Zugl.: Montreal, McGill University, Diss., 2006 / Hergestellt on demand

Universiẗat, Diss., 2004--Bonn.

Universiẗat, Diss., 2000--München.

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.

Die Datenerfassung für Wetterprognosen basiert bis heute auf konventionellen Radarsystemen, die mit einer verhältnismäßig hohen Leistung arbeiten und für große Reichweiten ausgelegt sind. Da jedoch Wetterphänomene primär in Bodennähe auftreten und deren ausschlaggebenden Charakteristika ebendort zu detektieren sind, bringt dieses einige Nachteile mit sich. Hierzu zählen z.B. Einschränkungen bezüglich der räumlichen Auflösung und der Aktualisierungsrate, die stark eingeschränkten Möglichkeiten der flächendeckenden Erfassung bodennaher Effekte, aber auch die nicht voll polarimetrischen Detektionsmöglichkeiten bestehender Systeme. Die vorliegende Arbeit stellt den Ansatz des 'Digital Beamforming Weather Radar' (DB-WR) vor, welcher die beschriebenen Nachteile maßgeblich reduziert bzw. vermeidet. Die Systemarchitektur basiert hierbei auf engmaschigen Netzwerken von Phased-Array Radargeräten mit signifikant geringeren Reichweiten und Sendeleistungen. Grundlage hierfür bilden polarimetrische Sende-Empfangsmodule ('Software-Defined Radars'), welche die Realisierung der neuartigen 'Arbiträren Polarimetrischen Multiparameter Intrapulsmodulation' (APMIM), einem Verfahren welches beliebige Modulationen innerhalb des Sendepulses zulässt, ermöglichen. Der Fokus richtet sich diesbezüglich auf die Umsetzung eines breitbandigen Stand-Alone Experimentalsystems für diese neuartige Wetterradartechnologie, mit dem das Systemkonzept des DBWR getestet und die Möglichkeiten der APMIM in Kombination mit einer multiplen Empfangssignalauswertung evaluiert werden können. Darüber hinaus werden die Möglichkeiten dieses Experimentalsystems veranschaulicht und die Funktionalitäten in entsprechenden Messungen verifiziert. / Data acquisition for weather forecasts is still based on conventional radar systems, which operate at a relatively high power and are designed for long ranges. However, since weather phenomena primarily occur near the ground and their decisive characteristics have to be detected there, this brings with it a number of disadvantages. These include, for example, limitations with respect to spatial resolution and update rate, the severely restricted possibilities of area-wide detection of near-ground effects, but also the not fully polarimetric detection capabilities of existing systems. This dissertation presents the Digital Beamforming Weather Radar (DBWR) approach, which significantly reduces or avoids the described drawbacks. The system architecture is based on close-meshed networks of phased-array radars with significantly lower ranges and transmission powers. The basis for this is formed by polarimetric transmit-receive modules ('Software-Defined Radars'), which enable the realization of the novel 'Arbitrary Polarimetric Multiparameter Intrapulse Modulation' (APMIM), a method which allows arbitrary modulations within the transmit pulse. In this respect, the focus is on the implementation of a broadband stand-alone experimental system for this novel weather radar technology, with which the system concept of the DBWR can be tested and the possibilities of the APMIM in combination with a multiple received signal evaluation can be evaluated. Furthermore, the capabilities of this experimental system are illustrated and the functionalities are verified in corresponding measurements.

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.

