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EThICS 907.002.01
Engenharia
Tecnologia, Inteligência
Consultoria & Sistemas
EThICS
ENGINEERING
METEOROLOGIA RADARMETEOROLOGIA RADARMETEOROLOGIA RADARMETEOROLOGIA RADAR
- Fundamentos Gerais -
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 1
- Fundamentos Gerais -
Antonio Sallum Librelato
Diretor – EThICS Engineering
Março - 2003
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Objetivos e Destinação
Objetivos: apresentação de
Noções sobre o funcionamento de radares meteorológicos
Usos de radares em meteorologia
Destinação: instrução básica para
Meteorologistas em geral e meteorologistas radar em especial
Atuais e futuros operadores de radares meteorológicos
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 2
Sumário do Conteúdo
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
NOÇÕES SOBRE ENERGIA ELETROMAGNÉTICA
FORMA DE ONDA E ESPECTRO DE SINAIS
RADAR: O QUE É?
SISTEMA RADAR METEOROLÓGICO DOPPLER: FINALIDADES
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 3
SISTEMA RADAR METEOROLÓGICO DOPPLER: FINALIDADES
SENSOR RADAR PULSADO DOPPLER
EFEITO DOPPLER
AMBIGUIDADE NAS MEDIDAS DE DISTÂNCIA E VELOCIDADE
DETEÇÃO DE SINAIS E EXTRAÇÃO DE INFORMAÇÕES
APRESENTAÇÃO E DISSEMINAÇÃO DAS INFORMAÇÕES
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Noções sobre Energia Eletromagnética
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
Rádio
104 ~ 10-3 m
3 x 104 ~ 1011
Hz
Infra Vermelho
10-3 ~ 10-6 m
1011 ~ 1014 Hz
Visível
5 x 10-7 m
2 x 1014 Hz
Ultra Violeta
10-7 ~ 10-8 m
1015 ~ 1016 Hz
Ráios X
10-9 ~ 10-11 m
1017 ~ 1019 Hz
Ráios Gama
10-11 ~ 10-13 m
1019 ~ 1021 Hz
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 4
A luz como energia eletromagnética visível:
Emissão, propagação, iluminação, concentração, reflexão, difração
Composição (cores): multifreqüências
Sinal EM em função do tempo: amplitude, período,
freqüência, fase
a(t) = A.cos[φ(t)] = a(t) = A.cos(ωt + φ0) = A.cos(2.π.f.t + φ0)
ω = dφ(t)/dt = 2.π.f = velocidade angular de variação da fase
T = 1/f = período de repetição da forma de onda
Emissão de pulsos de energia EM em micro-ondas
Hz
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METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Noções sobre Energia Eletromagnética
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
O campo eletromagnético oscilatório
Campo elétrico EEEE e campo magnético HHHH, ortogonais e
oscilatórios.
Potência e vetor de Pointing: P = E x H aponta a direção de
propagação da onda eletromagnética.
Polarização: na direção do campo elétrico E.
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 5
Polarização: na direção do campo elétrico E.
P
E
H
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Forma de Onda e Espectro de Sinais
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 6
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Forma de Onda e Espectro de Sinais
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
f
P(f)
t
a(t)
(a)
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 7
A concentração ou o espalhamento da potência no espectro de frequências
indica o caráter de correlação ou de aleatoriedade de um sinal.
(a) Sinal predizível
(b) Sinal aleatório
t
a(t)
(b)
f
P(f)
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METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Forma de Onda e Espectro de Sinais
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 8
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Forma de Onda e Espectro de Sinais
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 9
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Forma de Onda e Espectro de Sinais
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
P(f)a(t)
T
Ton
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 10
Um trem periódico de pulsos e seu espectro de raias.
f
1/Ton
tToffTo
ff
To = Ton +Toff
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METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
O Radar – O que é
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
RADAR: “Radio Detection and Ranging”
(detecção de alvos e medida de distância por rádio)
INÍCIO: Segunda Guerra Mundial - Inglaterra, Alemanha, EEUU, França, Itália, Rússia e
Japão
O radar é um dispositivo eletrônico capaz de transmitir um sinal eletromagnético (EM),
receber de volta ecos de alvos e determinar vários aspectos dos mesmos, a partir das
características dos sinais recebidos.
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 11
características dos sinais recebidos.
DESIGNAÇÃO
HF 3 a 30 MHz 100 a 10 m
VHF 30 a 300 MHz 10 a 1 m
UHF 300 a 1000 MHz 1 a 0,3 m
L 1 a 2 GHz 30 a 15 cm
S 2 a 4 GHz 15 a 8 cm
C 4 a 8 GHz 8 a 4 cm
X 8 a 12 GHz 4 a 2,5 cm
Ku 12 a 18 GHz 2,5 a 1,7 cm
Ku 18 a 27 GHz 1,7 a 1,2 cm
Ka 27 a 40 GHz 1,2 a 0,75 cm
mm 40 a 300 GHz 7,5 a 1 mm
FREQUÊNCIA
NOMINAL
COMPRIMENTO DE
ONDA NOMINAL
BANDAS DE OPERAÇÃO RADAR
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Sistema Radar Meteorológico Doppler
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
PRINCIPAIS FINALIDADES DO SISTEMA
Teledetecção radar ativa de alvos meteorológicos
Exploração de ocorrência de precipitações e ventos
Mapeamento da distribuição espaço-temporal e dinâmica dos ecos
detectados, caracterizados quanto a:
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 12
taxa de refletividade radar (Z)
velocidade (doppler) radial média (V)
largura espectral de velocidade (W)
Distribuição de imagens radar aos usuários, através de rede de
comunicações e computacional
Telecontrole e teleoperação do sistema, a partir de centros de
operação remota
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Glossário dos Elementos do Sensor Radar
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
SIGLA/
ABREV
PORTUGUÊS INGLÊS
AGC Controle Automático de Ganho Automatic Gain Control
CA Corrente Alternada Alternate Current
FI Frequência Intermediária Intermediary Frequency
I Sinal de Vídeo Em Fase In-Phase Video
LO Oscilador Local Local Oscilator
LOG Logarítmico Logarithmic
Q Sinal de Vídeo em Quadratura Quadrature Video
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 13
Q Sinal de Vídeo em Quadratura Quadrature Video
REG Regulado Regulated
RF Rádiofrequência Radiofrequency
TRIF Trifásico Triphasic
VID Vídeo Video
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Glossário dos Elementos do Sensor Radar
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
SIGLA/
ABREV
PORTUGUÊS INGLÊS
ACOP DIREC Acoplador Direcional Directional Coupler
AFC Controle Automático de Frequência Automatic Frequency Control
AMP AGC Amplificador de AGC AGC Amplifier
AMP FI Amplificador de FI IF Amplifier
AMP LOG Amplificador Logarítmico Log Amplifier
AMP VID Amplificador de Video Video Amplifier
ANT Antena Antenna
COHO Oscilador Coerente Coherent Oscilator
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 14
COHO Oscilador Coerente Coherent Oscilator
DET IQ Detector IQ IQ Detector
DUP Duplexador Duplexer
FPF Filtro Passa-Faixa Band Pass Filter
LIMIT Limitador Limiter
LNA Amplificador de Baixo Ruído Low Noise Amplifier
MAT Muito Alta Tensão Extra High Voltage
MIX Misturador Mixer
MOD Modulador Modulator
OSC Oscilador a Magnetron Magnetron Oscilator
POS Posicionador Positioner
PROC Processador Processor
SERVO Servo Servo
STALO Oscilador Local Estável Stable Local Oscilator
VÁLV TR Válvula Tx/Rx TR Tube
VISU Visualização Visualization
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Sensor Radar Pulsado Doppler
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO (1)
ANTENA
Formata e dirige o feixe EM aos alvos e recebe os retornos
(ecos)
O formato do feixe depende da forma e das dimensãoes da
Antena e da frequência das ondas EM
POSICIONADOR
POS
ANT
controles
RADAR DOPPLER
A MAGNETRON
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 15
POSICIONADOR
Suporta, move e posiciona a Antena
Pode ter um, dois ou três eixos de movimentação
Cada eixo requer um controle de posição para uso do Servo e
do Processador
SERVO
Aciona o movimento do Posicionador
Tem um canal de acionamento para cada eixo do Posicionador
Opera com malhas fechadas de controle (velocidade e
posição)
OSC
MOD REC
DUP
PROC
VISU
SERVO
MAT
controles
amostra
do pulso
RF
LOG
I
Q
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Sensor Radar Pulsado Doppler
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO (2)
DUPLEXADOR
Chaveia entre transmissão e recepção
Protege o Receptor contra as altas potências de transmissão
OSCILADOR
Gera a energia EM na frequência radar e nas durações dos
pulsos
POS
ANT
pulsos
pulsos
RF
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 16
pulsos
É comum o uso de válvula tipo magnetron
MAT/MODULADOR
Gera energia CC em tensões muito altas
Formata os pulsos que modulam a energia EM
Armazena energia CC durante o período de recepção e
descarrega-a no oscilador no decorrer da duração do pulso
Aciona o oscilador na cadência da frequência de repetição de
pulsos (PRF)
OSC
MOD REC
DUP
PROC
VISU
SERVO
MAT
pulsos
RF
trem de
pulsos
AT
DC sinc
amostra
do pulso
RF
LOG
I
Q
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Sensor Radar Pulsado Doppler
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO (3)
RECEPTOR
Recebe, filtra e amplifica a energia EM de retorno dos alvos
(ecos)
Detecta os sinais de ecos e gera os sinais de vídeo radar
Vídeo LOG: detecção da intensidade dos sinais recebidos
(ecos)
POS
ANT
RF
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 17
(ecos)
Vídeos LIN (I, Q): detecção da variação da fase entre os
sinais transmitidos e os recebidos:
PROCESSADOR
Gera os sinais de sincronismo para o radar
Digitaliza os sinais de vídeo radar (I, Q, LOG)
Processa os sinais, de forma digital, para extrair as
informações desejadas (dados)
Processa os dados radar para uso na geração dos produtos
VISUALIZAÇÃO
Processa os dados radar para extrair produtos para a
visualização pelos operadores
Permite a interface operador-sistema
OSC
MOD REC
DUP
PROC
VISU
SERVO
MAT
RF
sinc dados
amostra
do pulso
RF
LOG
I
Q
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Sensor Radar Pulsado Doppler
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
DIAGRAMA ESQUEMÁTICO BÁSICO
DE UM RECEPTOR COERENTE
DUP
POS
ANT
SERVO
AMP
VÁLV
TR +
LIMIT
ACOP
DIREC
MIX
LNA FPF
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 18
PROC
VISU
AGC
I
Q
OSC
MOD
MAT
AMP
LOG
AMP
AGC
DET IQ
AMP VID
FILTRO
AMP FI
LOG
COHO
AFC STALO
LIMIT
pré-trigger
30 MHz fcoho
30 MHz
pulso
pré-trigger
30
MHz
pulso
LO
RF
com.
sint
CA TRIF
REG
MIX
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Sensor Radar Pulsado Doppler
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
Através da medida simultânea dos
valores instantâneos dos vídeos Ii(t) e
Qi(t), pode-se recuperar o valor
instantâneo da fase φ(φ(φ(φ(ti)
O cálculo da derivada da fase fornece a
velocidade angular wd , à qual está
relacionada a velocidade radial média
Q(t)
I(t) = A.cos (wd.t)
Q(t) = A.sin (wd.t)
φ(t) = wd.t = 2π fd.t
wd = dφ(t)/dt
wd = 4πvdr/λ
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 19
d
relacionada a velocidade radial média
Doppler vdr dos alvos que deram origem
aos sinais
Se wd > 0, a fase cresce com o tempo
e o alvo se afasta do radar (vdr > 0)
Se wd < 0, a fase decresce com o
tempo e o alvo se aproxima do radar
(vdr < 0)
I(t)
Ii(t)
Qi(t)
φ(φ(φ(φ(ti)
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Efeito Doppler
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
Quando um emissor de sinais oscilatórios e um receptor da oscilação
estão em movimento relativo entre si, o receptor notará um
deslocamento na frequência da oscilação recebida, em relação à
frequência efetivamente emitida pelo transmissor. É o chamado Efeito
Doppler-Fizeau (1842).
Frequência aparente MAIOR queFrequência aparente MENOR que
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 20
Frequência aparente MAIOR que
a frequência emitida pela fonte
Vfonte
Frequência aparente MENOR que
a frequência emitida pela fonte
Receptor “ouve” um som
mais agudo que o real
quando a fonte se aproxima
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Efeito Doppler
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
Para o caso de um radar fixo, emitindo na frequência f0 e detectando
um alvo que está a uma distância r e em movimento a uma velocidade
radial vr, pode-se estabelecer o seguinte:
o número total de comprimentos de onda λλλλ = c/ f0 contidos no
trajeto de ida e volta entre radar e alvo é 2r/λλλλ;
a excursão total da fase do sinal nesse trajeto é então φ = 4πφ = 4πφ = 4πφ = 4πr/λλλλ
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 21
a excursão total da fase do sinal nesse trajeto é então φ = 4πφ = 4πφ = 4πφ = 4πr/λλλλ
como o alvo se move, a distância r varia na razão dr/dt = vr,
fazendo com que a fase também varie, isto é, gerando uma
velocidade angular Doppler:
wd = 2ππππfd = dφ /φ /φ /φ /dt = 4π (4π (4π (4π (dr/dt)/λλλλ = 4π4π4π4π vr/λλλλ
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Efeito Doppler
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
Logo, pode-se definir uma frequência fd e uma velocidade vdr
Doppler como sendo:
2vdr 2vdr f0 λλλλ fd
fd = ------ = -------- vdr = ------
λλλλ c 2
Por convenção, alvos que se aproximam têm velocidade radial
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 22
Por convenção, alvos que se aproximam têm velocidade radial
negativa e os que se afastam têm velocidade radial positiva
A frequência dos sinais dos ecos do alvo móvel será recebida pelo
radar como sendo fr = f0 + fd
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Ambiguidades nas Medidas de Posição
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
O processo de medida executado por radares pulsados se
constituí naturalmente por uma amostragem feita através da
cadência dos pulsos emitidos pelo radar, na frequência fp (PRF).
Medidas feitas por amostragem podem apresentar resultados
ambíguos, isto é, que permitem dupla interpretação.
