Slide 1 - Sistema de Monitoramento Meteorologico Remoto

Radar Meteorológico
Michel Nobre Muza
[email protected]
IFSC - Curso Técnico de Meteorologia
Michel Nobre Muza
Radar Meteorológico
Introducao
RADAR = RAdio Detection And Ranging
É um sistema de deteccao e localizacao
de um alvo inicialmente feito por ondas de
rádio UHF. A energia do sinal refletido pelo
alvo e analisada por um dispositivo de
recepcao de forma que as características
do alvo podem ser determinadas.
DAEE
Utilidade: monitoramento, previsao de
curtissimo prazo e pesquisa
Introducao
Histórico:
Nenhuma pessoa ou país é capaz de dizer quem inventou o
métodos de radar.
O radar é o resultado de um acúmulo de desenvolvimento e
tecnologia atingido por cientistas de vários países.
A motivação para tal foi dirigida pelas necessidades das
guerras relacionada ao desenvolvimento da força aéreas
nacionais.
Entretanto, depois da 2ª Guerra o radar foi colocado em uso
pacífico.
IFSC - Curso Técnico de Meteorologia
Michel Nobre Muza
Radar Meteorológico
Introducao
Histórico:
1865 – Estudos de James Maxwell (eletromagnetismo)
1886 – Heinrich Hertz: provou teoria Maxwell / escala Hz
1904 – Christian Hulsmeyer usou pela primeira vez a prática
de radar monitorando um fluxo de água.
1922-36 – Radar é usado para localizar aeronaves.
1940 – USA, Russia, Germany, France, and Japan têm
radares
1941 – Radares Meteorológicos
1977 – Primeiras pesquisas com radares no Brasil (SP)
Tipos de sensores
Sistemas Remotos
Passivo
Radiômetros
Ativo
Radar
Tipos de radares
Os radar sao do tipo:
Radar Primario
Radar Secundario
Radar de Pulso
Radar de onda continua
Nao Modulado
Modulado
Tipos de radares
Radar Primário: Transmite sinais de alta freqüência que são
refletidas no alvo. Os ecos (seu próprio sinal retornando)
são recebidos e avaliados.
Radar Secundário: Esse radar precisa de um transponder
(TRANSmitting resPONDER), emitindo e recebendo um
sinal codificado.
Radar de Onda Contínua
Sinais de alta freqüência transmitidos continuamente, sendo o
eco permanentemente recebido e processado. Além disso,
o receptor não precisa estar no local do transmissor. O
receptor remoto compara o tempo de propagação com o
sinal refletido. Pesquisas demonstram que o local correto
pode ser conhecido com três receptores remotos.
Tipos de radares
Radar de Pulsos: O pulso do radar é a transmissão e um sinal
impulsivo de alta-freqüência (grande energia). Após isto, a uma
parada para que os ecos retornem antes de um novo envio de
sinal de transmissão. Direção, distância e algumas vezes a
altitude do alvo podem ser determinados da medida de posição
da antena com o tempo de propagação do sinal de pulso.
Tipos de radares
Modulado
Sinais constante em amplitude, mas modulado em freqüência
para medir o tempo de propagação do sinal. Muito utilizado
em aeroportos onde medidas contínuas são mais
importantes do que a distância alcançada, ou para obter
uma perfil de vento. Entretanto, essa unidade de radar tem
também tem bom alcançe horizontal.
Não modulado
Sinais constante em amplitude e freqüência. Usado para medir
velocidade (p.ex.: pela polícia). Não podem medir distância
com precisão.
Tipos de radares
Outras variacoes de tipos de radar:
Radar Bi-Estático consiste em separar o transmissor e
receptor por uma distância considerável.
Radar Meteorológico (convencional)
Sistema primitivo com pouco processamento (mapas e
estatísticas), embora muito desses estejam distribuídos
pelo globo.
Radar Meteorológico Doppler
É um tipo de radar que mede as mudanças na freqüência do
sinal de retorno para determinar se o alvo esta se movendo
para longe ou a caminho da antena. Objetos movendo-se
tangencialmente não mostram mudança na freqüência.
Entre os Radares Meteorológicos Doppler: há os que
conseguem detectar a diferença entre pulsos saindo e
retornando e os que não diferenciam.
Tipos de radares
Radar Meteorológico Doppler Polarimétrico
Radares com funções de processamento e
transmissão adicionais que permite fornecer
a direcionalidade da energia eletromagnética
refletida que retorna.
Componentes presentes em um simples radar
Construção física do Radar
1) Sistema de Transmissão
(Oscilador-sincronizador)
2) Transmissor
3) Modulador
4) Antena
5) Sistema de Recepção
6) Interface grafica (visor)
DAEE
DAEE
Componentes presentes em um simples radar
Oscilador (sincronizador)
-princípio do funcionamento do radar.
