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ANEXO X
i
SUMÁRIO
Resumo............................................................................................................................vii
Capítulo I: Considerações iniciais .................................................................................1
I.1 Apresentação ...................................................................................................1
I.2 Cronograma e organização do relatório ..........................................................2
I.3 Pesquisa bibliográfica .....................................................................................4
I.4 Instalação do radiômetro MP3000A ...............................................................4
I.5 Recuperação de dados .....................................................................................4
I.6 Análise de dados e desenvolvimento de algoritmos ........................................5
I.7 Análise e validação dos resultados ..................................................................5
I.8 Publicações ......................................................................................................6
I.8.1 Workshop ..........................................................................................6
I.8.2 Revistas .............................................................................................6
I.8.3 Capítulo em livro ..............................................................................6
Capítulo II: Introdução ..................................................................................................7
II.1 Considerações gerais ......................................................................................7
II.2 Justificativa ....................................................................................................7
II.3 Objetivo ........................................................................................................11
Capítulo III: Radiometria de solo por microondas ...................................................12
III.1 Princípios físicos gerais ..............................................................................13
III.2 Equação de transferência radiativa .............................................................18
III.3 Emissão e absorção de microondas ............................................................21
III.4 Modelos de absorção por gases ..................................................................21
III.5 Modelos de absorção por nuvens ................................................................23
III.6 Cálculos do espectro de absorção ...............................................................24
III.7 Técnicas de observação ..............................................................................25
III.8 Antenas .......................................................................................................25
III.9 Receptores ..................................................................................................26
III.9.1 Técnicas de funções do receptor ..................................................29
ii
III.9.2 Sensibilidade ................................................................................30
III.9.3 Variações de ganho e a solução de Dicke ....................................32
III.10 Calibração .................................................................................................35
III.11 Técnicas de recuperação de dados ............................................................36
III.12 Vapor d’água integrado e água líquida em nuvens ...................................36
III.13 Perfilagem de temperatura por radiômetros multicanal ............................38
III.14 Perfilagem de temperatura da camada limite por radiômetros de varredura
.............................................................................................................................39
III.15 Observações em varredura angular de nuvens líquidas ............................40
III.16 Perfilagem integrada por sinergia de sensores ..........................................40
III.17 Aplicações do radiômetro em microondas e ondas milimétricas .............41
Capítulo IV: Materiais e Métodos ...............................................................................43
IV.1 Materiais, equipamentos e acessórios ........................................................43
IV.2 Instalação e calibração do radiômetro MP3000A ......................................44
IV.3 O MP3000A ...............................................................................................45
IV.3.1 Teoria de operação do radiômetro ...............................................49
IV.3.2 Recuperação de perfis a partir das observações ...........................50
IV.3.3 Fontes de erro do radiômetro .......................................................51
IV.3.4 Descrição do hardware do radiômetro .........................................52
IV.3.5 Descrição detalhada dos receptores de microondas .....................56
IV.3.6 Arquivos das redes neurais ..........................................................57
IV.3.7 Arquivo de nível 0 .......................................................................57
IV.3.8 Arquivo de nível 1 .......................................................................58
IV.3.9 Arquivo de nível 2 .......................................................................58
Capítulo V: Resultados e discussão .............................................................................59
V.1 Calibração do radiômetro ............................................................................59
V.2 Calibração com nitrogênio líquido (alvo criogênico) ..................................61
V.2.1 Contribuições de temperatura do alvo criogênico .........................61
V.2.2 Procedimento de calibração com nitrogênio líquido .....................62
V.3 Função de transferência de temperatura de brilho .......................................66
V.4 Verificação de arquivos de nível 2 ..............................................................69
V.5 Avaliação dos resultados obtidos .................................................................72
iii
Capítulo VI: Considerações finais do relatório .........................................................73
VI.1 Considerações gerais ..................................................................................73
VI.2 Dificuldades encontradas ...........................................................................74
VI.3 Contribuições ..............................................................................................74
VI.4 Sugestões para trabalhos futuros ................................................................75
Referências Bibliográficas ..............................................................................................76
iv
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Circuito equivalente de uma antena imersa em um meio absorvedor na
temperatura T ..................................................................................................................14
Figura 2: Diagrama de blocos simplificado de uma antena e receptor...........................15
Figura 3: Temperaturas de brilho calculadas para a faixa de 20 a 200 GHz...................20
Figura 4: Espectro de absorção de microondas para a faixa de 20 a 220 GHz................20
Figura 5: Sinais de entrada e saída e relações de ruído de uma rede de quatro terminais
com a entrada terminada em uma carga resistiva imersa em um banho termal na
temperatura T...................................................................................................................29
Figura 6: Diagramas de blocos simplificados de receptores de rádio mais comuns.......32
Figura 7: Diagrama de blocos simplificado de um radiômetro de Dicke........................33
Figura 8: Radiômetro de microondas MP3000A.............................................................43
Figura 9: Alvo de calibração externo criogênico.............................................................44
Figura 10: Vista do software de controle fornecido (VizMet-B)....................................46
Figura 11: Exemplo de apresentação de perfis 2D em tempo real pelo software de
controle............................................................................................................................46
Figura 12: Exemplo de apresentação de perfis 3D em tempo real pelo software de
controle............................................................................................................................47
Figura 13: Diagrama em corte do radiômetro.................................................................48
Figura 14: Diagrama de blocos sistêmico do radiômetro................................................53
Figura 15: Vista dos receptores do radiômetro................................................................56
Figura 16: Bloco de calibração típico para os canais do instrumento.............................60
Figura 17: Alvo criogênico instalado para calibração.....................................................62
Figura 18: Teste de verificação da calibração com nitrogênio líquido para todos os
canais...............................................................................................................................63
Figura 19: Média dos erros e desvio padrão para a calibração utilizando nitrogênio
líquido e alvo interno.......................................................................................................64
Figura 20: Calibração do valor de temperatura de brilho do alvo de referência interno
para todos os canais do radiômetro..................................................................................65
Figura 21: Calibração do valor de temperatura de brilho do alvo criogênico para todos
os canais do radiômetro...................................................................................................65
Figura 22: Aplicativo de teste utilizado para verificar a função de transferência...........68
v
Figura 23: Comparação de dados de altura de nuvem: radiômetro (vermelho) e LIDAR
(cinza)..............................................................................................................................70
Figura 24: Conteúdo de água líquida medida pelo radiômetro.......................................70
Figura 25: Conteúdo de água líquida medida pelo MRR................................................71
vi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Cronograma de atividades adaptado para a vigência atual da bolsa..................3
Tabela 2: Especificações básicas do radiômetro.............................................................48
Tabela 3: Características básicas da antena do radiômetro.............................................54
Tabela 4: Resultados obtidos do algoritmo desenvolvido para recuperação de dados de
temperatura de brilho.......................................................................................................69
vii
RESUMO
As medidas de parâmetros da troposfera através da radiometria de solo por
recepção de sinais de microondas possuem uma história recente na recuperação de
dados indiretos provenientes desta técnica e tem como objetivo recuperar, inferir e
estimar as características de temperatura, a quantidade de vapor d água e a água líquida
contidas na atmosfera.
A partir do fenômeno da interação das ondas eletromagnéticas na faixa de
microondas com os constituintes da atmosfera e seus efeitos de transmissão,
espalhamento e absorção/emissão, é possível obter informações importantes sobre este
ambiente a partir dos valores de temperatura de brilho emitidos principalmente pela
água e oxigênio. Pesquisas nesta área têm por finalidade o conhecimento da presença de
água na atmosfera em suas diferentes fases termodinâmicas e a determinação de perfis
de temperatura no sentido de fornecer estimativas e alimentar modelos numéricos de
previsão do tempo. Este relatório apresenta as atividades realizadas no período de junho
a dezembro de 2011 sobre os resultados parciais de uma metodologia de recuperação de
perfis atmosféricos através de técnicas de radiometria baseadas em solo aplicadas na
avaliação de parâmetros da troposfera tais como quantidade de vapor d’água e de água
líquida na atmosfera.
