacit mesurer le vent avec une rsolution spatiale et temporelle leve, ils se prtent trs bien lavrification expr

16、imentale des modles, ainsi qu ltude de la couche limite et des processus essentiels lacomprhension de latmosphre, notamment lvolution du climat.A lheure actuelle, les organisations mtorologiques ont recours des systmes installs sur des ballons pour mesurerles profils de vent, de temprature et dhumid

17、it dans les zones situes entre le sol et une altitude leve danslatmosphre. Les radars profileurs de vent existants, bien que ne mesurant pas tous ces paramtres, prsentent plusieursavantages par rapport aux systmes installs sur des ballons en ce qui concerne les besoins susmentionns, savoir: chantill

18、onnage quasi continu des vents; mesure des vents presque directement au-dessus du site; possibilit de mesurer la vitesse verticale de lair; ralisation, avec la densit spatiale et temporelle voulue, des sondages ncessaires pour calculer les sites drivs demanire beaucoup plus ponctuelle; rduction du c

19、ot par observation; fonctionnement automatique dans presque toutes les conditions climatiques.Par ailleurs, il a t dmontr quil est possible dadapter les radars profileurs de vent pour quils mesurent les profils detemprature lorsquils fonctionnent conjointement avec un systme de sondage acoustique ra

20、diolectrique (RASS radioacoustic sounding system), ce qui permet dobtenir des profils de temprature plus denses et de meilleure qualit queceux que lon obtient avec des techniques de mesure telles que les mesures effectues par ballons. Aucune autretechnique ne prsentera davantages comparables dans un

21、 proche avenir, pas mme celle des dtecteurs monts bord desatellites.LOrganisation mtorologique mondiale a indiqu quil tait urgent de mettre en service de tels radars en raison de lancessit damliorer la surveillance et la prvision de latmosphre terrestre. Pour les services mtorologiques, il est dela

22、plus haute importance de normaliser les bandes de frquences dexploitation afin de mettre en place un rseauoprationnel de manire pratique et rentable.1.3 Concept des radars profileurs de ventLes radars profileurs de vent sont des radars impulsions effet Doppler orients la verticale, capables danalyse

23、r lessignaux rtrodiffuss en vue de dterminer la vitesse de lair le long des faisceaux. Il est possible dobtenir lescomposantes horizontale et verticale du mouvement de lair en orientant les faisceaux selon un angle de 15 par rapportau znith.Les radars profileurs de vent utilisent des signaux diffuss

24、 par les variations de lindice de rfraction associs desturbulences de lordre dune demi-longueur donde radar (rsonance de Bragg). Selon la frquence de fonctionnement duradar, la diffusion provenant des hydromtores peut galement influencer ou mme dominer les signaux de retour. Pourdtecter les signaux

25、trs faibles par temps clair, il est ncessaire de recourir des priodes de rcurrence cohrenteslongues, une conception de systme faible bruit et des lobes secondaires de faible amplitude; il faudra aussi tudierminutieusement limplantation des radars et les brouillages potentiels.Un dispositif connexe n

26、ouvellement mis au point, le systme RASS, fournit les profils de temprature, gnralementsans modification des caractristiques dmission radiolectrique du radar profileur de vent. La vitesse de propagationdun signal acoustique la rsonance de Bragg, qui est lie la temprature de lair, est mesure par le r

27、adar profileur devent au moyen dun traitement de leffet Doppler lgrement diffrent.En raison mme de la nature du mcanisme de diffusion, les radars profileurs de vent doivent fonctionner desfrquences comprises entre 40 et 1 400 MHz. Au-del de 1 300 MHz, leur qualit de fonctionnement diminue considra-b

28、lement avec laugmentation de la frquence. Le choix de la frquence dexploitation dpend de la hauteur de couvertureet de la rsolution requises.1.4 Aspects relatifs au rayonnement des radars profileurs de ventDans la pratique, les radars profileurs de vent sont conus pour fonctionner dans trois bandes

29、de frquences, auxenvirons de 50 MHz, de 400 MHz et de 1 000 MHz. Ils fonctionnent gnralement selon deux modes (voir la Note 1),dans lesquels la rsolution augmente lorsque la hauteur de couverture diminue. Le Tableau 1 numre lensemble descaractristiques des radars profileurs de vent fonctionnant dans

30、 ces trois bandes.NOTE 1 Dans le mode infrieur, limpulsion est courte et laltitude est faible, tandis que dans le mode suprieurlimpulsion est longue et laltitude est leve.Rap. UIT-R M.2013 3TABLEAU 1Caractristiques de fonctionnement des radars profileurs de vent1.4.1 Harmonisation des frquences dexp

31、loitationIl est de la plus haute importance quune confrence mondiale des radiocommunications harmonise au niveau mondialles frquences de fonctionnement des radars profileurs de vent et identifie le spectre utilisable, ce qui permettra de mettreau point et dexploiter ces systmes de manire rentable. L

32、es radars profileurs de vent fonctionnent comme des radarsDoppler modulation dimpulsions ou en mode donde entretenue modulation de frquence. Les radars fonctionnantdans ce dernier mode ne sont pas tudis plus en dtail dans le prsent Rapport en raison de labsence dune norme tech-nique dans ce domaine.