Já vimos que a distância não ambígua máxima é
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 23
Já vimos que a distância não ambígua máxima é
rUmáx = cT/2 = c/2 fp
Alvos que estejam além da distância não ambígua máxima
poderão ser detetados e apresentados a uma distância menor
que a não ambígua máxima, causando interpretações errôneas.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Ambiguidades nas Medidas de Velocidade
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
Segundo Nyquist, toda amostragem deve ser feita com uma
frequência no mínimo o dobro da maior frequência do sinal objeto
amostrado, para que haja uma estimativa correta do conteúdo
espectral do mesmo: fN >= 2>= 2>= 2>= 2fobj máx
Assim, a frequência Doppler não ambígua máxima é:
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 24
fdUmáx = fp/2 = 1/2T
Logo, a velocidade Doppler não ambígua máxima é:
vdrUmáx = λλλλ fp /4
A combinação das duas restrições estabelece o chamado “Dilema
Doppler”:
vdrUmáxrUmáx = cλλλλ /8
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Ambiguidades nas Medidas de Velocidade
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
Uma analogia sobre a amostragem em frequência pode ser o uso
de luzes estroboscópicas para medir a frequência de rotação de um
objeto com uma marca de referência. Aumentando e diminuindo a
frequência dos pulsos de luz, vai-se observando a marca até que
ela fique aparentemente “parada”. Essa será então a frequência de
rotação do objeto (ou um sub-múltiplo dela).
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 25
rotação do objeto (ou um sub-múltiplo dela).
É o que também ocorre em uma filmagem a 24 quadros/seg de uma
carroça com raios nas rodas. Quando a velocidade da carroça não
é constante, em alguns momentos pode-se ter a ilusão de que a
roda está rodando no sentido inverso ao esperado.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Deteção de Sinais e Extração de Informações
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
Na recepção, a EEM de retorno dos alvos (ecos radar) é captada pela
antena e convertida em potência de RF (2,7 GHz) na saída do
duplexador.
Após amplificação pelo LNA, é gerada a potência de RF na saída, a
qual é multiplicada, no Misturador, pelo sinal de RF da saída do STALO,
dando origem ao sinal de FI em 30 MHz, modulado pelos ecos.
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 26
dando origem ao sinal de FI em 30 MHz, modulado pelos ecos.
Após amplificação e filtragem, o sinal de FI é processado por:
detector de envoltória, para a extração da informação de amplitude
dos sinais recebidos, gerando o sinal LOG(t).
demodulador de fase, para a geração dos sinais I(t) e Q(t),
destinados à extração da informação da diferença de fase entre o
sinal recebido e a amostra da fase do sinal transmitido.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Deteção de Sinais e Extração de Informações
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
Os sinais gerados (I, Q e LOG) são entregues a um processador
digital de sinais(SDP), para:
digitalização, filtragem e processamento pulso-a-pulso.
processamento de dados em cada radial radar (raio).
geração de dados de posição, intensidade, velocidade, etc.
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 27
Relógio de Sincronização e Temporização do Radar
Amostras do Sinal Recebido, Após Conversão Analógico/Digital
Sinal de Vídeo Logarítmico na Saída do Receptor (ECOS)
Pulsos Emitidos pelo Transmissor
t
t
t
ττττ
T = 1/f0
Ta
t
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Deteção de Sinais e Extração de Informações
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
Os dados de cada radial radar, gerados pelo SDP, são enviados a
um Computador de Dados Radar (RDC).
Tais dados podem estar disponíveis para visualização em tempo
real, como série temporal ao longo da execução da varredura.
O RDC transfere os dados brutos polares 3D para uma estação de
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 28
O RDC transfere os dados brutos polares 3D para uma estação de
trabalho (LOW), onde são armazenados e agrupados para permitir a
extração dos produtos radar.
A geração dos produtos é feita em conformidade com parâmetros
estabelecidos em algorítmos de extração de imagens dos dados.
Tais produtos resultam nas imagens, úteis para a visualização dos
resultados pelos usuários.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Apresentação e Disseminação das Informações
1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR
Os produtos assim geradas são apresentadas em terminais de
usuários, seja local, seja remotamente.
A disseminação pode ser feita para uso de um ou mais usuários,
via rede local ou via rede extendida.
Os dados e os produtos podem também ser armazenados
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 29
Os dados e os produtos podem também ser armazenados
digitalmente.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
MEDIDAS USUAIS POR RADAR METEOROLÓGICO
MEDIDAS DE LOCALIZAÇÃO
MEDIDAS DE REFLETIVIDADE:
A EQUAÇÃO RADAR
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 30
A EQUAÇÃO RADAR METEOROLÓGICO
NOÇÕES DE CÁLCULO LOGARÍTMICO
MDS – MÍNIMO SINAL DETETÁVEL
MEDIDAS DE VELOCIDADE
MEDIDAS DE LARGURA ESPECTRAL
PARÂMETROS [Z], [V] E [W]
RELAÇÃO ENTRE [Z] E [R]
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas Usuais por Radar Meteorológico
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
MEDIDAS DE LOCALIZAÇÃO
Distância entre o radar e os alvos
Posição angular de elevação e azimute, em coordenadas polares,
dos alvos em relação ao radar
Distribuição espacial dos ecos dos alvos, na área de cobertura do
radar
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 31
radar
MEDIDAS DE REFLETIVIDADE (INTENSIDADE DOS ECOS)
Taxa de refletividade radar dos alvos
MEDIDAS DE VELOCIDADE
Velocidade radial média Doppler de deslocamento dos alvos em
relação ao radar
Sentido de deslocamento dos alvos em relação ao radar
Variância da velocidade radial dos deslocamentos dos alvos em
relação ao radar
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Localização
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
A distância entre o radar e os alvos é medida
indiretamente, a partir da medida do tempo
decorrido entre a emissão dos sinais pelo radar
e a recepção dos sinais de ecos desses alvos,
levando-se em conta a velocidade de
propagação das ondas no meio.
Denomina-se “range gate” a essa distância
T = 1 /fp
PULSOS
EMITIDOS
ECOS
RECEBIDOS
τ
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 32
Denomina-se “range gate” a essa distância
(logo, tempo) em que o eco de um alvo foi
amostrado e medido pelo processamento do
radar.
Tais medidas são feitas na radial de
apontamento entre o radar e o alvo (radial
radar).
A distância não ambígua máxima é
rUmáx = cT/2 = c/2 fp
τ = largura (duração) do pulso transmitido
T = período de repetição de pulsos
fp = frequência de repetição de pulsos (PRF)
tr = tempo entre início da emissão do pulso e
amostragem do eco (range gate)
c = velocidade de propagação das ondas EM no
meio
r = distância entre o radar e o alvo
tr
r = c tr/2
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METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Localização
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
r0 = 8500 km
Hr = 2 km
Hm = 25 km
r1 = 186 km
r2 = 184 km
r3 = 652 km
r4 = 542 km
r1Hm
Hr
r2
r3
r4
h1
h2
h3
r5
d0
0
A
B
C
D
T
Para fp = 250 Hz:
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 33
r4 = 542 km
r5 = 652 km
h1 =
h2 = 25 km
h3 =
d0 = 652 km
r0
E
Desenho FORA DE ESCALA !
Para fp = 250 Hz:
rUmáx = 600 km
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Localização
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
BEAM HEIGHT H x RANGE r x ELEVATION ΦΦΦΦ
60,0
70,0
80,0
H = [r2 + Re2 +2.r.Re.sin(ΦΦΦΦ)]0,5 – Re + Ha Re = (4/3) Rgeo = 4590 NM Ha = 0 ft
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 34
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
RANGE [NM]
HEIGHT[kft]
0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0 15,0 20,0
Produced by EThICS Engineering
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Localização
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
Há alvos que são puntiformes, isto é, têm
dimensões tais que dão ecos como pontos
concentrados no espaço, tais como
aeronaves e veículos terrestres.
Os ecos de alvos puntiformes são
apresentados como pulsos a uma
distância determinada.
r
h = c τ / 2
eco puntiforme
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 35
distância determinada.
Há alvos que são distribuídos no espaço,
isto é, preenchem um volume
considerável dentro do feixe do radar, tais
como as chuvas e os ecos de solo. Seus
ecos são distribuídos ao longo da radial do
radar.
Os ecos de alvos distribuídos são
apresentados distribuídos ao longo de
uma região angular.
eco puntiforme
0 tr
eco distribuído
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Localização
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
VOLUME ILUMINADO PELO PULSO
θθθθ0 = ângulo de -3dB do feixe, na horizontal
φφφφ0 = ângulo de -3dB do feixe, na vertical
h = cτ /2
• O volume aumenta com o quadrado da
distância.
• Dois ou mais alvos que couberem dentro
do volume iluminado pelo pulso serão
tomados como um só alvo, resultando em
um único eco.
• V representa a resolução volumétrica
do radar.
π (r 2) θ0 φ0 h
V = ------------------
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 36
do radar.
V = ------------------
8 ln 2
φφφφ0/2
h
θθθθ0/2
r
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Localização
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
A(x, y, z) = Localização do ponto A num sistema de coordenadas cartesianas, centrado no
radar e com o Norte como referência para eixo Y
A(r, θθθθ, φφφφ) = Localização do ponto A num sistema de coordenadas polares, centrado no radar
e com o Norte como referência angular
Z N
A
A
r
Z
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 37
X
Y
0
θ (AZ)
φ (EL)
r
A
h
rhor
E
h
rhor
r
0 X
rg
Para o centro da Terra
Nível Médio do Mar (1013 mb)
Curvatura Terrestre
φ (EL)
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Localização
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
Range = r = distância entre a origem 0 e o ponto A.
Slant range = range = medida feita em ângulo com a horizontal.
Ground range = rg = distância entre dois pontos medida seguindo a
curvatura terrestre.
θ = Azimuth = azimute = ângulo medido em relação à direção Norte.
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 38
θ = Azimuth = azimute = ângulo medido em relação à direção Norte.
φ = Elevation = elevação = ângulo medido em relação à horizontal.
Heigth = h = altura = distância medida na vertical, entre o ponto A e o
plano horizontal de referência (contém o ponto 0).
Altitude = altitude = distância medida na vertical, entre o ponto A e o
nível médio do mar (1013 mb).
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Refletividade – A Equação Radar
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
Uma antena isotrópica irradia
igualmente em todas as direções.
A potência pt de transmissão será
distribuída pela superfície de uma
esfera de raio r com uma densidade
St, uniforme.
A antena do radar não é isotrópica,
r
pt
St
Área da esfera = 4ππππr2
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 39
A antena do radar não é isotrópica,
mas sim diretiva, possuindo direções
preferenciais (feixe principal e lóbulos
laterais) nas quais a potência é mais
concentrada que em outras.
A relação entre a densidade de
potência na direção de máximo e a
densidade de potência isotrópica no
mesmo ponto é definida como o
GANHO g da antena.
O ganho da antena é válido tanto para
transmissão quanto para recepção.
Antena
isotrópica
pt = potência transmitida
St = densidade de potência de transmissão,
na superfície da esfera
i = antena isotrópica
d = antena diretiva, com ganho g na direção
do máximo
pt pt g
Sti = -------- Std = ---------
4ππππ r2 4ππππ r2
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Refletividade – A Equação Radar
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
Um alvo de área σσσσ, que estiver a uma
distância r da antena, quando for
iluminado pelo feixe principal da
antena do radar, interceptará uma
potência pσσσσ.
Supondo que o alvo reirradiará
isotrópicamente toda a energia
interceptada, parte dessa energia
rg
pt
pσ
St
λ
1. Radar iluminando o alvo com ganho diretivo:
σ
pσ = St σ
pt g σ
pσ = -----------
4 π r2
2. Alvo reirradiando em todas as direções (isotrópico):
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 40
isotrópicamente toda a energia
interceptada, parte dessa energia
alcançará a antena com uma
densidade Sr.
Na recepção, a antena apresentará
uma área efetiva Ae, interceptando
uma potência pr.
A área efetiva Ae da antena pode ser
expressa em função de seu ganho g.
Estamos supondo (para simplificar)
que não há perdas de potência
nesses caminhos entre antena e alvo.
pt g σ Ae pt g2 λ 2 σ
pr = ------------ = ---------------
(4 π r2)2 4 π (4 π r2)2
g λ 2
Ae = -------
4 π
2. Alvo reirradiando em todas as direções (isotrópico):
r
pσ
λ
AeSr
pr
pσ pt g σ
Sr = ------- = ----------
4 π r2 (4 π r2)2
3. Radar recebendo a potência reirradiada pelo alvo:
pr = Sr Ae
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Refletividade – A Equação Radar
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
A partir das relações anteriores, obtém-se a
relação entre:
a potência recebida;
a potência transmitida;
o ganho da antena;
o comprimento de onda de operação do
pt g2 λλλλ2 σσσσ
pr = ---------------
64 ππππ3 r4
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 41
o comprimento de onda de operação do
radar;
a área do alvo;
a distância entre o alvo e o radar.
A área do alvo se refere ao tamanho com que
o radar “vê” o alvo, com dimensões que são
diferentes das dimensões ópticas humanas.
Denomina-se então como “σσσσ” a área da
secção reta de retrodifusão radar do alvo.
EQUAÇÃO RADAR PARA UM ALVO
PUNTIFORME
DE SECÇÃO DE RETRODIFUSÃO σσσσ,
LOCALIZADO
NO CENTRO DO FEIXE PRINCIPAL DA
ANTENA,
A UMA DISTÂNCIA r.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Refletividade – A Equação Radar
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
RETRODIFUSÃO DE ALVOS:
A retrodifusão pelos alvos dependerá dos
seguintes elementos:
Tamanho do alvo;
Formato do alvo;
Estado físico do alvo;
Comprimento de onda da energia EM do
R = raio da esfera
D = diâmetro da esfera
σ = secção de retrodifusão radar
λ = comprimento de onda radar
|K|2 = parâmetro relacionado com o
índice de refração complexo do material
da esfera
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 42
Comprimento de onda da energia EM do
radar.
O cálculo analítico de σσσσ (secção de retrodifusão
radar ou secção reta radar) para alvos de
formatos complexos é também complexo.
O formato de muitos alvos meteorológicos são
simples e a maioria dos hidrometeoros
possuem formato aproximadamente esférico.
As dimensões “elétricas” de uma esfera podem
ser definidas pela relação entre o seu diâmetro
e o comprimento de onda.