Este trabalho inicial se concentrou na técnica de recuperação de dados pela
utilização de um radiômetro multicanal de solo pertencente ao Centro de Previsão de
Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC/INPE) único no país, dentro do âmbito do projeto
temático CHUVA. As medidas realizadas foram feitas na condição de visão do zênite,
na faixa de frequências de 22 a 30 GHz (banda K) e, também, na faixa de 51 a 59 GHz
(banda V). O estudo parcial dessa técnica, ainda não muito explorada no Brasil, buscou
verificar a possibilidade de desenvolvimento de modelos de recuperação de variáveis
atmosféricas para com isso demonstrar a eficiência do sistema em estudo e a
complexidade envolvida na recuperação e interpretação de dados de perfis atmosféricos.
Durante a vigência do projeto de pesquisa, foi possível gerar resultados
relevantes que irão contribuir para a ampliação do conhecimento da técnica em questão,
suficientes para dar continuidade com outros estudos sugeridos no texto.
Palavras chave: Radiometria, Propagação de microondas, perfilagem atmosférica,
sondagem atmosférica.
1
CAPÍTULO I
Considerações iniciais
I.1 Apresentação
As atividades de pós-doutorado foram iniciadas em junho de 2011 com previsão
de término em maio de 2013 conforme o primeiro termo de outorga do processo
vigente. No entanto, no decorrer do desenvolvimento do projeto de pesquisa, o bolsista
foi aprovado no concurso público para o CEMADEN (CEntro nacional de
Monitoramento e Alerta de DEsastres Naturais), lotado no campus do INPE em
Cachoeira Paulista, e assumiu a vaga em janeiro de 2012 ficando assim indisponível
para dar continuidade as atividades como bolsista. Porém no período de vigência
estabelecido pelo segundo termo de outorga (de junho a dezembro de 2011) foi possível
fazer uma revisão bibliográfica mais extensa sobre radiometria de solo por microondas e
iniciar as atividades laboratoriais e de campo inserida no contexto do projeto temático
CHUVA (Processo 09/15235-8) conforme previsto no cronograma de atividades do
projeto de pesquisa.
Também foi possível a apresentação de um trabalho em um workshop da área,
relativo a comparações de medidas feitas com radiômetro, LIDAR e Radar, a publicação
de um artigo em revista e a publicação de um capítulo de livro, estes últimos referentes
a espalhamento de microondas por alvos de radar, apresentados nos apêndices A, B e C.
Em relação à parte experimental, foram realizados os pré-testes e as calibrações
do radiômetro para a campanha do Vale do Paraíba a partir do conhecimento adquirido
sobre a operação do equipamento, utilizando a infraestrutura do CPTEC/INPE.
Também foi possível realizar as primeiras análises de dados obtidos, partindo do
estudo da obtenção dos valores de temperatura de brilho a partir dos dados brutos de
saída do receptor do radiômetro. Com esse primeiro estudo foi desenvolvido um
2
algoritmo próprio que faz a recuperação de dados de temperatura de brilho em todos os
canais de microondas sem a necessidade da utilização do software fornecido pelo
fabricante do instrumento.
As técnicas de caracterização eletromagnética disponíveis atualmente na Divisão
e que apóiam experimentalmente na elaboração deste trabalho constam de um
radiômetro de microondas do fabricante Radiometrics modelo MP3000A para as faixas
de frequências de 22 a 30 GHz e de 51 a 59 GHz.
Neste relatório é apresentada uma introdução teórica referente às medidas de
parâmetros atmosféricos utilizando o radiômetro MP3000A e a discussão dos primeiros
resultados obtidos neste trabalho e as propostas para trabalhos futuros.
I.2 Cronograma e organização do relatório
Este relatório apresenta o trabalho realizado e os resultados obtidos pelo bolsista
no período de junho a dezembro de 2011 (tempo de vigência total do projeto). A
seqüência de apresentação deste trabalho segue em linhas gerais o cronograma da
proposta de projeto original, quando da solicitação da bolsa de pós-doutorado do
processo 2011/03093-4.
As metas estabelecidas no cronograma da Tabela 1 relativas ao período citado
foram cumpridas, excetuando as metas que ficaram com seus prazos fora da vigência
atual.
Os capítulos deste relatório estão organizados da seguinte forma:
No Capítulo II tem-se uma Introdução do tema do trabalho, a justificativa e os
objetivos deste relatório.
O Capítulo III, Radiometria de solo por microondas, reúne a revisão
bibliográfica sobre a teoria geral de radiometria, análise da tecnologia atual, métodos de
3
caracterização, e uma abordagem resumida a respeito de recuperação de dados
atmosféricos.
O Capítulo IV, Materiais e métodos, reúne todos os materiais e metodologias
aplicadas na parte experimental que foi possível atingir neste estudo, além de uma
abordagem ampla sobre o radiômetro MP3000A.
O Capítulo V, Resultados e discussão, discute os resultados obtidos na parte
experimental do trabalho, onde são discutidos os principais parâmetros das medidas
realizadas e análise de dados.
O Capítulo VI reúne as Considerações finais do relatório.
O cronograma de atividades atual, referente ao desenvolvimento deste projeto e
modificado para atender o período da nova vigência, é apresentado na Tabela I abaixo.
Os semestres do ano estão numerados na forma 1 e 2 para representar o primeiro e
segundo semestre respectivamente.
Tabela 1 – Cronograma de atividades adaptado para a vigência atual da bolsa.
ATIVIDADES SEMESTRE
2/2011 1/2012 2/2012 1/2013
1. Pesquisa Bibliográfica X X X X
2. Instalação e operação do radiômetro
disponível
X
3. Recuperação de dados X X X
4. Análise de dados com MPM X X
5. Análise de resultados (parciais) X X X
6. Validação resultados (parciais) X X
7. Relatórios destinados a FAPESP X X
X – Item de acordo com o projeto inicial.
X – Item fora da vigência atual
X – Item modificado para atender a vigência atual.
4
A seguir são apresentadas, de maneira resumida, as principais etapas do trabalho
realizadas até o momento.
I.3 Pesquisa bibliográfica
A pesquisa bibliográfica foi feita e atualizada durante todo o trabalho, utilizando
os acervos das bibliotecas do INPE, ITA dentre outras, por meio de livros, revistas,
artigos técnicos, internet, congressos e notícias técnicas dos fornecedores de
equipamentos, softwares e materiais.
I.4 Instalação do radiômetro MP3000A
Nesta etapa do trabalho foi feita uma instalação preliminar do radiômetro no
campus do INPE no intuito de se realizarem pré-testes e validações de calibrações para
futura participação nos experimentos do Projeto CHUVA campanha Vale do Paraíba.
A operação e conhecimento do radiômetro existente e das técnicas de medidas
associadas, principalmente a calibração, foram de suma importância nessa fase inicial
tendo em vista de tornar este equipamento plenamente operacional e dar início ao
domínio das técnicas envolvidas (capacitação).
Também importante foi o fato de dar continuidade às pesquisas já iniciadas pelo
grupo da DSA e com os conhecimentos adquiridos auxiliar nas campanhas de medidas
do projeto CHUVA na qual a pesquisa proposta está inserida na parte de radiometria de
solo.
I.5 Recuperação de dados
Foi implementado o sistema de medidas em campo aberto, de modo a
caracterizar o sistema proposto e fazer as primeiras recuperações de dados brutos, dados
de temperatura de brilho, perfis de temperatura e etc., visto que ainda não estão
5
disponíveis atualmente muitos estudos experimentais no Brasil sobre a monitoração da
troposfera utilizando-se a radiometria de solo.
I.6 Análise dos dados e desenvolvimento de algoritmos.
Durante o período de trabalho, foi possível realizar a análise dos dados brutos
(nível 0) de observações feitas e estudar os conceitos de processamento destes para
gerar os dados de temperatura de brilho (nível 1) a partir dos conhecimentos teóricos do
sistema receptor de microondas. Isto forneceu subsídios para gerar um algoritmo
próprio que manipula os dados brutos associados aos canais de banda K e banda V
obtidos pelo radiômetro e os transformam em temperatura de brilho sem precisar utilizar
o software proprietário da empresa Radiometrics.