33、 La Fig. 1 donne un exemple de spectre produit par un radar Doppler modulation dimpulsion.Rap 2013-01385 390 395 400 405 415410 425420101030507090110FIGURE 1Caractristiques du spectre dun radar Doppler modulation dimpulsionPuissancedecrte reue(dBmdansune largeur debandede300kHz)Frquence (MHz)Largeur

34、 dimpulsion: 1,67 m sFrquence de rptition des impulsions: 10 kHzFIGURE 1/M.2013 = 12 CM50 MHz 400 MHz 1 000 MHzPlage de hauteurs (km) 1-24 0,5-16 0,5-3Pouvoir sparateur en hauteur (m) 150-1 500 150-1 200 30-150Type dantenne Yagi, coaxial,colinaireYagi, coaxial,colinaire, colinaireParabolique,rseau c

35、olinaireDimension de lantenne (m2)2 500-10 000 30-150 3-15Puissance de crte (kW) 5-60 5-50 0,5-5Puissance moyenne (kW) 0,5-5 0,2-2,0 0,05-0,5Largeur de bande ncessaire (MHz) 0,2-2,2 0,3-2,2 0,7-7,34 Rap. UIT-R M.2013Il ressort de discussions avec des fabricants que les radars profileurs de vent (voi

36、r la Note 1) peuvent tre conus demanire fonctionner sur les frquences attribues avec une marge de 1%.NOTE 1 Par exemple, la NTIA (National Telecommunications and Information Administration) aux Etats-UnisdAmrique Manual of Regulations and Procedures for Federal Radio Frequency Management.Pour ce fai

37、re, de lgers compromis devront tre consentis en ce qui concerne la dfinition du bruit au niveau delmetteur, de lantenne, du circulateur et du rcepteur radiolectriques. La dgradation de la qualit ne devrait pasdpasser 1 dB, ce qui pourrait aisment tre compens par une lgre augmentation de la puissance

38、 rayonne.1.4.2 Diagramme de rayonnement de lantenneLe signal utile rflchi par lair clair est trs faible, do la ncessit dquiper le radar profileur de vent dun rcepteurextrmement sensible et dune antenne orientation verticale dont les lobes secondaires sont de faible amplitude. Lediagramme de rayonnem

39、ent de lantenne est essentiel dans lanalyse des brouillages potentiels, en particulier lorsquelangle par rapport laxe du faisceau principal est lev.Comme le dmontrent des mesures effectues en Suisse au moyen dun radar profileur de vent fonctionnant 400 MHz,il est possible, en plaant lantenne du rada

40、r dans une dpression de terrain suffisamment profonde, de rduire jusqu20 dB le rayonnement de la plupart des lobes secondaires faible angle dlvation. Leffet dcran du terrain peutgalement se rvler efficace pour les radars fonctionnant 50 MHz ainsi que lexprience le montre au Japon et enAllemagne. Sel

41、on des tudes menes dans ce dernier pays, un obstacle spcialement conu, plac autour dune antennede radar, peut affaiblir de 10 15 dB le rayonnement des lobes secondaires de faible angle.1.4.3 PolarisationLa polarisation des signaux reus proximit du sol en provenance dun radar profileur de vent varie

42、de manirealatoire en fonction du processus de diffusion. De mme, la polarisation des signaux provenant directement dun lobesecondaire sera probablement alatoire. Par consquent, le dcouplage de polarisation ne contribue en moyenne que trspeu lamlioration des conditions de partage (3 dB, par exemple).

43、1.4.4 Largeur de bande occupePour que les ressources limites du spectre radiolectrique soient exploites de manire efficace, aucun effort ne doit trepargn afin de rduire au strict minimum la largeur de bande occupe ainsi que les rayonnements non dsirs.Le spectre produit par les rayonnements modulatio

44、n dimpulsions est en grande partie dtermin par la forme desimpulsions, par le choix de la chane dmetteurs et par le filtrage de sortie. Il est possible de contrler le spectre grce une conformation approprie des impulsions, la modulation de phase et la linarit des amplificateurs.A cet gard, les mesur

45、es ralises en Allemagne laide dun radar profileur de vent de 50 MHz ont montr que laconformation des impulsions permet de rduire la largeur de bande occupe dun facteur maximum de 5 par rapport lalargeur de bande correspondant aux impulsions rectangulaires.Il convient de noter que la conformation des

46、 impulsions produit un effet secondaire, savoir une diminution de lapuissance dmission moyenne et de la porte effective.Si lon considre la largeur de bande occupe 99% (voir le numro S1.153 du Rglement des radiocommunications(RR) indique la Fig. 1, ce spectre reprsente actuellement un bon progrs tech

47、nique.La largeur de bande dune mission modulation de frquence, qui dpend pour beaucoup de lcart de frquence, doittre rduite autant que possible compte tenu des aspects techniques et oprationnels/fonctionnels du spectre.Dans le cadre de cette tude, on suppose que la largeur de bande occupe par un radar profileur de vent est compriseintgralement dans les bandes de frquences proposes.1.5 Considrations relatives au partage entre les radars profileurs de vent et dautres systmesdans divers servicesIl est possible dutilise