CRITÉRIOS PARA CLASSIFICAR TAMANHOS DE
ESFERAS:
D/λ > 10 σ = π R2
D/λ < 0,1 π5
σ = --- |K|2 D6
λ4
ESFERA GRANDE:
ESFERA PEQUENA:
Lei de RAYLEIGH
condição de
validade da
lei de Rayleigh
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Refletividade - A Equação Radar Meteorológico
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
π (r 2) θ0 φ0 h
V = ------------------
8 ln 2
π5 π5 π6 (r 2) θ φ h |K|2 Z
Di
6
Z = Σ ----
V
Z.V = Σ Di
6
(D/λ < 0,1)
Por definição, Z = taxa de refletividade radar:
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 43
pt g2 λ2 (Σ σi )
pr = --------------------
64 π3 r4
π5 π5 π6 (r 2) θ0 φ0 h |K|2 Z
Σ σi = --- |K|2 Σ Di
6 = ---- |K|2 Z.V = ---------------------------
λ4 λ4 8 ln2 λ4
cππππ3 pt g2 ττττ θθθθ0000 φφφφ0000 |K|2 Z
pr = ------------- x ----------------- x --------
1024 ln2 λλλλ2 Li Le r2
h = cτ /2
Incluindo agora as perdas:
Li = perdas internas ao radar
Le = perdas externas ao radar
constante
numérica
constante
construtiv
a do radar
variável
dependente do
alvo e de sua
localização
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Refletividade - A Equação Radar Meteorológico
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
1,27λ
φ0 [rad] = θ0 [rad] = --------
Da
c
λ = ---
f
4π ρa A
g = ----------
λ
π D2
A = ------
A = área física da antena
Da = diâmetro útil da antena
r = eficiência da abertura da antena
cππππ3 pt g2 ττττ θθθθ0000 φφφφ0000 |K|2 Z
pr = ------------- x ----------------- x --------
1024 ln2 λλλλ2 Li Le r2
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 44
fλ2 4 ra = eficiência da abertura da antena
Executando as
substituições
devidas, temos:
Z [mm6/m3] = 1018.Z [m6/m3] Z[dBZ] = 10 log Z [mm6/m3] = 180 + Z [dB]
(1,27)2 ππππ710-18 pt ρρρρa
2 Da
2 f4 ττττ |K|2 Z[mm6/m3]
pr = ------------------ x ------------------ x -----------------
1024 ln2 c3 Li Le r2
constante
numérica
constante
construtiva
do radar
variável
dependente do
alvo e de sua
localização
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Refletividade - A Equação Radar Meteorológico
Condições para que a equação radar meteorológico seja
válida:
O volume do pulso esteja homogeneamente preenchido com gotas de
mesmo diâmetro.
As gotas tenham formato esférico.
O diâmetro das gotas seja pequeno em relação ao comprimento de
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 45
O diâmetro das gotas seja pequeno em relação ao comprimento de
onda.
A antena é bem definida por um feixe tipo “lápis”.
Os efeitos secundários podem ser desprezados.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Noções de Cálculo Logarítmico
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
a log (a) 10 x log(a) dB
1 - 0,00000 0,00
2 0,30103 3,01030 3,00
3 0,47712 4,77121 4,77
4 0,60206 6,02060 6,00
5 0,69897 6,98970 7,00
6 0,77815 7,78151 7,80
Seja (a) > 0
Por definição:
a [dB] = 10 x log (a)
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 46
7 0,84510 8,45098 8,45
8 0,90309 9,03090 9,00
9 0,95424 9,54243 9,60
10 1,00000 10,00000 10,0
Sejam (a/b) = n > 0 e (a.b) = p >0
(a/b) [dB] = 10 x log (a/b)
= 10 x log (a) – 10 x log (b)
= a [dB] – b [dB] = n [dB]
(a.b) [dB] = 10 x log (a.b)
= 10 x log (a) + 10 x log (b)
= a [dB] + b [dB] = p [dB]
Seja (a) = 0,1 = 10-1
Então:
a [dB] = 10 x log 10-1
= -10 dB
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Noções de Cálculo Logarítmico
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
Sejam P1 = 10 W
P2 = 20 W
Isto é: P2 = 2 x P1 ou também P2/P1 = 2
P1 [dBW] = 10 x log 10 [W] = 10 dBW
P2 [dBW] = 10 x log 20 [W] = 10 x log (2 x 10) [W] = 13 dBW
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 47
Seja Z1 = 1 mm6
/m3
Então:
Z1 [dBZ] = 10 x log Z1 [mm6
/m3
]
= 10 x log 1 [mm6
/m3
]
= 0 dbZ
P2 [dBW] = 10 x log 20 [W] = 10 x log (2 x 10) [W] = 13 dBW
P2/P1 [dBW] = P2 [dBW] – P1 [dBW] = 3 dB
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Noções de Cálculo Logarítmico
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
10000 mW 40 dbm10 W
100 W
1000 W
10000 W
10 dbW
20 dBW
30 dBW
40 dBW
10
100
1000
10000
10 dB
20 dB
30 dB
40 dB
10 mm6
/m3
100 mm6
/m3
1000 mm6
/m3
10000 mm6
/m3
10 dbZ
20 dBZ
30 dBZ
40 dBZ
60 dBW106
W
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 48
1000 mW
10000 mW
100 mW
10 mW
1 mW
0.1 mW
30 dBm
40 dbm
20 dBm
10 dBm
0 dBm
-10 dBm
-20 dBm0.01 mW0.00001 W
1 W
10 W
0.1 W
0.01 W
0.001 W
0.0001 W
0 dBW
10 dbW
-10 dBW
-20 dBW
-30 dBW
-40 dBW
-50 dBW
1
10
0.1
0.01
0.001
0.0001
0.00001
0 dB
10 dB
-10 dB
-20 dB
-30 dB
-40 dB
-50 dB 0.00001 mm6
/m3
1 mm6
/m3
10 mm /m
0.1 mm6
/m3
0.01 mm6
/m3
0.001 mm6
/m3
0.0001 mm6
/m3
0 dBZ
10 dbZ
-10 dBZ
-20 dBZ
-30 dBZ
-40 dBZ
-50 dBZ
-110 dBm10
-11
mW
110dB90dB
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Refletividade - A Equação Radar Meteorológico
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
(1,27)2 ππππ710-18 pt ρρρρa
2 D2 f4 ττττ |K|2 Z[mm6/m3]
pr = ------------------- x ----------------- x ------------------
1024 ln2 c3 Li Le r2
A B
A =A =A =A = 2,54 x 10-43 m-3 .
s3
A =A =A =A = - 425,9 dB
Calculando o valor de B para o um radar banda S típico:
1 W = 103 mW
p[dBW] = p[dBm] - 30 dB
p[dBm] = p[dBW] + 30 dB
1 km = 103 m
+30 dB -60 dBp 850 kW +59,3 dB
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 49
C = A + B
C1us = - 425,9 + 382,2 = - 43,7 dB
C2us = - 425,9 + 385,2 = - 40,7 dB
prSP [dBm] = - 73,7 [dB] + |K|2[dB] - Le[dB] - 20log r[km] + Z[dBZ]
prLP [dBm] = - 70,7 [dB] + |K|2[dB] - Le[dB] - 20log r[km] + Z[dBZ]
+30 dB -60 dBpt
ρρρρa
2
D2
f4
ττττ
LiT
850 kW
(0,55)2
(4,00)2
m2
(2,742 x 109)4 s-
4
1,00 x 10-6 s
- 0,54 dB
+59,3 dB
-5,2 dB
+12,0 dB
+377,5 dB
-60,0 dB
B +382,2 dB1,649x1038 W.m2.s-3
LiR
- 0,96 dB
- 0,54 dB
- 0,96 dB
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
MDS - Mínimo Sinal Detetável
To
Tc
La
Temp ambiente
Temp aparente do céu
Ta
Ttr
Lr
Perda dissip antena
Temp contrib antena
Temp física elem RF
Perda física elem RF
Padrão de referência
Pior caso (2 e 3 GHz)
Valor estim (0,10 dB)
To+(0,88Tc-254)/La
Valor estimado (30 C)
Valor medido (0,96 dB)
290 K
100 K
1,02
127,3 K
303 K
1,25
EXEMPLO DE CÁLCULO DE MDS
MDS = k.Ts.Bn .SNRmín
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
MODO SP 1us LP 2us
VALOR CALCULADO [dBm] -110,2 -113,2
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 50
Tr
Fn
Te
Ts
Temp contrib elem RF
Fator ruído receptor
Temp ruído receptor
Temp ruído de sistema
Ttr (Lr-1)
Valor espec (2,5 dB)
To (Fn -1)
Ta+Tr+LrTe (Blake)
75 K
1,78
225,7 K
484,4 K
k Const de Boltzmann
B
n
Bn
SNRm
MDS
Larg faixa filtro
Fator de forma
Larg faixa ruído
Rel Sinal/Ruído mín
Mín Sinal Detectável
Valor definido [W.s/K] 1,38E-23
Para pulso de 2 us (LP) 600 kHz
B.τ = n para o filtro 1,2
n.B 720 kHz
Valor definido 1
k.Ts.Bn.SNRm 4,81E-15 W
VALOR CALCULADO [dBm] -110,2 -113,2
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
MDS - Mínimo Sinal Detetável
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
Zmín (200 km) SP = MDS SP + 73,7 - |K|2[dB] + Le[dB] + 20log r[km]
QUAIS OS VALORES DE Z [dB] MÍNIMOS DETETÁVEIS?
Zmín (200 km) LP = MDS LP + 70,7 - |K|2[dB] + Le[dB] + 20log r[km]
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 51
r = 200 km
Le[dB] = 6 dB (estimativa)
|K|2[dB] = - 0,32 dB (água líq)
MDS SP = - 110,2 dBm
MDS LP = - 113,2 dBm
Zmín (200 km) SP = 15,8 dBZ
Zmín (200 km) LP = 9,8 dBZ
Z0mín (1 km)SP = -30,2 dBZ
Z0mín (1 km)LP = -36,2 dBZ
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
MDS - Mínimo Sinal Detetável
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
UM EXERCÍCIO DE CÁLCULO COM GOTAS ESFÉRICAS
Vesf = π.(D^3)/6
Z = Σ D^6/V mm6/m3
Z = a.R^b mm6/m3
R = (Z/a)^(1/b) mm/h
Mgota = (ρ água)*Vgota kg
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 52
V = 1 m3
1000 gotas de 1 mm
de diâmetro cada
Mgota = (ρ água)*Vgota kg
Dgota 1,000 mm 0,001 m
Qgota 1000
ρ água 1000 kg/m3
Vcubo 1,00 m3
a 200
b 1,6
Vgota 5,24E-10 m3
Mgota 5,24E-07 kg 0,524 mg
Mágua 0,000524 kg 524 mg
Zgota 1,0000 mm6/m3 0,00 dbZ
Zvol 1000,00 mm6/m3 30,00 dbZ
Rvol 2,73 mm/h
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Velocidade – Exemplos
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
Campo linear de
ventos
N
NW NE
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 53
S
EW
SW SE
Azuis = velocidades radiais negativas
= ventos entrando no feixe radar
Laranjas = velocidades radiais positivas
= ventos saindo do feixe radar
Brancos = velocidades radiais zero
= ventos na transversal do feixe do radar
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Velocidade – Exemplos
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 54
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Velocidade – Exemplos
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 55
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Velocidade – Exemplos
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 56
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Velocidade – Exemplos
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 57
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Velocidade – Barbelas de Vento
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
Calm
05 Knots
North
Hemisphere
Winds
South
Hemisphere
Winds
N
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 58
10 Knots
15 Knots
20 Knots
50 Knots
65 Knots
W E
S
AZ
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Velocidade - Shear
CORTANTES DE VENTO (SHEAR):
As cortantes de vento (shear) são caracterizadas pelas existência de
diferenças entre velocidades medidas em pontos distintos no espaço.
O radar mede velocidades radiais médias, em cada range bin, obtendo
o valor em módulo, a direção, o sentido e o ponto de aplicação de cada
vetor velocidade no espaço de medição.
Em princípio, pode-se avaliar as diferenças entre dois vetores quaisquer
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 59
Em princípio, pode-se avaliar as diferenças entre dois vetores quaisquer
desse espaço de medição, obtendo um vetor resultante para cada par
de vetores.
A compilação de shear é feita entre dois ou três vetores representantes
das velocidades medidas em dois ou três range bins adjacentes. Pode-
se, dessa forma, avaliar o shear segundo diferentes direções de
interesse: radial, horizontal, vertical, azimute, tridimensional, ...
A representação no plano da distribuição dos valores de shear assim
compilados, permite reconhecer a existência de convergências e
divergências de ventos nas regiões de interesse, que podem estar
sendo causadas por downbursts, microburts, gust fronts, etc.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Largura Espectral
VARIÂNCIA DE VELOCIDADES:
Consideremos um determinado volume radar a uma distância r,
contendo um certo número de gotas.
No intervalo de tempo entre a chegada de um pulso e o pulso seguinte,
as gotas terão se deslocado de forma quase independente entre si.
Os sinais de ecos recebidos desse volume após cada pulso terão
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 60
Os sinais de ecos recebidos desse volume após cada pulso terão
diferentes “assinaturas” dos alvos contidos nesses volumes.
Além das diferenças de intensidades (Z), existirão as diferenças de
velocidade radial Doppler.
Considerado o número de pulsos adotados para o cômputo das médias
temporais, pode-se entender que teremos uma distribuição de valores
de velocidades para tal volume. Essa distribução se caracterizará por
uma valor médio da velocidade (resultando no valor de V) e uma
variância (resultando no valor de W).
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Medidas de Largura Espectral
TURBULÊNCIA:
Quanto mais turbulenta estiver a atmosfera, naquele volume e naquele
período de medição, maior será a agitação das gotas e maiores serão
as diferenças entre os valores de velocidade a cada amostragem pelos
pulsos.
Há, então, uma relação direta entre o estado de turbulência da
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 61
Há, então, uma relação direta entre o estado de turbulência da
atmosfera e a largura espectral de velocidades.