-produção de um sinal elétrico em uma f desejada.
-f em bandas de rádio ou microondas
-precisão é essencial para calcular o efeito Doppler.
Componentes presentes em um simples radar
Transmissor
-transmitir e aumentar a potência do sinal do oscilador.
Componentes presentes em um simples radar
Modulador ou Comutador (ou Duplexer)
-Liga e desliga.
-não pode distorcer o sinal.
-projeto minucioso.
-possibilita utilizar a mesma antena
-chave entre transmissor/receptor.
-evita sobrecarga no receptor
-o sinal de retorno é dirigido exclusivamente ao receptor.
-ausente em radares de pulso contínuo.
Componentes presentes em um simples radar
Antena
-Formato de prato de metal (parabólica).
-emissão de ondas eletromagnéticas.
-emitidas em uma direção preferencial
-antenas giratórias.
-varredura de uma área específica.
-receptor usa a antena para recolher o
sinal refletido (eco)
Componentes presentes em um simples radar
Sistema de Recepção
-tem a função de analisar os ecos
-os ecos são convertidos em sinais elétricos.
-pode conter algoritmos que determinem quando o sinal foi
devolvido, separado de ruídos e interferências.
Receptor
-modernos são digitais
-maximizar a força do sinal de retorno
-eliminar ruídos e interferências no sinal (turbulência, pássaros,
insetos)
-filtro Doppler
Visor
Resultado final
-Gera a informação útil.
-mostra a direção do alvo em relação ao radar
-há radares sem visor, apenas para notificar a presença de objetos
(sem velocidade etc)
Ideia do funcionamento basico do radar a partir da acustica
Eco (acústica)
é uma reflexão de som que chega ao ouvinte pouco tempo
depois do som direto.
-reverberação
-intensidade de um eco é medida em decibeis (dB).
Ecos podem ser desejáveis (como no radar ou sonar) ou
indesejáveis (como nos sistemas telefônicos).
Ecolocalização
A eco localização, também chamada de
“biosonar”, é uma capacidade natural,
encontrada em baleias, golfinhos e
morcegos, de utilização de emissão de
ondas ultra-sons para locomoção e captura
de presas.
A partir do estudo da mesma, os seres humanos desenvolveram a
“ecolocalização artificial”, com o advento do radar, sonar e aparelhos de
ultra-sonografia. Na realidade, nenhuma dessas “imitações humanas” se
compara à qualidade e perfeição da ecolocalização animal.
Parametros do radar: funcionamento basico
O efeito Doppler
-é uma característica observada nas ondas
quando emitidas ou refletidas por um objeto que
está em movimento com relação ao observador.
-Johann Christian Andreas Doppler
(em 1842). Comprovado três anos depois por Christoph B. Ballot
em um experimento com ondas sonoras.
-Em ondas eletromagnéticas (1848), pelo francês Hippolyte Fizeau.
Assim, também chamado de efeito Doppler-Fizeau.
Características
λ > fonte se afasta (frecebida < femitida)
λ < fonte se aproxime (fr > femitida)
Típico: ambulância com sirene ligada.
-Nas ondas luminosas
Desvio p/ vermelho (quando se afasta)
Desvio p/ violeta (quando se aproxima)
Aplicações
Medição de velocidades:
-radares (radiofreqüência)
-lasers (freqüências luminosas)
Em astronomia, permitiu concluir que o universo está
em expanção.
Na medicina, um ecocardiograma utiliza este efeito para
medir a direção e velocidade do fluxo sanguíneo ou do
tecido cardíaco.
O efeito Doppler é de extrema importância quando se
está comunicando a partir de objetos em rápido
movimento.
Velocidade Doppler: O Radar
meteorológico Doppler detecta, além da
intensidade da precipitação, a velocidade e
a direção do movimento dos alvos,
dependendo se estes estão se movendo
em direção ao radar ou se afastando do
radar. Este produto é muito efetivo no caso
de tempestades severas e meso-ciclones,
uma vez que este pode auxiliar na medida
da rotação das células convectivas. Esta
medida auxilia na determinação da
violência do fenômeno, e propicia a
melhora dos alertas.
Determinacao da maxima area de abrangencia do radar
Parametros do radar
Comprimento do pulso: e’ o tempo de
transmissao do pulso (usualmente medido em
microsegundos). Tambem chamado de duracao
do pulso.
Frequencia de repeticao do pulso: e’ o numero
de pulsos transmitido em um dado tempo
(pulsos por segundo).
Pico de energia: é a maxima energia do pulso
(Watts).
Comprimento de onda: transmissao do radar
(microondas 3 a 10 cm)
Largura do feixe: e’ a largura angular.
