2. LÓBULOS LATERAIS E SUAS INFLUÊNCIAS NAS MEDIDAS DE RADAR

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1 CORREÇÃO DOS EFEITOS DOS LÓBULOS LATERAIS NA PRECIPITAÇÃO Ernandes A. Saraiva, Itsumi Nozu, Cesar Beneti SIMEPAR Sistema Meteorológico do Paraná COPEL Companhia Paranaense de Energia C. Postal 318 Curitiba PR Tel: /r 6338 Fax: ABSTRACT The Doppler Weather Surveillance Radar (DWSR-95S), installed in Teixeira Soares, at 110km west of Curitiba, Paraná State, has peak power of 850 kw and antenna with a beam width of 0,9 deg. The main objectives of this equipament are to quantitatively monitor the precipitation and improve the weather forecast and severe weather surveillance over the area covered by the radar in Paraná State. This paper presents a discussion on side lobes and radar radome effects on precipitation measurements, and the observed effects on the radar operated by SIMEPAR. 1. INTRODUÇÃO O Radar Meteorológico Doppler banda S operado pelo Simepar está instalado a 110 km a oeste de Curitiba, no município de Teixeira Soares, no Paraná, com potência de pico de 850 kw e antena 0,9 grau de abertura de feixe (ver Tabela 1 com maiores detalhes técnicos). Os principais objetivos operacionais deste equipamento são a quantificação de precipitação e o auxílio na previsão e monitoramento de eventos severos, além do acompanhamento de entrada de sistemas frontais no Estado do Paraná. Neste trabalho discute-se a influência dos lóbulos laterais da antena de radar meteorológico na detecção e quantificação da precipitação e incremento dos ecos de terreno. 2. LÓBULOS LATERAIS E SUAS INFLUÊNCIAS NAS MEDIDAS DE RADAR Como em todo equipamento eletrônico, em um radar meteorológico, a consistência e a manutenção de um bom compromisso entre as suas características técnicas é de fundamental importância para a obtenção de bons resultados. Mesmo boas características podem deixar de ser vantajosas caso todas não sejam observadas como um conjunto ou se o comprometimento entre elas não for verificado, como por exemplo uma alta potência de transmissão e um alto ganho da antena, que contribuem para uma boa capacidade de detecção, mas com uma relação entre os lóbulos principal e laterais não apropriada. Basicamente, dois tipos de alimentadores são utilizados nas antenas de radares meteorológicos. Nos chamados off set (Figura 1) o alimentador é posicionado fora do centro da parábola, permitindo melhores resultados nos lóbulos laterais, normalmente na ordem de 30 db abaixo do lóbulo principal. Nos de center feed (Figura 2), como o próprio nome já diz, o alimentador está centrado na parábola, provocando redução na relação de ganho entre os lóbulos principal e laterais.