I.7 Análise e validação dos resultados
De acordo com os primeiros resultados parciais obtidos, foi feito um estudo
preliminar comparativo das medidas do radiômetro, LIDAR e radar de apontamento
vertical correlacionando principalmente as medidas de altura de base de nuvens obtidas
por cada método, gerando uma publicação em um workshop da área.
Esta fase, que foi parcialmente cumprida devido à redução do tempo de vigência,
mostra que através das técnicas de medidas utilizadas e da operacionalização do
radiômetro, é possível validar o funcionamento do sistema a partir de informações
coletadas por outros métodos, uma vez que os resultados práticos comprovem os
preditos pela literatura disponível e se correlacionem com valores obtidos por outros
instrumentos.
Bem como os ajustes e verificação das limitações inerentes a técnica de
observação, baseado nos resultados obtidos.
6
E por fim verifica de forma concisa a utilização da radiometria de solo como
complemento ou atuante em conjunto com métodos ativos de sensoriamento remoto
(sinergia).
I.8 Publicações
A seguir são apresentadas as publicações feitas no período de vigência da bolsa.
I.8.1 Workshop
Trabalho apresentado no VI Workshop on Lidar Measurements in Latin America
– VI WLMLA, intitulado “VERTICAL CLOUD STRUCTURE OVER A NORTH-
EASTERN BRAZILIAN COASTAL CITY USING LIDAR, A MICROWAVE
RADIOMETER AND A K-BAND HYDROMETEOR PROFILER”, realizado no
período compreendido entre 26 setembro a 1 de outubro de 2011, em La Paz, Bolívia. O
trabalho está no apêndice A (em arquivo separado).
I.8.2 Revistas
Trabalho publicado na revista “Journal of Aerospace Technology and
Management - JATM”, indexado no Volume 04, Número 1, Janeiro - Março de 2012,
páginas 25-32, intitulado “INDOOR RADAR CROSS SECTION MEASUREMENTS
OF SIMPLE TARGETS”. O artigo completo está no apêndice B (em arquivo separado).
I.8.3 Capítulo em livro
Capítulo publicado no livro “Applied Measurement Systems”, editora InTech,
Fevereiro de 2012, páginas 351-376, ISBN: 978-953-51-0103-1, intitulado “BASICS
ON RADAR CROSS SECTION REDUCTION MEASUREMENTS OF SIMPLE AND
COMPLEX TARGETS USING MICROWAVE ABSORBERS”. O capítulo completo
está no apêndice C (em arquivo separado).
7
CAPÍTULO II
INTRODUÇÃO
II.1 Considerações gerais
São apresentados a seguir, os fatores que motivaram a idealização, projeto e
início do desenvolvimento do trabalho proposto, enfatizando principalmente a
justificativa e os objetivos para o período de atividades concedido.
II.2 Justificativa
Atualmente, a Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais do Centro de Previsão
de Tempo e Estudos Climáticos do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
(DSA/CPTEC/INPE) vem atuando na área de pesquisas científicas baseadas em
medidas de satélites, desenvolvendo métodos de observação e de estimativa de variáveis
atmosféricas e de superfície, por exemplo, ventos, temperatura, umidade, radiação e
precipitação para aplicação em estudos climáticos e na previsão do tempo. Como
resultados dos trabalhos realizados, vêm sendo estabelecidos processos de recuperação
de dados e geradas várias publicações técnico-científicas e vários produtos
meteorológicos que atendem diversas aplicações [1].
A literatura sugere vários métodos de caracterização eletromagnética da
atmosfera, que apóiam o processamento, a aplicação e o entendimento dos mecanismos
físico-químicos envolvidos na interação microondas/atmosfera, dando subsídios para o
desenvolvimento de equipamentos, ambiente de testes e métodos de observação [2]. Na
DSA, a caracterização da atmosfera vem sendo realizada pela utilização de técnicas de
observação por satélite em diversas bandas espectrais, por radares de solo operando
principalmente em banda S (2,7 a 2,9 GHz), e atualmente em Banda X, e por
instrumentos convencionais tais como radiossondas, pluviômetros e disdrômetros.
8
O propósito de medidas de parâmetros atmosféricos, através de vários métodos
de observação, é de coletar dados de espalhamento, transmissão, absorção e emissão de
radiação eletromagnética em determinadas faixas de freqüências, visando:
- adquirir conhecimentos do fenômeno de espalhamento, transmissão, absorção e
emissão da radiação na faixa de freqüências considerada;
- verificar a resposta da interação onda/matéria empregada no sistema;
- construir um banco de dados com parâmetros microfísicos da atmosfera; e
- atingir a meta de fornecer estimativas de variáveis atmosféricas através do
monitoramento da mesma.
Apesar da importância da utilização dos processos de recuperação de dados e das
medidas realizadas com os sistemas em operação, a observação da atmosfera não se
limita somente à aplicação destes métodos acima descritos, mas pode ser obtida
utilizando-se outras técnicas de observação tais como a radiometria baseada em solo.
É fato que a aplicação de radiômetros em regiões estratégicas da terra contribui
significativamente para a recuperação de dados da troposfera, sendo os parâmetros de
formação de vapor d’água e água líquida em nuvens os mais conhecidos e utilizados
para contribuir nos estudos de previsão de tempo.
No caso do emprego de radiossondas, a recuperação de dados em grandes áreas
torna-se dispendioso e complexo devido à dificuldade de se lançar várias unidades em
diferentes locais e geralmente os pontos de maior interesse podem ser determinados por
grandes áreas urbanas onde o emprego destas também é limitado, ficando seu uso para
áreas críticas tais como regiões metropolitanas, aeroportos, áreas de cultura agrícola
dentre outros.
9
Outro fator concerne sobre o custo de se manter uma ampla rede de radiossondas
espalhadas pelo território nacional, justificando a utilização de uma segunda ou terceira
técnica de monitoramento.
No caso da aplicação de técnicas de radiometria baseada em solo, na opção de
visão do zênite como segunda técnica associada à aplicação de radiossonda, existe a
indisponibilidade ou grande dificuldade de interpretação dos dados recuperados, devido
a essa técnica não estar totalmente dominada, o que inviabiliza o processo, sendo esta
alternativa recomendável para plataformas com técnicas de medida e interpretação
totalmente operacionais.
Existem aplicações em que alguns sistemas operacionais utilizam a técnica de
radiometria em contrapartida à falta da utilização de radiossondas ou como técnica
complementar em regiões que necessitam de monitoramento constante.
Os parâmetros da troposfera são dados por diversas variáveis indiretas, então o
uso combinado de radiômetros em locais estratégicos e o uso da técnica de radiossonda
nos pontos de maior área física são sugeridos. Principalmente em áreas onde existe a
falta de dados suficientes para contribuir na estimativa da previsão do clima local e não
existe a possibilidade de alteração deste quadro por motivos de custo.
Em trabalhos de recuperação de dados da troposfera utilizando radiômetro,
realizados em 2009 e 2010 pelo grupo da DSA [3, 4], foram obtidos resultados com um
radiômetro passivo de microondas baseado em solo do fabricante Radiometrics,
desenvolvido e construído para medidas na faixa de banda K (22 a 30 GHz) e banda V
(51 a 59 GHz), que mostraram resultados consistentes de concentração de vapor d’água
e de água líquida em nuvens. O radiômetro utilizado para esse fim utiliza métodos de
recuperação das variáveis que não são de domínio público e nem podem ser adaptados
10
para locais específicos. Dessa forma, é necessário que se desenvolva métodos cujos
princípios físicos sejam conhecidos para assim melhorar a confiança dos resultados.