Quando não há gotas presentes mas há fortes variações do índice de
refração da atmosfera, também será possível detetar variâncias no
espectro de velocidades obtidos pela amostragem de volumes no
espaço pelo radar.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Parâmetros [Z], [V] e [W]
[Z] = taxa de refletividade radar dos alvos
medida em [mm6/m3] ou em dBZ
está relacionada com a potência dos ecos recebidos, conforme a equação do radar
meteorológico
está relacionada com a quantidade e as dimensões das gotas contidas em cada
volume de resolução radar
é suposto que a condição de Rayleigh é atendida (que as gotas são pequenas)
[V] = velocidade radial média dos alvos
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 62
[V] = velocidade radial média dos alvos
medida em [m/s]
está relacionada com a variação no tempo da fase dos sinais dos ecos recebidos em
relação à fase dos sinais dos pulsos transmitidos
está relacionada com a direção e o sentido do deslocamento dos alvos em relação ao
radar, medidos na radial de apontamento
calculada como a velocidade devida ao efeito Doppler
[W] = largura espectral de velocidades
medida em [m/s]
está relacionada com a variância da distribuição do espectro de velocidades Doppler
gerado pelas contribuições de cada gota contida no volume de resolução do radar
está relacionada com o regime de turbulência existente no interior do volume de
resolução no momento da amostragem
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Relação entre [Z] e [R]
[R] = Taxa de Precipitação
[Z] [mm6/m3] é proporcional a ~Di
6
[R] [mm/h] é proporcional a ~Di
4
Para se obter a relação entre [Z] e [R], é
necessário conhecer a função densidade
de distribuição das gotas pelos seus
diâmetros
log N
2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 63
Análises por regressão linear permitiram
estabelecer que Z = aRb
Como a e b dependem do espectro de
gotas, difícil de se conhecer na prática,
experimentos levaram a diferentes
relações empíricas entre [Z] e [R]
Os valores de a e b variam no decorrer do
tempo de vida e ao longo do espaço de
um fenômeno meteorológico
Hoje existem centenas de valores de a e
b propostos para diferentes situações
Z.V = Σ Di
6 R.V = Σ viDi
3
R = taxa de precipitação
vi = velocidade limite de queda da gota
Di = diâmetro da gota
V = volume de medida
vi ∼ kD0,67
D
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METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
CAMPOS DE ATUAÇÃO DE RADARES METEOROLÓGICOS
EFEITOS INCONVENIENTES DE PROPAGAÇÃO
CLUTTER RADAR EM METEOROLOGIA
ALVOS NÃO-ATMOSFÉRICOS
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 64
ALVOS NÃO-ATMOSFÉRICOS
ALVOS ATMOSFÉRICOS E METEOROLÓGICOS
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Campos de Atuação de Radares Meteorológicos
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
A figura a seguir apresenta o DOMÍNIO ESPAÇO-TEMPORAL
CARACTERÍSTICOS DOS FENÔMENOS METEOROLÓGICOS.
A adaptação foi produzida com base no diagrama de SMAGORINSKY
(1974), referenciado em SAUVAGEOT, H. “Radarmétéorolgie – Télédéction
Active de l´Atmosphère” (1982).
A figura mapeia a localização dos principais fenômenos atmosféricos
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 65
A figura mapeia a localização dos principais fenômenos atmosféricos
segundo suas dimensões horizontais e durações características.
São mostradas também as definições das escalas de micro, meso e macro
dimensões dos fenômenos, com base em ATKINSONS (1981).
Foi acrescentado o principal domínio de atuação de diferentes radares
meteorológicos, sobreposto às escalas e domínios dos fenômenos.
Não estão representadas as gamas dinâmicas das intensidades dos
fenômenos.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
CamposdeAtuaçãode
RadaresMeteorológicos
difusão
molecular
difusão turbulenta
horizontal
MACROMACROMACROMACRO
ESCALAESCALAESCALAESCALA
LINHAS DE INSTAB
FRENTES
FURACÕES
PRINCIPAL CAMPO
DE ATUAÇÃO DE
RADARES
METEOROLÓGICOS
DOMÍNIO ESPAÇO-TEMPORAL DOS FENÔMENOS ATMOSFÉRICOS
105
km
104
km
103
km
102
km
10
km
1
km
100
m
10
m
1
m
10
cm
1
cm
105
106
107
108
ano
mês
semana
dia
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 66
CamposdeAtuaçãode
RadaresMeteorológicos
Turbulência de
pequena escala
ondas de
gravidade
internas
externas
ondas
sônicas
internas
MESOESCALAMESOESCALAMESOESCALAMESOESCALA
MICROESCALAMICROESCALAMICROESCALAMICROESCALA
CONV
PROFUNDA
TORNADOS
CAT
TROVOADAS
10-2
10-1 100 101 102 103 104 105 106 107 108
100
101
102
103
104
10-1
hora
minuto
segundo
ESCALA HORIZONTAL CARACTERÍSTICA L (m)
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Efeitos Inconvenientes de Propagação
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
O desempenho do radar é reduzido ou sofre distorções pelos efeitos
dos fenômenos de propagação da EEM na atmosfera, quando
comparado com o desempenho em espaço livre.
A EEM sofre efeitos em função da composição e estado físico do meio,
bem como de eventuais obstáculos ou situações anômalas.
Tais efeitos são indesejados e inconvenientes às finalidades de uso do
radar meteorológico.
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 67
radar meteorológico.
É conveniente distinguir duas regiões de propagação:
região óptica ou região de interferência: é a que está na linha de visada
do radar (observação direta).
região de difração: é a que está além do horizonte do radar, onde a
energia radar ali encontrada é usualmente devida à difração pela superfície
na curvatura terrestre ou pela refração pela atmosfera terrestre.
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METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Efeitos Inconvenientes de Propagação
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
Os efeitos inconvenientes mais importantes são:
Atenuação
Refração
Reflexão
Ecos do lóbulos laterais da antena
Ecos de segunda viagem
Ecos de espelho
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Ecos de espelho
Efeitos de sombras (ocultação do feixe)
Ecos de “anjos”
Ecos de clutter
A maioria das causas desses efeitos não podem ser
controladas ou removidas.
Algumas causas poder ser controladas, porém a custos muito
altos, na maioria das vezes.
Há que se aprender a conviver com elas e seus efeitos.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Efeitos Inconvenientes de Propagação
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
Atenuação:
É a perda de potência pelo espalhamento e absorção das ondas EM ao se
propagar na atmosfera. Pode ser classificada em função de suas causas:
Atenuação Atmosférica
Atenuação pelas Núvens
Atenuação pelas Chuvas
Atenuação pela Neve
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 69
Atenuação pela Neve
Atenuação pelo Granizo
Os efeitos da atenuação, para cada uma das causas acima, é função do
tipo dos materiais, de suas densidades e estado físico, de suas distribuições
no espaço de propagação e da frequência de operação do radar.
Deve-se levar em conta as atenuações em ambos os caminhos de
propagação entre o radar e os alvos (atenuação de ida e de volta dos
sinais).
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Efeitos Inconvenientes de Propagação
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
Refração:
É a mudança da direção de propagação em função da densidade do meio
de propagação; as ondas tendem a se propagar na direção da maior
densidade.
Refração padrão: ocorre dentro da atmosfera padrão.
Sub-refração: ocorre quando há maior decréscimo da temperatura com a
altura e/ou quando a umidade é menor que o normal.
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 70
altura e/ou quando a umidade é menor que o normal.
Super-refração: ocorre quando o decréscimo da temperatura com a
altura é menor e/ou quando a umidade é maior que o normal.
Dutos: ocorre quando há uma forte inversão na camada inferior da
troposfera, ficando a energia EM retida dentro das duas camadas.
Se a atmosfera terrestre fosse perfeitamente uniforme (o mesmo índice de
refração em todos os pontos), a EEM do radar se propagaria em linha reta.
Devido à esfericidade da terra e que a atmosfera forma uma camada sobre
a Terra, o feixe radar fica mais alto na atmosfera à medida que se afasta
do radar (efeito da curvatura terrestre).
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Efeitos Inconvenientes de Propagação
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
Refração:
A variação do índice de refração fará com que o feixe radar siga uma
trajetória curva na atmosfera. Na atmosfera normal, o feixe se curva em
direção às camadas mais baixas da atmosfera.
Como é mais conveniente considerar uma trajetória reta, se usa o artifício
de aumentar o raio da Terra. O raio efetivo é calculado como 1,1xRgeo a
1,6xRgeo, dependendo das condições.
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 71
1,6xRgeo, dependendo das condições.
Para a atmosfera normal, usa-se o valor Reff = (4/3)xRgeo.
A super-refração faz com que o feixe alcance alvos no solo em distâncias
maiores que o normal. A isso se denomina “propagação anômala”.
Reflexão
Alguns obstáculos no solo podem se comportar como “espelhos” para a
energia do radar, refletindo o feixe.
Isso pode causar “dupla” deteção de um mesmo alvo pelo radar: uma vez
pelo apontamento direto e outra pelo feixe refletido. Os dois ecos do
mesmo alvo aparecerão a distância e ângulos diferentes, dando a
impressão de serem de dois alvos distintos.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Efeitos Inconvenientes de Propagação
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
Ecos do lóbulos laterais da Antena
São devidos à irradiação e ao retorno de sinais através dos lóbulos
laterais.
Típicos: clutter de solo, múltiplos topos de ecos em RHI, anéis a curtas
distâncias em RHI.
Ecos de segunda viagem
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 72
Em super-refração, é possível receber ecos de longas distâncias.
Caso a distância seja maior que a distância não-ambígua, os ecos podem
aparecer “dobrados” a uma distância que é menor que a real.
Ecos de espelho
Quando o feixe radar é apontado para um edifício (por ex.), o mesmo
pode servir de espelho para as ondas radar
Pode ser possível então observar uma mesma precipitação com dois ecos
em azimutes distintos.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Efeitos Inconvenientes de Propagação
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
Efeitos de sombras (ocultação do feixe)
Quando o feixe radar é apontado para um edifiício ou uma montanha, os
alvos que estão “atrás” deles estão “na sombra”, e portanto não estão
visíveis.
Ecos de “anjos”
São ecos que não são atribuíveis a alvos bem conhecidos, podendo ser
originados, na maioria das vezes, por:
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 73
originados, na maioria das vezes, por:
CAT - Turbulência de Ar Claro, Insetos ou aves, Areia, poeira ou
fumaça.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Clutter Radar em Meteorologia
Os alvos de interesse da meteorologia radar estão associados aos
fenômenos e às atividades naturais da atmosfera terrestre.
Outros objetos, naturais ou artificiais, existentes na atmosfera, são
também detectados pelo radar.
Aqueles alvos que não são de interesse da meteorologia, são considerados
como clutter radar.
Cada um desses alvos indesejáveis possui características próprias de
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 74
Cada um desses alvos indesejáveis possui características próprias de
refletividade, velocidade e largura espectral, exercendo maior ou menor
influência nos resultados de detecção de alvos úteis.
Os alvos de clutter mais influentes sâo os ecos de solo e de mar e são
característicos de cada local de instalação do radar.
Os parâmetros de processamento devem ser configurados para otimizar os
resultados a filtragem (remoção) do clutter, em função da PRF, da largura
de pulso e dos tipos de clutter do local.
Mesmo o clutter de alvos “fixos” podem apresentar flutuações de
velocidade Doppler, em função dos movimentos da vegetação ou das
ondas dos mares, bem como do movimento relativo do feixe da antena.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Alvos Não-Atmosféricos
Alvos Pontuais:
Alvos individuias com dimensões muito menores que o volume de
amostragem do radar. São exemplos os seguintes: fumos, poeiras
areias e partículas poluidoras, insetos isolados, pólen e sementes em
suspensão na atmosfera.
Alvos-Padrão:
Alvos construídos para apresentarem uma secção reta radar
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 75
Alvos construídos para apresentarem uma secção reta radar
perfeitamente conhecida. Usados para calibração do radar.
Podem ser traçadores, refletores e ressoadores artificiais.
Pássaros:
Individualmente, apresentam secções retas radar pequenas e função de
seus tamanhos. Bandos podem apresentar áres e intensidades
consideráveis.
Insetos:
Se apresentam como alvos pontuais distribuídos. Se deslocam com o
vento ou flutuam na turbulência em baixas altitudes. Quando em
grandes quantidades, apresentam ecos perfeitamente detetáveis.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Alvos Não-Atmosféricos
Solo, Vegetação, Mares, Rios e Lagos:
Apresentam fortes ecos, em especial nas proximidades do radar. Os
retornos são feitos, em sua maior parte, através dos lóbulos laterais da
antena, embora o feixe principal possa também trazer retornos de
elevações existentes na área de cobertura radar.
A vegetação, quando se move com os ventos, pode prejudicar a
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 76
A vegetação, quando se move com os ventos, pode prejudicar a
remoção do clutter de solo por filtragem Doppler.
Os movimentos das marés também dão aos ecos dos mares uma
característica própria como clutter radar.
O processamento dos sinais recebidos desses alvos deve levar em conta
tais particularidades quando se deseja a remoção de tais ecos.
As elevações podem se causar obstruções à propagação da EEM do
feixe radar, impedindo a deteção de alvos meteorológicos. Podem
causar também a refração do feixe.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Alvos Não-Atmosféricos
Aeronaves:
Algumas são detetáveis mesmo a longas distâncias. Se apresentam
como ecos pontuais, quando em áreas sem precipitação. A deteção é
mais provável em varredura volumétrica.
Veículos Terrestres e Edificações.
Algumas edificações podem causar bloqueio do feixe, dificultando a
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 77
Algumas edificações podem causar bloqueio do feixe, dificultando a
deteção de precipitações naquela direção.
Fontes de Emissão EM Interferentes:
A energia interferente impede o processamento dos sinais oriundos dos
alvos de interesse.
Se mostra como “raios” que preenchem o setor correspondente ao feixe
radar, ou como traços ou raias.
Podem ter origem em transmissores de comunicação ou de outros
radares.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Alvos Atmosféricos e Meteorológicos
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
Retorno de Ar Claro:
Partículas e insetos em suspensão.
Gradientes do índice de refração.
Movimentos da atmosfera detectáveis: turbulência, ventos,
microbursts, gust fronts.
Núvens.
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 78
Núvens.
Precipitações:
Chuvas.
Neve.
Banda brilhante.
Granizo.
Grandes Formações:
Tempestades, frontais, linhas de instabilidade.
Tornados, ciclones tropicais, furacões.
