BR102012013956A2

BR102012013956A2 - Sistema de radar meteorológico

Info

Publication number: BR102012013956A2
Application number: BRBR102012013956-1A
Authority: BR
Inventors: Joao Roberto Moreira Neto; Marco Antonio Miguel Miranda; Cesar Rodrigo Steffens
Original assignee: Orbisat Ind E Aerolevantamento S A
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2014-04-15
Also published as: EP2860548A4; EP2860548B1; EP2860548A1; US20150177377A1; US9817115B2; BR102012013956B1; WO2013185195A1

Abstract

Sistema de radar meteorológica utilizando antenas constituídas pela abertura alongada de guias de onda, formando pelo menos um conjunto (510,520) montado numa base horizontalmente giratória (502), ditas aberturas tendo largura da ordem de um comprimento de onda e comprimento superior a 20, sendo a abertura pequena em azimute, da ordem de 0,5ºa 2º, sintetizada mediante altas velocidades de rotação juntamente com técnicas de processamento de sinais tal como o ROSCAR.

Description

SISTEMA DE RADAR METEOROLÓGICO Campo da invenção

Refere-se a presente invenção a um sistema para imageamento e observações do céu para a detecção, localização, identificação e 5 classificação de fenômenos meteorológicos. Esse sistema se caracteriza por ser um radar {Radio Detection And Ranging) que utiliza a técnica Rotor Synthetic-aperture radar (ROSAR, Rotor-SAR), no português “Radar de Abertura Sintética com Antenas Rotativas”, através do qual as características de feixe estreito normalmente providas pelas antenas 10 convencionais de grande porte são sintetizadas por meio de antenas de dimensões reduzidas operando em elevadas velocidades de rotação. Resumo do estado da técnica

Os sistemas e processos do tipo radar aplicados à meteorologia, existentes no mercado e destinados à observação de fenômenos 15 meteorológicos utilizam abertura real da antena (ou sensor) ou varredura eletrônica para obter uma boa resolução de azimute. Com esses dispositivos, é possível determinar a posição, a velocidade radial (na direção da propagação dos sinais radar) e estimar o grau de turbulência do vento, devido à análise de estruturas como chuva, nuvem, neve, granizo, 20 dentre outras. Com tais observações é possível classificar o tipo de partículas que compõem cada fenômeno e, portanto, prever o grau de severidade de uma tempestade, por exemplo.

A patente US 7,365,696 Multitransmitter RF Rotary Joint Free Weather Radar System descreve um sistema compreendendo um pedestal 25 100 apoiado numa base 30 (que pode ser um veículo) tendo uma plataforma 120 rotacionalmente vinculada a dito pedestal e uma antena 200 solidária com a plataforma eletricamente acoplada a um subsistema eletrônico 400 e um subsistema de análise do sinal. Um transmissor coerente gera sinais em RF que são modulados pelo dito subsistema a fim de criar duas ondas 10, 20 que são irradiadas pela antena. Os pulsos refletidos 40, 50 são captados pela antena e analisados pelo subsistema de análise.

Algumas das desvantagens das soluções que existem no

mercado são o uso de uma antena de grandes dimensões, sendo ela parabólica no caso da varredura mecânica e retangular no caso da varredura eletrônica. A varredura de todo o céu, na direção de azimute (360°) e na direção de elevação, é lenta e ,dependendo da discretização 10 desejada, poderá chegar à casa de dezenas de minutos no pior dos casos. Além disso, é necessário que se utilize um transmissor com potência de pico da ordem de kilowatts. Assim, por exemplo, no caso do sistema descrito na supracitada patente US 7,365,696 a potência dos transmissores é da ordem de 30kW.

Todas essas características elevam o custo de implementação de

um dispositivo como esse. Por essa razão surge a necessidade de uma solução simplificada para se determinar a posição, velocidade e classificação de fenômenos meteorológicos que seja de baixo custo. Objetivos da invenção Em vista do exposto, tem a presente invenção o objetivo de prover

um sistema radar que permita determinar a posição, velocidade e classificação de fenômenos meteorológicos e que seja de baixo custo.

