Low-cost, low infrastructure x-band doppler radar development

Abstract

The Student Led Test Bed (STB) is part of the NSF Engineering Research Center CASA and is focused on developing and deploying low cost and low infrastructure weather radars to fill lower atmosphere gaps not covered by current technology. In fact, some of these radars are deployed in western Puerto Rico where precipitation measurements are made to complement measurements taken with the NWS NEXRAD radar. These radars have the option of using solar power and thus can be independent of the power grid, so they are known as Off-The-Grid (OTG) X-band radars. However; they are only capable of providing rain reflectivity measurements. A modification was performed to achieve Doppler capabilities for this radar so they can also measure wind speed. This enhancement was conducted because Doppler capabilities allow the use of superior clutter removal algorithms than those used for reflectivity-only radars, and the radar provides additional information about low level winds in weather events in western Puerto Rico. This project report describes the initial work in the development of the first OTG X-band Doppler radar based on modifications of a marine radar. Two methods to develop a coherent radar are discussed, the Injection Frequency Lock (IFL) method and the Pseudo Coherent method. From these two methods, the Pseudo coherent method was selected after some tests performed at the Microwave Remote Sensing Laboratory (MIRSL) at the University of Massachusetts. As a result a more detailed description of this method is presented in this project report.

El lugar de prueba liderado por estudiantes (STB por sus siglas en inglés) es parte del Centro de investigación de ingeniería de la Fundación Nacional de Ciencia (NSF por sus siglas en inglés) llamado CASA y se enfoca en el desarrollo, ensamblaje e instalación de radares meteorológicos de bajo costo y baja infraestructura para cubrir los espacios en la atmósfera baja que no son cubiertos por la tecnología actual. De hecho, algunos de estos radares están instalados en varias localizaciones de la región oeste de Puerto Rico, donde se toman medidas de precipitación para complementar las medidas tomadas por el radar NEXRAD del Servicio Nacional de Meteorología (NWS). Estos radares tienen la opción de operar independientemente de la red eléctrica, por lo que se conocen como OTG (por sus siglas en inglés) y transmiten en banda X. Sin embargo, sólo son capaces de proporcionar medidas de reflectividad de lluvia. Por lo tanto, algunas modificaciones se llevaron a cabo para lograr obtener medidas Doppler para obtener velocidad de viento. Estas modificaciones se llevaron a cabo debido a que la data Doppler permite el uso de algoritmos superiores para la eliminación de reflecciones capturadas que no son deseadas y el radar proporciona información adicional acerca de los vientos de velocidad baja de los fenómenos meteorológicos en el oeste de Puerto Rico. Este reporte de proyecto describe el trabajo inicial en el desarrollo del primer radar Doppler de banda X OTG a partir de modificaciones hechas a un radar marino comercial. Dos métodos para desarrollar un radar coherente son discutidos, un método está relacionado con la inyección de una señal para amarrar la frecuencia del magnetrón del radar a la frecuencia de la señal inyectada (IFL por sus siglas en inglés) y el otro método se conoce como seudo coherente. De estos dos métodos, el método seudo coherente fue seleccionado después de algunas pruebas realizadas en el Laboratorio de Percepción Remota por Microondas (MIRSL, por sus siglas en inglés) de la Universidad de Massachusetts. Como resultado, una descripción detallada de este método es presentado en este reporte de proyecto.