Estes fatores motivam a realização de um trabalho de pesquisa que visa
desenvolver métodos que consigam recuperar estimativas de vapor d’água, nuvens e
perfis de temperatura na troposfera tendo como base a radiometria de microondas
baseada em solo a partir do entendimento e aplicação de modelos de propagação de
ondas milimétricas.
Este trabalho propõe o estudo da interação microondas/troposfera em conjunto
com a técnica de radiometria passiva baseada em solo, no sentido de elaborar métodos
para a recuperação de perfis atmosféricos de umidade e temperatura para posteriormente
serem assimilados em modelos numéricos de previsão de tempo.
Uma vez dominada a técnica de recepção, processamento e interpretação dos
sinais incidentes em um radiômetro, e conseqüente recuperação de perfis atmosféricos
de temperatura e umidade, os benefícios oriundos do estabelecimento do trabalho
proposto, gerados direta e indiretamente seriam:
- Setor aeronáutico: Em uma segunda configuração, o sistema proposto poderia
operar em conjunto com radiossondas, para contribuir em uma melhor detecção
dos parâmetros atmosféricos, atuando em aeroportos, para ampliar a área de
cobertura ou melhorar a detecção em zonas de pouca disponibilidade de
radiossondas ou pessoal técnico capacitado, aumentando assim a segurança em
vôo e a otimização de sistemas de interpretação de dados meteorológicos.
- Setor de segurança pública: Destacam-se nesta área o auxílio em sistemas de
alerta antecipado gerando dados complementares a medidas de radares e outros
sistemas ativos de teledetecção.
11
- Setor de pesquisa em meteorologia: Contribuir para a aplicação de novas
técnicas eletrônicas de observação, processamento de sinais e interpretação de
dados aplicados em modelos de previsão do tempo no sentido de aumentar a
confiabilidade das estimativas geradas por esses modelos.
II.3 Objetivo
Diante do exposto, este trabalho tem como objetivo o conhecimento e domínio
da técnica de radiometria passiva de solo na faixa de microondas de 22 a 30 GHz (banda
K) e de 51 a 59 GHz (banda V) e a interação microondas/troposfera, permitindo assim a
avaliação de parâmetros atmosféricos tais como vapor d’água, nuvens e perfis de
temperatura para com isso elaborar métodos de recuperação dessas variáveis usando um
radiômetro de superfície.
Para atingir este objetivo, o presente trabalho buscou contribuir na capacitação
do grupo e dar continuidade a tecnologia já obtida pela DSA na recuperação e
interpretação de dados radiométricos, além de envolver desafios como realizar novas
medidas e sugerir o desenvolvimento de modelos de propagação de microondas com
ênfase na faixa de ondas milimétricas, além de tornar a técnica totalmente operacional.
12
CAPÍTULO III
Radiometria de solo por microondas
As medidas radiométricas baseadas em solo da emissão termal da atmosfera têm
provado ser eficiente em uma gama de aplicações incluindo observações
meteorológicas, previsões de tempo, comunicações, geodésia, interferometria, validação
de dados de satélite, interação ar-mar e física molecular. Essas medidas também
contribuem para permitir o avanço contínuo do desenvolvimento de novos modelos de
transferência radiativa e absorção em atmosfera limpa ou nebulosa.
Esse desenvolvimento tem sido apoiado em grande parte pelo uso de técnicas
sofisticadas de calibração de radiômetro que permite boa precisão nas medidas,
adicionado a complementação dos dados recuperados por medidas feitas por
radiossondas, que utilizam sensores ativos para identificação de parâmetros de nuvens.
O uso de radiometria baseada em solo tem permitido o desenvolvimento de
algoritmos para obtenção dos dados científicos na qual os dados do radiômetro podem
ser combinados com outras fontes tais como modelos de previsões ou sondagens feitas
por outros sensores ativos, e conseqüentemente apresentar altíssima relevância para a
meteorologia.
Um sensor radiométrico de microondas é um dispositivo para a detecção de
energia eletromagnética que possui característica de ruído em essência. As
características espaciais e espectrais das fontes de energia observadas determinam os
requisitos de desempenho necessários aos subsistemas funcionais do sensor. Estes
subsistemas incluem a antena, receptor e um indicador de saída. O projeto do sensor e
as características de desempenho são primeiramente determinados pela extensão na qual
os parâmetros espaciais e de frequência caracterizam a fonte de ruído de rádio de
interesse do observador.
13
Um sensor radiométrico de microondas é frequentemente referido como um
dispositivo de medida de temperatura, sendo que o indicador de saída é calibrado em
graus Kelvin. A razão na qual os radiômetros de microondas são calibrados em unidades
de temperatura e os modos de operação em que são frequentemente utilizados são
descritos nas seções seguintes.
III.1 Princípios físicos gerais
O raciocínio físico que explica a calibração em graus Kelvin do indicador de
saída do radiômetro de microondas pode ser extraído de considerações da
termodinâmica e de certas propriedades envolvidas no conceito de antenas.
A quantidade de energia absorvida por uma antena e apresentada nos terminais
de entrada do receptor depende da orientação da antena, da polarização de onda e do
casamento de impedância do sistema de recepção. Desde que todas as antenas são
polarizadas, independentemente do projeto, a quantidade de energia recebida pela
antena, a partir de uma onda polarizada de modo randômico, é metade da energia total
da onda incidente. Se for assumido que uma antena está perfeitamente casada e a onda
incidente está randomicamente polarizada com uma densidade de fluxo de potência S,
então a potência absorvida PA é dada pela equação 1:
Onde A é a área efetiva da antena.
Na equação 1, a densidade de fluxo S da radiação é assumida ser de uma fonte
de pequeno tamanho angular e é medido pelo fluxo de energia emitido pela fonte
através de uma unidade de área na frente de onda no ponto de observação. Se a energia
dE no intervalo de frequência dv flui através da área dA no tempo dt (onde dt é longo
14
comparado ao período de um ciclo da radiação), então a densidade de fluxo S será dada
pela seguinte expressão:
Que tem a dimensão de potência por unidade de área por unidade de largura de
banda.
Agora considere uma linha de transmissão na qual uma extremidade é terminada
em uma carga casada e a outra alimenta uma antena em um meio absorvedor. Se a
antena for substituída por uma rede equivalente de dois terminais e for assumida que
essa impedância é puramente resistiva e equivalente a impedância de carga, então uma
linha de transmissão terminada em uma antena casada pode ser tratada de uma maneira
similar a uma linha de transmissão terminada em uma carga resistiva, como pode ser
visto na Figura 1. Se a dimensão do meio absorvedor é suficiente para absorver
completamente toda a radiação da antena, o meio e a terminação casada devem então
estar na mesma temperatura T [5].
Figura 1: Circuito equivalente de uma antena imersa em um meio
absorvedor na temperatura T. No equilíbrio, a temperatura da resistência de carga
é a mesma temperatura do meio absorvedor.
Considerando a potência do ruído Johnson, a terminação irá irradiar uma
potência kTdv para a antena. Isto sugere que na porção do espectro eletromagnético das
microondas e ondas milimétricas, a potência entregue a entrada de um sistema de
15
recepção por uma antena imersa em um meio absorvedor na temperatura T é
independente da frequência de observação.
Esta conclusão pode ser obtida através da Figura 2 observando que o meio
aparece como um corpo negro para a resistência de radiação da antena, isto é, ele
absorve toda a radiação incidente e seu brilho de radiação β no intervalo de frequência
dv está em acordo com a lei de Planck.
Figura 2: Diagrama de blocos simplificado de uma antena e receptor. Quando a
antena está imersa em um corpo negro na temperatura T, a entrada do receptor é
equivalente a uma carga resistiva R imersa em banho termal na temperatura T.
A partir do conceito de um corpo negro ideal e da lei de Kirchhoff, é conhecido
que a emissão de um corpo negro depende somente da sua temperatura e que quanto
mais alta sua temperatura, mais alta será sua emissão. Essa idéia é demonstrada
quantitativamente pelo cálculo da distribuição espectral da emissão do corpo negro a
partir da lei de Planck, que expressa a radiação )(TB emitida de um corpo negro a
temperatura T e freqüência v como,
onde h: constante de Planck e k: constante de Boltzmann.
