Radar

O nome radar vem do inglês Radio Detection And Ranging (Detecção e Telemetria pelo Rádio), sendo basicamente um dispositivo que permite detectar objetos a longas distâncias. Ondas eletromagnéticas que são refletidas por objetos distantes. A detecção das ondas refletidas permite determinar a localização do objeto. Sua utilização se dá desde atividades militares na Marinha (navegação), Exército e Aeronáutica até Aeroportos (localização de aeronaves) e Meteorologia (detecção de chuva). Existe também o radar para multar os carros, mas esse já tem um post só para ele.

Índice

  1. Princípio Físico e bandas
  2. Características
  3. Propagação
  4. Tipos de radar
  5. Imagem
  6. Interpretação
  7. Meteorologia
  8. Voo AF 447
Foto de antenas de radar (em sentido horário): radar de solo para controle de tráfego aéreo e sala de operações, radar AN/SPS-49 (a bordo de navio militar classe Iowa) e domo protegendo radar meteorológico de Salesópolis (SP).

Foto de antenas de radar (em sentido horário): radar de solo para controle de tráfego aéreo e sala de operações, radar AN/SPS-49 (a bordo de navio militar classe Iowa e domo protegendo radar meteorológico de Salesópolis (SP).

Princípio Físico e bandas

Quando a energia eletromagnética é interceptada por um alvo, ela é dispersada em todas as direções. Uma pequena fração retorna na direção do pulso emitido pelo radar, e dessa forma, é captada por um refletor, o qual geralmente está localizado na mesma antena. O princípio básico do radar é determinar a distância de um objeto (ou “alvo”) através da medida do tempo necessário para um pulso de energia de radiofrequência deslocar-se da fonte até o alvo e retornar como um eco refletido. O radar de pulsos emite ondas de frequência muito elevada, de duração extremamente curta, e mede o intervalo de tempo entre a transmissão do pulso e a recepção do eco, refletido no alvo. A metade do intervalo de tempo, multiplicada pela velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas, determina a distância do alvo. A antena é normalmente de forma parabólica e gira no sentido horário, de forma a varrer 360° em torno de sua posição.

Diagrama em Bloco de um Sistema Radar Básico. Fonte: Slides de Sistemas de Radar. http://www.fe.up.pt/~mleitao/SRCO/Teoricas/SRCO_RAD.pdf

Diagrama em Bloco de um Sistema Radar Básico. Fonte: Slides de Sistemas de Radar.

Os equipamentos de radar utilizam as três últimas faixas do espectro de radiofrequência (RF): frequências ultra altas (UHF), super altas (SHF) e extremamente altas (EHF), separadas em bandas.

Banda Frequência (GHz) Uso
L 1 a 2 Controle e vigilância longo alcance de tráfego aéreo
S 2 a 4 Vigilância de alcance moderado para monitoramento meteorológico e controle Terminal de Tráfego Aéreo, radar marítimo
C 4 a 8 Transponders via satélite; Meteorologia
X 8 a 12 Orientação de mísseis, radares marítimos, meteorológicos (maior precisão), mapeamento de resolução média e vigilância do solo
Ku 12 a 18 Alta resolução, também utilizado para transponders de satélite
K 18 a 26,5 Detectar nuvens por meteorologistas e pela polícia para detectar motoristas em alta velocidade
Ka 26,5 a 40 Mapeamento de curto alcance, vigilância do aeroporto, disparar câmeras que tiram fotos de placas de carros
Q 30 a 50
U 40 a 60
V 50 a 75 Muito fortemente absorvida pelo oxigênio atmosférico, que ressoa a 60 GHz
E 60 a 90
W 75 a 110 Usado como um sensor visual para veículos experimentais, observação meteorológica de alta resolução de imagem
F 90 a 140
D 110 a 170

Bandas W são “radares de nuvens” e a Bandas X, C, S e L são “radares de precipitação”. Já “Perfiladores de Vento” utilizam UHF e VHF de 50 a 900 MHz. Fisicamente, tanto o espalhamento Rayleigh, devido a precipitação, e o espalhamento Bragg, devido ao ar claro são importantes. O espalhamento Bragg está associado ao espalhamento decorrente das flutuações do índice de refração causado pelas variações de temperatura e umidade.