Constitui outro objetivo o provimento de um sistema radar de curto alcance de uso capaz de fornecer previsões de curto prazo, ou seja, detectar e prever tempestades que se formam em um curto espaço de tempo, da ordem de minutos.

Descrição resumida da invenção Os objetivos acima e outros são atingidos pela presente invenção mediante a utilização de um conjunto de N antenas ao invés de uma antena para reduzir a velocidade de rotação em N vezes.

Para fins meteorológicos a velocidade de rotação tem que ser alta, de tal forma que a abertura sintética seja percorrida pela antena dentro do tempo de decorrelação das partículas da nuvem. Empregando-se N antenas, essa velocidade é reduzida N vezes, chegando-se a valores que permitem uma construção mecânica de custo aceitável.

As antenas podem estar na forma de guias de onda, cujas aberturas 10 irradiantes têm a forma de aberturas estreitas com abertura da ordem de um comprimento de onda na direção horizontal e mais de 20 comprimentos de onda na direção vertical, ditas guias estando dispostas numa plataforma rotativa dotada de mecanismo de modificação do ângulo de ditas aberturas com a direção vertical, dito ângulo podendo variar entre 0o e 90°.

De acordo com outra característica da invenção, dito conjunto

compreende uma antena transmissora localizada próxima ou no eixo de simetria de uma ou várias antenas receptoras.

De acordo com outra característica da invenção, a velocidade de rotação da dita plataforma está compreendida entre centenas e milhares de 20 rotações por minuto. Se apenas uma antena receptora fosse utilizada, a plataforma teria que girar a uma velocidade angular superior à casa dos milhares, para que o tempo de iluminação do alvo fosse inferior ao tempo de decorrelação das partículas das nuvens. O tempo de iluminação do alvo corresponde ao tempo de percorrer a abertura sintética. Entretanto 25 velocidades tão altas de rotação são de difícil implementação nos dispositivos mecânicos. Assim, para contornar esse problema a presente invenção utiliza mais de uma antena para recepção do sinal, de tal forma que a velocidade de rotação se reduz por um fator equivalente ao número de antenas receptoras utilizadas.

Numa concretização preferida da invenção, dito conjunto compreende 4 antenas receptoras, sendo a velocidade de giro da ordem de 5 450 rpm. Isso faz com que a varredura se tome dezenas ou até mesmo centenas de vezes mais rápida se comparada a um radar meteorológico convencional provendo destarte uma elevada taxa de atualização. Assim, a rápida varredura do radar da invenção faz dele uma ferramenta de grande utilidade na detecção de chuvas ou turbulências que possuem rápido 10 desenvolvimento, devido à taxa de atualização muito superior àquela dos radares meteorológicos convencionais.

De acordo com outra característica da invenção, o processamento a que são submetidos os sinais de retomo introduz um ganho na detecção, possibilitando o uso de transmissores com potência da ordem de dezenas de watts.

De acordo com outra característica da invenção, o processamento dos sinais utiliza compressão de pulso em alcance para promover uma resolução em alcance de 15 ma 3 Om bem como, através da tecnologia ROSAR, sintetiza a abertura da antena real promovendo uma resolução em azimute de 0.5° a 2o.

Essa técnica permite sintetizar uma antena com grande dimensão utilizando uma ou várias antenas de pequena dimensão em translação. Durante a translação das antenas pequenas adquire-se os dados, que serão processados digitalmente para a obtenção da antena de grande dimensão. 25 Para que isso seja possível é necessário que a varredura seja realizada em um tempo inferior a τ que é conhecido como tempo de decorrelação, ou seja, um período de tempo com as seguintes características: • As amostras dentro do período τ tem alta correlação entre si, ou seja, possuem uma relação de amplitude e fase determinísticas.

• As amostras além do período τ não precisam ter correlação entre si e podem ser consideradas estatisticamente independentes.