EThICS 907.002.01
METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS
ENGINEERING
Alvos Atmosféricos e Meteorológicos
3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
GAMA DINÂMICA:
Desde abaixo do limite inferior da capacidade de detecção (-15 dBZ a 20 km) até
da ordem de +70 dBZ
ÍNDICE DE REFRAÇÃO |K|2 (para λ = 10 cm)
Para água em estado líquido: |K|2 = 0,931
Para água na forma de gelo: |K|2 = 0,176
DIMENSÕES ESPAÇO-TEMPO: Ver diagrama (Smagorinski) e tabela a seguir
18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 79
DIMENSÕES ESPAÇO-TEMPO: Ver diagrama (Smagorinski) e tabela a seguir
ESCALA
HORIZONTAL
ESCALA
TEMPORAL
ESCALA DE
VELOCIDADES
[m] [s] [m/s]
Eddies dentro da região de dissipação 10-3
(1mm) 10-3
(1 ms) 1 1:1
Micro-turbulência 101
(10m) 101
(1 s) 1 2:1
Convecção em Cumulus 103
(1km) 103
(20 min) 1 2:1
Cumulonimbus 104
(10km) 103
- 104
(1 h) 3 5:1
Agrupamento de núvens 105
(100km) 104
(3 h) 10 1:10
Frontal 105
(100km) 104
(3 h) 10 1:5
Ciclone (altitude intermediária) 106
(1000km) 105
(1 d) 10 1:500
Ondas planetárias 107
(10000km) 106
(10 d) 10 1:1000
ESCALAS TÍPICAS DE SISTEMAS DE MOVIMENTOS ATMOSFÉRICOS
TIPO DE MOVIMENTO ATMOSFÉRICO
RELAÇÃO
VERT/HORIZ

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  • 1. EThICS 907.002.01 Engenharia Tecnologia, Inteligência Consultoria & Sistemas EThICS ENGINEERING METEOROLOGIA RADARMETEOROLOGIA RADARMETEOROLOGIA RADARMETEOROLOGIA RADAR - Fundamentos Gerais - 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 1 - Fundamentos Gerais - Antonio Sallum Librelato Diretor – EThICS Engineering Março - 2003
  • 2. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Objetivos e Destinação Objetivos: apresentação de Noções sobre o funcionamento de radares meteorológicos Usos de radares em meteorologia Destinação: instrução básica para Meteorologistas em geral e meteorologistas radar em especial Atuais e futuros operadores de radares meteorológicos 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 2 Sumário do Conteúdo 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR
  • 3. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR NOÇÕES SOBRE ENERGIA ELETROMAGNÉTICA FORMA DE ONDA E ESPECTRO DE SINAIS RADAR: O QUE É? SISTEMA RADAR METEOROLÓGICO DOPPLER: FINALIDADES 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 3 SISTEMA RADAR METEOROLÓGICO DOPPLER: FINALIDADES SENSOR RADAR PULSADO DOPPLER EFEITO DOPPLER AMBIGUIDADE NAS MEDIDAS DE DISTÂNCIA E VELOCIDADE DETEÇÃO DE SINAIS E EXTRAÇÃO DE INFORMAÇÕES APRESENTAÇÃO E DISSEMINAÇÃO DAS INFORMAÇÕES
  • 4. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Noções sobre Energia Eletromagnética 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR Rádio 104 ~ 10-3 m 3 x 104 ~ 1011 Hz Infra Vermelho 10-3 ~ 10-6 m 1011 ~ 1014 Hz Visível 5 x 10-7 m 2 x 1014 Hz Ultra Violeta 10-7 ~ 10-8 m 1015 ~ 1016 Hz Ráios X 10-9 ~ 10-11 m 1017 ~ 1019 Hz Ráios Gama 10-11 ~ 10-13 m 1019 ~ 1021 Hz 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 4 A luz como energia eletromagnética visível: Emissão, propagação, iluminação, concentração, reflexão, difração Composição (cores): multifreqüências Sinal EM em função do tempo: amplitude, período, freqüência, fase a(t) = A.cos[φ(t)] = a(t) = A.cos(ωt + φ0) = A.cos(2.π.f.t + φ0) ω = dφ(t)/dt = 2.π.f = velocidade angular de variação da fase T = 1/f = período de repetição da forma de onda Emissão de pulsos de energia EM em micro-ondas Hz
  • 5. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Noções sobre Energia Eletromagnética 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR O campo eletromagnético oscilatório Campo elétrico EEEE e campo magnético HHHH, ortogonais e oscilatórios. Potência e vetor de Pointing: P = E x H aponta a direção de propagação da onda eletromagnética. Polarização: na direção do campo elétrico E. 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 5 Polarização: na direção do campo elétrico E. P E H
  • 6. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Forma de Onda e Espectro de Sinais 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 6
  • 7. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Forma de Onda e Espectro de Sinais 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR f P(f) t a(t) (a) 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 7 A concentração ou o espalhamento da potência no espectro de frequências indica o caráter de correlação ou de aleatoriedade de um sinal. (a) Sinal predizível (b) Sinal aleatório t a(t) (b) f P(f)
  • 8. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Forma de Onda e Espectro de Sinais 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 8
  • 9. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Forma de Onda e Espectro de Sinais 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 9
  • 10. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Forma de Onda e Espectro de Sinais 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR P(f)a(t) T Ton 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 10 Um trem periódico de pulsos e seu espectro de raias. f 1/Ton tToffTo ff To = Ton +Toff
  • 11. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING O Radar – O que é 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR RADAR: “Radio Detection and Ranging” (detecção de alvos e medida de distância por rádio) INÍCIO: Segunda Guerra Mundial - Inglaterra, Alemanha, EEUU, França, Itália, Rússia e Japão O radar é um dispositivo eletrônico capaz de transmitir um sinal eletromagnético (EM), receber de volta ecos de alvos e determinar vários aspectos dos mesmos, a partir das características dos sinais recebidos. 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 11 características dos sinais recebidos. DESIGNAÇÃO HF 3 a 30 MHz 100 a 10 m VHF 30 a 300 MHz 10 a 1 m UHF 300 a 1000 MHz 1 a 0,3 m L 1 a 2 GHz 30 a 15 cm S 2 a 4 GHz 15 a 8 cm C 4 a 8 GHz 8 a 4 cm X 8 a 12 GHz 4 a 2,5 cm Ku 12 a 18 GHz 2,5 a 1,7 cm Ku 18 a 27 GHz 1,7 a 1,2 cm Ka 27 a 40 GHz 1,2 a 0,75 cm mm 40 a 300 GHz 7,5 a 1 mm FREQUÊNCIA NOMINAL COMPRIMENTO DE ONDA NOMINAL BANDAS DE OPERAÇÃO RADAR
  • 12. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Sistema Radar Meteorológico Doppler 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR PRINCIPAIS FINALIDADES DO SISTEMA Teledetecção radar ativa de alvos meteorológicos Exploração de ocorrência de precipitações e ventos Mapeamento da distribuição espaço-temporal e dinâmica dos ecos detectados, caracterizados quanto a: 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 12 taxa de refletividade radar (Z) velocidade (doppler) radial média (V) largura espectral de velocidade (W) Distribuição de imagens radar aos usuários, através de rede de comunicações e computacional Telecontrole e teleoperação do sistema, a partir de centros de operação remota
  • 13. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Glossário dos Elementos do Sensor Radar 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR SIGLA/ ABREV PORTUGUÊS INGLÊS AGC Controle Automático de Ganho Automatic Gain Control CA Corrente Alternada Alternate Current FI Frequência Intermediária Intermediary Frequency I Sinal de Vídeo Em Fase In-Phase Video LO Oscilador Local Local Oscilator LOG Logarítmico Logarithmic Q Sinal de Vídeo em Quadratura Quadrature Video 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 13 Q Sinal de Vídeo em Quadratura Quadrature Video REG Regulado Regulated RF Rádiofrequência Radiofrequency TRIF Trifásico Triphasic VID Vídeo Video
  • 14. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Glossário dos Elementos do Sensor Radar 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR SIGLA/ ABREV PORTUGUÊS INGLÊS ACOP DIREC Acoplador Direcional Directional Coupler AFC Controle Automático de Frequência Automatic Frequency Control AMP AGC Amplificador de AGC AGC Amplifier AMP FI Amplificador de FI IF Amplifier AMP LOG Amplificador Logarítmico Log Amplifier AMP VID Amplificador de Video Video Amplifier ANT Antena Antenna COHO Oscilador Coerente Coherent Oscilator 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 14 COHO Oscilador Coerente Coherent Oscilator DET IQ Detector IQ IQ Detector DUP Duplexador Duplexer FPF Filtro Passa-Faixa Band Pass Filter LIMIT Limitador Limiter LNA Amplificador de Baixo Ruído Low Noise Amplifier MAT Muito Alta Tensão Extra High Voltage MIX Misturador Mixer MOD Modulador Modulator OSC Oscilador a Magnetron Magnetron Oscilator POS Posicionador Positioner PROC Processador Processor SERVO Servo Servo STALO Oscilador Local Estável Stable Local Oscilator VÁLV TR Válvula Tx/Rx TR Tube VISU Visualização Visualization
  • 15. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Sensor Radar Pulsado Doppler 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO (1) ANTENA Formata e dirige o feixe EM aos alvos e recebe os retornos (ecos) O formato do feixe depende da forma e das dimensãoes da Antena e da frequência das ondas EM POSICIONADOR POS ANT controles RADAR DOPPLER A MAGNETRON 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 15 POSICIONADOR Suporta, move e posiciona a Antena Pode ter um, dois ou três eixos de movimentação Cada eixo requer um controle de posição para uso do Servo e do Processador SERVO Aciona o movimento do Posicionador Tem um canal de acionamento para cada eixo do Posicionador Opera com malhas fechadas de controle (velocidade e posição) OSC MOD REC DUP PROC VISU SERVO MAT controles amostra do pulso RF LOG I Q
  • 16. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Sensor Radar Pulsado Doppler 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO (2) DUPLEXADOR Chaveia entre transmissão e recepção Protege o Receptor contra as altas potências de transmissão OSCILADOR Gera a energia EM na frequência radar e nas durações dos pulsos POS ANT pulsos pulsos RF 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 16 pulsos É comum o uso de válvula tipo magnetron MAT/MODULADOR Gera energia CC em tensões muito altas Formata os pulsos que modulam a energia EM Armazena energia CC durante o período de recepção e descarrega-a no oscilador no decorrer da duração do pulso Aciona o oscilador na cadência da frequência de repetição de pulsos (PRF) OSC MOD REC DUP PROC VISU SERVO MAT pulsos RF trem de pulsos AT DC sinc amostra do pulso RF LOG I Q
  • 17. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Sensor Radar Pulsado Doppler 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO (3) RECEPTOR Recebe, filtra e amplifica a energia EM de retorno dos alvos (ecos) Detecta os sinais de ecos e gera os sinais de vídeo radar Vídeo LOG: detecção da intensidade dos sinais recebidos (ecos) POS ANT RF 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 17 (ecos) Vídeos LIN (I, Q): detecção da variação da fase entre os sinais transmitidos e os recebidos: PROCESSADOR Gera os sinais de sincronismo para o radar Digitaliza os sinais de vídeo radar (I, Q, LOG) Processa os sinais, de forma digital, para extrair as informações desejadas (dados) Processa os dados radar para uso na geração dos produtos VISUALIZAÇÃO Processa os dados radar para extrair produtos para a visualização pelos operadores Permite a interface operador-sistema OSC MOD REC DUP PROC VISU SERVO MAT RF sinc dados amostra do pulso RF LOG I Q
  • 18. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Sensor Radar Pulsado Doppler 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR DIAGRAMA ESQUEMÁTICO BÁSICO DE UM RECEPTOR COERENTE DUP POS ANT SERVO AMP VÁLV TR + LIMIT ACOP DIREC MIX LNA FPF 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 18 PROC VISU AGC I Q OSC MOD MAT AMP LOG AMP AGC DET IQ AMP VID FILTRO AMP FI LOG COHO AFC STALO LIMIT pré-trigger 30 MHz fcoho 30 MHz pulso pré-trigger 30 MHz pulso LO RF com. sint CA TRIF REG MIX
  • 19. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Sensor Radar Pulsado Doppler 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR Através da medida simultânea dos valores instantâneos dos vídeos Ii(t) e Qi(t), pode-se recuperar o valor instantâneo da fase φ(φ(φ(φ(ti) O cálculo da derivada da fase fornece a velocidade angular wd , à qual está relacionada a velocidade radial média Q(t) I(t) = A.cos (wd.t) Q(t) = A.sin (wd.t) φ(t) = wd.t = 2π fd.t wd = dφ(t)/dt wd = 4πvdr/λ 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 19 d relacionada a velocidade radial média Doppler vdr dos alvos que deram origem aos sinais Se wd > 0, a fase cresce com o tempo e o alvo se afasta do radar (vdr > 0) Se wd < 0, a fase decresce com o tempo e o alvo se aproxima do radar (vdr < 0) I(t) Ii(t) Qi(t) φ(φ(φ(φ(ti)
  • 20. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Efeito Doppler 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR Quando um emissor de sinais oscilatórios e um receptor da oscilação estão em movimento relativo entre si, o receptor notará um deslocamento na frequência da oscilação recebida, em relação à frequência efetivamente emitida pelo transmissor. É o chamado Efeito Doppler-Fizeau (1842). Frequência aparente MAIOR queFrequência aparente MENOR que 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 20 Frequência aparente MAIOR que a frequência emitida pela fonte Vfonte Frequência aparente MENOR que a frequência emitida pela fonte Receptor “ouve” um som mais agudo que o real quando a fonte se aproxima
  • 21. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Efeito Doppler 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR Para o caso de um radar fixo, emitindo na frequência f0 e detectando um alvo que está a uma distância r e em movimento a uma velocidade radial vr, pode-se estabelecer o seguinte: o número total de comprimentos de onda λλλλ = c/ f0 contidos no trajeto de ida e volta entre radar e alvo é 2r/λλλλ; a excursão total da fase do sinal nesse trajeto é então φ = 4πφ = 4πφ = 4πφ = 4πr/λλλλ 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 21 a excursão total da fase do sinal nesse trajeto é então φ = 4πφ = 4πφ = 4πφ = 4πr/λλλλ como o alvo se move, a distância r varia na razão dr/dt = vr, fazendo com que a fase também varie, isto é, gerando uma velocidade angular Doppler: wd = 2ππππfd = dφ /φ /φ /φ /dt = 4π (4π (4π (4π (dr/dt)/λλλλ = 4π4π4π4π vr/λλλλ
  • 22. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Efeito Doppler 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR Logo, pode-se definir uma frequência fd e uma velocidade vdr Doppler como sendo: 2vdr 2vdr f0 λλλλ fd fd = ------ = -------- vdr = ------ λλλλ c 2 Por convenção, alvos que se aproximam têm velocidade radial 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 22 Por convenção, alvos que se aproximam têm velocidade radial negativa e os que se afastam têm velocidade radial positiva A frequência dos sinais dos ecos do alvo móvel será recebida pelo radar como sendo fr = f0 + fd
  • 23. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Ambiguidades nas Medidas de Posição 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR O processo de medida executado por radares pulsados se constituí naturalmente por uma amostragem feita através da cadência dos pulsos emitidos pelo radar, na frequência fp (PRF). Medidas feitas por amostragem podem apresentar resultados ambíguos, isto é, que permitem dupla interpretação. Já vimos que a distância não ambígua máxima é 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 23 Já vimos que a distância não ambígua máxima é rUmáx = cT/2 = c/2 fp Alvos que estejam além da distância não ambígua máxima poderão ser detetados e apresentados a uma distância menor que a não ambígua máxima, causando interpretações errôneas.