Características

Os feixes são disparados por uma antena rotativa, que cobre os 360° de azimute. A antena possui vários níveis de elevação para cada giro completo, e uma varredura completa é efetuada tanto na vertical (elevações) quanto na horizontal (azimute). Existem certas características associadas a qualquer sistema radar:

Frequência da energia de RF gerada: sua escolha é determinada pela direcionalidade e alcance desejados, o que determina as dimensões físicas da antena do radar. Quanto mais alta a frequência, menor o comprimento de onda, e, assim, menor a antena. Um radar operando em uma frequência mais baixa alcança distâncias maiores (comparado a um equipamento que utiliza frequência mais alta), considerando a mesma potência.

Frequência de repetição de impulsos (FRI): número de pulsos transmitidos por segundo. Deve ser deixado um intervalo de tempo suficiente entre dois pulsos sucessivos transmitidos, de modo que o eco de qualquer alvo localizado dentro do alcance máximo do sistema possa retornar e ser recebido. Assim sendo, o alcance máximo de um radar depende da sua FRI.

Velocidade de rotação da antena: a detecção aumenta com a redução da velocidade de rotação da antena, pois, assim, um número maior de pulsos irá bater o alvo. As antenas convencionais de radar giram mecanicamente, porém também existem as antenas estacionárias, nas quais o feixe gira eletronicamente.

Largura do pulos: duração de cada pulso transmitido (determina a distância mínima na qual um alvo pode ser detectado). Para alcances mínimos de valores muito reduzidos, utiliza-se uma largura de pulso reduzida para uma melhor definição da imagem.

Largura do feixe: depende da frequência da energia transmitida, da forma e dimensões da antena. A largura pode ser definida nos planos vertical e horizontal. A intensidade de campo em um feixe radar não é a mesma em toda a superfície do lóbulo, sendo mais forte no eixo, diminuindo para os bordos e, ao mesmo tempo, reduzindo-se com o aumento da distância à antena.

Propagação

Se as ondas emitidas pelo radar se propagassem em linha reta, a distância até o horizonte dependeria apenas da altura da antena, assumindo potência suficiente para os pulsos alcançarem o horizonte e a inexistência de obstáculos). O efeito da refração normal é encurvar para baixo a trajetória das ondas, acompanhando a curvatura da Terra. Porém, se uma camada superior de ar for quente e seco, sobre uma camada de superfície de ar frio e úmido, pode surgir uma condição denominada super-refração, cujo efeito é aumentar a curvatura para baixo da trajetória da onda radar, aumentando, assim, o alcance de detecção. Se acontecer o contrário, o alcance diminui.

Ainda ocorrem os efeitos de Difração (encurvamento da trajetória de uma onda, ao incidir sobre um obstáculo), atenuação (efeito combinado da dispersão e da absorção da energia do feixe radar) e reflexões múltiplas na superfície. Nesse caso, a composição com o pulso já existente causará alternância entre valores máximos e valores de mínima irradiação. Uma aeronave, ao se aproximar de um radar, em altitude constante, passará por uma série de lóbulos e nulos. Com isso, o operador não obterá um contacto firme, mas sim um que irá aparecendo e desaparecendo, à medida que o alvo se aproxima.

Tipos de radar

Existe o radar primário e o secundário. O radar primário transmite sinais de alta frequência que são refletidas pelos alvos. Os ecos de retorno são recebidos e analisados. O radar secundário envia sinal codificado sobre alvos e recebe informações de volta – por exemplo, um avião tem um transponder (transmitting responder) a bordo que recebe um sinal codificado e ao ser ativado envia de volta diversas informações (altitude, id, e etc).