Im Rahmen der Aktivitäten des ITG Fachausschusses 7.5 „Wellenausbreitung“ im VDE wird eine Fachtagung auf dem Gebiet Wellenausbreitung bei Funk-, Mikrowellensystemen und Navigation vom 4. – 5. Juli 2007 in Chemnitz abgehalten. Die Tagungsphilosophie betont den gemeinsamen Nenner der Wellenausbreitung in diversen Bereichen wie Mikrowellensensorik und Mikrowellensystemen. Bei der Fachtagung sind zusätzlich zu den Beiträgen der Fachausschussmitglieder, die zur Information über die Fachausschussaktivitäten dienen, auch Übersichtsvorträge und Diskussions-Sitzungen vorgesehen. Dem Leitthema zugeordnet, werden die folgenden Themen aus Fernerkundung, Kommunikation und Navigation besonders berücksichtigt: Mikrowellenausbreitung in der Kommunikation und Mikrowellensensorik - Gleichwellennetz - Digitale Übertragung - Mehrwegeausbreitung - Mehrfachnutzung - Innen-Gebäude-Übertragung - Mittelwellenausbreitung - Mobilfunk Nutzung und Anwendung in der Mikrowellensensorik - Radar-Polarimetrie - Bistatische und Multistatische Radarverfahren - Polarimetrische und Multistatische Interferometrie - Multiparameter-Wetterradar-Verfahren - Automobil- und Flugzeugradar - Kalibrierung - Biologische Effekte der EM-Strahlung / The ITG section 7.5 „Wellenausbreitung“ within the VDE (German Association for Electrical, Electronic & Information Technologies) is organising a conference on Wave Propagation in Communication, Microwave Systems and Navigation to be held during 4th and 5th of July 2007 in Chemnitz, Germany. The conference philosophy is to emphasize the commonalty between propagation aspects of microwave remote sensing sensors and microwave systems at large. In addition to the contributions from the members of ITG section 7.5, planned are review presentations and discussion sessions. The following topics of Remote Sensing, Communication and Navigation are eligible for presentation: Microwave Propagation in Communication and Microwave Sensors - Band Shared Broadcasting - Multi-Path Propagation - Digital Broadcasting - MIMO Systems and Reuse - Indoor Propagation - Medium Wave Propagation - Mobile Communication Applications of Microwave Sensors - Radar Polarimetry - Bistatic and Multistatic Radar - Polarimetric and Multistatic Interferometry - Multi-Parameter Weather Radar Systems - Automotive and Airborne Radars - System Calibration - Biological Effects of EM-Radiation

Im Rahmen der Aktivitäten des ITG Fachausschusses 7.5 „Wellenausbreitung“ im VDE wird eine Fachtagung auf dem Gebiet Wellenausbreitung bei Funk-, Mikrowellensystemen und Navigation vom 4. – 5. Juli 2007 in Chemnitz abgehalten. Die Tagungsphilosophie betont den gemeinsamen Nenner der Wellenausbreitung in diversen Bereichen wie Mikrowellensensorik und Mikrowellensystemen. Bei der Fachtagung sind zusätzlich zu den Beiträgen der Fachausschussmitglieder, die zur Information über die Fachausschussaktivitäten dienen, auch Übersichtsvorträge und Diskussions-Sitzungen vorgesehen. Dem Leitthema zugeordnet, werden die folgenden Themen aus Fernerkundung, Kommunikation und Navigation besonders berücksichtigt: Mikrowellenausbreitung in der Kommunikation und Mikrowellensensorik - Gleichwellennetz - Digitale Übertragung - Mehrwegeausbreitung - Mehrfachnutzung - Innen-Gebäude-Übertragung - Mittelwellenausbreitung - Mobilfunk Nutzung und Anwendung in der Mikrowellensensorik - Radar-Polarimetrie - Bistatische und Multistatische Radarverfahren - Polarimetrische und Multistatische Interferometrie - Multiparameter-Wetterradar-Verfahren - Automobil- und Flugzeugradar - Kalibrierung - Biologische Effekte der EM-Strahlung