  • 24. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Ambiguidades nas Medidas de Velocidade 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR Segundo Nyquist, toda amostragem deve ser feita com uma frequência no mínimo o dobro da maior frequência do sinal objeto amostrado, para que haja uma estimativa correta do conteúdo espectral do mesmo: fN >= 2>= 2>= 2>= 2fobj máx Assim, a frequência Doppler não ambígua máxima é: 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 24 fdUmáx = fp/2 = 1/2T Logo, a velocidade Doppler não ambígua máxima é: vdrUmáx = λλλλ fp /4 A combinação das duas restrições estabelece o chamado “Dilema Doppler”: vdrUmáxrUmáx = cλλλλ /8
  • 25. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Ambiguidades nas Medidas de Velocidade 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR Uma analogia sobre a amostragem em frequência pode ser o uso de luzes estroboscópicas para medir a frequência de rotação de um objeto com uma marca de referência. Aumentando e diminuindo a frequência dos pulsos de luz, vai-se observando a marca até que ela fique aparentemente “parada”. Essa será então a frequência de rotação do objeto (ou um sub-múltiplo dela). 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 25 rotação do objeto (ou um sub-múltiplo dela). É o que também ocorre em uma filmagem a 24 quadros/seg de uma carroça com raios nas rodas. Quando a velocidade da carroça não é constante, em alguns momentos pode-se ter a ilusão de que a roda está rodando no sentido inverso ao esperado.
  • 26. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Deteção de Sinais e Extração de Informações 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR Na recepção, a EEM de retorno dos alvos (ecos radar) é captada pela antena e convertida em potência de RF (2,7 GHz) na saída do duplexador. Após amplificação pelo LNA, é gerada a potência de RF na saída, a qual é multiplicada, no Misturador, pelo sinal de RF da saída do STALO, dando origem ao sinal de FI em 30 MHz, modulado pelos ecos. 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 26 dando origem ao sinal de FI em 30 MHz, modulado pelos ecos. Após amplificação e filtragem, o sinal de FI é processado por: detector de envoltória, para a extração da informação de amplitude dos sinais recebidos, gerando o sinal LOG(t). demodulador de fase, para a geração dos sinais I(t) e Q(t), destinados à extração da informação da diferença de fase entre o sinal recebido e a amostra da fase do sinal transmitido.
  • 27. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Deteção de Sinais e Extração de Informações 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR Os sinais gerados (I, Q e LOG) são entregues a um processador digital de sinais(SDP), para: digitalização, filtragem e processamento pulso-a-pulso. processamento de dados em cada radial radar (raio). geração de dados de posição, intensidade, velocidade, etc. 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 27 Relógio de Sincronização e Temporização do Radar Amostras do Sinal Recebido, Após Conversão Analógico/Digital Sinal de Vídeo Logarítmico na Saída do Receptor (ECOS) Pulsos Emitidos pelo Transmissor t t t ττττ T = 1/f0 Ta t
  • 28. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Deteção de Sinais e Extração de Informações 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR Os dados de cada radial radar, gerados pelo SDP, são enviados a um Computador de Dados Radar (RDC). Tais dados podem estar disponíveis para visualização em tempo real, como série temporal ao longo da execução da varredura. O RDC transfere os dados brutos polares 3D para uma estação de 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 28 O RDC transfere os dados brutos polares 3D para uma estação de trabalho (LOW), onde são armazenados e agrupados para permitir a extração dos produtos radar. A geração dos produtos é feita em conformidade com parâmetros estabelecidos em algorítmos de extração de imagens dos dados. Tais produtos resultam nas imagens, úteis para a visualização dos resultados pelos usuários.
  • 29. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Apresentação e Disseminação das Informações 1. PRINCÍPIOS GERAIS DE RADAR Os produtos assim geradas são apresentadas em terminais de usuários, seja local, seja remotamente. A disseminação pode ser feita para uso de um ou mais usuários, via rede local ou via rede extendida. Os dados e os produtos podem também ser armazenados 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 29 Os dados e os produtos podem também ser armazenados digitalmente.
  • 30. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA MEDIDAS USUAIS POR RADAR METEOROLÓGICO MEDIDAS DE LOCALIZAÇÃO MEDIDAS DE REFLETIVIDADE: A EQUAÇÃO RADAR 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 30 A EQUAÇÃO RADAR METEOROLÓGICO NOÇÕES DE CÁLCULO LOGARÍTMICO MDS – MÍNIMO SINAL DETETÁVEL MEDIDAS DE VELOCIDADE MEDIDAS DE LARGURA ESPECTRAL PARÂMETROS [Z], [V] E [W] RELAÇÃO ENTRE [Z] E [R]
  • 31. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas Usuais por Radar Meteorológico 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA MEDIDAS DE LOCALIZAÇÃO Distância entre o radar e os alvos Posição angular de elevação e azimute, em coordenadas polares, dos alvos em relação ao radar Distribuição espacial dos ecos dos alvos, na área de cobertura do radar 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 31 radar MEDIDAS DE REFLETIVIDADE (INTENSIDADE DOS ECOS) Taxa de refletividade radar dos alvos MEDIDAS DE VELOCIDADE Velocidade radial média Doppler de deslocamento dos alvos em relação ao radar Sentido de deslocamento dos alvos em relação ao radar Variância da velocidade radial dos deslocamentos dos alvos em relação ao radar
  • 32. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Localização 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA A distância entre o radar e os alvos é medida indiretamente, a partir da medida do tempo decorrido entre a emissão dos sinais pelo radar e a recepção dos sinais de ecos desses alvos, levando-se em conta a velocidade de propagação das ondas no meio. Denomina-se “range gate” a essa distância T = 1 /fp PULSOS EMITIDOS ECOS RECEBIDOS τ 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 32 Denomina-se “range gate” a essa distância (logo, tempo) em que o eco de um alvo foi amostrado e medido pelo processamento do radar. Tais medidas são feitas na radial de apontamento entre o radar e o alvo (radial radar). A distância não ambígua máxima é rUmáx = cT/2 = c/2 fp τ = largura (duração) do pulso transmitido T = período de repetição de pulsos fp = frequência de repetição de pulsos (PRF) tr = tempo entre início da emissão do pulso e amostragem do eco (range gate) c = velocidade de propagação das ondas EM no meio r = distância entre o radar e o alvo tr r = c tr/2
  • 33. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Localização 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA r0 = 8500 km Hr = 2 km Hm = 25 km r1 = 186 km r2 = 184 km r3 = 652 km r4 = 542 km r1Hm Hr r2 r3 r4 h1 h2 h3 r5 d0 0 A B C D T Para fp = 250 Hz: 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 33 r4 = 542 km r5 = 652 km h1 = h2 = 25 km h3 = d0 = 652 km r0 E Desenho FORA DE ESCALA ! Para fp = 250 Hz: rUmáx = 600 km
  • 34. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Localização 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA BEAM HEIGHT H x RANGE r x ELEVATION ΦΦΦΦ 60,0 70,0 80,0 H = [r2 + Re2 +2.r.Re.sin(ΦΦΦΦ)]0,5 – Re + Ha Re = (4/3) Rgeo = 4590 NM Ha = 0 ft 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 34 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 RANGE [NM] HEIGHT[kft] 0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0 15,0 20,0 Produced by EThICS Engineering
  • 35. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Localização 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA Há alvos que são puntiformes, isto é, têm dimensões tais que dão ecos como pontos concentrados no espaço, tais como aeronaves e veículos terrestres. Os ecos de alvos puntiformes são apresentados como pulsos a uma distância determinada. r h = c τ / 2 eco puntiforme 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 35 distância determinada. Há alvos que são distribuídos no espaço, isto é, preenchem um volume considerável dentro do feixe do radar, tais como as chuvas e os ecos de solo. Seus ecos são distribuídos ao longo da radial do radar. Os ecos de alvos distribuídos são apresentados distribuídos ao longo de uma região angular. eco puntiforme 0 tr eco distribuído
  • 36. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Localização 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA VOLUME ILUMINADO PELO PULSO θθθθ0 = ângulo de -3dB do feixe, na horizontal φφφφ0 = ângulo de -3dB do feixe, na vertical h = cτ /2 • O volume aumenta com o quadrado da distância. • Dois ou mais alvos que couberem dentro do volume iluminado pelo pulso serão tomados como um só alvo, resultando em um único eco. • V representa a resolução volumétrica do radar. π (r 2) θ0 φ0 h V = ------------------ 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 36 do radar. V = ------------------ 8 ln 2 φφφφ0/2 h θθθθ0/2 r
  • 37. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Localização 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA A(x, y, z) = Localização do ponto A num sistema de coordenadas cartesianas, centrado no radar e com o Norte como referência para eixo Y A(r, θθθθ, φφφφ) = Localização do ponto A num sistema de coordenadas polares, centrado no radar e com o Norte como referência angular Z N A A r Z 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 37 X Y 0 θ (AZ) φ (EL) r A h rhor E h rhor r 0 X rg Para o centro da Terra Nível Médio do Mar (1013 mb) Curvatura Terrestre φ (EL)
  • 38. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Localização 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA Range = r = distância entre a origem 0 e o ponto A. Slant range = range = medida feita em ângulo com a horizontal. Ground range = rg = distância entre dois pontos medida seguindo a curvatura terrestre. θ = Azimuth = azimute = ângulo medido em relação à direção Norte. 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 38 θ = Azimuth = azimute = ângulo medido em relação à direção Norte. φ = Elevation = elevação = ângulo medido em relação à horizontal. Heigth = h = altura = distância medida na vertical, entre o ponto A e o plano horizontal de referência (contém o ponto 0). Altitude = altitude = distância medida na vertical, entre o ponto A e o nível médio do mar (1013 mb).
  • 39. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Refletividade – A Equação Radar 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA Uma antena isotrópica irradia igualmente em todas as direções. A potência pt de transmissão será distribuída pela superfície de uma esfera de raio r com uma densidade St, uniforme. A antena do radar não é isotrópica, r pt St Área da esfera = 4ππππr2 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 39 A antena do radar não é isotrópica, mas sim diretiva, possuindo direções preferenciais (feixe principal e lóbulos laterais) nas quais a potência é mais concentrada que em outras. A relação entre a densidade de potência na direção de máximo e a densidade de potência isotrópica no mesmo ponto é definida como o GANHO g da antena. O ganho da antena é válido tanto para transmissão quanto para recepção. Antena isotrópica pt = potência transmitida St = densidade de potência de transmissão, na superfície da esfera i = antena isotrópica d = antena diretiva, com ganho g na direção do máximo pt pt g Sti = -------- Std = --------- 4ππππ r2 4ππππ r2
  • 40. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Refletividade – A Equação Radar 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA Um alvo de área σσσσ, que estiver a uma distância r da antena, quando for iluminado pelo feixe principal da antena do radar, interceptará uma potência pσσσσ. Supondo que o alvo reirradiará isotrópicamente toda a energia interceptada, parte dessa energia rg pt pσ St λ 1. Radar iluminando o alvo com ganho diretivo: σ pσ = St σ pt g σ pσ = ----------- 4 π r2 2. Alvo reirradiando em todas as direções (isotrópico): 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 40 isotrópicamente toda a energia interceptada, parte dessa energia alcançará a antena com uma densidade Sr. Na recepção, a antena apresentará uma área efetiva Ae, interceptando uma potência pr. A área efetiva Ae da antena pode ser expressa em função de seu ganho g. Estamos supondo (para simplificar) que não há perdas de potência nesses caminhos entre antena e alvo. pt g σ Ae pt g2 λ 2 σ pr = ------------ = --------------- (4 π r2)2 4 π (4 π r2)2 g λ 2 Ae = ------- 4 π 2. Alvo reirradiando em todas as direções (isotrópico): r pσ λ AeSr pr pσ pt g σ Sr = ------- = ---------- 4 π r2 (4 π r2)2 3. Radar recebendo a potência reirradiada pelo alvo: pr = Sr Ae
  • 41. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Refletividade – A Equação Radar 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA A partir das relações anteriores, obtém-se a relação entre: a potência recebida; a potência transmitida; o ganho da antena; o comprimento de onda de operação do pt g2 λλλλ2 σσσσ pr = --------------- 64 ππππ3 r4 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 41 o comprimento de onda de operação do radar; a área do alvo; a distância entre o alvo e o radar. A área do alvo se refere ao tamanho com que o radar “vê” o alvo, com dimensões que são diferentes das dimensões ópticas humanas. Denomina-se então como “σσσσ” a área da secção reta de retrodifusão radar do alvo. EQUAÇÃO RADAR PARA UM ALVO PUNTIFORME DE SECÇÃO DE RETRODIFUSÃO σσσσ, LOCALIZADO NO CENTRO DO FEIXE PRINCIPAL DA ANTENA, A UMA DISTÂNCIA r.