Dentre os radares primários, temos o radar pulsado e contínuo. O Radar Pulsado, mais comum, é formado de uma antena que transmite e recebe sinal de alta frequência. O radar transmite pulsos curtos de radiação eletromagnéticas (EM) e espera por um eco de retorno. Como exemplo, temos o radar meteorológico convencional (medem somente uma polarização), o radar Doppler (mede mudanças de frequência do eco de retorno para mensurar se o mesmo esta se afastando ou distanciando do radar) e o radar Polarimétrico (emite e recebe sinal em diversas polarizações).

Os Radares Contínuos transmitem o sinal continuamente: o sinal do eco é recebido e processado (o receptor não precisa estar junto ao transmissor). Pode ser modulado, ou seja, a transmissão do sinal tem amplitude constante mas não em frequência e utiliza o princípio do tempo de propagação (ex.: radio-altímetros), ou não modulado, ou seja, a transmissão do sinal tem amplitude e frequência constante e são utilizados para medir a velocidade (ex.: radar de polícia).

Imagem

O radar varre a troposfera em azimute e elevação por meio de movimentos de rotação e elevação, sendo os campos horizontais obtidos pela reflexão do radar em diversos planos. As medições de refletividade em coordenadas esféricas são processadas para originar mapas horizontais. O radar está localizado no centro e os alvos em uma imagem circular com uma escala correta de distância. Pode exibir dados de refletividade, taxa de precipitação, velocidade radial média ou largura espectral (turbulência).

Esquemas de formação da imagem PPI (acima) e CAPPI (abaixo). Fonte: CRAHI http://www.crahi.upc.edu/curs/html_pages/trasp2.html

Esquemas de formação da imagem PPI (acima) e CAPPI (abaixo). Fonte: CRAHI.

PPI (Plan Position Indicator): corresponde à refletividade numa determinada elevação projetada num plano horizontal – apresenta os sinais recebidos em um sistema de coordenadas polares com elevação fixa.

CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator): como o PPI é um indicador do sinal para uma determinada elevação, as vezes é mais conveniente representarmos este sinal a uma altura constante em relação a superfície da terra, uma vez que existe o efeito de curvatura e do ângulo de elevação. Dessa maneira define-se o CAPPI como a projeção do sinal recebido a uma altura constante. Este produto é processado após uma coleta completa (Volume Scan).

RHI (Range Height Indicator): apresenta o sinal recebido em função da distância e elevação (altura) para azimutes fixos – utilizado para inspecionar a estrutura vertical de uma tempestade.

Para outros produtos, veja no site Redemet da Aeronáutica.

Os sistemas estão projetados para detectar um sinal mínimo possível ~ 10-14 W, sendo que a Potência transmitida é ~ 100-1000 kW. Dessa maneira, expressamos a potência em decibéis (dB), que é a diferença entre essas potências.

Interpretação

Alguns parâmetro da imagem devem ser ajustados como o brilho (brilho excessivo pode colocar a imagem fora de foco) e ganho (com pouco ganho, os ecos fracos não serão apresentados, mas com ganho excessivo, o contraste entre os ecos e o fundo da tela é reduzido, dificultando a observação do radar). Muitos fatores tendem a produzir erros na interpretação da imagem do radar, como a interferência do sinal nos objetos, causando distorção na imagem (aumento aparente) ou também afetando a determinação da distância. Áreas e setores de sombra ocorrem quando um alvo relativamente grande obscurece um alvo menor posicionado atrás, ou quando um alvo além do horizonte radar é obscurecido pela curvatura da Terra.

Ecos múltiplos são causados por reflexões múltiplas de pulsos de um feixe transmitido entre o emissor e um alvo relativamente próximo, aparecendo na imagem do radar na mesma marcação que o alvo real, mas em uma distância múltipla da distância correta do alvo. Um tipo de eco falso ocorre quando a energia refletida pelo alvo reflete-se novamente em uma parte do terreno antes de retornar para a antena.