2 Figura 1 - Radar Kavouras TDR Figura 2 - Radar EEC DWSR 95 - S Antena com alimentador em off-set Antena com alimentador em center feed As antenas com alimentadores em off set, pela sua própria concepção e formato, produzem uma pertubação mínima na irradiação da antena (Figura 3), inibindo o aparecimento dos lóbulos laterais e permitindo um melhor espalhamento de energia. Desta forma, a influência dos lóbulos na detecção de ecos de terreno e no incremento dos gradientes de refletividade é quase que desprezível. Em contra partida, na concepção das antenas com alimentadores centrais (center feed), o próprio alimentador focal, juntamentamente com os braços que o sustentam, produzem pertubação na irradiação da antena (Figura 4), e consequentemente lóbulos laterais com maior ganho, que afetam o espalhamento de energia, agravando a detecção dos ecos de terreno e incrementando os gradientes. Figura 3 Irradiação com alimentador em off set Figura 4 Irradiação com alimentador em center feed Um fator de muita importância e preocupação nas características técnicas de um radar meteorológico é o valor da relação entre o ganho dos lóbulos, principal e secundários, pois de pouco proveito seria um equipamento com alta potência de transmissão, elevado ganho de antena, alta tecnologia em hardware de conversão e processamento de sinais, bem como eficiente sistema computacional de armazenagem e visualização de produtos, se este equipamento utilizasse uma antena que, quando da sua fabricação, não se atentou aos detalhes que reduzem os lóbulos laterais. As Figuras 5 e 6 destacam a questão dos grandes prejuízos causados pelos lóbulos laterais na detecção dos ecos de terreno e no incremento dos gradientes (chuvas) observados. Sabe-se que na visualização do campo de precipitação, tendo-se como referência a elevação da antena, os valores de refletividade são processados e amostrados na distância e altura considerando-se apenas a altura média do lóbulo principal da antena do radar, e o que for detectado pelo primeiro lóbulo lateral será também processado como se fosse sinal observado pelo principal, ocasionado erros que podem ser relevantes em função da capacidade de detecção destes lóbulos laterais. Considerando-se a antena do radar numa determinada elevação, em uma situação que o lóbulo principal está observando chuva, e os lóbulos laterais, ecos de terreno, haverá um incremento inevitável e totalmente impróprio nos valores da refletividade observada para aquele volume, pois no processamento dos sinais haverá integração de bins pela média dos valores da refletividade dos alvos, com intensidades e características diferentes, porém situados à mesma distância. Pelo fato dos ecos de terreno normalmente retornarem sinais com potência elevada, a refletividade resultante será sensivelmente maior que a correspondente apenas à chuva.. A utilização dos filtros Doppler para estes casos se torna um tanto ineficiente, pois no mesmo ponto em que se tem valores mais altos de velocidade Doppler devido às chuvas detectadas pelo lóbulo principal, observar-se-á valores de velocidade Doppler próximo de zero, associados aos ecos de terreno. Considerando ainda que, se a abertura do feixe da antena é menor que 1,0 grau, os primeiros lóbulos laterais estão a menos de 2,0 graus de afastamento do principal e tendo estes grande capacidade de detecção, afetam sensivelmente a resolução dos alvos, podendo não só incrementar sua quantificação, como também não descriminá-los devidamente.

3 Figura 5 Lóbulo lateral otimizado Antena off set Figura 6 - Lóbulo lateral detectando ecos - center feed A geometria e a constituição do radomo também são outros fatores relevantes na deterioração da relação do ganho entre lóbulo principal e laterais, principalmente quando se utiliza uma antena com center feed. Para que o prejuízo na relação de ganho entre os lóbulos seja o menor possível, cuidados especiais devem ser tomados, como no radomo dos radares do NEXRAD (1986). (Figuras 7 e 8). A influência do radomo no prejuízo desta relação é descrito por Doviak e Zirnc (1993), onde são citados os cuidados com a geometria e configuração dos painéis que constituem o radomo dos radares DWSR 88-D do NEXRAD. Figura 7 Detalhes da configuração especial dos painéis Figura 8 - Geometria cuidadosa do radomo do radar Nexrad Nos radares com alimentadores do tipo center feed utilizados pelo NEXRAD, mesmo tomandose um cuidado todo especial na constituição do radomo, este causou um prejuízo de aproximadamente 3 db na relação de ganho entre os lóbulos principal e laterais. Segundo Manz et al. (1998), a distribuição geométrica, bem como as juntas da estrutura do radomo têm influência direta na relação entre os lóbulos e podem causar grande degradação da eficiência da antena. 3. EFEITOS DOS LÓBULOS LATERAIS NO DWSR-95S OPERADO PELO SIMEPAR Na Tabela 1 estão descritas as características básicas do radar meteorológico EEC DWSR-95S operado pelo Simepar. Tendo em vista que este radar, utiliza antena com center feed, no diagrama de irradiação da antena - sem a instalação do radome o valor do primeiro lóbulo lateral é de 23 db abaixo do principal. Com a instalação do radomo, construído sem a precaução de inibir as tendências dos lóbulos laterais, a relação de ganho entre os lóbulos recebeu um incremento ainda mais prejudicial, proporcionando uma influência ainda não avaliada na irradiação da antena, observada, por exemplo,