Dessa forma, para garantir um bom resultado da técnica é necessário que a velocidade de giro, Vrpm seja:

30 Θ

v >--

rpm π τ-Ν

onde Θ é a abertura angular de uma das antena em radianos, N é o número de antenas receptoras e τ é o tempo de decorrelação, em segundos,

necessário para que a correlação caia a 2%.

De acordo com outra característica da invenção, as ondas eletromagnéticas emitidas são polarizadas tanto horizontal como verticalmente permitindo, após processamento, a caracterização das partículas em que o sinal foi refletido.

De acordo com outra característica da invenção, a varredura na

direção da elevação é provida por um mecanismo integrado a dita plataforma rotativa, acionado por um motor, permitindo que o feixe, que é estreito na direção vertical, possa percorrer todos os ângulos de elevação em um curto tempo de operação.

Descrição das figuras

As demais características e vantagens da invenção serão melhor compreendidas através da descrição de uma concretização preferida, dada a título exemplificativo e não limitativo, e das figuras que a ela se referem, nas quais:

A figura 1 ilustra um radar meteorológico estruturado de acordo

com a técnica conhecida. A figura 2 mostra, mediante uma vista em perspectiva, o radar construído de acordo com os princípios da invenção.

A figura 3 é uma vista superior esquemática genérica do conjunto de antenas da invenção.

A figura 4 é uma vista lateral esquemática de uma concretização

preferida da invenção.

A figura 5 mostra uma vista em corte do conjunto, segundo os princípios da invenção.

A figura 6 é um diagrama de blocos mais geral do sistema, segundo os princípios básicos da invenção.

A figura 7 exemplifica o princípio de concatenação dos sinais captados pelas antenas receptoras.

Descrição detalhada da invenção

Fazendo referência, agora, às figuras 2, 4 e 5 compreende a invenção uma estrutura de base 501 em forma de coluna oca, em cujo interior está localizado o eixo árvore 526 suportado por dois mancais de rolamentos 532, dito eixo sendo acionado por meio de um motor elétrico 504. Na extremidade superior desse eixo está instalado o conjunto de antenas 503 que é suportado por meio de um dispositivo complexo que compreende três plataformas horizontais superpostas 527, 528 e 529, a superior e a inferior sendo fixas e a intermediária deslizando verticalmente mediante a rotação de um fuso de esferas 536 que impulsiona a bucha rosqueada 537 solidária com a dita plataforma móvel 528. Segundo mostra a Fig 5, os braços acionadores 530 estão articulados em sua extremidade inferior com a plataforma 528 a qual, ao deslocar-se para cima e para baixo, aciona os ditos braços 530 que, por sua vez, modificam o ângulo 540 que as antenas fazem com a direção vertical. O sistema mecânico que movimenta angularmente as antenas é acionado através de um motor elétrico que está ligado diretamente ao dito fuso de esferas através de um conjunto de engrenagens redutoras, posicionado no centro da plataforma superior fixa 527.

A Fig. 3 ilustra o sistema da invenção numa vista superior, compreendendo dois conjuntos similares de antenas 510 e 520. Apesar da figura mostrar os referidos dois conjuntos, o sistema poderá compreender apenas um dos conjuntos, por exemplo o 520, sendo o conjunto 510 substituído por um contrapeso para prover o equilíbrio de massas em tomo do eixo 500 do sistema. Cada conjunto compreende uma antena transmissora 523 e várias antenas receptoras, formando um leque como ilustrado na Fig. 4, as distâncias angulares entre as antenas tendo os valores <X\, a.2 e (X3. Tais ângulos podem ser diferentes entre si, todavia numa concretização preferida são utilizadas quatro antenas receptoras igualmente espaçadas entre si, o espaçamento tendo, preferencialmente, o valor de 22,5°. A antena transmissora pode, igualmente, ocupar qualquer posição, porém sua colocação no centro do leque das receptoras, conforme ilustrado, proporciona uma iluminação mais homogênea do alvo. Assim sendo, na concretização mais preferida da invenção tem-se uma antena transmissora 523 e quatro antenas receptoras, constituindo dois pares de antenas 521- 521’ e 522-522’ simetricamente dispostos com relação à dita antena transmissora. Por oportuno, ressalte-se que, apesar das ilustrações mostrarem apenas uma antena em cada posição, são realmente utilizadas duas antenas justapostas em cada posição, tanto na transmissão como na recepção, sendo uma delas polarizada horizontalmente e a outra verticalmente.