16
A radiação expressa a potência emitida por unidade de área projetada por
unidade de ângulo sólido por unidade de intervalo de freqüência.
Pela definição de densidade de fluxo S, é evidente que:
Onde δΩ é o incremento de ângulo sólido. Esta definição de densidade de fluxo
é válida para qualquer fonte de radiação sobre todos os ângulos sólidos.
A equação 3 indica que a potência recebida de um corpo negro, medida nos
terminais do sistema de recepção, é dependente da frequência. Consequentemente, a
equivalência da radiação de corpo negro e a potência de ruído Johnson parecem
inconsistentes. A resposta para este paradoxo reside na resposta de frequência
característica de qualquer sistema de antena e a característica de frequência de brilho de
corpo negro em porções do espectro eletromagnético na região de microondas e ondas
milimétricas. Isto pode ser mais facilmente visto pelo conceito que a potência absorvida
por uma antena, a partir de uma fonte polarizada randomicamente quando operando no
intervalo de frequência dv, é
Onde θ e ϕ descrevem a direção da onda incidente e A(θ,ϕ) é a área efetiva de
recepção da antena naquela direção. Assim, para uma fonte estendida
Se a fonte estendida de radiação é caracterizada como um corpo negro, isto é,
como em uma distribuição de Planck, a potência recebida pela antena seria expressa na
forma:
17
Na porção do espectro de frequência onde a energia do fóton hv é muito menor
do que a energia térmica randômica por grau de liberdade kT na temperatura T, a
expressão para o brilho de corpo negro (equação 3) é reduzida para a seguinte expressão
(aproximação de Rayleigh-Jeans):
Onde λ é o comprimento de onda da observação. Assim, na porção do espectro
de microondas a equação 7 se reduz a:
A média da seção transversal efetiva, A, para qualquer antena imersa em uma
fonte de brilho uniforme pode ser expressa na forma:
Assim:
Introduzindo a equação 11 na equação 9 chega-se a conclusão de que a potência
recebida por uma antena imersa em um corpo negro na temperatura T é independente da
frequência e é equivalente a potência de ruído Johnson kTdv. Como consequência, a
potência de ruído recebida por um radiômetro de microondas ou ondas milimétricas é
convencionalmente descrita em termos de unidades equivalentes de temperatura de
corpo negro.
Em resumo, a potência recebida por uma antena imersa em um corpo negro na
temperatura T é independente da frequência e equivalente a potência de ruído Johnson
que seria irradiada por uma antena se ela fosse terminada em uma carga resistiva casada
na mesma temperatura T. Estas duas fontes fundamentais de potência de ruído são
18
equivalentes nas frequências de microondas devido à dependência do inverso do
quadrado do comprimento de onda do brilho do corpo negro, na qual é deslocada pela
dependência do quadrado do comprimento de onda da seção transversal da antena.
Desse modo, a potência de ruído por unidade de ciclo recebido pela antena e
apresentada em seus terminais de saída é diretamente proporcional a temperatura efetiva
de corpo negro que caracteriza a fonte na qual o diagrama da antena está imerso. O fator
de proporcionalidade é a constante de Boltzmann, k.
III.2 Equação de transferência radiativa
Pode-se fazer uma consideração que consiste em relacionar a emissão de um
corpo real, às vezes chamado de corpo cinza, como sendo a do corpo negro emitindo na
mesma temperatura.
Se a fração da energia incidente de certa direção absorvida pelo corpo cinza é
A(v), então o total emitido será A(v) )(TB . Para um corpo perfeitamente refletor ou
transparente, A(v) é zero, e a energia incidente pode atravessar o corpo sem ser
absorvida ou ser espalhada para outras direções.
Considerando-se que o radiômetro faz o monitoramento de um meio sem
espalhamento no sentido solo-espaço, a equação que relaciona a temperatura de brilho,
Tb, com o estado atmosférico é a equação de transferência radiativa (ETR) [6].
onde s: distância em km, T(s): Temperatura (K) no ponto s, Tc: temperatura de brilho
cósmica de 2,75 K, : opacidade (profundidade ótica total ao longo da distância s),
sendo:
19
onde : coeficiente de absorção (nepers/km) no ponto s. O uso da função do corpo
negro em (12) é justificada assumindo-se um equilíbrio termodinâmico local na qual a
quantidade de energia emitida é determinado por colisões moleculares e é independente
do campo de radiação incidente [7].
A equação 12 e a aproximação de Rayleigh-Jeans são melhores discutidas em
[6], e sua forma mais geral, incluindo o espalhamento, é discutido em [8].
O espalhamento, embora não considerado aqui, pode surgir da fase liquida, gelo,
ou gelo em fase de derretimento, dependendo do tamanho e distribuição de partículas.
Para o propósito de radiometria, é observada a dependência do perfil de
temperatura T(s) e a dependência implícita da pressão, vapor d’água e água líquida
através de α(s) e para um plano paralelo na atmosfera, o comprimento s e a altura h são
relacionados por s.sin(θ) = h, onde θ é o ângulo de elevação.
Informações sobre variáveis meteorológicas são obtidas a partir das medidas de
Tb em função de v e/ou θ. A equação 12 é usada: (a) em estudos na qual as variáveis
meteorológicas relevantes são medidas por uma radiossonda, (b) em condições em que a
informação meteorológica é inferida através das medidas de Tb, e (c) em estudos de
modelagem de sistemas, na determinação dos efeitos dos ruídos gerados pela
instrumentação nos dados obtidos e otimização de medidas tais como as de v e θ. Os
cálculos de Tb para atmosfera quente (temperatura de superfície de Ts=293 K) resultam
nos dados mostrados na Figura 3 onde os cálculos para céu claro são baseados em
valores da atmosfera padrão com valores na superfície (S) de Ps=1013 mb, Ts=293 K,
e IWV = 2,34 cm (vapor d’água integrado). A atmosfera nebulosa contém
o valor integrado de 1,0 mm de água líquida numa camada entre 1 e 2 km com
20
densidade de 0,1 gm3. Os modelos de absorção são mostrados na Figura 4. Ainda na
Figura 3, notam-se as faixas (janelas) de transmissão próximas a 30-50, 70-100, e 130-
150 GHz.
Medidas próximas a esses intervalos de freqüência, realizadas com radiômetro,
são aplicadas principalmente no sensoriamento remoto de nuvens e vapor d’água. As
características de absorção forte nas faixas próximas a 60 e 118 GHz são utilizadas para
sensoriamento de temperatura.
Finalmente, a absorção forte na região próxima a 183 GHz pode ser usada para
estudar a concentração ou distribuição de vapor d’água tais como as que são
encontradas durante as condições de inverno do Ártico.
Figura 3: Temperaturas de brilho calculadas para a faixa de 20 a 200 GHz.
Figura 4: Espectro de absorção de microondas para a faixa de 20 a 220 GHz.
21
III.3 Emissão e absorção de microondas
As principais fontes de emissão e absorção atmosférica são o vapor d’água,
oxigênio, e água líquida. Na banda de freqüências de 20 a 200 GHz, a absorção devido à
presença de vapor d’água cresce devido à transição rotacional fraca em 22,235 GHz e a
transição forte em 183,31 GHz.
Em adição, a absorção contínua de vapor d’água origina-se de várias
contribuições advindas de ressonâncias de alta freqüência que se estendem até a região
do infravermelho. Novamente, na banda de frequência de 2-200 GHz, o oxigênio
absorve devido a uma série de transições de dipolo magnético centrado em torno de 60
GHz e a linha isolada em 118,75 GHz. Por causa do alargamento por pressão, isto é, o
efeito de colisões moleculares nas transições radiativas, a absorção do vapor d’água e do
oxigênio se estendem para fora da região de freqüência imediata de suas linhas de
ressonância. Há também ressonâncias por ozônio, que são importantes para a sondagem
estratosférica [9] e existem ainda a absorção de gases, espalhamento e também a
absorção e emissão originada por hidrometeoros na atmosfera. O foco desta introdução
diz respeito às nuvens não precipitáveis na qual emissão e absorção são de principal
importância.