  • 42. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Refletividade – A Equação Radar 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA RETRODIFUSÃO DE ALVOS: A retrodifusão pelos alvos dependerá dos seguintes elementos: Tamanho do alvo; Formato do alvo; Estado físico do alvo; Comprimento de onda da energia EM do R = raio da esfera D = diâmetro da esfera σ = secção de retrodifusão radar λ = comprimento de onda radar |K|2 = parâmetro relacionado com o índice de refração complexo do material da esfera 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 42 Comprimento de onda da energia EM do radar. O cálculo analítico de σσσσ (secção de retrodifusão radar ou secção reta radar) para alvos de formatos complexos é também complexo. O formato de muitos alvos meteorológicos são simples e a maioria dos hidrometeoros possuem formato aproximadamente esférico. As dimensões “elétricas” de uma esfera podem ser definidas pela relação entre o seu diâmetro e o comprimento de onda. CRITÉRIOS PARA CLASSIFICAR TAMANHOS DE ESFERAS: D/λ > 10 σ = π R2 D/λ < 0,1 π5 σ = --- |K|2 D6 λ4 ESFERA GRANDE: ESFERA PEQUENA: Lei de RAYLEIGH condição de validade da lei de Rayleigh
  • 43. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Refletividade - A Equação Radar Meteorológico 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA π (r 2) θ0 φ0 h V = ------------------ 8 ln 2 π5 π5 π6 (r 2) θ φ h |K|2 Z Di 6 Z = Σ ---- V Z.V = Σ Di 6 (D/λ < 0,1) Por definição, Z = taxa de refletividade radar: 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 43 pt g2 λ2 (Σ σi ) pr = -------------------- 64 π3 r4 π5 π5 π6 (r 2) θ0 φ0 h |K|2 Z Σ σi = --- |K|2 Σ Di 6 = ---- |K|2 Z.V = --------------------------- λ4 λ4 8 ln2 λ4 cππππ3 pt g2 ττττ θθθθ0000 φφφφ0000 |K|2 Z pr = ------------- x ----------------- x -------- 1024 ln2 λλλλ2 Li Le r2 h = cτ /2 Incluindo agora as perdas: Li = perdas internas ao radar Le = perdas externas ao radar constante numérica constante construtiv a do radar variável dependente do alvo e de sua localização
  • 44. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Refletividade - A Equação Radar Meteorológico 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA 1,27λ φ0 [rad] = θ0 [rad] = -------- Da c λ = --- f 4π ρa A g = ---------- λ π D2 A = ------ A = área física da antena Da = diâmetro útil da antena r = eficiência da abertura da antena cππππ3 pt g2 ττττ θθθθ0000 φφφφ0000 |K|2 Z pr = ------------- x ----------------- x -------- 1024 ln2 λλλλ2 Li Le r2 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 44 fλ2 4 ra = eficiência da abertura da antena Executando as substituições devidas, temos: Z [mm6/m3] = 1018.Z [m6/m3] Z[dBZ] = 10 log Z [mm6/m3] = 180 + Z [dB] (1,27)2 ππππ710-18 pt ρρρρa 2 Da 2 f4 ττττ |K|2 Z[mm6/m3] pr = ------------------ x ------------------ x ----------------- 1024 ln2 c3 Li Le r2 constante numérica constante construtiva do radar variável dependente do alvo e de sua localização
  • 45. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Refletividade - A Equação Radar Meteorológico Condições para que a equação radar meteorológico seja válida: O volume do pulso esteja homogeneamente preenchido com gotas de mesmo diâmetro. As gotas tenham formato esférico. O diâmetro das gotas seja pequeno em relação ao comprimento de 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 45 O diâmetro das gotas seja pequeno em relação ao comprimento de onda. A antena é bem definida por um feixe tipo “lápis”. Os efeitos secundários podem ser desprezados.
  • 46. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Noções de Cálculo Logarítmico 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA a log (a) 10 x log(a) dB 1 - 0,00000 0,00 2 0,30103 3,01030 3,00 3 0,47712 4,77121 4,77 4 0,60206 6,02060 6,00 5 0,69897 6,98970 7,00 6 0,77815 7,78151 7,80 Seja (a) > 0 Por definição: a [dB] = 10 x log (a) 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 46 7 0,84510 8,45098 8,45 8 0,90309 9,03090 9,00 9 0,95424 9,54243 9,60 10 1,00000 10,00000 10,0 Sejam (a/b) = n > 0 e (a.b) = p >0 (a/b) [dB] = 10 x log (a/b) = 10 x log (a) – 10 x log (b) = a [dB] – b [dB] = n [dB] (a.b) [dB] = 10 x log (a.b) = 10 x log (a) + 10 x log (b) = a [dB] + b [dB] = p [dB] Seja (a) = 0,1 = 10-1 Então: a [dB] = 10 x log 10-1 = -10 dB
  • 47. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Noções de Cálculo Logarítmico 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA Sejam P1 = 10 W P2 = 20 W Isto é: P2 = 2 x P1 ou também P2/P1 = 2 P1 [dBW] = 10 x log 10 [W] = 10 dBW P2 [dBW] = 10 x log 20 [W] = 10 x log (2 x 10) [W] = 13 dBW 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 47 Seja Z1 = 1 mm6 /m3 Então: Z1 [dBZ] = 10 x log Z1 [mm6 /m3 ] = 10 x log 1 [mm6 /m3 ] = 0 dbZ P2 [dBW] = 10 x log 20 [W] = 10 x log (2 x 10) [W] = 13 dBW P2/P1 [dBW] = P2 [dBW] – P1 [dBW] = 3 dB
  • 48. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Noções de Cálculo Logarítmico 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA 10000 mW 40 dbm10 W 100 W 1000 W 10000 W 10 dbW 20 dBW 30 dBW 40 dBW 10 100 1000 10000 10 dB 20 dB 30 dB 40 dB 10 mm6 /m3 100 mm6 /m3 1000 mm6 /m3 10000 mm6 /m3 10 dbZ 20 dBZ 30 dBZ 40 dBZ 60 dBW106 W 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 48 1000 mW 10000 mW 100 mW 10 mW 1 mW 0.1 mW 30 dBm 40 dbm 20 dBm 10 dBm 0 dBm -10 dBm -20 dBm0.01 mW0.00001 W 1 W 10 W 0.1 W 0.01 W 0.001 W 0.0001 W 0 dBW 10 dbW -10 dBW -20 dBW -30 dBW -40 dBW -50 dBW 1 10 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001 0 dB 10 dB -10 dB -20 dB -30 dB -40 dB -50 dB 0.00001 mm6 /m3 1 mm6 /m3 10 mm /m 0.1 mm6 /m3 0.01 mm6 /m3 0.001 mm6 /m3 0.0001 mm6 /m3 0 dBZ 10 dbZ -10 dBZ -20 dBZ -30 dBZ -40 dBZ -50 dBZ -110 dBm10 -11 mW 110dB90dB
  • 49. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Refletividade - A Equação Radar Meteorológico 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA (1,27)2 ππππ710-18 pt ρρρρa 2 D2 f4 ττττ |K|2 Z[mm6/m3] pr = ------------------- x ----------------- x ------------------ 1024 ln2 c3 Li Le r2 A B A =A =A =A = 2,54 x 10-43 m-3 . s3 A =A =A =A = - 425,9 dB Calculando o valor de B para o um radar banda S típico: 1 W = 103 mW p[dBW] = p[dBm] - 30 dB p[dBm] = p[dBW] + 30 dB 1 km = 103 m +30 dB -60 dBp 850 kW +59,3 dB 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 49 C = A + B C1us = - 425,9 + 382,2 = - 43,7 dB C2us = - 425,9 + 385,2 = - 40,7 dB prSP [dBm] = - 73,7 [dB] + |K|2[dB] - Le[dB] - 20log r[km] + Z[dBZ] prLP [dBm] = - 70,7 [dB] + |K|2[dB] - Le[dB] - 20log r[km] + Z[dBZ] +30 dB -60 dBpt ρρρρa 2 D2 f4 ττττ LiT 850 kW (0,55)2 (4,00)2 m2 (2,742 x 109)4 s- 4 1,00 x 10-6 s - 0,54 dB +59,3 dB -5,2 dB +12,0 dB +377,5 dB -60,0 dB B +382,2 dB1,649x1038 W.m2.s-3 LiR - 0,96 dB - 0,54 dB - 0,96 dB
  • 50. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING MDS - Mínimo Sinal Detetável To Tc La Temp ambiente Temp aparente do céu Ta Ttr Lr Perda dissip antena Temp contrib antena Temp física elem RF Perda física elem RF Padrão de referência Pior caso (2 e 3 GHz) Valor estim (0,10 dB) To+(0,88Tc-254)/La Valor estimado (30 C) Valor medido (0,96 dB) 290 K 100 K 1,02 127,3 K 303 K 1,25 EXEMPLO DE CÁLCULO DE MDS MDS = k.Ts.Bn .SNRmín 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA MODO SP 1us LP 2us VALOR CALCULADO [dBm] -110,2 -113,2 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 50 Tr Fn Te Ts Temp contrib elem RF Fator ruído receptor Temp ruído receptor Temp ruído de sistema Ttr (Lr-1) Valor espec (2,5 dB) To (Fn -1) Ta+Tr+LrTe (Blake) 75 K 1,78 225,7 K 484,4 K k Const de Boltzmann B n Bn SNRm MDS Larg faixa filtro Fator de forma Larg faixa ruído Rel Sinal/Ruído mín Mín Sinal Detectável Valor definido [W.s/K] 1,38E-23 Para pulso de 2 us (LP) 600 kHz B.τ = n para o filtro 1,2 n.B 720 kHz Valor definido 1 k.Ts.Bn.SNRm 4,81E-15 W VALOR CALCULADO [dBm] -110,2 -113,2
  • 51. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING MDS - Mínimo Sinal Detetável 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA Zmín (200 km) SP = MDS SP + 73,7 - |K|2[dB] + Le[dB] + 20log r[km] QUAIS OS VALORES DE Z [dB] MÍNIMOS DETETÁVEIS? Zmín (200 km) LP = MDS LP + 70,7 - |K|2[dB] + Le[dB] + 20log r[km] 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 51 r = 200 km Le[dB] = 6 dB (estimativa) |K|2[dB] = - 0,32 dB (água líq) MDS SP = - 110,2 dBm MDS LP = - 113,2 dBm Zmín (200 km) SP = 15,8 dBZ Zmín (200 km) LP = 9,8 dBZ Z0mín (1 km)SP = -30,2 dBZ Z0mín (1 km)LP = -36,2 dBZ
  • 52. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING MDS - Mínimo Sinal Detetável 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA UM EXERCÍCIO DE CÁLCULO COM GOTAS ESFÉRICAS Vesf = π.(D^3)/6 Z = Σ D^6/V mm6/m3 Z = a.R^b mm6/m3 R = (Z/a)^(1/b) mm/h Mgota = (ρ água)*Vgota kg 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 52 V = 1 m3 1000 gotas de 1 mm de diâmetro cada Mgota = (ρ água)*Vgota kg Dgota 1,000 mm 0,001 m Qgota 1000 ρ água 1000 kg/m3 Vcubo 1,00 m3 a 200 b 1,6 Vgota 5,24E-10 m3 Mgota 5,24E-07 kg 0,524 mg Mágua 0,000524 kg 524 mg Zgota 1,0000 mm6/m3 0,00 dbZ Zvol 1000,00 mm6/m3 30,00 dbZ Rvol 2,73 mm/h
  • 53. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Velocidade – Exemplos 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA Campo linear de ventos N NW NE 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 53 S EW SW SE Azuis = velocidades radiais negativas = ventos entrando no feixe radar Laranjas = velocidades radiais positivas = ventos saindo do feixe radar Brancos = velocidades radiais zero = ventos na transversal do feixe do radar
  • 54. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Velocidade – Exemplos 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 54
  • 55. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Velocidade – Exemplos 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 55
  • 56. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Velocidade – Exemplos 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 56
  • 57. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Velocidade – Exemplos 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 57
  • 58. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Velocidade – Barbelas de Vento 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA Calm 05 Knots North Hemisphere Winds South Hemisphere Winds N 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 58 10 Knots 15 Knots 20 Knots 50 Knots 65 Knots W E S AZ
  • 59. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Velocidade - Shear CORTANTES DE VENTO (SHEAR): As cortantes de vento (shear) são caracterizadas pelas existência de diferenças entre velocidades medidas em pontos distintos no espaço. O radar mede velocidades radiais médias, em cada range bin, obtendo o valor em módulo, a direção, o sentido e o ponto de aplicação de cada vetor velocidade no espaço de medição. Em princípio, pode-se avaliar as diferenças entre dois vetores quaisquer 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 59 Em princípio, pode-se avaliar as diferenças entre dois vetores quaisquer desse espaço de medição, obtendo um vetor resultante para cada par de vetores. A compilação de shear é feita entre dois ou três vetores representantes das velocidades medidas em dois ou três range bins adjacentes. Pode- se, dessa forma, avaliar o shear segundo diferentes direções de interesse: radial, horizontal, vertical, azimute, tridimensional, ... A representação no plano da distribuição dos valores de shear assim compilados, permite reconhecer a existência de convergências e divergências de ventos nas regiões de interesse, que podem estar sendo causadas por downbursts, microburts, gust fronts, etc.
  • 60. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Largura Espectral VARIÂNCIA DE VELOCIDADES: Consideremos um determinado volume radar a uma distância r, contendo um certo número de gotas. No intervalo de tempo entre a chegada de um pulso e o pulso seguinte, as gotas terão se deslocado de forma quase independente entre si. Os sinais de ecos recebidos desse volume após cada pulso terão 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 60 Os sinais de ecos recebidos desse volume após cada pulso terão diferentes “assinaturas” dos alvos contidos nesses volumes. Além das diferenças de intensidades (Z), existirão as diferenças de velocidade radial Doppler. Considerado o número de pulsos adotados para o cômputo das médias temporais, pode-se entender que teremos uma distribuição de valores de velocidades para tal volume. Essa distribução se caracterizará por uma valor médio da velocidade (resultando no valor de V) e uma variância (resultando no valor de W).
  • 61. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Medidas de Largura Espectral TURBULÊNCIA: Quanto mais turbulenta estiver a atmosfera, naquele volume e naquele período de medição, maior será a agitação das gotas e maiores serão as diferenças entre os valores de velocidade a cada amostragem pelos pulsos. Há, então, uma relação direta entre o estado de turbulência da 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 61 Há, então, uma relação direta entre o estado de turbulência da atmosfera e a largura espectral de velocidades. Quando não há gotas presentes mas há fortes variações do índice de refração da atmosfera, também será possível detetar variâncias no espectro de velocidades obtidos pela amostragem de volumes no espaço pelo radar.
