Modélisation des signatures radar des tourbillons de sillage par temps de pluie

Modeling of radar signatures of wake vortices

• Auteur / Autrice : Zhongxun Liu
• Direction : François Vincent, Nicolas Jeannin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides et Signal, image, acoustique et optimisation
• Date : Soutenance le 27/05/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Signal, communication, antenne et navigation, radar (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département électronique, optronique et signal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence de sillage

Tourbillons (mécanique des fluides)

Radar

Mots clés libres

Tourbillons de sillage

Wake vortex

Radar

Pluie

Spectre Dopller

Detection

Wake vortex

Radar

Rain

Doppler spectrum

Detection

Résumé

La surveillance des turbulences de sillage par radar en temps de pluie présente un intérêt à la fois pratique et scientifique. Cette thématique a été traitée à travers trois étapes successives.Tout d’abord, le mouvement et la distribution des gouttes d’eau dans les vortex ont été modélisés et simulés. A partir de l’équation de la dynamique appliquée sur une goutte d’eau, une méthode de calcul de la trajectoire des gouttes d’eau et de leur concentration dans les turbulences de sillage a été proposée. Ensuite, deux simulateurs de réponse radar des gouttes d’eau dans et autour des vortex ont été proposés. Ces deux simulateurs ont été utilisés pour reproduire des configurations expérimentales, et une comparaison préliminaire avec les mesures a montré une concordance intéressante entre mesures et simulations en bande X et W. Enfin, l’interprétation de la signature radar des gouttes de pluie dans les vortex a été présentée. La dépendance de la signature envers différents paramètres, à savoir l’intensité de précipitation, la circulation des vortex et les paramètres radar, a été étudiée pour des turbulences de sillage générées par différents types d’avions. Une méthode de détection des turbulences de sillage basée sur la largeur du spectre Doppler des gouttes de pluie et un algorithme permettant d’estimer les caractéristiques des turbulences de sillage ont été proposées. La signature radar des turbulences de sillage par temps de pluie a été modélisée et analysée dans cette thèse. Les résultats de simulations ont démontré les capacités du radar pour la détection de ces turbulences. Les méthodes développées dans cette thèse pourront être utilisées pour le dimensionnement de systèmes radar dédiés à la surveillance des turbulences de sillage par temps de pluie.

Nvestigation on radar monitoring of wake vortices in rainy weather is of both scientific and practical interests. This topic hasbeen tackled through three successive steps during this thesis.Firstly, the motion of raindrops in wake vortices has been modeled and simulated. The equation of the motion has been derived and the methodology to compute the raindrops' trajectory and distribution in the flow induced by the wakevortices has been proposed. Secondly, two simulators have been developed for evaluating the radar signatures of raindropsin wake vortices. Those simulators have been used to reproduce experimental configurations and the comparison betweenmeasured and simulated signature has shown an interesting agreement at X and W band. Lastly, the interpretation of radarsignatures of raindrops in wake vortices has been presented. The dependence of radar signatures on rain rate, vortexcirculation and radar parameters has been studied. A wake vortex detection method based on the analysis of Dopplerspectrum width of raindrops and a methodology to estimate the wake vortex characteristics have been proposed.The radar signatures of wake vortices in rainy weather have been modeled and analyzed in this thesis. The simulationresults have demonstrated the capability of radar to detect wake vortex in rainy weather. The methodologies developed inthis thesis can be further exploited for designing new wake vortex radar systems.