III.4 Modelos de absorção por gases
Cálculos detalhados de absorção por vapor d’água e oxigênio foram publicados
pela primeira vez por Vleck [10, 11], junto com a base de mecânica quântica desses
cálculos, incluindo o trabalho de Weisskopf [12] e medidas de laboratório, conduziram
ao aumento da precisão dos cálculos de absorção de gases. O desenvolvimento histórico
e recente são discutidos em [13]. Atualmente, existem muitos modelos de absorção que
são amplamente utilizados nas comunidades que estudam a propagação de ondas
eletromagnéticas e sensoriamento remoto. A partir de medidas de laboratório que foram
22
feitas no início da década de 1960, desenvolveu-se um algoritmo chamado Modelo de
Propagação de Microondas (MPM). Uma versão desse modelo [14] é ainda utilizada
extensivamente, e outros modelos subseqüentes são comparados com este.
Mais tarde foram feitas mudanças nos modelos de vapor d’água e oxigênio,
especialmente para parâmetros descrevendo a linha de vapor d’água de 22,235 GHz
[15]. Mais recentemente, Rosenkranz [16] desenvolveu modelos de absorção
melhorados que também são extensivamente utilizados pela comunidade de propagação
de microondas. Contudo, existem muitos assuntos na determinação de parâmetros que
entram na modelagem de absorção de vapor d’água e uma discussão clara destes são
dados em [13].
Relevante a essa discussão é a escolha dos parâmetros para calcular a largura da
linha gerada pelo alargamento por pressão, na qual, no caso de vapor d’água, surge a
partir das colisões de moléculas de água com outras moléculas de água (self
broadening), ou a partir de colisões de moléculas de água com as do ar seco (foreign
broadening). Outro modelo que é utilizado extensivamente na comunidade americana
de pesquisa do clima é a LBLRTM (Line by Line Radiative Transfer Model) [17]. Uma
extensão deste modelo, chamado MONORTM, é mais apropriada para ondas
milimétricas e estudos de RTE [18]. Recentemente, alguns refinamentos dos modelos de
absorção foram feitos, tais como em [19], na qual são incorporados os parâmetros da
largura da linha do modelo de 22,235 GHz a partir da base de dados HITRAN [20] com
uma nova formalização.
Ambos os novos modelos mostram um início promissor no cálculo de emissão a
partir de medidas feitas por radiossondas [21].
23
III.5 Modelos de absorção por nuvens
Para partículas esféricas, o método clássico de calcular os coeficientes de
espalhamento e absorção é realizado através das equações de Lorenz-Mie [22, 23, 24],
para partículas suficientemente pequenas, a aproximação de Rayleigh pode ser usada.
Para um dado comprimento de onda e partícula de geometria simples, a
contribuição da partícula é calculada e os coeficientes totais são obtidos pela integração
sobre a distribuição de tamanho de partículas. Uma propriedade física importante para
os cálculos é a da constante dielétrica da partícula. A constante dielétrica da água
líquida é descrita pelo espectro de relaxação dielétrica de Debye [25]. A forte
dependência da temperatura na freqüência de relaxação é relacionada com a viscosidade
da água líquida que da mesma forma é dependente da temperatura; entretanto o
coeficiente de absorção da nuvem também mostra uma sensibilidade significativa com a
temperatura. Acima de 0 °C, a constante dielétrica pode ser bem medida em laboratório,
e uma variedade de medidas foram feitas na faixa de 5 a 500 GHz [26]. Contudo para
água super resfriada, abaixo de 0 °C, a situação é menos certa, e, por exemplo, os
modelos de [27] se diferem de 20 a 30% nesta região [28]. Quando se calcula a
absorção para nuvens não precipitáveis, é assumida a absorção de Rayleigh, na qual a
absorção por líquidos depende somente da quantidade de líquido total e não depende da
distribuição de tamanho de partículas, e o espalhamento é desprezível. A aproximação
de Rayleigh é valida quando o parâmetro de espalhamento β=|n(2πr/λ)| <<1 [23]. Aqui,
r é o raio da partícula, λ é o comprimento de onda no espaço livre, e n é o índice de
refração complexo. Para condição de chuva e outras situações na qual β é maior do que
aproximadamente 0,1, as equações de Mie, combinadas com uma distribuição de
tamanho de partículas modelada (ou medida), deve ser usada. Devido à forma não
esférica dos hidrometeoros de gelo, a situação fica mais complicada quando o
24
espalhamento começa a ser significativo. Embora esta situação esteja além do escopo
desta introdução, em comprimentos de onda milimétricos o tamanho de particulados de
nuvens do tipo Cirrus pode ser da ordem de 100 a 200 microns, e o espalhamento pode
ser um fator importante próxima a essa faixa de transmissão. Por outro lado, as
propriedades dielétricas do gelo [29, 30] são muito diferentes da água líquida. As perdas
dielétricas do gelo tem um mínimo próximo a 1 GHz, e o gelo é um meio sem perdas
quase perfeito sobre uma faixa larga de freqüências. Entretanto a emissão de
microondas de partículas puras de gelo pode ser desprezada na maioria das situações de
nuvens. Situações especiais ocorrem quando as partículas de gelo começam a derreter.
Uma camada fina de água líquida pode ser capaz o suficiente de causar uma absorção
significativa e assim passar a emitir e geralmente estas condições se aplicam as nuvens
precipitáveis.
III.6 Cálculos do espectro de absorção
Para condições padrão no nível do mar, podem-se calcular as contribuições do
vapor d’água (H2O), oxigênio (O2), e céu totalmente limpo (H2O + O2) para o
coeficiente de absorção. Em adição, pode ser calculado o coeficiente de absorção
liquida para, por exemplo, em T= 293 e 273 K. A partir desses resultados
mostrados na Figura 4, é observada a forte absorção por oxigênio nas regiões próximas
a 60 e 118 GHz e a absorção próxima a 183 GHz. Para uma dada localização e altitude,
a absorção de oxigênio é relativamente constante, com variações de 10 a 20%, enquanto
as absorções em 22,235 e 183,31 GHz podem variar por um fator de 10 a 20. Observa-
se também a forte dependência da absorção da nuvem em relação à temperatura, e o
reverso desta dependência em torno de 150 GHz.
25
III.7 Técnicas de observação
Radiômetros de solo são freqüentemente empregados em campanhas
especificamente designadas para o estudo de vapor d’água [31], nuvens, e temperatura
[32, 33]. Em alguns desenvolvimentos, especificamente destinados a medir o vapor
d’água e nuvens, as observações de zênite são de principal interesse e em outros,
particularmente para medir perfis de temperatura, radiômetros de varredura em elevação
são freqüentemente utilizados. Mais recentemente, radiômetros de varredura em
azimute e elevação estão sendo também utilizados para observar nuvens [34].
Os fundamentos de radiômetros de microondas são claramente discutidos em [6,
35]. Os radiômetros utilizados para observar a atmosfera são compostos de uma antena
direcional, um receptor, uma unidade de detecção e um sistema de aquisição de dados,
lembrando que este é um sistema que requer calibração para a realização das medidas.
III.8 Antenas
Uma antena mede o fator temperatura de ruído da antena, TA, que é a integração
sobre 4π esteroradianos do produto da distribuição angular da temperatura de brilho e o
diagrama de radiação de potência da antena. Usualmente, as antenas têm diagramas com
feixes simétricos com valores de largura típicos de 1 a 6°.
Em razão da maioria dos sistemas de sensoriamento remoto utilizar a varredura
em um plano vertical, baixos níveis de lóbulos secundários são exigidos para minimizar
a contaminação advinda da emissão do solo. Em razão das antenas baseadas em solo
serem utilizadas em condições de chuvas e neve, é necessária a proteção, redução ou
eliminação de efeitos ambientais.