4 na detecção excessiva de ecos de terreno numa área aproximada de 60 km de raio do radar e em elevações mais altas da antena, como mostram as Figuras 9 e PLANOS FUTUROS Numa primeira fase, será avaliada a atual relação entre os lóbulo principal e laterais, ou seja, qual a verdadeira influência causada pelo radomo na irradiação da antena, pela utilização de técnicas que usam o sol como fonte emissora de sinais (Whiton et al. 1976), ou ainda outras que utilizam os ecos de terreno mais intensos como refletores de sinais (Rinehart 1978). Neste sentido foram definidos procedimentos rotineiros para coleta de dados deste radar, apresentados por Beneti et al. (1998). Posteriormente, com um melhor conhecimento desta relação entre lóbulos, procurar-se-á corrigir os erros provocados pelos lóbulos laterais na detecção de gradientes, através da convolução entre o perfil de potência da antena com os valores observados (Kitchen et al. 1991), bem como fazer um tratamento mais apropriado para os ecos de terreno. Figura 9 - CAPPI à 4 km em ar claro sem filtro Doppler Figura 10 - RHI de ecos de terreno em ar claro TABELA 1: Características técnicas Radar EEC DWSR 95-S operado pelo Simepar Antena: Diametro: Largura de feixe: Ganho: Polarização: Lóbulos laterais: Radomo: Tamanho: Perda na transmissão: Deflecção no feixe: Pedestal: Azimute: Refletor parabólico com center feed 8,20 m (27 pés) 0,9 graus 45 db nominal Dual 23 db abaixo do lóbulo principal (sem radomo) 10,62 m (41 pés) 0,5 db (one way) menor que 0,1 grau Elevação sobre Azimute 360 graus contínuos manual e automático

5 Limites de elevação: Velocidade em Azimute: Transmissor: Freqüência de operação: Freqüência repetição de pulsos: Largura de pulso: Potência de Pico: -2 à 90 graus De 0 à 6 RPM - CW/CCW variável Magnetron coaxial à MHz 250 à 934 Hz (variável) 2,0 e 0,8 micro segundos 850 kw mínimo Receptor: Logarítico: 90 db +/- 1 db mínimo Linear: 26 db à 80 db com AGC Oscilador Local: STALO com AFC Sensibilidade MDS: -111 dbm Velocidade Doppler: 50 m/s com PRFs 4:3 REFERENCIAS Beneti, C., I. Nozu, E. A. Saraiva, 1998: Monitoramento da precipitação e de eventos de tempo severo com radar meteorológico no Estado do Paraná. X Cong. Bras. de Meteor., VII Cong. FLISMET. Submetido. Doviak, R. J. and D. S. Zrnic, 1993: Doppler radar and weather observations. Academic Press, 562pp. Kitchen, M. and P. M. Jackson, 1993: Weather radar performance at long range simulated and observed. J. Appl. Meteor., 32, Manz, A., T. Monk, and J. Sangiolo, 1998: Radome effects on weather radar systems. COST-75 Final Intern. Seminar on Advanced Weather Radar Systems. pp. 45. NEXRAD JSPO, 1986: Next Generation Weather Radar (NEXRAD) product description document. NEXRAD Joint System Program Office, R400-PD-202. Rinehart, R. E., 1978: On the use of ground targets for radar reflectivity factor calibration checks. J. Appl. Meteor., 17, Whiton, R. C., P. L. Smith, and A. C. Harbuck, 1976: Calibration of weather radar systems using the sun as a radio source. Preprints 17 th Conf. Radar Meteor., A.M.S.,