sábado, 14 de febrero de 2015

El RADAR meteorológico en los aviones

El radar meteorológico que hoy comento en el post está basado en el que fabrica la casa Honeywell, pero en esencia todos funcionan de la misma manera. Este es el RADAR que monta por ejemplo la familia E-Jet. Se trata de un radar muy moderno dotado de una antena plana de ultima generación. El sistema se integra perfectamente dentro del resto de la suite de aviónica. El principio de funcionamiento es igual que el del RADAR convencional, solo que estos modelos se diseñan para obtener ecos del agua en suspensión dentro de las nubes. Las señales que provienen de las gotas de lluvia en suspensión dentro de las nubes son en general muy buenas reflectoras de la energía produciendo un buen eco. Ver ilustración inferior.

En la ilustración superior también se pude ver la diferencia entre una antena parabólica (antigua) y una plana (moderna).

La antena puede tener varias dimensiones según el modelo de radar que se escoja. Si se quiere tener una buena resolución la regla es sencilla, es preferible una antena plana a una parabólica y cuanto mas diámetro tenga la antena mas resolución. Otra característica importante para obtener una gran resolución es incrementar la frecuencia en la que trabaja el radar, pero esto puede acarrear otros problemas, ya que una frecuencia ultra-alta atravesaría la nube sin dar ningún eco. 

Debe de tenerse en cuenta siempre el hecho de que el radar es un elemento potencialmente peligroso al tratarse de un emisor de alta energía radiante. Deben seguirse siempre las recomendaciones del fabricante sobre procedimientos y manejo de este equipo.

Es importante darse cuenta de que el radar meteorológico no puede detectar CLEAR AIR TURBULENCES (CAT) o turbulencias sin nubes en días despejados. El principio de funcionamiento es relativamente sencillo de entender. Se lanza una onda electromagnética que viaja a la velocidad de la luz. Dicha onda impacta en una superficie o en una nube y parte de la señal rebotada es captada por nuestro receptor. La posición de la antena que se mueve de lado a lado todo el tiempo, cuando se compara con el eje de nuestro avión nos da el azimut.



Para conocer la distancia el ordenador de abordo calcula el tiempo que tarda la onda en regresar. 12.36 microsegundos es lo que se conoce como milla radar, ya que esto es el tiempo que le lleva a una onda electromagnética en ir y volver una milla náutica. En el ejemplo de la ilustración esta muy claro que si el tiempo entre la emisión y la recepción de la señal es de 620 microsegundos, entonces la distancia son 50 millas náuticas.


Otra cuestión bien distinta es como producir una onda de alta energía como la que requiere el radar meteorológico. Explicado de forma sencilla se puede ver en la ilustración. Se necesita una fuente de potencia eléctrica de alto voltaje. Con la energía eléctrica se puede producir una onda electromagnética de gran frecuencia. Un transmisor se encarga de mandar la señal a la antena y un elemento llamado duplexer abre la puerta para que la onda salga al exterior. 

El duplexer es como si dijéramos una especie de interruptor electrónico que siempre cambia la posición a la hora de transmitir y recibir dando paso a las emisiones y a las recepciones. Esto es así porque el radar meteorológico es lo que se llama un radar primario, a diferencia de los radares secundarios que tienen 2 transmisores (TX) y 2 receptores (RX) el radar primario solo cuenta con un TX y un RX.


El sincronizador se encarga de que no se pueda emitir si el duplexer no se encuentra en su posición de emisión. Las ondas electromagnéticas que se producen son en realidad pulsos electromagnéticos o pequeños paquetitos de energía que salen de la antena. Para poder recibir un eco es necesario cambiar el duplexer a modo recepción inmediatamente una vez que hemos emitido. El radar meteorológico se pasa mas tiempo en modo escucha que en modo emisión. Una vez recibido el eco la señal se envía al receptor donde el ordenador interpreta esta como un objeto y como tal se muestra en pantalla. El eco es por ,lo general muy débil, ya que la señal sufre de atenuación atmosférica, refracción, reflexión, difracción, etc. Y en todos estos procesos se pierde energía.

Las señales que provienen de las gotas de lluvia en suspensión dentro de las nubes son en general muy buenas reflectoras de la energía produciendo un buen eco. En la ilustración se puede ver la diferencia entre los distintos tipos de precipitación y sus propiedades reflectoras de una señal radar.