De uma maneira geral, quanto mais vertical for a superfície refletora, maiores serão suas propriedades de reflexão. Por exemplo, um penhasco, montanhas ou altas colinas produzirão um forte eco, já a superfície do mar somente retorna ecos quando houver ondas, no caso de radares em navios. Quanto mais altas e abruptas as vagas, mais fortes são os ecos de retorno. A potência dos ecos de retorno depende do ângulo de incidência do feixe radar e, assim, o “clutter” (ecos de retorno do mar) é mais pronunciado a barlavento do que a sotavento.

Sala do radar de navio militar americano – 1945(http://en.wikipedia.org/wiki/Radar_in_World_War_II). (Edward Steichen/George Eastman House/Getty Images)

Sala do radar de navio militar americano – 1945. (Edward Steichen/George Eastman House/Getty Images)

Meteorologia

Durante a 2ª Guerra Mundial, operadores de radar descobriram que o mau tempo causava ecos em sua tela, mascarando potenciais alvos inimigos. Técnicas foram desenvolvidas para filtrar o efeito, mas cientistas começaram a estudar o fenômeno. Após a guerra, muitos radares vêm sido usados para detectar precipitação.

Um radar meteorológico é um tipo de radar usado na localização de precipitação, no cálculo de seu movimento, na estimativa de seu tipo (chuva, neve, granizo, etc.) e na previsão de sua intensidade e posição futura. Radares meteorológicos modernos são, em sua maioria, radares Doppler, capazes de detectar o movimento das gotículas de chuva, além da intensidade da precipitação. Ambos os tipos de dados podem ser analisados para determinar a estrutura de tempestades e seu potencial de causar um tempo severo.

Veja esse vídeo sobre o radar meteorológico de Salesópolis (SP). Para Imagens em tempo real e arquivo de imagens desse radar, consulte esse site.

Alguns erros podem ocorrer devido a refração (desvio do feixe indicando lugar errado da precipitação), atenuação (precipitação sobre o radar ou mesmo ao longo do feixe, pode causar atenuações do sinal), grande variabilidade vertical de espectro de gotas, presença de velocidades ascendentes ou descendentes intensas dentro de nuvens de tempestade (alteram a velocidade terminal e distribuição do tamanho de gotas são alterados), resolução espacial (precipitação pode ser subestimada devido a pequenos núcleos), dentre outros.

Se não tivéssemos uma atmosfera no planeta, o índice de refração seria constante e a propagação dos raios na faixa de frequência de rádio não sofreria nenhuma curvatura. Porém, temos uma atmosfera e o gradiente vertical do índice de refração causa o encurvamento dos raios. A refração, caso ocorra fora do padrão previsto, pode ser dos seguintes tipos:

  • Super-Refração (mais comum) – o feixe se curva para baixo mais que o padrão. Isso ocorre quando há inversão de temperatura (ar quente sobre ar frio, camadas estáveis) e diminuição acentuada da umidade com a altura, o que acontece geralmente a noite, com advecção de ar quente (seco), escoamento de ar descendente de tempestades. Isso pode resultar em aumento parcial do eco de terreno em algumas distâncias e superestimativa da altura dos ecos de chuva, pois a antena tem que subir a elevações mais altas para atingir a mesma altura com um feixe sobre condições normais de refratividade.
  • Sub-Refração (menos comum) – o feixe se curva mais para cima do que o padrão. Isso é típico de regiões deserto/vale de montanhas, tempestades de micro-explosões, final da tarde e começo da noite (sondagem com inversão do tipo V). Isso sub-estima a altura do topo da chuva (o feixe intercepta o topo em ângulos de elevação menores que em condições normais).
  • Duto ou Aprisionamento (comum) – o feixe é severamente curvado para baixo e pode atingir o solo ou se propagar a longas distâncias a alturas fixas dentro de um duto. Geralmente ocorre em situações de forte inversão térmica (superfície ou acima) e forte diminuição da umidade com a altura. Ocorre um aumento considerável dos ecos de terreno com a distância para baixas elevações, porém gera também um aumento da cobertura/distância.