Deve-se considerar ainda a perda ôhmica de antenas dielétricas para
sensoriamento remoto que são geralmente construídas de materiais de baixas perdas
(tangente de perdas menor do que aproximadamente 10-3
), observando que uma antena
26
desse tipo atenua o sinal recebido e adiciona ruído devido a sua própria temperatura
física e se o fator de perdas e a temperatura do dielétrico são conhecidos, o sinal
indesejado pode ser corrigido a partir da medida da temperatura de brilho.
III.9 Receptores
Alguns projetos de receptores são comuns em radiometria baseada em solo e
muitos envolvem radiômetros com modulação tipo Dicke na qual a entrada do receptor
é alternativamente chaveada entre a cena (céu) e uma carga interna de calibração [35].
Em certos casos, o receptor pode ser baseado no projeto de Hach [36] na qual o sinal é
seqüencialmente chaveado entre a cena e dois alvos internos simulando um corpo negro
(quente = 145 °C e de referência = 45 °C). Estes alvos são simplesmente terminações
em guias de onda mantidos rigorosamente controlados em temperatura.
O projeto da empresa Radiometrics Corporation (http://www.radiometrics.com),
a ser usado nesse projeto, tem um sinal gerado por um diodo de ruído que é
alternadamente ligado e desligado e adicionado ao sinal da cena em cada ângulo,
incluindo o alvo. Existem radiômetros de varredura para medidas de temperatura de
camada limite [32, 33] que são equipamentos específicos. Finalmente, todos os
receptores comentados são de projetos na qual o sinal de um oscilador local estável é
misturado com o sinal de radio freqüência recebido que é emitido da cena; o sinal da
freqüência intermediária (FI) é então amplificado e detectado. Com larguras de banda
de FI geralmente em torno de 300 MHz a 1,0 GHz, sensibilidades de 0,1 K nas medidas
radiométricas são comuns. Existem radiômetros de alta estabilidade [37], que fornece
erros médios menores do que 0,05 K sobre períodos de tempo de um mês e estabilidades
melhores do que 0,01 K sobre escalas de tempo de 1000 a 10000 s. Outra possibilidade
é o uso de detecção direta na freqüência de radio de interesse, eliminando assim o
27
misturador e oscilador local. Como melhorias são feitas em amplificadores de
radiofreqüência, o aumento do uso de detecção direta é factível.
Uma vez que a maioria das fontes naturais não são corpos negros, a temperatura
medida por um sensor radiométrico se refere ao nível de potência que seria recebido a
partir de um corpo negro na temperatura que proveria um nível de potência equivalente
nos terminais de saída da antena.
Este conceito de temperatura é útil na descrição das funções da antena e receptor
em um sensor radiométrico de microondas. A antena extrai a potência de ruído a partir
da radiação incidente na sua abertura e apresenta essa potência de ruído em seus
terminais de saída tomando como base a análise acima mencionada, e a potência de
ruído recebida pode ser descrita em termos de uma temperatura efetiva de corpo negro.
Se for assumido que a temperatura efetiva de corpo negro da potência de ruído
composta nos terminais de saída da antena é TA e a porção associada com a potência de
sinal útil é TS, então
Onde ∑Ti representa a somatória das temperaturas de ruído efetivas das fontes
de potência de ruído indesejáveis observadas pela a antena. A razão sinal-ruído nos
terminais de saída da antena é então Ts/∑Ti. A principal função do receptor é de detectar
e amplificar o sinal de entrada que é caracterizada pela temperatura composta TA. Todos
os estágios do receptor adicionam ruído ao sinal recebido e esse ruído é frequentemente
referido como um ruído interno do receptor que pode ser descrito por uma temperatura
efetiva TR em relação aos terminais de entrada do receptor. A razão entre a temperatura
da antena e a temperatura de ruído do receptor na interface entre a antena e receptor é
então (TS + ∑Ti) / TR. Observe que a potência de ruído indesejada ∑Ti recebida pela a
antena e presente nos terminais de entrada do receptor, não podem ser diferenciadas do
28
sinal de temperatura desejado TS através da amplificação somente. A separação de TS de
∑Ti pode ser obtida no domínio da frequência pelo receptor se a temperatura do sinal da
fonte ou a temperatura de ruído de fundo exibem características diferentes de
frequência, tais como alguma linha de ressonância ou características de banda larga.
Neste caso, o receptor pode ser sintonizado no domínio da frequência para separar o
sinal de temperatura das temperaturas que surgem de fontes de ruído de fundo de banda
larga.
A determinação da temperatura de ruído equivalente de um sistema de recepção
está relacionada ao método da medida de figura de ruído. A figura de ruído de um
sistema de recepção ou rede é definida como a razão sinal-ruído na entrada dividida pela
razão sinal-ruído na saída, quando o receptor ou rede é terminado em uma carga casada
na temperatura T0 de 290 K. A partir da definição de figura de ruído, F, a figura de
ruído de rede vista na Figura 5 é dada pela seguinte expressão:
ou
Se for definida a temperatura de ruído do sistema TR pela expressão
Pode ser visto que a relação entre a temperatura de ruído do sistema e a figura de
ruído é
29
Figura 5: Sinais de entrada e saída e relações de ruído de uma rede de
quatro terminais com a entrada terminada em uma carga resistiva imersa em um
banho termal na temperatura T.
III.9.1 Técnicas e funções do receptor
A principal função do receptor em um sensor radiométrico de microondas é
prover uma medida da potência de ruído de entrada, expressa como uma temperatura da
antena em unidades equivalentes de temperatura de corpo negro.
Como visto anteriormente, a temperatura da antena TA é, por definição, a
temperatura na qual a resistência de radiação da antena deve ser aumentada a fim de
produzir a mesma potência de ruído proveniente de várias fontes observadas pela
antena. Também pode ser considerada como a temperatura de brilho de um corpo negro
na qual, se este envolvesse completamente a antena, produziria a mesma potência de
ruído na entrada do receptor. Para descrever o método pelo qual o receptor mede a
temperatura da antena, a antena será substituída por uma carga resistiva equivalente na
entrada do receptor. Se a temperatura da antena é TA, seria possível obter a mesma
potência de ruído na entrada do receptor colocando a carga resistiva em um banho
termal na temperatura TA.
A necessidade da amplificação do sinal torna-se facilmente perceptível quando
se observa que a potência média de ruído por unidade de largura de banda produzida por
um resistor em temperatura ambiente (290 K) é da ordem de 10-20
Watt. Detectores
30
típicos exigem uma potência de aproximadamente -15 dBm. A amplificação do sinal de
entrada exigida deve ser aumentada se temperaturas menores do que 290 K devem ser
medidas. O receptor deve, portanto, ser capaz de captar pequenas mudanças na potência
de ruído na sua entrada e fornecer amplificação estável suficiente para que seja possível
realizar medidas. A estabilidade do amplificador é o primeiro requisito desde que o
receptor deve prover uma resposta de saída consistente para a mesma variação de
potência de entrada. A estabilidade de ganho relativamente baixa em sistemas de
recepção do presente é superado pelo uso de uma chave de entrada ou modulador, a ser
discutido a seguir.
III.9.2 Sensibilidade
A potência de ruído de saída de uma terminação resistiva está associada com a
agitação térmica dos elétrons contidos no condutor resistivo que produz colisões
eletrônicas. Quando a temperatura do resistor aumenta, a agitação térmica aumenta, e o
número de colisões por unidade de tempo aumenta. A potência de ruído resultante na
saída por unidade de ciclo é diretamente proporcional a temperatura absoluta do
resistor. Como mencionado anteriormente, o fator de proporcionalidade é dado pela
constante de Boltzmann k. Nesse sentido, uma medida de radio da temperatura de um
resistor de entrada pode ser descrita como uma medida de frequência de colisões de
elétrons dentro do resistor. Uma vez que as colisões são aleatórias, o número por
segundo sofrerá variações, no entanto, a média de um número infinito de amostras por
segundo conduzirá a um exato valor de frequência de colisão. Pela teoria estatística, o
erro provável na medida de uma quantidade deste tipo é inversamente proporcional a
raiz quadrada do número de medidas que são feitas. Se o número é infinito, o valor
exato é determinado. Se forem medidas as colisões eletrônicas em um resistor, usando
um amplificador com largura de banda finita Δν, o número de colisões independentes
31
por segundo que podem ser contadas é equivalente a largura de banda do receptor.