A função de autocorrelação R(j) é dada pela expressão a seguir [Nathanson, 1969]: R(t)= exp

Assim, para que as amostras sejam estatisticamente independentes é necessário que a função acima tenha um valor baixo, para efeito de análise utiliza-se 0.02, ou seja, 2% . Dessa forma, tem-se que o tempo, em segundos, de decorrelação é dado por:

τ <0.222—

σν

onde λ é o comprimento de onda e σν é um parâmetro físico que representa o desvio padrão de velocidade da nuvem, em m/s. Para a sintetização do feixe é necessário que o alvo distribuído (nuvem, chuva, etc.) seja 10 iluminado por um tempo inferior a τ, pois dessa forma ele poderá ser tratado de forma determinística. Há basicamente duas formas de compensar essa limitação do sistema: pela velocidade de rotação ou pelo número de antenas receptoras. Assim, a velocidade necessária para a composição de uma antena de grandes dimensões é dada por:

30 Θ

V» ~--T1 >

π τ-Ν

onde Θ é a abertura real da antena na direção de azimute, em radianos, e N é o número de antenas receptoras utilizado. Como uma velocidade de rotação muito elevada é de difícil implementação mecânica, na concretização preferida da invenção são utilizadas várias antenas para que essa velocidade seja reduzida.

Como observado, a velocidade de rotação está inversamente relacionada com o número de antenas. Assim, na concretização exemplificativa ilustrada, essa velocidade será igual a: 1800/4 = 450 rpm. Isso faz com que a varredura se tome dezenas ou até mesmo centenas de

-8 vezes mais rápida se comparada a um radar meteorológico convencional. A frequência dos pulsos é relativamente elevada, estando compreendida entre 1800 e 6000 pps. Como esse radar é de rápida varredura ele se toma importante para a detecção de chuvas que possuem rápido 5 desenvolvimento. Devido ao processamento adicional que é feito na direção de range e azimute, é necessário que se utilize um amplificador com potência da ordem de dezenas de watts, isso é possível pois o processamento introduz um ganho de integração à detecção.

A presente invenção utiliza antenas pequenas, com dimensão transversal da ordem de um comprimento de onda - ou seja, 2,5 cm na banda X - ao invés de utilizar uma antena real grande, e posicionando as antenas pequenas fora do eixo de rotação 500 do radar. A dimensão longitudinal, por outro lado, é superior a 20 comprimentos de onda, de modo a prover uma alta resolução em elevação. Assim por exemplo, uma dimensão longitudinal de fenda igual a 30λ resulta numa resolução de λ/30λ radianos ou seja, aproximadamente Io. O processamento de sinais utiliza compressão de pulso em alcance para promover uma resolução em alcance de 15 m a 5 Om. A maior resolução em azimute é provida pela técnica de sintetização de abertura mediante emprego da tecnologia ROSAR (ROtor Synthetic Aperture Radar), resultando um valor entre 0,5° e 2o. (H. Klausing, W. Keydei, Feasibility of a Synthetic Aperture Radar with Rotating Antennas (ROSAR), IEEE International RADAR Conference, 1990)

O dispositivo funciona emitindo sinais eletromagnéticos em, banda X, porém outras antenas que operam em bandas inferiores ou superiores podem ser utilizadas. Esses sinais serão refletidos pelos objetos a serem detectados, sendo que as características desses objetos como dimensão, distância e velocidade alteram as características do sinal refletido. O dispositivo é sensibilizado por essas reflexões em sensores localizados em posições diferentes, assim esses sinais recebidos são analisados na unidade de processamento de sinais do radar que é responsável por tratar (amostrar e filtrar) os sinais provenientes da cadeia 5 de recepção, detectar os alvos de interesse, extrair as informações cinemáticas dos alvos detectados, classificá-los e rastreá-los.

