Search

TFG MOBILITY Weather forecast estimation has been a matter of analysis for many years. The arrival of dual polarization radars meant an improvement due to the incorporation of new variables. This project illustrates how to obtain the standard and new meteorological variables (Reflectivity, Doppler Velocity, Spectrum Width, Differential Reflectivity, Co-Polar Correlation Coefficient and Differential Propagation Phase). Reflectivity and Doppler velocity appear to be more advantageous because they are more consistent since the Spectrum Width is easily corrupted. Variables retrieved from the dual polarization radars happen to be even more reliable than the standard ones because most of them are independent from miscalibrations and attenuations. It also analyzes two different noise identification methods in order to estimate the noise floor. One of them based on the Co-Polar Correlation Coefficient characteristics that, for most of the cases, show a better performance than the other method based on three different features that threshold the noise. El estudio de eventos meteorológicos es un campo de interés des de hace años. La llegada de radares de doble polarización ha causado una mejora importante en la estimación del tiempo gracias a la incorporación de las nuevas variables meteorológicas. Este proyecto ilustra la forma de obtener las variables estándar y las de doble polarización para el análisis del tiempo. La reflectividad y la velocidad doppler tienen unos resultados más consistentes que el ancho de espectro, ya que son más difíciles de corromper. Las variables calculadas a partir de la doble polarización son incluso más fiables ya que la mayoría de ellas no dependen de errores de calibración ni atenuaciones. En el proyecto, también se estudian dos métodos diferentes de identificación de ruido. Uno de los métodos está basado en las características propias del coeficiente de correlación co-polar que, en la mayoría de casos, resulta tener mejores resultado que el otro método, basado en el cálculo de tres variables que analizan el ruido. L'estudi d'esdeveniments meteorològics és un camp d'interès des de fa anys. L'arribada de radars de doble polarització ha causat una millora significativa en l'estimació del temps gràcies a la incorporació de les noves variables meteorològiques. Aquest projecte il·lustra com obtenir les variables estàndards i de doble polarització de l'anàlisi meteorològic. La reflectivitat i la velocitat doppler tenen uns resultats més consistents que l'ample d'espectre, ja que és més difícil corrompre-les. Les variables calculades a partir de la doble polarització són molt més fiables ja que la majoria d'elles, són independents dels errors de calibrat i d'atenuacions. En el projecte, també s'estudien dos mètodes d'identificació del soroll per a poder fer l'estimació d'aquest. Un dels mètodes està basat en les característiques pròpies del coeficient de correlació co-polar que, per la majoria de situacions, té un comportament millor que l'altre mètode, basat en el càlcul de tres variables que analitzen el soroll.

Projecte final de carrera fet en col.laboració amb University of Massachusetts - Amherst, the Microwave Sensing Laboratory (MIRSL) The measurement of winds and processes taking place in the atmosphere is a fun- damental requirement in both research and operational meteorology. This project is focused on the processes taking place in the lower troposphere called the atmospheric boundary layer (ABL). The ABL is important meteorologically in terms of assessing of convective instability. The entrainment zone at the top of the ABL acts as a lid on rising (and cooling) air parcels due to the temperature inversion. An external mechanism such as geographically forced uplift, vigorous surface heating or drylines, can break the entrainment layer, allowing the capped air parcels to rise freely. As a result, vigorous convection will begin producing severe thunderstorms. ABL research and studies help (i) develop and improve existing numerical weather prediction models, (ii) understand the transfer of hear, water vapor and momentum between the Earth and the atmosphere, (iii) re ne the analytical description of tur- bulent processes and (iv) quantify the absorption and emission in the troposphere, which is a major factor in shaping climate on Earth. The e ect of the troposphere on wave propagation has also been studied extensively for the purposes of improving radio communications.The main reason for the radar development is the need of continous monitoring of the winds and elds in the atmosphere, improving the in-situ measurements. Conven- tional radar pro ler technologies usually are able to make atmospheric measurements of the boundary layer, but precluding the lower part of the ABL, (around 150 meters). The Frequency Modulated Continuous Wave, Spaced Antenna (FMCW-SA) Radar, that is being developed in University of Massachusetts - Amherst, at the Microwave Sensing Laboratory (MIRSL), will allow measurements of the lower part of the ABL. The use of FMCW radars is introduced in order to improved the limitations of pulsed radars. Pulsed radars are limited by the pulse-width and switching speed of the transmit-receive switches because of the use of a common antennas for both functions. The pulsed nature of the radar dictates a high transmitter power, and consequently the need for switches that are both faster and high powered. FMCW radar alleviate this problem by using separate antennas for transmit and receive, also being able to be used at short ranges. The problem in dual-antenna systems is parallax at low altitudes due to the spatially separated antenna apertures, and some uncertainty in the actual sampling volume. The primary objective of this thesis, is to explain the previous results and the problems encountered on the FMCW Wind Pro ler Radar, and to provide a detailed account of the work one in order to x remaining issues. Several problems were encountered on the radar's receiver. Noise and leakage were still not allowing the radar to achieve sensitivity enough to work properly. To solve it, the receiver was modi ed. This thesis, provides a detailed account of modi cations including a new audio-module, modi ed FPGA and tests to report conclusions.

