Off the grid x-band radar node development for weather applications

Abstract

The Student Led Test Bed (STB) is part of the NSF Engineering Research Center CASA and is currently focused on developing low infrastructure radar networks to fill lower atmosphere gaps not covered by current technology. A low infrastructure radar network could significantly improve the time and spatial resolution of radar data for the lower atmosphere. There is a concern among National Weather Service (NWS) officers and emergency management people regarding the need for more accurate weather radar data to improve forecasts in some regions of Puerto Rico, more specifically in the western region. The low infrastructure radar and this network is being developed to address this particular concern. The network will consist of four radars nodes in which the location of each node will be strategically selected to cover the desired area. This thesis describes the development of the first node that requires no energy from the power grid, so it is then known as Off The Grid (OTG) X-band radar. The OTG radar was developed from commercially available marine radar. In addition to modifying the hardware to serve meteorological purposes, a photovoltaic system fitted to power the radar using solar energy. The system underwent internal calibration and a cross calibration. The UPRM OTG node was taken to the Colorado State University CHILL (CSU-CHILL) National Weather Radar facility for the cross calibration with the CSU-CHILL radar. Satisfactory results were obtained demonstrating that the OTG node can measure precipitation with the resolution required to meet lower troposphere measurement needs. Afterwards the OTG node was brought back to Puerto Rico and deployed in Mayagüez, where precipitation measurements were made to complement measurements taken with the NWS NEXRAD radar. This OTG node is the first in the upcoming low infrastructure X-band weather radar network that will operate without a power grid to aid in forecasts for the western region of Puerto Rico.

El lugar de prueba liderado por estudiantes (STB por sus siglas en inglés) es parte del Centro de investigación de ingeniería de la NSF, llamado CASA. Su enfoque está en el desarrollo de redes de radares de baja infraestructura para llenar los espacios en la atmosfera baja que no son cubiertos por la tecnología actual. La red representaría una mejoría significativa en cuanto a resolución temporal y espacial de la data medida en la atmosfera baja. Oficiales del Servicio Nacional de Meteorología (NWS) y de Manejo de Emergencias han mostrado una preocupación en cuanto a la eficacia de la data de radares meteorológicos y su deseo de mejorar los pronósticos en algunas regiones de Puerto Rico, específicamente en la región oeste. La red busca solucionar esta preocupación en la región utilizando cuatro radares o nodos, cuya localización será seleccionada estratégicamente para cubrir esta área. Esta Tesis describe el desarrollo de un radar independiente de la red eléctrica conocido como OTG por sus siglas en inglés, el cual opera en banda X. Se hicieron las modificaciones a un radar marino disponible comercialmente para aplicaciones meteorológicas. Modificaciones tangibles para propósitos meteorológicos fueron realizadas al igual que la adaptación e implementación de un sistema fotovoltaico para alimentar el radar a base de la cosecha de energía solar. Se llevó el sistema a las facilidades de Colorado State University CHILL (CSU-CHILL) para hacer una calibración de radar versus radar entre el nodo OTG de UPRM y el nodo de CSU-CHILL en su Facilidad Nacional de Clima. Resultados satisfactorios fueron obtenidos, donde quedó demostrado que el OTG puede hacer medidas de precipitación con buena resolución, la cual es necesaria para obtener mejores medidas de la troposfera baja. Luego de la calibración con el CHILL, el radar OTG fue transportado a Puerto Rico, y fue desplegado en Mayagüez, donde se tomaron medidas de precipitación para complementar las medidas tomadas por el radar NEXRAD del NWS. El OTG es el primero de los próximos radares meteorológicos operando a banda X de baja infraestructura sin la necesidad de utilizar la alimentación del sistema eléctrico convencional. A su vez, ayudara en los pronósticos para la región oeste de Puerto Rico.