  • 62. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Parâmetros [Z], [V] e [W] [Z] = taxa de refletividade radar dos alvos medida em [mm6/m3] ou em dBZ está relacionada com a potência dos ecos recebidos, conforme a equação do radar meteorológico está relacionada com a quantidade e as dimensões das gotas contidas em cada volume de resolução radar é suposto que a condição de Rayleigh é atendida (que as gotas são pequenas) [V] = velocidade radial média dos alvos 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 62 [V] = velocidade radial média dos alvos medida em [m/s] está relacionada com a variação no tempo da fase dos sinais dos ecos recebidos em relação à fase dos sinais dos pulsos transmitidos está relacionada com a direção e o sentido do deslocamento dos alvos em relação ao radar, medidos na radial de apontamento calculada como a velocidade devida ao efeito Doppler [W] = largura espectral de velocidades medida em [m/s] está relacionada com a variância da distribuição do espectro de velocidades Doppler gerado pelas contribuições de cada gota contida no volume de resolução do radar está relacionada com o regime de turbulência existente no interior do volume de resolução no momento da amostragem
  • 63. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Relação entre [Z] e [R] [R] = Taxa de Precipitação [Z] [mm6/m3] é proporcional a ~Di 6 [R] [mm/h] é proporcional a ~Di 4 Para se obter a relação entre [Z] e [R], é necessário conhecer a função densidade de distribuição das gotas pelos seus diâmetros log N 2. O RADAR COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 63 Análises por regressão linear permitiram estabelecer que Z = aRb Como a e b dependem do espectro de gotas, difícil de se conhecer na prática, experimentos levaram a diferentes relações empíricas entre [Z] e [R] Os valores de a e b variam no decorrer do tempo de vida e ao longo do espaço de um fenômeno meteorológico Hoje existem centenas de valores de a e b propostos para diferentes situações Z.V = Σ Di 6 R.V = Σ viDi 3 R = taxa de precipitação vi = velocidade limite de queda da gota Di = diâmetro da gota V = volume de medida vi ∼ kD0,67 D
  • 64. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR CAMPOS DE ATUAÇÃO DE RADARES METEOROLÓGICOS EFEITOS INCONVENIENTES DE PROPAGAÇÃO CLUTTER RADAR EM METEOROLOGIA ALVOS NÃO-ATMOSFÉRICOS 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 64 ALVOS NÃO-ATMOSFÉRICOS ALVOS ATMOSFÉRICOS E METEOROLÓGICOS
  • 65. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Campos de Atuação de Radares Meteorológicos 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR A figura a seguir apresenta o DOMÍNIO ESPAÇO-TEMPORAL CARACTERÍSTICOS DOS FENÔMENOS METEOROLÓGICOS. A adaptação foi produzida com base no diagrama de SMAGORINSKY (1974), referenciado em SAUVAGEOT, H. “Radarmétéorolgie – Télédéction Active de l´Atmosphère” (1982). A figura mapeia a localização dos principais fenômenos atmosféricos 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 65 A figura mapeia a localização dos principais fenômenos atmosféricos segundo suas dimensões horizontais e durações características. São mostradas também as definições das escalas de micro, meso e macro dimensões dos fenômenos, com base em ATKINSONS (1981). Foi acrescentado o principal domínio de atuação de diferentes radares meteorológicos, sobreposto às escalas e domínios dos fenômenos. Não estão representadas as gamas dinâmicas das intensidades dos fenômenos.
  • 66. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR CamposdeAtuaçãode RadaresMeteorológicos difusão molecular difusão turbulenta horizontal MACROMACROMACROMACRO ESCALAESCALAESCALAESCALA LINHAS DE INSTAB FRENTES FURACÕES PRINCIPAL CAMPO DE ATUAÇÃO DE RADARES METEOROLÓGICOS DOMÍNIO ESPAÇO-TEMPORAL DOS FENÔMENOS ATMOSFÉRICOS 105 km 104 km 103 km 102 km 10 km 1 km 100 m 10 m 1 m 10 cm 1 cm 105 106 107 108 ano mês semana dia 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 66 CamposdeAtuaçãode RadaresMeteorológicos Turbulência de pequena escala ondas de gravidade internas externas ondas sônicas internas MESOESCALAMESOESCALAMESOESCALAMESOESCALA MICROESCALAMICROESCALAMICROESCALAMICROESCALA CONV PROFUNDA TORNADOS CAT TROVOADAS 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106 107 108 100 101 102 103 104 10-1 hora minuto segundo ESCALA HORIZONTAL CARACTERÍSTICA L (m)
  • 67. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Efeitos Inconvenientes de Propagação 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR O desempenho do radar é reduzido ou sofre distorções pelos efeitos dos fenômenos de propagação da EEM na atmosfera, quando comparado com o desempenho em espaço livre. A EEM sofre efeitos em função da composição e estado físico do meio, bem como de eventuais obstáculos ou situações anômalas. Tais efeitos são indesejados e inconvenientes às finalidades de uso do radar meteorológico. 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 67 radar meteorológico. É conveniente distinguir duas regiões de propagação: região óptica ou região de interferência: é a que está na linha de visada do radar (observação direta). região de difração: é a que está além do horizonte do radar, onde a energia radar ali encontrada é usualmente devida à difração pela superfície na curvatura terrestre ou pela refração pela atmosfera terrestre.
  • 68. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Efeitos Inconvenientes de Propagação 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR Os efeitos inconvenientes mais importantes são: Atenuação Refração Reflexão Ecos do lóbulos laterais da antena Ecos de segunda viagem Ecos de espelho 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 68 Ecos de espelho Efeitos de sombras (ocultação do feixe) Ecos de “anjos” Ecos de clutter A maioria das causas desses efeitos não podem ser controladas ou removidas. Algumas causas poder ser controladas, porém a custos muito altos, na maioria das vezes. Há que se aprender a conviver com elas e seus efeitos.
  • 69. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Efeitos Inconvenientes de Propagação 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR Atenuação: É a perda de potência pelo espalhamento e absorção das ondas EM ao se propagar na atmosfera. Pode ser classificada em função de suas causas: Atenuação Atmosférica Atenuação pelas Núvens Atenuação pelas Chuvas Atenuação pela Neve 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 69 Atenuação pela Neve Atenuação pelo Granizo Os efeitos da atenuação, para cada uma das causas acima, é função do tipo dos materiais, de suas densidades e estado físico, de suas distribuições no espaço de propagação e da frequência de operação do radar. Deve-se levar em conta as atenuações em ambos os caminhos de propagação entre o radar e os alvos (atenuação de ida e de volta dos sinais).
  • 70. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Efeitos Inconvenientes de Propagação 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR Refração: É a mudança da direção de propagação em função da densidade do meio de propagação; as ondas tendem a se propagar na direção da maior densidade. Refração padrão: ocorre dentro da atmosfera padrão. Sub-refração: ocorre quando há maior decréscimo da temperatura com a altura e/ou quando a umidade é menor que o normal. 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 70 altura e/ou quando a umidade é menor que o normal. Super-refração: ocorre quando o decréscimo da temperatura com a altura é menor e/ou quando a umidade é maior que o normal. Dutos: ocorre quando há uma forte inversão na camada inferior da troposfera, ficando a energia EM retida dentro das duas camadas. Se a atmosfera terrestre fosse perfeitamente uniforme (o mesmo índice de refração em todos os pontos), a EEM do radar se propagaria em linha reta. Devido à esfericidade da terra e que a atmosfera forma uma camada sobre a Terra, o feixe radar fica mais alto na atmosfera à medida que se afasta do radar (efeito da curvatura terrestre).
  • 71. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Efeitos Inconvenientes de Propagação 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR Refração: A variação do índice de refração fará com que o feixe radar siga uma trajetória curva na atmosfera. Na atmosfera normal, o feixe se curva em direção às camadas mais baixas da atmosfera. Como é mais conveniente considerar uma trajetória reta, se usa o artifício de aumentar o raio da Terra. O raio efetivo é calculado como 1,1xRgeo a 1,6xRgeo, dependendo das condições. 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 71 1,6xRgeo, dependendo das condições. Para a atmosfera normal, usa-se o valor Reff = (4/3)xRgeo. A super-refração faz com que o feixe alcance alvos no solo em distâncias maiores que o normal. A isso se denomina “propagação anômala”. Reflexão Alguns obstáculos no solo podem se comportar como “espelhos” para a energia do radar, refletindo o feixe. Isso pode causar “dupla” deteção de um mesmo alvo pelo radar: uma vez pelo apontamento direto e outra pelo feixe refletido. Os dois ecos do mesmo alvo aparecerão a distância e ângulos diferentes, dando a impressão de serem de dois alvos distintos.
  • 72. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Efeitos Inconvenientes de Propagação 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR Ecos do lóbulos laterais da Antena São devidos à irradiação e ao retorno de sinais através dos lóbulos laterais. Típicos: clutter de solo, múltiplos topos de ecos em RHI, anéis a curtas distâncias em RHI. Ecos de segunda viagem 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 72 Em super-refração, é possível receber ecos de longas distâncias. Caso a distância seja maior que a distância não-ambígua, os ecos podem aparecer “dobrados” a uma distância que é menor que a real. Ecos de espelho Quando o feixe radar é apontado para um edifício (por ex.), o mesmo pode servir de espelho para as ondas radar Pode ser possível então observar uma mesma precipitação com dois ecos em azimutes distintos.
  • 73. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Efeitos Inconvenientes de Propagação 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR Efeitos de sombras (ocultação do feixe) Quando o feixe radar é apontado para um edifiício ou uma montanha, os alvos que estão “atrás” deles estão “na sombra”, e portanto não estão visíveis. Ecos de “anjos” São ecos que não são atribuíveis a alvos bem conhecidos, podendo ser originados, na maioria das vezes, por: 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 73 originados, na maioria das vezes, por: CAT - Turbulência de Ar Claro, Insetos ou aves, Areia, poeira ou fumaça.
  • 74. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Clutter Radar em Meteorologia Os alvos de interesse da meteorologia radar estão associados aos fenômenos e às atividades naturais da atmosfera terrestre. Outros objetos, naturais ou artificiais, existentes na atmosfera, são também detectados pelo radar. Aqueles alvos que não são de interesse da meteorologia, são considerados como clutter radar. Cada um desses alvos indesejáveis possui características próprias de 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 74 Cada um desses alvos indesejáveis possui características próprias de refletividade, velocidade e largura espectral, exercendo maior ou menor influência nos resultados de detecção de alvos úteis. Os alvos de clutter mais influentes sâo os ecos de solo e de mar e são característicos de cada local de instalação do radar. Os parâmetros de processamento devem ser configurados para otimizar os resultados a filtragem (remoção) do clutter, em função da PRF, da largura de pulso e dos tipos de clutter do local. Mesmo o clutter de alvos “fixos” podem apresentar flutuações de velocidade Doppler, em função dos movimentos da vegetação ou das ondas dos mares, bem como do movimento relativo do feixe da antena.
  • 75. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Alvos Não-Atmosféricos Alvos Pontuais: Alvos individuias com dimensões muito menores que o volume de amostragem do radar. São exemplos os seguintes: fumos, poeiras areias e partículas poluidoras, insetos isolados, pólen e sementes em suspensão na atmosfera. Alvos-Padrão: Alvos construídos para apresentarem uma secção reta radar 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 75 Alvos construídos para apresentarem uma secção reta radar perfeitamente conhecida. Usados para calibração do radar. Podem ser traçadores, refletores e ressoadores artificiais. Pássaros: Individualmente, apresentam secções retas radar pequenas e função de seus tamanhos. Bandos podem apresentar áres e intensidades consideráveis. Insetos: Se apresentam como alvos pontuais distribuídos. Se deslocam com o vento ou flutuam na turbulência em baixas altitudes. Quando em grandes quantidades, apresentam ecos perfeitamente detetáveis.
  • 76. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Alvos Não-Atmosféricos Solo, Vegetação, Mares, Rios e Lagos: Apresentam fortes ecos, em especial nas proximidades do radar. Os retornos são feitos, em sua maior parte, através dos lóbulos laterais da antena, embora o feixe principal possa também trazer retornos de elevações existentes na área de cobertura radar. A vegetação, quando se move com os ventos, pode prejudicar a 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 76 A vegetação, quando se move com os ventos, pode prejudicar a remoção do clutter de solo por filtragem Doppler. Os movimentos das marés também dão aos ecos dos mares uma característica própria como clutter radar. O processamento dos sinais recebidos desses alvos deve levar em conta tais particularidades quando se deseja a remoção de tais ecos. As elevações podem se causar obstruções à propagação da EEM do feixe radar, impedindo a deteção de alvos meteorológicos. Podem causar também a refração do feixe.
  • 77. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Alvos Não-Atmosféricos Aeronaves: Algumas são detetáveis mesmo a longas distâncias. Se apresentam como ecos pontuais, quando em áreas sem precipitação. A deteção é mais provável em varredura volumétrica. Veículos Terrestres e Edificações. Algumas edificações podem causar bloqueio do feixe, dificultando a 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 77 Algumas edificações podem causar bloqueio do feixe, dificultando a deteção de precipitações naquela direção. Fontes de Emissão EM Interferentes: A energia interferente impede o processamento dos sinais oriundos dos alvos de interesse. Se mostra como “raios” que preenchem o setor correspondente ao feixe radar, ou como traços ou raias. Podem ter origem em transmissores de comunicação ou de outros radares.
  • 78. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Alvos Atmosféricos e Meteorológicos 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR Retorno de Ar Claro: Partículas e insetos em suspensão. Gradientes do índice de refração. Movimentos da atmosfera detectáveis: turbulência, ventos, microbursts, gust fronts. Núvens. 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 78 Núvens. Precipitações: Chuvas. Neve. Banda brilhante. Granizo. Grandes Formações: Tempestades, frontais, linhas de instabilidade. Tornados, ciclones tropicais, furacões.
  • 79. EThICS 907.002.01 METEOROLOGIA RADAR – FUNDAMENTOS GERAISEThICS ENGINEERING Alvos Atmosféricos e Meteorológicos 3. A ATMOSFERA TERRESTRE E O RADAR GAMA DINÂMICA: Desde abaixo do limite inferior da capacidade de detecção (-15 dBZ a 20 km) até da ordem de +70 dBZ ÍNDICE DE REFRAÇÃO |K|2 (para λ = 10 cm) Para água em estado líquido: |K|2 = 0,931 Para água na forma de gelo: |K|2 = 0,176 DIMENSÕES ESPAÇO-TEMPO: Ver diagrama (Smagorinski) e tabela a seguir 18/5/2013 Propriedade Intelectual de EThICS Engineering 79 DIMENSÕES ESPAÇO-TEMPO: Ver diagrama (Smagorinski) e tabela a seguir ESCALA HORIZONTAL ESCALA TEMPORAL ESCALA DE VELOCIDADES [m] [s] [m/s] Eddies dentro da região de dissipação 10-3 (1mm) 10-3 (1 ms) 1 1:1 Micro-turbulência 101 (10m) 101 (1 s) 1 2:1 Convecção em Cumulus 103 (1km) 103 (20 min) 1 2:1 Cumulonimbus 104 (10km) 103 - 104 (1 h) 3 5:1 Agrupamento de núvens 105 (100km) 104 (3 h) 10 1:10 Frontal 105 (100km) 104 (3 h) 10 1:5 Ciclone (altitude intermediária) 106 (1000km) 105 (1 d) 10 1:500 Ondas planetárias 107 (10000km) 106 (10 d) 10 1:1000 ESCALAS TÍPICAS DE SISTEMAS DE MOVIMENTOS ATMOSFÉRICOS TIPO DE MOVIMENTO ATMOSFÉRICO RELAÇÃO VERT/HORIZ