Projecte final de carrera realitzat en col.laboració amb Microwave Remote Sensing Laboratory The measurement of winds and processes taking place in the atmosphere is a fundamental requirement in both research and operational meteorology. This project is focused on the processes taking place in the lower troposphere called the atmospheric boundary layer (ABL). The ABL is important meteorologically in terms of assessing of convective instability. The entrainment zone at the top of the ABL acts as a lid on rising (and cooling) air parcels due to temperature inversion. An external mechanism such as geographically forced uplift, vigorous surface heating or dry lines, can break the entrainment layer, allowing the capped air parcels to rise freely. As a result, vigorous convection will begin producing severe thunderstorms. ABL research and studies help (i) develop and improve existing numerical weather prediction models, (ii) understand the transfer of heat, water vapor and momentum between the Earth and the atmosphere, (iii) refine the analytical description of turbulent processes and (iv) quantify the absorption and emission in the troposphere, which is a major factor in shaping climate on Earth. The effect of the troposphere on wave propagation has also been studied extensively for the purposes of improving radio communications. The main reason for FMCW radar development is the need for continuous monitoring of the winds and fields in the atmosphere, improving in-situ measurements. Conventional radar profiler technologies are usually able to make atmospheric measurements of the boundary layer, but preclude the lower part of the ABL, (around 150 meters). The Frequency Modulated Continuous Wave, Spaced Antenna (FMCWSA) Radar, that is being developed in University of Massachusetts - Amherst, at the Microwave Sensing Laboratory (MIRSL), will allow measurements of the lower part of the ABL. The use of FMCW radars is introduced in order to improve the limitations of pulsed radars. Pulsed radars are limited by the pulse-width and switching speed of the transmit-receive switches because of the use of common antennas for both functions. The pulsed nature of the radar dictates a higher transmitter power, and consequently the need for switches that are both faster and high powered. FMCW radar alleviate this problem by using separate antennas for transmit and receive, which also allows use at short ranges. The problem in dual-antenna systems is parallax at low altitudes due to the spatially separated antenna apertures, and some uncertainty in the actual sampling volume. The primary objective of this thesis is to explain the previous state of the radar, providing a detailed account of it. Then to present the current state of the radar with results and complete explanations to report conclusions.