La señal a veces no reproduce la realidad porque existen múltiples factores que la enmascaran. Uno de los factores es la anchura del haz de la emisión radioeléctrica. En su emisión el haz es muy estrecho y la resolución es muy alta, pero a medida que la emisión se aleja del transmisor esta se ensancha debido a que la señal se produce en forma de cono. 



El resultado es que la discriminación a distancias cortas es excelente, pero a grandes distancias puede no ser muy precisa. En la ilustración se puede ver como dos nubes distantes son captadas como una sola debido a este efecto.

Cuando el radar meteorológico se usa para generar imágenes del terreno también se producen diversos efectos indeseados, el mas conocido es el ensombrecimiento de ciertas áreas debido a obstáculos naturales. 

Es importante darse cuenta de que la utilización del radar meteorológico con el fin de evitar el terreno esta totalmente prohibido. En vuelo el enmascaramiento también puede tener lugar debido a que la señal no se puede reflejar al ser absorbida por una nube que absorbe toda la radiación o solo refleja parcialmente el objetivo inicial, es posible que detrás de este objetivo (una nube) exista quizás otra de mayor tamaño y considerablemente mas peligrosa, tal como se muestra en la ilustración. 



Alguna de las cosas que podemos hacer con el radar meteorológico además de usarlo para reproducir el terreno (con fines meramente orientativos), es la de calcular la altura de las nubes para ayudar a producir informes meteorológicos en ruta.

Empleando sencillas reglas de trigonometría o aplicando la relación de proporcionalidad conocida popularmente como la regla 1 en 60 (one in sixty rule), es posible hacer cálculos de gran precisión. La famosa regla 1 en 60 es tan sencilla como entender que cuando en un triangulo rectángulo el ángulo formado por la hipotenusa y el lado mayor es de unos 22.5° o menos, entonces se puede decir que el lado opuesto tendrá el mismo numero de unidades si el lado mayor mide 60. 

En nuestro ejemplo si el ángulo es de 22.5° y hay una distancia de 60 millas náuticas en el lado mayor, entonces tendremos que en el lado pequeño habrá unas 22.5 millas náuticas. Con esta regla, si sabemos la amplitud del cono de energía de nuestro radar (viene en el libro de instrucciones del radar), podremos hacer los cálculos necesarios. Lo primero es manejar la elevación de la antena tilt) con la unidad CCD. Se eleva la antena hasta que la nube desaparece, esto quiere decir que estamos escaneando justo por encima de la nube. 


Si aplicamos la regla 1 in 60 podremos calcular el lado pequeño del triangulo rectángulo, que es la altura desde nuestro nivel de vuelo al techo de la nube. Si a esto le añadimos nuestra altitud habremos calculado la altura de la nube. 

2 comentarios:

  1. ¿Qué inclinación/tilt se le suele dar a la antena? ¿Siempre es la misma o cambia en ascenso, ruta y descenso? ¡Gracias! :)

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    1. Hola Daniel, gracias por tu comentario. Pues verás, esto es algo que depende de muchas cosas. Entre ellas están el tipo de radar que lleves instalado en el avión, el tipo de antena, etc. Una antena parabólica por ejemplo, genera un lóbulo de energía electromagnética más ancho, y por lo tanto, el tilt o inclinación es menor que un avión con una antena plana.

      Cada fase de vuelo suele tener unos parámetros ligeramente diferentes, por ejemplo, cuando estás ascendiendo (o antes del despegue) se suele poner un tilt positivo para escanear la parte alta hacia donde nos dirigimos. En muchos aviones modernos (como en el C-Series que estoy estudiando ahora) no hace ni falta tocar el tilt para nada, pues es totalmente automático. Este avión posee un modo llamado MultiScan que automáticamente cambia el tilt para dar una imagen total en distancias cortas, medias y largas.

      Este tipo de operación se enseña en las compañías aéreas cuando estas en LIFUS (line Introduction Flying Under Supervision). No suele venir en los OM-B, pero si suele venir en los AFM del avión. Si tienes alguno a mano del 737 NG por ejemplo puedes echarle un vistazo.

      Un cordial saludo
      Manolo

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