DOI: https://doi.org/10.5194/amt-19-1825-2026
تاريخ النشر: 2026-03-12
المؤلف: Toralf Renkwitz وآخرون
الموضوع الرئيسي: قياس وتحليل الهطول
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة أهمية فهم خصائص أنظمة الرادار، وخاصة نمط الإشعاع وطور المستقبل، لتقييم أداء الرادار بشكل فعال وتفسير البيانات. تسلط الضوء على التحديات التي تواجه رادارات الاستشعار الجوي والأيونوسفير، خاصة تلك التي تشير شعاعها عموديًا وتعمل في نطاقات الترددات العالية المنخفضة. أتاح الإطلاق الناجح لمهمة بالون هيليكس الستراتوسفيرية في 28 مايو 2024، فرصة لمعايرة ثلاثة أنظمة رادار متجاورة تعمل في نطاق التردد من 3 إلى 53.5 ميغاهرتز. سمحت قرب البالون بإجراء معايرة فعالة للطور النشط لنظام رادار VHF والتحقق من موضع الهدف من خلال التداخل.
تشير النتائج إلى أن جهود المعايرة أكدت الأطوار المستقبلية المقدرة سابقًا عبر جميع أنظمة الرادار الثلاثة وتوافقت مع أنماط الإشعاع ثنائية الاتجاه الخاصة بها. ومن الجدير بالذكر أن زوايا الوصول (AoA) المستمدة من بيانات الرادار تطابقت عمومًا مع مسار نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمي (GNSS)، مع بعض الانحرافات المنسوبة إلى نسب الإشارة إلى الضوضاء المنخفضة وتكوينات الرادار المحددة. كما تؤكد الدراسة على الحاجة إلى تقنيات تصوير متقدمة لمعالجة التعقيدات في تشتت VHF وتقترح أن المهام المستقبلية للبالون، إذا تم وضعها بشكل ملائم، يمكن أن تسهل المزيد من تجارب المعايرة.
مقدمة
تؤكد المقدمة على الدور الحاسم لمعايرة الرادار في ضمان التشغيل الدقيق والموثوق لأنظمة الرادار، وكذلك في تحليل البيانات التي تجمعها. تسلط الضوء على أنه بينما يمكن قياس بعض خصائص الرادار مباشرة، يجب استنتاج أو افتراض البعض الآخر، وهو أمر ضروري لتقييم صحة وأداء نظام الرادار. يشير النص إلى أن المعايرة الموثوقة لطور المستقبل مهمة بشكل خاص للطرق التداخلية، مثل تقديرات زاوية الوصول وتقنيات التصوير، حيث يمكن أن تؤدي الأخطاء إلى عدم توافق شعاع الرادار وتفسير البيانات بشكل خاطئ.
تكون تحديات معايرة الرادار واضحة بشكل خاص عند الترددات المنخفضة، حيث تكون الأهداف المناسبة للمعايرة نادرة. تذكر المقدمة أن رادارات التردد العالي (HF، 3-30 ميغاهرتز) محدودة بأهداف معينة، مثل الانتشار الأفقي أو الهياكل الكبيرة، وأن الابتكارات الأخيرة تشمل استخدام المنصات العائمة للمعايرة. ظهرت فرصة كبيرة في 28 مايو 2024، عندما كان بالون ستراتوسفير، جزء من مهمة هيليكس، بمثابة هدف معايرة قيم لثلاثة أنظمة رادار جوية تعمل في نطاق تردد من حوالي 3 إلى 53.5 ميغاهرتز. تختتم المقدمة بتحديد هيكل الورقة، التي ستلخص جهود المعايرة السابقة، وتصف طرق التحليل المستخدمة، وتناقش نتائج المعايرة باستخدام مسار GNSS للبالون هيليكس.
نقاش
في هذا القسم، يركز النقاش على المعايرة وتقييم الأداء لثلاثة أنظمة رادار—MAARSY وSIMONe Norway وSaura—باستخدام بالون ستراتوسفير (هيليكس) كهدف للمعايرة. أظهر رادار MAARSY، الذي يعمل عند 53.5 ميغاهرتز، اختلافات في طور المستقبل تصل إلى 0.25 راديان مقارنة بأساليب المعايرة السلبية، والتي تعزى إلى عوامل داخلية وخارجية تؤثر على تباين الطور. قدمت تجربة هيليكس النشطة تقديرات طور أكثر استقرارًا، مما يشير إلى أن التأثيرات الأيونوسفيرية الخارجية كانت أكثر أهمية من عدم اتساق النظام الداخلي. تطابقت زوايا الوصول المستمدة من رادار Saura بشكل وثيق مع مسار GNSS للهيليكس لزوايا تصل إلى 55°، بينما كانت الانحرافات التي تتجاوز ذلك مرتبطة بتداخل الأيونوسفير المنخفض.
