Contribution to the design of the polarimetric meteorological radars

Los servicios meteorológicos nacionales están considerados de importancia estratégica dado que permiten anticipar la aparición de fenómenos atmosféricos, así como de cuantificar su composición y efectos. De entre los muchos instrumentos empleados en meteorología, los radares Doppler ocupan un lugar relevante desde hace décadas, ya que hacen posible explorar áreas geográficas extensas, registrando la información obtenida en tiempo real para su análisis y difusión. Debido a la necesidad de incrementar la precisión de las medidas y de dotarlos de capacidad para identificar las características de cada tipo de precipitación, en la actualidad la mayoría de los radares meteorológicos cuentan con la capacidad de realizar medidas polarimétricas. Al procesar el campo eléctrico dispersado por los hidrometeoros con dos polarizaciones ortogonales, ha sido posible aumentar las prestaciones de los radares meteorológicos. En el proceso de evolución tecnológica hasta los radares Doppler con capacidad polarimétrica, ha sido necesario desarrollar dos esquemas de transmisión que, teniendo en cuenta las particularidades y requisitos asociados a la observación de fenómenos meteorológicos, permiten obtener la información polarimétrica asociada a los blancos meteorológicos de un modo eficiente. Aunque estos dos sistemas se emplean en los radares Doppler polarimétricos que están en funcionamiento en el mundo, adolecen de ciertas limitaciones que aún no se han logrado resolver por completo. Recientemente ha sido propuesto un esquema de transmisión alternativo para los radares meteorológicos polarimétricos que emplea tres polarizaciones distintas. El principal motivo de la presente investigación es justificar las ventajas que éste presenta frente a los sistemas anteriores. La primera cuestión que se analiza es el error que introduce en las medidas polarimétricas el diagrama de radiación contrapolar de la antena empleada por el radar. Tras exponer el problema y evaluar como afecta a las prestaciones de los dos sistemas existentes, se pasa a estudiar el sistema de transmisión de las tres polarizaciones. Se calculan las especificaciones del diagrama contrapolar de la antena del radar que garantizarían niveles de error en las medidas dentro de los margenes tolerables, y se concluye que son ampliamente cubiertas por las de los reflectores parabólicos que se usan en los radares meteorológicos. La segunda línea de investigación estudia el empleo del sistema de transmisión objeto de esta tesis, en radares polarimétricos de antena planas de barrido electrónico. Estos últimos son considerados el futuro de los radares meteorológicos. Entre las muchas razones que aconsejan la sustitución de los reflectores parabólicos con orientación electromecánica por antenas de barrido electrónico, destaca el importante aumento de la velocidad de exploración. Desafortunadamente, los dos sistemas de transmisión que se emplean en los radares con reflectores polarimétricos no se pueden seguir empleando con antenas planas de barrido electrónico, debido al acoplo entre polarizaciones que este tipo de antenas experimenta en ciertas direcciones de apuntamiento. En los últimos años se ha llevado a cabo un esfuerzo considerable para resolver esta cuestión, proponiendo diversas alternativas que permitan utilizar antenas planas de barrido electrónico con alguno de los dos sistemas de transmisión tradicionales, con resultados en algunos casos prometedores pero complicados de llevar a la práctica. En esta investigación se ha encontrado que el esquema de procesamiento de las señales recibidas del sistema de las tres polarizaciones corrige el acoplo entre las polarizaciones de las antenas planas, y por ello sus medidas no se ven degradadas al cambiar la dirección de apuntamiento. A diferencia de los dos modos de transmisión anteriores, no es necesario desarrollar antenas específicas o complicar el ajuste de las señales en transmisión y recepción. Son por tanto resultados prometedores que confirman que el esquema de transmisión con tres polarizaciones podría superar muchas de las limitaciones de los sistemas actuales, ofreciendo igual o mejores prestaciones, y haciendo posible dar el salto tecnológico hacia los radares planos polarimétricos de barrido electrónico en el campo de la meteorología