Calibración polarimétrica: ZDR y ΦDP de sistema

Qué resuelve

La calibración de reflectividad persigue exactitud absoluta: convertir potencia recibida en dBZ físicos. La calibración polarimétrica persigue algo distinto y más exigente en un aspecto: exactitud relativa entre los dos canales de recepción. ZDR es una diferencia de dos potencias medidas por cadenas distintas, así que cualquier diferencia de ganancia entre esas cadenas se suma directamente al valor publicado. Y la exigencia de precisión es dura: las aplicaciones que consumen ZDR —clasificación de hidrometeoros, estimación de tasa de lluvia— piden un sesgo por debajo de 0,1-0,2 dB, un orden de magnitud más estricto que la tolerancia habitual de 1 dB para la calibración absoluta de Z.

Lo mismo vale, con menos dramatismo, para ΦDP: los dos canales tienen longitudes eléctricas distintas y eso produce un desfase constante que no es del meteoro sino del equipo, y que hay que restar antes de publicar.

Cómo funciona

Offset de ZDR. Hay tres métodos y conviene tener los tres, porque miden partes distintas de la cadena y su acuerdo o desacuerdo es diagnóstico.

El primero es la inyección de señal de prueba en la entrada de los dos receptores con potencia idéntica conocida: la diferencia medida es el desbalance de la cadena receptora, y es la parte que puede verificarse a diario de forma automática. No cubre la antena ni la cadena de transmisión.

El segundo es el apuntamiento vertical —birdbath, con la antena a 90° de elevación—: en lluvia, mirando hacia arriba, las gotas se ven desde abajo y su sección eficaz es la misma en las dos polarizaciones, así que el ZDR verdadero es cero por simetría, y todo lo que se mida es offset. Es el método de referencia porque cubre la cadena completa, y su limitación es operativa: exige lluvia, exige interrumpir el escaneo, y no es aplicable con antenas que no lleguen a vertical.

El tercero es la comparación con dispersores naturalmente conocidos: llovizna ligera, o la señal de eco de dispersión de Bragg en aire claro, cuyos valores de ZDR esperados están acotados por la literatura. Es el método de respaldo para instalaciones sin apuntamiento vertical.

ΦDP de sistema. Se estima como la moda o la mediana del ΦDP medido en las primeras celdas de rango con eco meteorológico, donde la fase acumulada de propagación es todavía despreciable. Es un valor estable que deriva lentamente, y su seguimiento en el tiempo es un buen indicador de salud de la cadena de recepción.

Aislamiento de polarización cruzada. Si la instalación publica LDR, hay que conocer el aislamiento de la antena, porque es el que fija el suelo por debajo del cual LDR ya no mide el meteoro. Se determina en banco o con blanco de referencia, y entra en el DSP como límite de validez del momento, no como una corrección.

Configuraciones cubiertas

Aplica sólo con polarimetría. El método de inyección de señal funciona igual en modo simultáneo y alternante. El apuntamiento vertical es el método de referencia en los dos, pero en modo alternante mide además la simetría de la conmutación, que en modo simultáneo no existe. El tipo de transmisor es indiferente para el offset de ZDR medido por birdbath —cubre la cadena entera, sea cual sea la fuente— pero con magnetrón la deriva de frecuencia desplaza la señal dentro de los filtros de FI de los dos canales, y si esos filtros no están perfectamente apareados el offset de ZDR pasa a depender de la sintonía. La consecuencia práctica es que con magnetrón el offset de ZDR debe verificarse con más frecuencia y correlacionarse con el estado del AFC.

Parámetros del contrato que consume

De config: zdr_offset_db y phidp_offset_deg, que el RCP fija y el DSP aplica. El contrato v0.1 los transporta como constantes: el DSP aplica la corrección, no la determina en línea. La determinación —campañas de birdbath, inyección de señal, seguimiento histórico— vive del lado del RCP y del operador. Si en el futuro se quisiera que el DSP estimara el offset por sí mismo durante un dwell de apuntamiento vertical, haría falta un mensaje de resultado de calibración que hoy no existe en el contrato; queda registrado como alcance de Stage 2.

Criterio de aceptación

Sobre escenarios simulados con un desbalance de ganancia inyectado conocido, el ZDR publicado tras aplicar el offset debe recuperar el valor verdadero dentro de 0,1 dB. Sobre un escenario de apuntamiento vertical simulado —ZDR verdadero cero—, el procedimiento de estimación del offset debe recuperar el desbalance inyectado. Para ΦDP, sobre un perfil con fase de sistema inyectada y fase de propagación creciente, la estimación de la fase de sistema debe separar correctamente las dos contribuciones. Ninguna de estas pruebas necesita hardware, que es precisamente lo que permite tenerlas listas antes del comisionamiento.

Coste de cómputo

Nulo en el camino de datos: aplicar el offset es una resta. El coste está en los procedimientos de determinación, que son campañas de medida, no bucles calientes.

Referencias abiertas / implementaciones libres

• Bringi, V. N. & Chandrasekar, V., Polarimetric Doppler Weather Radar, 2001 — capítulo sobre calibración de sistemas polarimétricos.
• Ryzhkov, A. V., Giangrande, S. E., Melnikov, V. M. & Schuur, T. J. (2005), «Calibration Issues of Dual-Polarization Radar Measurements», Journal of Atmospheric and Oceanic Technology — tratamiento sistemático de las fuentes de sesgo de ZDR y de los métodos de calibración.
• OMM/WMO, Guide to Instruments and Methods of Observation y guías del programa OPERA (EUMETNET) — procedimientos operativos de verificación periódica.
• wradlib — wradlib.verify y utilidades de intercomparación, aplicables al seguimiento histórico del offset.
• Py-ART — utilidades de estimación de ΦDP de sistema y de corrección de ZDR sobre datos ya adquiridos.