A Fig. 6 é um diagrama esquemático simplificado do sistema, no qual está indicado que, após a recepção dos sinais e o pré-processamento como filtragem e demodulação, os sinais são processados para se obter 10 dados referentes aos objetos detectados. No início do processamento é utilizada a técnica de compressão de pulso em alcance, que é bastante empregada em Sistemas Radares e tem por objetivo aumentar a resolução em alcance dada pela Eq.01, abaixo, e melhorar a relação sinal ruído. Consiste em transmitir um pulso, que é a função de referência, com largura 15 de banda suficientemente grande para se atingir a resolução em distância desejada e ao mesmo tempo transmitir um pulso de longa duração de tal forma a distribuir a potência transmitida ao longo do tempo. No caso presente, a duração do pulso é de 25μ8.

alcance 2 * Bptho Eq. 01

Onde:

vÍUZ = velocidade da luz;

Bpuiso = banda de frequência do pulso

25

Na seqüência, os sinais das antenas são concatenados de acordo com a posição em que são recebidos, conforme esquematizado nas figuras 7-a e 7-b. A primeira destas mostra a varredura simultânea do alvo pelas quatro antenas receptoras durante um deslocamento rotacional do conjunto num ângulo β. Assim, a antena Ai varre um ângulo β no tempo decorrido entre tj e t2, a antena A2 estará varrendo o mesmo ângulo, simultaneamente, 5 o mesmo ocorrendo com as antenas A3 e A4 . Assim, o sinal refletido pelo alvo é amostrado num ângulo de 4 · β durante o referido tempo X2 - ti. Segundo indicado na Fig. 7-b, os sinais refletidos 541...544 captados pelas quatro antenas são concatenados por software, de modo a se obter um sinal equivalente 545. A seguir, o processamento ROSAR é realizado, ou seja, 10 uma abertura estreita de antena é sintetizada a partir de uma antena de pequena dimensão, porém com um movimento relativo ao alvo. Para determinação da resolução em azimute do sistema, observa-se que a abertura real da antena é dada pela Eq.02, abaixo, e que o tamanho da antena sintetizada através do movimento da antena real é dado pela Eq.03. 15 Então, a abertura da antena sintetizada, e consequentemente, a resolução em azimute do sistema será dada pela Eq.04, abaixo:

Eq. 02

20

Lsa ~ 2· V2~· R

Eq. 03

λ

Eq. 04

2L$a

Onde:

25

Θ = abertura real da antena; λ = comprimento de onda do sinal irradiado; D = tamanho da antena na direção horizontal; Lsa ~ distância percorrida pela antena;

R = raio de rotação. O processamento ROSAR é finalizado com a compressão em azimute que é similar ao realizado na compressão em alcance, entretanto o sinal modulante é uma senoide com modulação linear em frequência origi- nada devido ao movimento circular das antenas, esse sinal é a função de 5 referência. Este processamento é utilizado para refinar a medida de azimute do alvo, em conseqüência da técnica ROSAR empregada.

Por exemplo, considere-se um sistema que transmite um pulso com banda de 10 Mhz, e frequência do sinal de 9,55 Ghz , compreendendo qua- tro antenas de tamanho de 2,28 cm, raio de rotação de 60 cm e velocidade de rotação de 450 rpm. De acordo com a Eq. 1, tem-se uma resolução em alcance de:

Tesakam = - = (3 * 108) / (2* 10* IO6) = 15m

** Dpulso

De acordo com a equação 2, a abertura real de cada antena é:

λ (3*108) / (9,5S*I09) D 0,0228

A equação Eq.04 nos revela uma abertura sintetizada de:

_ λ (3*108) / (9,55* IQ9)

azimute λ j j— 1,06

2Lsa 2-V2*0,6

Após o processamento dos sinais com informação útil são extraídos

dados que são rastreados e associados com dados coletados anteriormente para se formar um histórico de refletividade do fenômeno detectado. Na seqüência, de posse de dados e sinais é realizada a análise no domínio do tempo e no domínio da frequência dos fenômenos detectados, com o intuito 25 de se calcular a quantidade de potência refletida, a velocidade Doppler e o espalhamento espectral do sinal e com isso determinar o grau de turbulên- cia do vento. Posteriormente, os dados e informações são enviados à unida- de de visualização gráfica para serem exibidos ao operador.

