Ground-based weather radars provide information on the temporal evolution and the spatial distribution of precipitation on a macroscopic scale over a large area. However, the echoes measured by weather radars are always a superposition of forward and backward scattering effects which complicates their interpretation. The use of polarisation diversity enhances the number of independent observables measured simultaneously. This allows an effective separation of forward and backward scattering effects. Furthermore, it extends the capability of weather radars to retrieve also microphysical information about the precipitation. The dissertation at hand introduces new aspects in the field of polarimetric, ground-based, monostatic weather radars at S-, C-, and X-band. Relations are provided to change the polarisation basis of reflectivities. A fully polarimetric weather radar measurement at circular polarisation basis is analysed. Methods to check operationally the polarimetric calibration of weather radars operating at circular polarisation basis are introduced. Moreover, attenuation correction methods for weather radar measurements at linear horizontal / vertical polarisation basis are compared to each other, and the robustly working methods are identified. / Bodengebundene Wetterradare bieten Informationen über die zeitliche Entwicklung und die räumliche Verteilung von Niederschlag in einer makroskopischen Skala über eine große Fläche. Die Interpretation der Wetterradarechos wird erschwert, da sie sich aus einer Überlagerung von Vorwärts- und Rückwärtsstreueffekten ergeben. Die Anzahl der unabhängigen Wetterradarmessgrößen kann durch den Einsatz von Polarisationsdiversität erhöht werden. Dies ermöglicht eine effektive Trennung von Vorwärts- und Rückwärtsstreueffekten. Desweiteren erlaubt es die Bestimmung von mikrophysikalischen Niederschlagsparametern. Die vorliegende Dissertation betrachtet neue Aspekte für polarimetrische, bodengebundene, monostatische Wetterradare im S-, C- und X-Band. Gleichungen zur Polarisationsbasistransformation von Reflektivitätsmessungen werden eingeführt. Eine vollpolarimetrische Wetterradarmessung in zirkularer Polarisationsbasis wird analysiert. Neue Methoden, die eine Überprüfung der polarimetrischen Kalibrierung von Wetterradarmessungen in zirkularer Polarisationsbasis erlauben, werden betrachtet. Weiterhin werden Methoden zur Dämpfungskorrektur von Wetterradarmessungen in linearer horizontaler / vertikaler Polarisationsbasis miteinander verglichen und Empfehlungen von zuverlässigen Methoden gegeben.

In this study a calibration concept for a multi-polarimetric weather radar is developed. Several common calibration techniques are analysed, but many are insufficient due to the non-reciprocal behaviour of the employed radar. Hence, an electronic calibration device was developed, which was designed for fast polarization determination of any polarization (including elliptical ones). The non-reciprocal behaviour was overcome by splitting receive and transmit calibration, which virtually uses the radar as a communication system. Beside the calibration a new and exible signal processing system was implemented on that radar which allows interleaved measurements using several polarimetric modes. This capability was used to analyse the STAR (hybrid basis with linear 45° transmit and horizontal/vertical receive) mode and the alternating H/V mode with respect to depolarization. Although it is known that depolarization causes errors in STAR mode, it is used in most commercial weather radars. / In dieser Arbeit wird ein Kalibrierkonzept für ein Multipolarisation-Radar entwickelt. Dazu wurden verschiedene gebräuchliche Techniken untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass dieses Verfahren für das untersuchte nichtreziproke Radar unzureichend sind. Deshalb wurde ein elektronisches Kalibriergerät entwickelt, welches speziell der schnellen Messung von beliebigen Polarisationen - einschließlich Elliptischer - dient. Das nichtreziproke Verhalten wurde durch die Aufteilung in eine Sende- und eine Empfangskalibrierung umgangen, wodurch das Radar praktisch als Kommunikationssystem verwendet wird. Des Weiteren wurde eine neue, fexible Signalverarbeitung an dem Radar entwickelt, welches gemischte Messungen mit mehreren Polarisationsmoden erlaubt. Diese neuartige Möglichkeit wurde benutzt um den STAR-Modus, welches eine hybride Polarisationsbasis (linear 45° senden, horizontal/vertikal empfangen) benutzt, mit dem alternierende H/V-Modus zu vergleichen. Dabei wurde speziell das Verhalten des STAR-Modus im Hinblick auf Depolarisation untersucht, da dies bekanntermaßen zu Fehlern in den Messgrößenführen kann. Dies ist von besonderem Interesse, da der STAR-Modus in den meisten kommerziellen Wetterradarsystemen eingesetzt wird.