Im Rahmen der Aktivitäten des ITG Fachausschusses 7.5 „Wellenausbreitung“ im VDE wird eine Fachtagung auf dem Gebiet Wellenausbreitung bei Funk-, Mikrowellensystemen und Navigation vom 4. – 5. Juli 2007 in Chemnitz abgehalten. Die Tagungsphilosophie betont den gemeinsamen Nenner der Wellenausbreitung in diversen Bereichen wie Mikrowellensensorik und Mikrowellensystemen. Bei der Fachtagung sind zusätzlich zu den Beiträgen der Fachausschussmitglieder, die zur Information über die Fachausschussaktivitäten dienen, auch Übersichtsvorträge und Diskussions-Sitzungen vorgesehen. Dem Leitthema zugeordnet, werden die folgenden Themen aus Fernerkundung, Kommunikation und Navigation besonders berücksichtigt: Mikrowellenausbreitung in der Kommunikation und Mikrowellensensorik - Gleichwellennetz - Digitale Übertragung - Mehrwegeausbreitung - Mehrfachnutzung - Innen-Gebäude-Übertragung - Mittelwellenausbreitung - Mobilfunk Nutzung und Anwendung in der Mikrowellensensorik - Radar-Polarimetrie - Bistatische und Multistatische Radarverfahren - Polarimetrische und Multistatische Interferometrie - Multiparameter-Wetterradar-Verfahren - Automobil- und Flugzeugradar - Kalibrierung - Biologische Effekte der EM-Strahlung:The ITG section 7.5 „Wellenausbreitung“ within the VDE (German Association for Electrical, Electronic & Information Technologies) is organising a conference on Wave Propagation in Communication, Microwave Systems and Navigation to be held during 4th and 5th of July 2007 in Chemnitz, Germany. The conference philosophy is to emphasize the commonalty between propagation aspects of microwave remote sensing sensors and microwave systems at large. In addition to the contributions from the members of ITG section 7.5, planned are review presentations and discussion sessions. The following topics of Remote Sensing, Communication and Navigation are eligible for presentation: Microwave Propagation in Communication and Microwave Sensors - Band Shared Broadcasting - Multi-Path Propagation - Digital Broadcasting - MIMO Systems and Reuse - Indoor Propagation - Medium Wave Propagation - Mobile Communication Applications of Microwave Sensors - Radar Polarimetry - Bistatic and Multistatic Radar - Polarimetric and Multistatic Interferometry - Multi-Parameter Weather Radar Systems - Automotive and Airborne Radars - System Calibration - Biological Effects of EM-Radiation

Diese (Doktor)arbeit beschäftigt sich mit Radar-Polarimetrie, insbesondere mit der Untersuchung der Eigenschaften von polarimetrischen Variablen, die potenziellen Nutzen für die Radar-Meteorologie haben. Für den Einsatz in Dual-Polarisations-Radargeräten wird der Polarisationsgrad analysiert. Diese Variable wird in künftigen operationellen Radargeräten verfügbar sein. Der Polarisationsgrad hängt vom transmittierten Polarisationszustand und in weiterer Folge auch vom Betriebsmodus des Radargeräts ab. Der Hauptbetriebsmodus von operationellen Radargeräten sendet und empfängt gleichzeitig sowohl die horizontale als auch die vertikale Komponente. Der sekundäre Betriebsmodus sendet und empfängt simultan die horizontal polarisierte Komponente. In dieser Arbeit werden beide Polarisationsgrade untersucht. Da operationelle Systeme derzeit auf den Dual-Polarisationsmodus aufgerüstet werden, sollte künftig die Anwendungsmöglichkeiten von vollpolarimetrischen Wetterradarsystemen untersucht werden. Aus allen Variablen, die in diesem Betriebsmodus zur Verfügung stehen, wurde die Entropie (des gemessen Objektes) ausgewählt und wegen seiner engen Beziehung zum Polarisationsgrad näher untersucht. / The present doctoral thesis deals with radar polarimetry, namely with the investigation of properties of polarimetric variables potentially useful in radar meteorology. For use with dual-polarization radars, the degree of polarization is analyzed. This variable is available to planned operational radars. The degree of polarization is dependent on transmit polarization state and, consequently, it is dependent on the radar system operating mode. The primary operating mode of operational radars consists in simultaneous transmission and simultaneous receive of both horizontal and vertical components. The secondary operating mode consists of horizontal transmission and simultaneous receive. Both degrees of polarization are investigated in this thesis. Also, as operational systems are being updated to dual-polarization, research should start investigating the capabilities of fully polarimetric weather radar systems. Among the numerous variables available from this operating mode, the target entropy was chosen for investigation, also because of its close relation to the degree of polarization