Kalibrieren von Wetterradar-Empfängern mit dem R&S®SMB100A

Ihre Anforderung

Wetterradar-Anlagen werden von den Meteorologen in erster Linie zur Analyse der dynamischen Struktur von Einzelwolken oder Wolkensystemen und zur flächendeckenden, kontinuierlichen Niederschlagsmessung eingesetzt. Ein wichtiger Parameter für genaue Wettervorhersagen ist die sogenannte Niederschlagsintensität oder Regenrate, die von Wetterradaren gemessen wird.

Allerdings kann man mit Radargeräten die Niederschlagsintensität nicht direkt messen, sondern nur die Reflektivität. Die Reflektivität ist ein Maß für den Rückstreuquerschnitt von Zielen, die mit einem Radargerät erfasst werden können. Sie ist proportional zu der Energie, die von sämtlichen Streuteilchen im Radarstrahl zur Antenne zurückgestreut wird. Bei Regen ist sie umso größer, je mehr und je größere Regentropfen in der Luft enthalten sind.

Die quantitative Bestimmung der Reflektivität geschieht im Wesentlichen durch eine Zweitormessung, wobei der Radarsender die Signalquelle darstellt und der Empfänger den selektiven Leistungsmesser. Aus der bekannten eingespeisten Sendeleistung (Pt) und der gemessenen Empfangsleistung (Pr) kann der Betrag des Transmissionsfaktors der Übertragungsstrecke vom Senderausgang bis zum Empfängereingang berechnet werden. Dieser Transmissionsfaktor enthält neben dem Antennengewinn und dem Dämpfungsfaktor des Signalwegs von der Antenne zum Radarziel auch die zu ermittelnde Reflektivität des Zieles. Da der Antennengewinn und die Übertragungsdämpfung bekannt sind, lässt sich die Reflektivität berechnen.

Üblicherweise generieren Radarsender eine ausreichend genaue Ausgangsleistung, um die Reflektivität zu ermitteln. Schwieriger liegen die Verhältnisse bei den Empfängern. Sie erfassen zwar Pegeländerungen in der Regel sehr genau, sind aber für absolute Pegelmessungen typischerweise zu ungenau.

Die für diese Messung notwendige Genauigkeit kann durch regelmäßige Kalibrierung dieser Empfänger mit einer Signalquelle, die einen präzisen Ausgangspegel liefert, realisiert werden. Kalibrierte Wetterradar-Anlagen sind für die genaue Bestimmung der Niederschlagswahrscheinlichkeit sowie der Dichte des Regens, Schnees oder Nebels unerlässlich.

Messtechnische Lösung

Der R&S®SMB100A Analogsignalgenerator bietet äußerst genaue Ausgangspegel zur Kalibrierung von Wetterradar-Empfängern.

Zur Kalibrierung wird der R&S®SMB100A mit Hilfe eines Richtkopplers (16-dB-Koppler) in die Empfangsleitung des Wetterradars eingeschleift.

Zwischen dem Koppeltor des Richtkopplers und dem R&S®SMB100A sollte zur Verbesserung der Impedanzanpassung ein 3-dB-Dämpfungsglied eingefügt werden. Die Gesamtdämpfung vom Ausgang des R&S®SMB100A zum Eingang des Radarempfängers muss bekannt sein, damit sie bei der Einstellung des Pegels des R&S®SMB100A berücksichtigt werden kann. Diese Dämpfung, die während der Installation exakt gemessen wird, liegt bei ziemlich genau 20 dB – sie ergibt sich aus der Übertragungsdämpfung des Richtkopplers, dem Dämpfungsglied und der Kabel. Variiert man jetzt den Pegel des R&S®SMB100A von +10 dBm bis –90 dBm, so überstreicht man den für die meisten Radarempfänger optimalen Bereich von –10 dBm bis –110 dBm.

Während der Empfängerkalibrierung wird der Radarsender ausgeschaltet, und der R&S®SMB100A erzeugt das Kalibrierungssignal mit der benötigten Frequenz und dem benötigten Pegel. Der vom Empfänger gemessene Signalpegel wird gelesen und mit dem kalibrierten Pegel verglichen, um einen Korrekturwert zu berechnen. Da die Empfänger in der Regel eine gute relative Pegelgenauigkeit aufweisen, reicht eine 2-Punkt-Kalibrierung aus, wobei die Korrekturwerte für den Empfänger für einen hohen Pegel, z. B. −10 dBm, und einen niedrigen Pegel, z. B. −70 dBm, berechnet und gespeichert werden.

Bei Bedarf können jedoch auch mehr als zwei Kalibrierpunkte verwendet werden. Sogar die untere Empfindlichkeitsgrenze des Empfängers von beispielsweise –110 dBm lässt sich mit dem R&S®SMB100A erreichen. Nach der Kalibrierung wird der R&S®SMB100A ausgeschaltet, und die Radaranlage ist für den regulären Betrieb bereit. Die Kalibrierabstände sind von der Stabilität des Empfängers abhängig und betragen üblicherweise einen Monat.

Der R&S®SMB100A bietet eine gemessene Pegelgenauigkeit von < 0,1 dB (bei 5,62 GHz und Raumtemperatur) für die relevanten Ausgangspegel. Darüber hinaus ermöglicht die maximale Ausgangsfrequenz von 12,75 GHz die Kalibrierung bis zum X-Frequenzband. Der R&S®SMB100A stellt damit eine optimale, hochpräzise Quelle für die Kalibrierung der Absolutpegelmessungen von Wetterradar-Empfängern dar.

Sind die Performance-Anforderungen noch höher, kann der R&S®SMA100A Highend-Analogsignalgenerator mit ausgezeichneter spektraler Reinheit eingesetzt werden.