O fator refletividade do radar (Z) é proporcional à distribuição de tamanho de gotas. Portanto, havendo uma maneira de expressar o Conteúdo de Água Líquida (LWC) ou a Taxa de Precipitação (R) em função da distribuição de tamanho de gotas, podemos relacionar estas grandezas com as medidas feitas pelo radar meteorológico. Em geral, medimos o fator refletividade do radar (Ze) para estimar a taxa de precipitação (R).

A distribuição de tamanho de gotas de chuva (DSD ou RDSD) é medida por um disdrômetro, e existem diferentes modelos matemáticos para representá-la. Os processos que a determinam são:

  • Colisão/coalescência – implica em uma diminuição da concentração de gotas pequenas e um um aumento das gotas grandes. Mais importante para gotas pequenas.
  • Quebra – implica em um aumento do número de gotas pequenas e uma diminuição das gotas grandes. É mais importante para gotas grandes.
  • Acreção – união de gotas de nuvem pelas gotas de chuva. Age no sentido de aumentar o tamanho de todas as partículas sem aumentar o número delas.
  • Evaporação – reduz em maior grau o número de gotículas pequenas do que as grandes.
  • Corrente Ascendente – eliminar as partículas pequenas da DSD nos níveis mais baixos.
  • Corrente Descendente – aumento do fluxo de gotículas pequenas.
  • Seleção de tamanho – separação por tamanho proporciona em um estreitamento da DSD.

Em nuvens marítimas temos mais coalescência, correntes ascendentes menos intensas e menos evaporação. Já em nuvens continentais, é o oposto. Também pode-se classificar em nuvens estratiformes ou convectivas.

Algumas nuvens podem produzir ecos de grandes dimensões, geralmente com forma irregular que se deslocam na direção do vento. Se a nuvem não contém chuva, dificilmente será detectada. Caso o objetivo seja acompanhar um alvo e o eco estiver sendo prejudicado por uma nuvem, deve-se diminuir o ganho para enfraquecer o eco da nuvem. O nevoeiro também não aparece na imagem do radar e geralmente reduz a visibilidade do radar. Com radar de 3 cm poderão ser detectados bancos de nevoeiros pesados, de grande densidade. Já a chuva obscurece bem mais os alvos que se encontram dentro dela e o alcance radar pode ser diminuído.

Animação de imagens de radar das 21h às 24h (UTC) de 14/01/2014 sobre parte do estado de São Paulo, geradas pelo radar de Salesópolis. Note os núcleos de tempestade crescendo e se movimentando para a região metropolitana. A intensidade da precipitação, em mm/h, está em escala de cores apresentada abaixo. Fonte: Starnet-http://www.zeus.iag.usp.br/defesa_civil/radar_hist.php

Animação de imagens de radar das 21h às 24h (UTC) de 14/01/2014 sobre parte do estado de São Paulo, geradas pelo radar de Salesópolis. Note os núcleos de tempestade crescendo e se movimentando para a região metropolitana. A intensidade da precipitação, em mm/h, está em escala de cores apresentada abaixo. Fonte: Starnet.

Os menores comprimentos de onda sofrem maior atenuação das gotas d’água. Assim, os radares que operam na faixa de 3 cm (banda X) são mais influenciados pela chuva que os da faixa de 10 cm (banda S). Além da intensidade da chuva, os mapas de precipitação, podem fornecer informações a respeito da natureza das nuvens responsáveis por esta. Por exemplo, ecos homogêneos podem traduzir a presença de nuvens estratiformes, e ecos intensos, isolados e descontínuos geralmente indicam nuvens cumuliformes.

