Radar de matriz de fase multifunción

El radar de matriz de fase multifunción (MPAR) fue un sistema de radar Doppler experimental que utilizaba tecnología de matriz de fase . El MPAR podía escanear en ángulos de hasta 60 grados de elevación y rastrear simultáneamente fenómenos meteorológicos, objetos biológicos voladores, aeronaves no cooperativas y tráfico aéreo . Desde 2003 hasta 2016, hubo un MPAR operativo en el territorio continental de Estados Unidos: un radar AN/SPY-1A reacondicionado , prestado a la NOAA por la Armada de los Estados Unidos . ^{[ 2 ]} El MPAR fue dado de baja y retirado en 2016.

La NOAA y la FAA planean eventualmente desmantelar sus radares NEXRAD , TDWR y ASR en favor de varios cientos de radares de matriz de fase conceptualmente similares al MPAR. ^{[ 3 ]}

El MPAR se derivó de un radar naval de la Armada de los EE. UU., el AN/SPY-1. Entró en servicio por primera vez en 1973 cuando se instaló en el USS Norton Sound , y se convirtió en el radar de búsqueda aérea estándar de la Armada de los EE. UU. y las armadas de varias otras naciones aliadas. Durante su uso, se descubrió que la tasa de falsas alarmas era alta debido a que el radar detectaba enjambres de insectos y ruido proveniente del terreno montañoso cercano. ^{[ 4 ]} Aunque problemático para un radar militar de defensa aérea , esto es ideal para un radar meteorológico , y convirtió a los radares de matriz de fase en un candidato principal para su implementación en el espectro meteorológico. A medida que surgieron diferentes versiones de la familia AN/SPY durante la década de 1990, en 2003 la Armada de los EE. UU. prestó un radar AN/SPY-1A excedente a la NOAA para investigación meteorológica. La NOAA construyó una torre y un pedestal para albergar la antena y sus componentes en el Laboratorio Nacional de Tormentas Severas en Norman, Oklahoma . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Los radares convencionales suelen utilizar una gran antena parabólica para enfocar el haz de radar y dependen de motores para moverla en acimut y elevación. Por el contrario, los arreglos de fase son un conjunto de antenas compuesto por muchas antenas pequeñas en un panel plano, que dirigen el haz de radar electrónicamente cambiando la fase de la señal emitida por cada elemento de antena. Las señales de cada elemento se suman en la dirección deseada y se cancelan en otras direcciones, un fenómeno conocido como interferencia . Esta capacidad puede obviar la necesidad de motores y piezas móviles, lo que aumenta la fiabilidad y puede disminuir el coste del sistema. ^{[ 7 ]} Sin embargo, los ángulos en los que un arreglo de fase de panel plano puede dirigir su haz están limitados a un máximo de aproximadamente 120°, siendo 90° más realista. Esto significa que se requieren cuatro paneles, montados en ángulo recto entre sí, para proporcionar una cobertura completa de 360°, o menos paneles (incluso solo uno), montados en un pedestal giratorio como en un radar de plato convencional. ^{[ 8 ]} Una alternativa es construir el radar a partir de muchas tiras de antena altas pero estrechas dispuestas en un cilindro. ^{[ 8 ]}

De 2003 a 2016, el MPAR constituyó el núcleo del Banco de Pruebas Nacional de Radares Meteorológicos (NWRT), utilizado como prueba de concepto para validar el potencial meteorológico de los radares de matriz en fase. El MPAR proporcionó escaneos volumétricos mucho más rápidos, perfiles de viento completos y una visión más completa de la estructura supercelular , al tiempo que rastreaba aeronaves simultáneamente. ^{[ 9 ]} Debido a la resolución temporal que oscila entre 30 y 60 segundos y la solución de escaneo de un sector utilizada por el MPAR, los tiempos de anticipación de las alertas de tormentas severas y tornados aumentaron hasta 8 minutos desde los 13 minutos ya existentes. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Una desventaja del MPAR, en comparación con los radares NEXRAD actualmente en uso , era que el MPAR no admitía la polarización dual , es decir, la orientación polar del haz del radar. La tecnología de polarización dual aprovecha el hecho de que las gotas de lluvia que caen tienen una forma aplanada como resultado de la resistencia del aire, y por lo tanto, devuelven una señal diferente en el plano horizontal que en el vertical. ^{[ 12 ]} De manera similar, otros objetos —nieve, granizo, aves e insectos, humo— también reflejan el haz del radar de manera diferente en los dos planos. Estas diferencias son medidas por el radar, los algoritmos informáticos procesan los datos y producen conclusiones sobre la naturaleza de la precipitación detectada. El radar polarimétrico proporciona mejoras en la detección de tornados, mediciones de la tasa de lluvia, discriminación del tipo de precipitación y más. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} La capacidad de doble polarización se implementó en los radares NEXRAD existentes a partir de 2011 y se completó en abril de 2013. ^{[ 16 ]} El MPAR, al ser un diseño de la década de 1970, no tenía capacidad polarimétrica y su modernización habría sido costosa, si no imposible. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Esta limitación se abordó en el sucesor del MPAR (véase la sección siguiente).

Además de la observación meteorológica, el MPAR era capaz de realizar vigilancia del tráfico aéreo; este era el papel original de los potentes radares AN/SPY-1 de los que se derivó el MPAR. La capacidad de detectar y rastrear aeronaves mientras se monitoreaba simultáneamente el clima atrajo la atención de la FAA, que opera numerosos radares para fines de control de tráfico aéreo (por ejemplo, la serie ASR), así como radares meteorológicos localizados cerca de los aeropuertos (unidades TDWR) para detectar peligros para las aeronaves, como bandadas de pájaros , cizalladura del viento y microrráfagas , entre otros . ^{[ 19 ]} Nueve modelos diferentes de radares parabólicos podrían ser reemplazados por un radar de matriz de fase. ^{[ 20 ]} La consolidación de estos diferentes tipos de radares y sus funciones en un solo modelo generaría ahorros de costos al reducir hasta un tercio de los radares necesarios, una capacitación y un mantenimiento optimizados, y un aumento en la confiabilidad gracias a la estandarización de las piezas de repuesto. ^{[ 19 ] [ 21 ]}

Aunque el MPAR era un radar potente con características únicas que no estaban disponibles en los radares meteorológicos y de vigilancia aérea convencionales, su diseño era antiguo, utilizaba componentes obsoletos y su potencial de actualización de hardware era muy limitado; en muchos aspectos era inferior a los radares convencionales. Para dar paso a un radar más avanzado, el MPAR fue desmantelado y retirado de su torre el 26 de agosto de 2016. ^{[ 22 ]}

El Laboratorio Lincoln del MIT lideró el proyecto para diseñar un sucesor del MPAR de doble polaridad, incorporando las numerosas lecciones aprendidas del desarrollo y la operación del MPAR. ^{[ 21 ]} El prototipo, denominado Demostrador de Tecnología Avanzada (ATD), se instaló el 12 de julio de 2018 en la torre que anteriormente albergaba el MPAR, y se espera que esté completamente operativo en 2019. ^{[ 22 ] [ 23 ]}Al igual que el MPAR, el radar ATD es una antena de panel plano en fase de banda S con un campo de visión de 90°. Está compuesto por 76 paneles cuadrados, cada uno con 64 elementos radiantes (para un total de 4864 elementos) dispuestos en una antena de 4,3 m (14 pies ) , y está montado sobre un pedestal giratorio similar a los utilizados por las antenas parabólicas NEXRAD. ^{[ 24 ]}