Diseño y evaluación de radar de nubes de onda continua modulado en frecuencia de bajo costo a 35 Ghz

Abstract

Las nubes cubren más del 50% de la tierra, alterando el albedo del planeta y transportando grandes cantidades de agua. Es por esto que el mejoramiento de los modelos climáticos nacionales y globales, requiere monitorear la variabilidad de la cantidad de agua líquida de las nubes y su estructura interna. Los radares de nubes tienen la capacidad de obtener perfiles de alta resolución de reflectividad y velocidad de hidrometeoros durante periodos extensos de tiempo. Y la reflectividad, que es dependiente del número y tamaño de gotas, permite encontrar un perfil del contenido de agua líquida de las nubes y la visibilidad a través de ellas. Se contaba con un de radar de nubes en banda Ka (de 35 GHz) de bajo costo que fue construido utilizando componentes reciclados de radiotelescopios y radios definidas por software (SDR). Este radar pretendía ser del tipo frecuencia modulada de onda continua (FM-CW), pero debió ser utilizado como un radar de onda continua no modulado (CW) por problemas de sensibilidad, lo que imposibilita su uso en observación de nubes. Se presenta un análisis por componente y subsistema del radar CW, donde se identifica que las principales limitantes del rango máximo son las fuentes de pérdidas de potencia, dadas principalmente por los mezcladores de frecuencia del radar, que en conjunto reducían en 62 dB el presupuesto de potencia del radar. Se diseña un radar de nubes FM-CW de bajo costo de 35 GHz, reciclando el radar CW, que con menos componentes, aumenta la potencia de transmisión en 57 dB, y disminuye las pérdidas del receptor en 11 dB. También se presenta un software para la adquisición de datos y se presentan algoritmos para estimar el rango, la reflectividad y velocidad Doppler de los objetivos. Se evalúa el diseño de radar de nubes FM-CW en banda Ka, observando un dron de fotografía mientras este se movía a distintas alturas por sobre el radar. En este experimento se valida que el radar es capaz de detectar el aeronave y seguir su trayectoria hasta 400 metros de altura. También se presentan observaciones de nubes con altitudes entre 400 y 600 metros, y una comparación de la reflectividad del radar con el perfil de retrodispersión de un LIDAR. La principal limitación del radar FM-CW es la variabilidad de algunos componentes con la temperatura. Este fenómeno imposibilitó la medición de velocidad Doppler y añadió una incertidumbre a la estimación de rango de más de 100 m. La adición de un phased-locked-loop en el transmisor debería ser suficiente para reducir la incertidumbre, para que sea igual a la resolución de rango del radar de 30 m. Otra limitación, más fácil de resolver, es la distancia mínima de medición, que se vio afectada por alimentar amplificadores de radiofrecuencias con una fuente de alimentación conmutada. Una prueba rápida demostró que con fuentes lineales no se tiene el mismo problema.