Procesamiento de rango y modos de barrido¶

Qué resuelve¶

Entre la serie temporal cruda que entrega el DRx y el radial de momentos que consume el RCP hay un conjunto de decisiones de organización de los datos que no son «un algoritmo» en el sentido de una fórmula, pero que determinan la resolución, el alcance y la sensibilidad del sistema, y que si se equivocan producen errores geométricos —eco desplazado en rango— que ninguna calidad de estimador compensa.

Son tres cosas: cómo se mapean las muestras del DRx a celdas de rango, cómo se promedian en rango cuando se pide celda gruesa, y cómo se combinan barridos con parámetros distintos para obtener a la vez buena reflectividad y buena velocidad.

Cómo funciona¶

Asignación de rango. Cada muestra tras el DDC corresponde a un instante desde el disparo, y por tanto a una distancia r = c·t/2. El primer bin no está en r = 0: hay un retardo de sistema —longitud de guía de onda, latencia del receptor y del filtro digital, retardo del propio trigger— que desplaza el origen y que tiene que medirse y configurarse, no estimarse. El contrato lo expone como start_range_m, y los trigger_delay_N del contrato DRx↔DSP son la otra mitad de la misma cuenta. Un error aquí es un error de posición de todo el eco, y es de los que sobreviven años sin que nadie lo note si no se verifica contra un blanco fijo de posición conocida.

Resolución y promediado en rango. El tamaño de celda no puede ser mejor que la resolución que da el ancho de pulso: con un pulso de 0,83 µs la resolución física son 125 m, y pedir celdas más finas no añade información, sólo muestras correlacionadas. El modo de celda gruesa —cell_mode del contrato DRx↔DSP— promedia muestras contiguas en rango, lo que reduce la varianza de los momentos por raíz del número de muestras promediadas a costa de resolución. La decisión de dónde se hace ese promediado importa: promediar potencias después de estimar es distinto de promediar muestras I/Q antes de estimar, y sólo lo segundo gana muestras independientes de verdad. Hay que fijar y documentar cuál se hace. Con ancho de pulso variable, la tabla que relaciona pulse_width_idx con el tamaño de celda coherente es configuración, y una petición incoherente se rechaza con gate_count_illegal o prf_range_illegal según el caso.

Modos de barrido / tipos de corte. El compromiso entre rango no ambiguo y velocidad no ambigua se puede resolver también repartiendo el trabajo entre barridos distintos, y el contrato DRx↔DSP expone tres:

Split cut. Dos barridos completos a la misma elevación: uno a PRF baja, que da alcance largo y reflectividad limpia, y otro a PRF alta, que da velocidad con Nyquist amplio y alcance corto. Los momentos publicados se componen tomando la reflectividad del primero y la velocidad y el ancho espectral del segundo. La combinación exige que las dos pasadas estén alineadas en azimut, y esa alineación es responsabilidad del pipeline, no de la antena.
Batch cut. El mismo reparto pero dentro de un solo barrido, alternando bloques de pulsos de PRF baja y alta por radial. Ahorra un barrido completo de tiempo y evita el problema de alineación, a costa de menos pulsos por bloque y por tanto más varianza en ambos conjuntos de momentos.
Doppler cut. Un único barrido a PRF alta; todo se estima de la misma serie. Es el modo simple y el que exige más del dealiasing.

Ensamblado del radial. Los ángulos llegan como cuentas crudas de encoder SSI —azimuth_raw, elevation_raw— y hay que convertirlos a grados con la resolución del encoder y su offset de cero, ambos configuración. Un radial cubre un sector angular, no un ángulo: el contrato publica az_start_deg/az_end_deg y el_start_deg/el_end_deg precisamente para no colapsar eso en un solo número. La decisión de cuándo se cierra un radial —por número de pulsos, por ángulo recorrido, o por lo primero que ocurra— determina si el producto tiene radiales de anchura uniforme, y hay que tomarla explícitamente.

Configuraciones cubiertas¶

Independiente de transmisor y de polarimetría, con dos matices. En modo polarimétrico alternante, un bloque de pulsos contiene la mitad de muestras por canal, lo que interactúa con la elección de longitud de bloque en batch cut. Con magnetrón, la corrección de fase debe aplicarse antes de cualquier promediado de muestras I/Q en rango; promediar muestras con fase aleatoria sin corregir las destruye.

Parámetros del contrato que consume¶

De config (DSP↔RCP): start_range_m, gate_spacing_m, n_gates, prf_hz, sweep_mode. Del contrato DRx↔DSP: bins, pulse_width_idx, cell_mode, scan_mode, prf_div, azimuth_raw, elevation_raw y los trigger_delay_N/trigger_width_N. Publica por radial la geometría completa, más unambiguous_range_m y nyquist_velocity.

Criterio de aceptación¶

Un blanco puntual simulado a rango conocido debe aparecer en la celda que le corresponde, con tolerancia de menos de media celda, en todas las combinaciones de ancho de pulso y modo de celda soportadas. El promediado en rango debe reducir la varianza de los momentos en el factor teórico esperado —si no lo hace, las muestras que se están promediando no son independientes y el modo no está dando lo que promete—. Para los modos de corte, un escenario con reflectividad y velocidad conocidas y velocidad por encima de la Nyquist de la PRF baja debe producir un radial compuesto con la reflectividad del barrido largo y la velocidad correcta del corto, verificando de paso que la alineación en azimut no introduce desplazamiento.

Coste de cómputo¶

La asignación de rango es aritmética de índices. El promediado en rango es lineal en el número de muestras y se funde en la misma pasada que la conversión de formato y la corrección de fase. El coste real de esta etapa no es aritmético sino de memoria: es donde se decide la disposición de los buffers —canal más rápido que bin en el cable, según el contrato— y una disposición que obligue a recorrer la memoria a saltos en la etapa de momentos cuesta más que todos los cálculos de esta página juntos.

Referencias abiertas / implementaciones libres¶

Doviak, R. J. & Zrnić, D. S., Doppler Radar and Weather Observations, 2ª ed., 1993 — capítulos 3 y 4: resolución en rango, volumen de resolución y muestreo.
Torres, S. M. & Zrnić, D. S. (2003), «Whitening in Range to Improve Weather Radar Spectral Moment Estimates», Journal of Atmospheric and Oceanic Technology — sobremuestreo en rango y blanqueado, la vía avanzada para ganar muestras independientes; candidata de Stage 2.
LROSE/RadX — su modelo de datos de radar (geometría de radial, sector angular, modos de barrido) es la referencia abierta más completa y coincide conceptualmente con lo que el contrato publica.
Py-ART — su objeto Radar y sus convenios de geometría sirven de contraste para verificar que la geometría publicada se interpreta como se pretende aguas abajo.