RADAR "PLUIE" DU PROJET BEST

Les aspects fondamentaux abordés concernent les spécifications du radar et l'étude des algorithmes de restitution _{du taux précipitant pour l'exploitation} des mesures. Après la phase de définition préliminaire, conclue _{par la} thèse _{de M. Marzoug en 89 (B/89.05),} les travaux _{de phase A ont démarré fin 1989 et devraient} s'achever vers mi-1992.

Etude de faisabilité

L'étude industrielle de faisabilité du radar, réalisée _par ALCATEL -ESPACE, est conduite sous la responsabilité technique du CNES/ Toulouse avec le "contrôle _{scientifique"} du CRPE.

Dans l'étude de conception, le _principe retenu était celui d'un radar _{à impulsions} courtes avec une antenne à balayage électronique de grande dimension (diamètre = 10 m) dont le faisceau (empreinte de 1.6 km au nadir) effectuerait _{une exploration} transverse à la trace du satellite _{pour couvrir} une fauchée _adaptative minimale de 100 km de large (plate-forme à 500 km d'altitude). En version _nominale, le radar _{opérerait en bande Ku (13.75} GHz). En option, on envisageait soit un radar bi- fréquence (13.75 et 35 ou 24 GHz), soit un radar possédant une capacité additionnelle de fonctionnement en mode stéréoradar _{(bi-faisceau).}

Une première phase de l'étude industrielle, conclue _par une revue partielle en mars 1991, a permis d'aboutir à une définition réaliste _{du système (version} nominale). Elle a conduit à réviser certaines _{spécifications} sans remettre en cause le _principe de base ni _{compromettre les} capacités scientifiques de l'instrument. Les points clés sont maintenant : l'adoption de la technique de compression d'impulsions pour réduire la puissance crête d'émission en conservant une excellente précision de mesure, la proposition d'un aérien constitué d'un réseau linéaire _{de sources phasées illuminant un réflecteur} cylindro-parabolique déployable de taille plus réduite (6.5 x 6.5 m autorisant une résolution transverse de l'ordre de 2 km) et l'étude d'une fauchée unique étendue à 200 km de large sans pointage adaptatif du faisceau. Les spécifications sévères requises sur le niveau des lobes secondaires _{pour éviter} les effets de contamination par l'écho de surface ont fait _{l'objet d'une investigation} particulière (F/90.01). Par ailleurs, l'option 1 (radar bi- fréquence) reste envisageable en liaison possible avec les objectifs d'une mission étendue aux latitudes extra - tropicales tandis que l'option 2 (mode additionnel stéréoradar) ne semble pas devoir être maintenue dans la mesure où elle _requiert un instrument spécifique auquel s'intéresse _{par ailleurs l'ESA (voir § "stéréoradar} spatial"). Une deuxième phase de l'étude industrielle est engagée pour approfondir l'analyse des points durs (architecture de l'aérien, performances des techniques de compression d'impulsions) en simulant le fonctionnement de l'ensemble _{électronique} du radar. Algorithmes de restitution du taux précipitant (données simulées)

Les études _{menées à partir} de mesures radar simulées numériquement ont permis d'élaborer un ensemble d'algorithmes de restitution du taux précipitant. L'accent a été mis sur _{ceux permettant} la restitution _{de profils} de pluie avec un radar monofréquence (cas du radar de BEST en version nominale ou du radar _{de TRMM). On dispose} en particulier d'un algorithme (KZS) original aux performances supérieures (notamment en ce qui concerne la stabilité et la sensibilité aux diverses causes d'erreur) à celles _{des approches classiques (voir Fig. 2.3).} Il _permet de corriger les effets d'atténuation sur le _trajet, inévitables aux fréquences considérées, au moyen d'un traitement interactif _{des échos de pluie} et de l'écho sur la surface (océan ou terre), utilisé comme contrainte dans l'analyse pour estimer l'atténuation totale subie par l'onde sur le trajet. Le principe mathématique et l'étude des performances de l'algorithme ainsi que l'effet de biais dû à la résolution du faisceau d'antenne, ont fait _l'objet de communications en Colloque et de la rédaction d'articles _(C/89.01, C/90.01, C/90.25, C/acc.20,A/acc.l8, A/sou 01).

L'étude d'algorithmie s'appuyant sur les éléments méthodologiques précédents a été étendue au cas "bi- fréquence" (option 1 de BEST)et sera poursuivie pour atteindre un développement comparable au cas "monofréquence".

Figure 2.3 : Exemple de reconstitution _{par simulation} d'un _profil de taux _{précipitant en fonction} de l'altitude _{à partir} d'un algorithme monofréquence sans contrainte sur l'atténuation totale _(algorithme kZ- _{partie supérieure) et} avec contrainte _fournie par la mesure de l'écho de _{surface (algorithme} kZS - _{partie inférieure). Le} modèle de _pluie est _indiqué en trait _{plein et correspond}

à un taux précipitant maximum de 2 mm/h _{(cas a et d), 10 mm/h (cas b et e) et 50 mm/h}

(cas cetf). Dans chaque cas, le profil de

pluie reconstitué est caractérisé _{par sa} valeur _{moyenne et} son écart _{type à partir} de 100 réalisations _{statistiques.} Les conditions de simulation utilisent les _{caractéristiques prévues pour le} radar _"pluie" de BEST à 13. 75 GHz (version nominale) avec visée au nadir, des variabilités _{statistiques de} 50 % dans la distribution des gouttes et de 50% dans le _{coefficient de rétrodiffusion} ainsi qu'une erreur _{d'étalonnage} de 20% dans la constante radar. _{D'après Marzoug et Amayenc, 1991(Aaccl8)}

Les simulations _{sont poursuivies pour étudier} avec précision certaines limites et les _{moyens d'y remédier :} comportement asymptotique aux faibles taux précipitants, incertitudes dues aux variations du coefficient de rétrodiffusion de la surface de l'océan sous l'effet _{du vent ou de l'impact des gouttes de pluie,} etc...Elles _{permettront également de fixer} définitivement les _{performances algorithmiques} dans la configuration qui sera finalement _{adoptée pour le} radar.

Tests à _partir de données aéroportées

L'utilisation de données réelles constitue _{un préalable} indispensable pour tester les performances des algorithmes de restitution des profils de pluie depuis l'espace. Une telle étude a été _{engagée depuis} 1990 avec le soutien du PAMOS de l'INSU. Elle _s'appuie sur des données (fournies par la NASA/ GSFC) acquises en 1985-86 _{près de Wallops Islands par} un radar _{bi-fréquence} aéroporté (avion P3 de la NASA) simulant une configuration spatiale. Elle bénéficie depuis peu de l'adjonction de nouvelles _{données acquises} en 1989 dans une expérience renouvelée (avion T39 de la NASA).

Hormis la méthode par rétrodiffusion, qui constitue l'approche standard d'estimation de la _{pluie à partir} de radars au sol sans correction de l'atténuation, nous avons développé l'application de trois algorithmes corrigeant l'atténuation, utilisables dans la configuration "monofréquence" du radar de BEST (ou de TRMM). La redondance des résultats a été _{mise a profit pour élaborer} une procédure de comparaisons croisées des estimations de pluie. Les différences de sensibilité aux mêmes causes

d'erreur ont _{permis de définir une méthodologie originale} de validation _{des profils de pluie} obtenus. _{Les premiers} résultats ont été _{communiqués en Colloque (C/acc.18).} Ils ne concernent encore que des études de cas et nous prévoyons le _{développement de tests statistiques,} incluant également le cas des _{algorithmes "bi-fréquence".}