Diametro da antena: e’ relacionada ao
comprimento de onda da operacao do radar.
Radar Meteorológico Doppler Polarimétrico
Parâmetros polarimétricos
Reflectividade Diferencial ( ΖDR ) : é a relação entre a potência do sinal refletido
polarizado horizontalmente e a do sinal reflectido polarizado na vertical; constitui um
bom indicador da forma dos alvos permitindo distinguir, por exemplo, o granizo
(essencialmente partículas esféricas) de gotas de chuva com grande dimensão .
Coeficiente de Correlação ( ρHV ): é a correlação entre a potência do sinal refletido
polarizado horizontalmente e a do sinal refletido polarizado na vertical; constitui um
bom indicador da existência de volumes da atmosfera em que haja coexistência de
gelo e agua: permite identificar regiões com mistura de chuva e neve, por exemplo.
Nestes casos os sinais com cada tipo de polarização tendem a ser afetados de modo
diferente ao atravessar a região com mistura de alvos.
Radar Meteorológico Doppler Polarimétrico
Fase diferencial ( ΦDP ): é a diferença de fase entre a onda com polarização
horizontal e a onda com polarização vertical; aparece com valor não nulo se o
conjunto de partículas existente no volume da atmosfera tiver uma orientação
predominante.
Fase Diferencial Específica ( ΚDP ): é a taxa de variacao espacial da fase diferencial,
ou seja, uma comparação da diferença de fase entre os pulsos polarizados horizontal
e verticalmente, a duas distâncias diferentes; constitui um bom estimador da
intensidade de precipitação.
Razão de despolarização linear ( LDR ): constitui a relação entre a potência recebida
no canal com polarização cruzada (potência recebida com polarização vertical, da
que foi emitida com polarização horizontal) e a potência recebida no canal com copolarização (potência recebida com polarização horizontal, da que foi emitida com
polarização horizontal).
Radar Meteorológico Doppler Polarimétrico
Aplicações de sistemas de polarização dupla
Entre algumas das possibilidades inovadoras que esta tecnologia permite contamse: a discriminação entre partículas de granizo e gotas de chuva, ou seja, a
identificação do tipo de hidrometeoro (neve, chuva, granizo);
a identificação da dimensão média das partículas de granizo;
a identificação de células convectivas com atividade elétrica;
A sensível melhoria nas estimativas da intensidade de precipitação em várias
formas (chuva, neve).
Radar Meteorológico Doppler Polarimétrico
Aplicações de sistemas de polarização dupla
Outras aplicações de grande importância sao a existência de assinaturas
polarimétricas específicas de pássaros, insectos e mesmo ecos de propagação
anomala, as quais serão identificadas por sistemas com este tipo de tecnologia.
Também as partículas de fumaca de incêndio poderão ser melhor identificadas e
distinguidas dos ecos de nuvens e precipitação, recorrendo a este tipo de sistema.
A realização de diversos estudos tem evidenciado que a utilização de radares de
polarização dupla podem vir a ter um impacto atualmente tão significativo como o foi a
introdução da capacidade Doppler nos anos 80, fornecendo benefícios quantificáveis
em Meteorologia e Hidrologia. Permitirão melhorar as previsões de curto prazo e a
emissão de avisos de tempo severo.
Bandas de Frequencias
Bandas: Meteorológico, Doppler e Polarimétrico operam na
Banda S, C ou X.
Característica
Radar Primário
Meteorológico
freqüência
L, S
L, S, C, X
Doppler
sim
sim
Escaneamento
Azimute OU Elevação
Azimute E Elevação
Imagens a cada
6-12 seg.
5-15 min.
Tamanho da antena
Grande (λ longo)
Pequena (λ curto)
Ultra High
Frequency
Bandas de Frequencias
Bandas: Meteorológico, Doppler e Polarimétrico operam na
Banda C, S, ou X.
Característica
Radar Primário
Meteorológico
freqüência
L, S
S, C, X, L
Doppler
sim
sim
Escaneamento
Azimute OU Elevação
Azimute E Elevação
Imagens a cada
6-12 seg.
5-15 min.
Tamanho da antena
Grande (λ longo)
Pequena (λ curto)
AZIMUTE (A): afastamento angular do
ponto cardeal norte do plano circular
ao observador no sentido norte-lestesul-oeste (varia de 0º a 360º).
Bandas de Frequencias
Bandas: Meteorológico, Doppler e Polarimétrico operam na
Banda C, S, ou X.
Característica
Radar Primário
Meteorológico
freqüência
L, S
S, C, X, L
Doppler
sim
sim
Escaneamento
Azimute OU Elevação
Azimute E Elevação
Imagens a cada
6-12 seg.
5-15 min.