A precipitação de pedaços de gelo (granizo) gera menor atenuação. A precipitação de cristais de gelos em flocos (neve) às vezes é detectada com o radar de 3 cm, mas não com um que opere na faixa de 10 cm. Outro aspecto da neve é que cobre todos os alvos em solo, mascarando os ecos e deformando os alvos. Quando o feixe do radar atinge um nível em que a temperatura é de 0°C, as partículas de gelo ficam cobertas por uma fina película de água, o que aumenta o seu diâmetro e é traduzido nas imagens de radar por um pico de refletividade, o que superestima as medidas de intensidade da precipitação. Esse fenômeno é conhecido como banda brilhante.

Voo AF 447

O radome (radar dome) é um compartimento em forma de cúpula na proa da aeronave que contém um radar meteorológico. O tamanho comum das antenas de radar atualmente em uso é de 12 polegadas, com capacidade para emitir um feixe de energia de aproximadamente 8 graus. A uma distância de 100 milhas, o feixe terá um diâmetro de 80 mil pés. Se a antena estiver regulada para uma inclinação de zero grau, o feixe atingirá 40 mil pés acima do nível de voo da aeronave, o mesmo ocorrendo para baixo. Veja um vídeo mostrando os componentes do radar de um avião clicando no link.

Foto de radome com antena de um A340 da Lufthansa e imagem de radar gerada na cabine.

Foto de radome com antena de um A340 da Lufthansa e imagem de radar gerada na cabine.

As partes baixa e média da nuvem tendem a ser compostas de gotas de água e de gelo com tamanho suficiente para interagir com o feixe de energia emitido pelo radar. Para o piloto, esta parte da nuvem será vista na tela do radar como uma combinação de verde, amarelo, vermelho e magenta (no caso de alguns tipos de radar). Existe uma linha horizontal imaginária no topo desta parte reflexiva que é conhecida como topo do radar (radar top), definida como o limite vertical superior da massa detectável pelo radar meteorológico. A parte superior da nuvem (acima do radar top) geralmente possui água congelada congelado, que interage pouco com o feixe emitido pelo radar.

Imagem de satélite do período da queda do avião (voo AF447). Fonte: BBC http://news.bbc.co.uk/nol/shared/spl/hi/pop_ups/08/americas_enl_1244067525/img/1.jpg

Imagem de satélite do período da queda do avião (voo AF447). Fonte: BBC.

Uma célula localizada atrás de outra pode não ser observada, tendo em vista que sua intensidade fica enfraquecida (a energia do radar tem que atravessar na ida e na volta a célula que está a frente). Note que o avião do voo AF447 atravessou uma célula menor antes de penetrar e enfrentar turbulências fortíssimas que se encontravam logo após. Aviões que passaram anteriormente na mesma rota fizeram desvios maiores para evitar a tempestade. Os pilotos dos outros voos afirmaram que só observaram a tempestade ao aumentar a sensibilidade do radar.

Visando ter um melhor proveito do instrumento, possivelmente a técnica mais adequada seja a alternância periódica do alcance e da inclinação da antena do radar. O alcance deve ser reduzido de vez em quando, de forma a revelar quaisquer detalhes, e manter alcances mais longos e a antena com pouca inclinação quando estiver bem distante ou vendo abaixo do nível de voo o topo das nuvens. A variação da inclinação da antena (tilt) do radar consiste em baixar a antena até obter o retorno do solo e então levantá-la até que o retorno do solo desapareça. A atenuação pode ser identificada quando não há retorno de solo oriundo da área diretamente atrás da formação (área conhecida como sombra do radar).

Veja mais sobre o acidente do voo da Air France 447 nesse artigo: Tubo de Pitot e o acidente da Air France.

Fontes: Navegação costeira, estimada e em águas restritas (cap. 14), Revista Flap – O uso do radar em grande altitude, Aulas de radar meteorológico do IAG-USP, Dissertações de Kleber Lopes da Rocha Filho e José Felipe da Silva Farias.

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