A partir da faixa de frequência de operação, a presente invenção é destinada a analisar os efeitos característicos introduzidos no sinal quando 5 este é refletido por um fenômeno meteorológico e a partir disso classificá- lo como sendo chuva, nuvem, granizo, e etc. Adicionado ao uso da técnica de compressão de pulso em alcance a presente invenção alcança ainda reso- lução em alcance entre 15 m e 50 m. Adicionado ao uso da técnica ROSAR a presente invenção alcança ainda resolução entre 0.5° a 2o, preferencial- 10 mente Io.

A presente invenção possui um aparato de antenas que operam com dois tipos de polarização da onda eletromagnética: a horizontal e a vertical. Com isso é possível, através de algoritmos de análise polarimétrica, deter- minar a natureza e formato da partícula refletora.

Se bem que a invenção tenha sido descrita fazendo com base numa

concretização específica, fica entendido que modificações poderão ser im- plementadas por técnicos no assunto, permanecendo dentro dos limites da invenção a qual, portanto, fica definida pelo conjunto de reivindicações que se segue.

20

Claims

1. Sistema de radar meteorológico caracterizado pelo fato de com- preender uma base horizontalmente rotativa (502) em tomo de um eixo ver- tical (500), na qual está montado pelo menos um conjunto (510, 520) de an- tenas (503, 521, 522, 523, 521’, 522’) as quais são constituídas pelas aber- turas retangulares radiantes de guias de onda radialmente dispostos em tor- no do dito eixo, a variação do azimute de radiação de ditas antenas, entre 0o e 90° sendo provida por um dispositivo de suporte compreendendo três pla- taformas horizontais (527, 528, 529) das quais pelo menos uma é vertical- mente deslocável.

2. Sistema de radar meteorológico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada antena compreender a abertura retangular alongada de um guia de onda, dita abertura tendo sua dimensão horizontal da ordem de um comprimento de onda e dimensão vertical superior a 20 comprimentos de onda.

3. Sistema de radar meteorológico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o diagrama de radiação em azimute do conjunto de antenas ser sintetizado mediante a tecnologia ROSAR, produzindo uma resolução equivalente entre 0,5° e 2°.

4. Sistema de radar meteorológico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a velocidade de rotação de dito pelo menos um conjunto ser dada pela expressão <formula>formula see original document page 15</formula> onde 0 é a abertura real da antena na direção de azimute, em radianos, e N é o número de antenas receptoras utilizado.

5. Sistema de radar meteorológico de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de cada dito conjunto de antenas (510, 520) compreender uma antena transmissora (523) e pelo menos uma antena receptora (522, 522’, 521, 521’).

6. Sistema de radar meteorológico de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos um par de antenas receptoras (522-522’, 521-521’) angularmente dispostas.

7. Sistema de radar meteorológico de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de compreender uma antena transmissora (523) localizada no centro do ângulo formado pelas ditas antenas receptoras.

8. Sistema de radar meteorológico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da resolução em alcance entre 10 e 50 metros ser provida pela utilização da técnica de compressão de pulsos.

9. Sistema de radar meteorológico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as ondas eletromagnéticas emitidas serem polari- zadas tanto horizontal como verticalmente permitindo, após processamento do sinal recebido, a caracterização das partículas em que o sinal foi refleti- do.

10. Sistema de radar meteorológico de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de sua resolução em azi- mute entre 0,5° e 2o ser provida por uma elevada velocidade de giro da ba- se (502) que suporta as ditas antenas conjuntamente com a utilização da tecnologia ROSAR (Rotor Synthetic Aperture Radar) para o processamento de sinais após uma etapa de concatenação.