In this study a calibration concept for a multi-polarimetric weather radar is developed. Several common calibration techniques are analysed, but many are insufficient due to the non-reciprocal behaviour of the employed radar. Hence, an electronic calibration device was developed, which was designed for fast polarization determination of any polarization (including elliptical ones). The non-reciprocal behaviour was overcome by splitting receive and transmit calibration, which virtually uses the radar as a communication system. Beside the calibration a new and exible signal processing system was implemented on that radar which allows interleaved measurements using several polarimetric modes. This capability was used to analyse the STAR (hybrid basis with linear 45° transmit and horizontal/vertical receive) mode and the alternating H/V mode with respect to depolarization. Although it is known that depolarization causes errors in STAR mode, it is used in most commercial weather radars. / In dieser Arbeit wird ein Kalibrierkonzept für ein Multipolarisation-Radar entwickelt. Dazu wurden verschiedene gebräuchliche Techniken untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass dieses Verfahren für das untersuchte nichtreziproke Radar unzureichend sind. Deshalb wurde ein elektronisches Kalibriergerät entwickelt, welches speziell der schnellen Messung von beliebigen Polarisationen - einschließlich Elliptischer - dient. Das nichtreziproke Verhalten wurde durch die Aufteilung in eine Sende- und eine Empfangskalibrierung umgangen, wodurch das Radar praktisch als Kommunikationssystem verwendet wird. Des Weiteren wurde eine neue, fexible Signalverarbeitung an dem Radar entwickelt, welches gemischte Messungen mit mehreren Polarisationsmoden erlaubt. Diese neuartige Möglichkeit wurde benutzt um den STAR-Modus, welches eine hybride Polarisationsbasis (linear 45° senden, horizontal/vertikal empfangen) benutzt, mit dem alternierende H/V-Modus zu vergleichen. Dabei wurde speziell das Verhalten des STAR-Modus im Hinblick auf Depolarisation untersucht, da dies bekanntermaßen zu Fehlern in den Messgrößenführen kann. Dies ist von besonderem Interesse, da der STAR-Modus in den meisten kommerziellen Wetterradarsystemen eingesetzt wird.

Ground-based weather radars provide information on the temporal evolution and the spatial distribution of precipitation on a macroscopic scale over a large area. However, the echoes measured by weather radars are always a superposition of forward and backward scattering effects which complicates their interpretation. The use of polarisation diversity enhances the number of independent observables measured simultaneously. This allows an effective separation of forward and backward scattering effects. Furthermore, it extends the capability of weather radars to retrieve also microphysical information about the precipitation. The dissertation at hand introduces new aspects in the field of polarimetric, ground-based, monostatic weather radars at S-, C-, and X-band. Relations are provided to change the polarisation basis of reflectivities. A fully polarimetric weather radar measurement at circular polarisation basis is analysed. Methods to check operationally the polarimetric calibration of weather radars operating at circular polarisation basis are introduced. Moreover, attenuation correction methods for weather radar measurements at linear horizontal / vertical polarisation basis are compared to each other, and the robustly working methods are identified. / Bodengebundene Wetterradare bieten Informationen über die zeitliche Entwicklung und die räumliche Verteilung von Niederschlag in einer makroskopischen Skala über eine große Fläche. Die Interpretation der Wetterradarechos wird erschwert, da sie sich aus einer Überlagerung von Vorwärts- und Rückwärtsstreueffekten ergeben. Die Anzahl der unabhängigen Wetterradarmessgrößen kann durch den Einsatz von Polarisationsdiversität erhöht werden. Dies ermöglicht eine effektive Trennung von Vorwärts- und Rückwärtsstreueffekten. Desweiteren erlaubt es die Bestimmung von mikrophysikalischen Niederschlagsparametern. Die vorliegende Dissertation betrachtet neue Aspekte für polarimetrische, bodengebundene, monostatische Wetterradare im S-, C- und X-Band. Gleichungen zur Polarisationsbasistransformation von Reflektivitätsmessungen werden eingeführt. Eine vollpolarimetrische Wetterradarmessung in zirkularer Polarisationsbasis wird analysiert. Neue Methoden, die eine Überprüfung der polarimetrischen Kalibrierung von Wetterradarmessungen in zirkularer Polarisationsbasis erlauben, werden betrachtet. Weiterhin werden Methoden zur Dämpfungskorrektur von Wetterradarmessungen in linearer horizontaler / vertikaler Polarisationsbasis miteinander verglichen und Empfehlungen von zuverlässigen Methoden gegeben.