بالنسبة لـ SIMONe Norway، سمح تكوين الرادار بتغطية واسعة لمسار هيليكس، محققًا انحراف ارتفاع وسطي أقل من دقة مدى الرادار. خلصت الدراسة إلى أنه بينما أظهرت أنظمة رادار VHF بعض الأخطاء، كانت زوايا الوصول المستمدة من جميع أنظمة الرادار الثلاثة دقيقة بشكل معقول. أظهر مقارنة أنماط الإشعاع المحاكاة مع قوة الصدى المكتشفة توافقًا جيدًا، خاصة في توقيت تعزيزات القوة المكتشفة أثناء عبور هيليكس عبر أكواز الرادار. ومع ذلك، أشارت التباينات في الأكواز الجانبية الفردية إلى الحاجة إلى نمذجة أكثر دقة لأنظمة الرادار لتعزيز دقة المعايرة.
DOI: https://doi.org/10.5194/amt-19-1825-2026
Publication Date: 2026-03-12
Author(s): Toralf Renkwitz et al.
Primary Topic: Precipitation Measurement and Analysis
Overview
The section discusses the importance of understanding radar system properties, particularly the radiation pattern and receiver phases, for effective radar performance evaluation and data interpretation. It highlights the challenges faced by atmospheric and ionospheric sounding radars, especially those with vertical beam pointing and operating in lower high-frequency bands. The successful launch of the HELIX stratospheric balloon mission on May 28, 2024, provided an opportunity to calibrate three co-located radar systems operating in the frequency range of 3 to 53.5 MHz. The balloon’s proximity allowed for effective active phase calibration of the VHF radar system and verification of target positioning through interferometry.
The findings indicate that the calibration efforts confirmed previously estimated receiver phases across all three radar systems and aligned with their respective two-way radiation patterns. Notably, the angle of arrival (AoA) positions derived from the radar data generally matched the Global Navigation Satellite System (GNSS) track, with some deviations attributed to low signal-to-noise ratios and specific radar configurations. The study also emphasizes the need for advanced imaging techniques to address complexities in VHF scattering and suggests that future balloon missions, if positioned favorably, could facilitate further calibration experiments.
Introduction
The introduction emphasizes the critical role of radar calibration in ensuring the accurate and reliable operation of radar systems, as well as in the analysis of the data they collect. It highlights that while some radar properties can be directly measured, others must be inferred or assumed, which is essential for assessing the radar system’s health and performance. The text notes that reliable receiver phase calibration is particularly important for interferometric methods, such as Angle-of-Arrival estimations and imaging techniques, as inaccuracies can lead to misalignment of the radar beam and erroneous data interpretation.
The challenges of radar calibration are particularly pronounced at lower frequencies, where suitable calibration targets are scarce. The introduction mentions that high-frequency radars (HF, 3-30 MHz) are limited to specific targets, such as horizontal propagation or large structures, and that recent innovations include the use of floating platforms for calibration. A significant opportunity arose on May 28, 2024, when a stratospheric balloon, part of the HELIX mission, served as a valuable calibration target for three atmospheric radar systems operating in a frequency range from nearly 3 to 53.5 MHz. The introduction concludes by outlining the structure of the paper, which will summarize previous calibration efforts, describe the analysis methods employed, and discuss the results of the calibration using the HELIX balloon’s GNSS trajectory.
Discussion
In this section, the discussion focuses on the calibration and performance evaluation of three radar systems—MAARSY, SIMONe Norway, and Saura—utilizing a stratospheric balloon (HELIX) as a calibration target. The MAARSY radar, operating at 53.5 MHz, demonstrated receiver phase discrepancies of up to 0.25 radians compared to passive calibration methods, attributed to both internal and external factors affecting phase variability. The active HELIX experiment provided more stable phase estimates, suggesting that external ionospheric effects were more significant than internal system inconsistencies. The derived angle-of-arrival (AoA) positions from the Saura radar matched closely with the HELIX GNSS track for angles up to 55°, while deviations beyond this were linked to the lower ionosphere’s interference.
For SIMONe Norway, the radar’s configuration allowed for extensive coverage of the HELIX trajectory, achieving a median altitude deviation of less than the radar’s range resolution. The study concluded that while the VHF radar systems showed some inaccuracies, the overall AoA positions derived from all three radar systems were reasonably accurate. The comparison of simulated radiation patterns with detected echo power revealed good agreement, particularly in the timing of detected power enhancements as HELIX traversed the radar’s lobes. However, variability in the individual sidelobes indicated the need for more precise modeling of the radar systems to enhance calibration accuracy.