Tamanho da antena
Grande (λ longo)
Pequena (λ curto)
ELEVACAO: afastamento angular de um astro ou
satélite em relação ao horizonte astronômico do
observador. É positiva para os astros situados
acima do horizonte e negativa para os que estão
abaixo, portanto, de - 90º até + 90º. Os pontos da
Esfera Celeste situados na linha do horizonte têm
h = 0º; o zênite tem h = 90º e, o nadir, h = - 90º.
Interacao com a atmosfera
Transmissividade
Habilidade da atmosfera de deixar a radiação atravessá-la. Depende dos
componentes atmosféricos e varia conforme o comprimento de onda.
Vapor d’água, CO2 e O3 absorvem em faixas específicas e permitem que
outras passem.
Evita-se sensores que operem fora das janelas.
Janelas atmosféricas
Interacao com a atmosfera
Propagacao do feixe do radar:
Subrefracao – fraca refratividade;
Refracao padrao – refratividade normal;
Superefracao – forte refratividade
(ex.; inversao termica).
Figura esquematica do funcionamento de um Radar
Refletividade do Radar:
A medida de um alvo eficientemente interceptado retorna na forma
de energia para o radar. Esta depende do tamanho, aspecto,
forma, propriedades elétricas do alvo. Inclui-se não somente os
efeitos de reflecção, mas também espalhamento e difração.
Radares Meteorológicos dependem:
• Numero de hidrometeoros por unidade de volume
• Estado físico dos hidrometeoros (gelo ou água)
• Formas características
A intensidade do sinal de retorno (eco) recebida depende não
somente da intensidade da chuva, mas também da distância da
mesma (sinais mais fracos para chuvas mais afastadas). Assim
como, da sensibilidade da antena e pulsos.
CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SANTA CATARINA
Gerência Educacional de Formação Geral e Serviços
Curso Técnico de Meteorologia
Módulo 4: Sistemas de Monitoramento
Michel Nobre Muza
Radar Meteorológico
A refletividade medida é calibrada com o equipamento e dada por
símbolo Z. Os valores de Z tem uma amplitude grande. Assim,
toma-se o logaritmo dos valores de Z para expressar Z como
unidades decibels (dB) [dBZ = 10logZ]. Usualmente usa-se dBZ
nas imagens de radar.
Fonte: www.radar.iag.usp.br
CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SANTA CATARINA
Gerência Educacional de Formação Geral e Serviços
Curso Técnico de Meteorologia
Módulo 4: Sistemas de Monitoramento
Michel Nobre Muza
Radar Meteorológico
Z = aR^(b)
CAPPI
(Constant Altitude Plan Position Indicator)
CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator) é um formato de visualização de
imagens de radar que mostra o campo de precipitação a altitude constante.
Dados de diversas varreduras em múltiplos ângulos de elevação do radar são
combinados para formar uma composição que se aproxima a uma secção da
atmosfera.
O CAPPI disponibilizado refere-se a uma determinada altura, por exemplo, 3km de
altura, e cobre uma certa distancia, algo em torno de 250km do radar.
MAXCAPPI é um produto de radar meteorológico que mostra a máxima
refletividade na coluna atmosférica observados em uma varredura volumétrica.
CAPPI e MAXCAPPI
(Constant Altitude Plan Position Indicator)
Echo Top
é um produto de radar meteorológico que fornece os
dados de refletividade e taxa de precipitação proveniente das maiores
altitudes do alvo. que foi refletividade de 20dBZ, que corresponde a taxa
de precipitação de 1mm/h.
Echo Top
é um produto de radar meteorológico que fornece os
dados de refletividade e taxa de precipitação proveniente das maiores
altitudes do alvo. que foi refletividade de 20dBZ, que corresponde a taxa
de precipitação de 1mm/h.
Intensidade maxima da coluna: e' uma indicacao da maxima refletividade
vetical de um alvo.
Modo de operacao de ceu claro e de precipitacao.
PRINCIPAIS ATRIBUTOS DO SISTEMA DE RADAR
A- Detecção de uma grande variedade de fenômenos
meteorológicos em uma grande área de cobertura;
B-Operação e controle local/remoto;
C- difusão de produtos meteorológicos – visualizados
por múltiplos usuários remotos;
D- interface usuário sistema – ambiente de operação,
controle e visualização é operado com uso extensivo
de interface gráfica;
E- Instrumentos de imagens tais como “zoom”, “scroll”
(texto na tela do PC), paletas de cores, sobreposições são
definidas pelo usuário (mapas, anéis de distancia,
níveis de altura, etc.
Alcance e curvatura da terra
Atencao a utilizacao de radares
Atencao a utilizacao de radares
Local: Chicago, Livingston County, na estrada de I-55 e Iroquois County ao longo da
I-57. Velocidade do alvo: 115 nos (~130mph)