Projecte realitzat en el marc d’un programa de mobilitat amb Microwave Remote Sensing Laboratory de la University of Massachusetts Amherst [ANGLÈS] Frequency Modulated Continuous Wave radars suffer from an undesirable effect called transmitter leakage. The power leak between transmitter and receiver due to the lack isolation impairs reception performance. The leak, which is orders of magnitude stronger than the desired target echoes, drives the receptor into saturation due to its non-linear characteristics. Since the echoes and leakage are extremely close in frequency it is impossible to use filters to get rid of this problem. Traditionally, the way to increase the isolation has been to use separate antennas to transmission and reception instead of a single one. However, this method presents some drawbacks, e.g. an increase of bulkiness and price. A more elaborate approach is cancelling (subtracting) the leakage before it reaches the receiver. The cancellation system takes advantage of the fact that the leakage and the transmitted signal are of the same form. Subtracting the leakage effectively requires a degree of precision rarely achieved by manual adjustment. This work presents detailed description of a design operating at UHF that uses feedback as a way to achieve a high degree of leakage cancellation. The design validity is demonstrated in a series of tests that quantify the degree of leakage cancellation and assess how different targets are affected by the system. [CASTELLÀ] Los radares de onda continua modulados en frecuencia (FMCW) sufren un efecto generalmente no deseado llamado fuga de transmisión. La fuga de potencia de transmisor a receptor debido a la falta de aislamiento entre estos puede llegar a degradar la calidad de la recepción. La fuga, generalmente con una potencia órdenes de magnitud mayor a la eco útil , satura el receptor debido a sus características no lineales . Debido a que normalmente la fuga y el eco son muy cercanos en frecuencia no se pueden utilizar filtros para solucionar el problema. Tradicionalmente, la manera de aumentar considerablemente el aislamiento ha sido utilizar antenas separadas por el transmisor y el receptor en vez de una sola. Este método presenta algunos inconvenientes como el incremento del peso, volumen y el precio del sistema. Un método más elaborado es cancelar (restar) la fuga justo antes de que llegue al receptor. El dispositivo de cancelación se sirve del hecho de que la fuga y la señal transmitida son de la misma forma excepto en la amplitud y fase. Restar la fuga de una manera efectiva requiere una precisión raramente lograda con ajustes manuales. En este trabajo se presenta una descripción detallada de un sistema realimentado que consigue un alto grado de cancelación. La validez del diseño se demuestra en usa serie de pruebas que determinan cómo este cancela la fuga y como el eco útil se ve afectado. [CATALÀ] Els radars d'ona contínua modulats en freqüència (FMCW) pateixen un efecte generalment no desitjat anomenat fuga de transmissió. La fuga de potència de transmissor a receptor a causa de la falta d'aïllament entre aquests pot arribar a degradar la qualitat de la recepció. La fuga, generalment amb una potència ordres de magnitud major a l'eco útil, satura el receptor degut a les seves característiques no lineals. Degut a que normalment la fuga i l'eco són molt propers en freqüència no es poden utilitzar filtres per solucionar el problema. Tradicionalment, la manera d'augmentar considerablement l'aïllament ha sigut utilitzar antenes separades pel transmissor i pel receptor en comptes d'una sola. Aquest mètode presenta alguns inconvenients com l'increment del pes,volum i el preu del sistema. Un mètode més elaborat és cancel·lar (restar) la fuga just abans que arribi al receptor. El dispositiu de cancel·lació es serveix del fet que la fuga i el senyal transmès són de la mateixa forma excepte en l'amplitud i fase. Restar la fuga d'una manera efectiva requereix una precisió rarament aconseguida amb ajustaments manuals. En aquest treball es presenta una descripció detallada d'un sistema realimentat que aconsegueix un alt grau de cancel·lació. La validesa del disseny es demostra en usa sèrie de tests que determinen com aquest cancel·la la fuga i com l'eco útil es veu afectat.

Modifications and updates to an existing X-band dual-polarization phased-array weather radar. Efforts to improve the polarization isolation of the antenna. Characterization via near-field range and field measurements. Dual-polarized phased-array radars used for weather retrieval purposes is an emerging tendency over the last few years. The dual-polarization technology provides an expanded range of weather products and the reliability of these polarimetric products rely on the beam shape quality of the system under use and its polarization isolation. This thesis presents the calibration process of a one-dimensional scanning phased-array radar to assure its beamforming quality. A cross-polarization cancellation technique, with no additional hardware requirements, is tested and appeared to optimize the array settings for an improved isolation and therefore, for a better data quality. Radares formados por agrupaciones de antenas que trabajan con dos polarizaciones con la intención de tomar medidas meteorológicas es una tendencia a la alza en los últimos años. El hecho de utilizar dos polarizaciones ofrece una gama ampliada de productos meteorológicos y la fiabilidad de estos dependerá de la cualidad del haz radiado por el radar y del aislamiento entre las polarizaciones de éstos. Esta tesis presenta el proceso de calibración de un radar, formado por una agrupación de antenas que escanean en una dimension, con tal de garantir la calidad de los haces producidos. Una técnica para cancelar la polarización no deseada, sin la necesidad de ningún hardware adicional, ha sido probada y ha mostrado que puede mejorar la configuración de la agrupación para obtener una mejora del aislamiento y mejorar así, la cualidad de los datos. Radars formats per agrupacions d’antenes que treballen amb dues polarizations amb l’intenció de mesurar paràmetres meteorològics és una tendencia que va en augment en els últims anys. El fet d’utilitzar dues polarizations ofereix una gama ampliada de productes meteorològics i la fiabilitat d’aquests dependrà de la qualitat que tinguin els feixos radiats pel radar així com de l’aïllament entre les polaritzacions d’aquests. Aquesta tesis presenta el procés de calibració d’un radar, format per una agrupació d’antenes que escanejen en una dimensió, per tal de garantir la qualitat dels feixos produïts. Una tècnica per cancelar la polarització no desitjada, sense la necessitat de hardware adicional, ha estat provada i ha mostrat que pot millorar la configuració de l’agrupació per tal d’obtenir una millora en el l’aïllament i així millorar-ne la qualitat de les dades.