Consequentemente, o erro na determinação do valor médio da temperatura de ruído (que
é proporcional a frequência de colisão) será inversamente proporcional a raiz quadrada
da largura de banda do receptor. Se o processo de obter a média é estendido sobre τ
segundos ao invés de um segundo, haverá, na média, τΔν colisões independentes em
cada intervalo de segundos, portanto
Na maioria das aplicações radiométricas, a magnitude do sinal de temperatura é
desprezível quando comparado com a temperatura de ruído do receptor TR que descreve
a potência de ruído adicionada ao sinal recebido por vários circuitos que constituem o
receptor.
Na Figura 6 são mostrados diagramas de blocos simplificados dos mais comuns
sistemas de recepção radiométricos utilizados em microondas e ondas milimétricas. O
receptor super-heteródino é o mais utilizado nos dias atuais, onde o circuito de entrada é
um misturador (mixer) no qual o sinal de frequência é misturado com a frequência de
um oscilador local. A diferença ou frequência intermediária entre o sinal e o oscilador
local é amplificada por um amplificador de frequência intermediária sintonizado,
designado como amplificador de IF. A adição de um amplificador de baixo ruído antes
do mixer em modo super-heteródino determinará a temperatura de ruído do sistema de
recepção através do fornecimento de ganho adequado para superar a perda de conversão
do mixer.
A sensibilidade de um sistema radiométrico, isto é, o mínimo sinal detectável, é
determinada pela amplitude das flutuações presentes no indicador de saída na ausência
de um sinal. Estas flutuações são atribuídas a duas fontes:
32
1 – As flutuações estatísticas em uma forma de onda de ruído como descrito na
equação 19.
2 – As flutuações espúrias de ganho associadas com a rede de recepção.
A amplitude das flutuações de saída devidas a primeira fonte pode, em princípio,
ser reduzida em qualquer grau desejável pela redução da largura de banda pós-detecção
(aumentando o tempo de integração). Na prática, contudo, o maior tempo de integração
que se pode obter é limitado pelo tempo disponível para a observação do sinal.
Figura 6: Diagramas de blocos simplificados de receptores de rádio mais
comuns.
III.9.3 Variações de ganho e a solução de Dicke
A segunda fonte de flutuações que ocorrem na saída do receptor é atribuída às
instabilidades de ganho do receptor. Sua importância pode ser rapidamente
compreendida pelo seguinte exemplo. Se forem introduzidos valores de TR = 1000 K,
Δν = 2 x 109 Hz, e τ = 1 s na equação 19, é obtido um valor RMS para a amplitude das
flutuações estatísticas de ruído na saída do receptor da ordem de 0,03 K. Este seria o
caso, se o receptor tivesse um ganho absolutamente estável. Infelizmente, os melhores
receptores, independentemente do tipo ou frequência de operação, exibem instabilidades
de ganho da ordem de 1 % durante um período de tempo comparável ao necessário para
33
a maioria de medidas de sinais. Um receptor com as características de desempenho
descritas acima forneceria uma flutuação na saída de 10 K, se o ganho variasse 1 %.
Como resultado, a sensibilidade de medidas de ruído do receptor seria determinada pelo
efeito das variações de ganho ao invés do nível de flutuações estatísticas de ruído.
A resposta para esse dilema foi provido por Dicke [6] na forma de uma chave de
polo único e duas saídas, colocada na entrada do receptor, como mostrado na Figura 7.
Figura 7: Diagrama de blocos simplificado de um radiômetro de Dicke.
Uma chave ou modulador é introduzido entre a saída da antena e a entrada do
receptor.
Uma das portas de entrada da chave é conectada aos terminais de saída da
antena, e a outra porta é conectada a uma carga resistiva mantida a uma temperatura
constante Tc. A chave é acionada sequencialmente por uma onda quadrada em uma
frequência relativamente mais alta (tipicamente de 30 a 1000 Hz) do que aquelas
variações substanciais de ganho do receptor ocorram. Com a chave em operação, um
sinal na frequência de chaveamento ou modulação é apresentado nos terminais de
entrada do receptor com uma amplitude proporcional a diferença de temperatura TA –
Tc. Devido à rápida razão de chaveamento, qualquer variação de ganho do receptor irá
operar igualmente sobre TA + TR durante metade do ciclo de chaveamento e TC + TR
durante a outra metade, com o resultado que ele opera somente com a diferença TA – TC.
34
Se por exemplo, a diferença TA – TC fosse 1 K, o efeito da variação de ganho de 1%
visto no indicador de saída do sistema seria de 0,01 K.
No exemplo dado acima, a introdução de uma chave proveu uma notada
melhoria na capacidade de medida de ruído de um receptor típico através da eliminação
do efeito de variação de ganho operando na temperatura de ruído do receptor. As
variações de ganho, entretanto, continuam a gerar uma diferença de temperatura
apresentada às duas portas de entrada da chave. Esta não foi uma consideração
importante em radiômetros do passado que tinham temperaturas de ruído relativamente
altas e larguras de banda estreitas, conduzindo a sensibilidades da ordem de alguns
graus Kelvin. Os sistemas radiométricos de banda larga do presente, contudo, possuem
sensibilidades potenciais da ordem de 0,05 K rms para constantes de tempo de pós-
detecção de 1 s ou menos em frequências de até 600 GHz. Consequentemente, o efeito
de variações de ganho do receptor, que causam um desbalanceamento na entrada de RF
(grande diferença de temperatura entre o sinal de entrada e portas de comparação), é de
grande interesse. Muitas técnicas para reduzir o desbalanceamento de temperatura na
entrada de RF estão em uso comum. Estas incluem a adição de ruído a porta de sinal do
radiômetro, o uso de uma fonte de comparação de baixa temperatura, introdução de uma
modulação de ganho e etc.
A calibração do indicador de saída requer a introdução de uma variação de
temperatura precisamente conhecida na porta de entrada de sinal do radiômetro. Esta
medida é usualmente realizada sob condições de laboratório cuidadosamente
controladas. Esta temperatura é frequentemente gerada pela introdução sequencial de
duas fontes com temperatura de ruído precisamente conhecidas na porta de entrada do
radiômetro. A calibração de duas fontes internas de ruído em unidades de temperatura é
automaticamente obtida como um subproduto deste procedimento de calibração de
35
laboratório. O ganho do sistema pode ser estabelecido em qualquer momento durante o
programa de medidas pela introdução de um nível de diferença de temperatura de ruído
constante e fixo na entrada do radiômetro. O nível de ruído da fonte de ruído para a
calibração de ganho necessário não precisa ser precisamente conhecido. É muito mais
importante que ela se mantenha constante e que seja utilizada para estabelecer o nível de
ganho do receptor durante a calibração de laboratório da resposta do radiômetro em
unidades equivalentes de temperatura.
Esta fonte de ruído é usualmente incluída como uma parte integrante do
radiômetro e é referida como uma fonte de ruído interna ou calibração.
Pelo visto acima, é aparente que uma fonte de ruído interna fixa provenha toda a
informação necessária para uma calibração precisa da leitura do indicador de saída em
unidades equivalentes de temperatura. O nível da fonte de ruído de calibração interna
deve ser de aproximadamente de duas ordens de magnitude maiores do que a amplitude
pico a pico do nível de flutuação no indicador de saída para um valor nominal de
constante de tempo de integração pós-detecção que será utilizado durante o programa de
medida. Isto permite a oportunidade de estabelecer o nível de deflexão do indicador de
saída em fundo de escala para uma precisão de pelo menos 1%.
III.10 Calibração
Para obter a informação quantitativa a partir das medidas radiométricas, é
necessária uma calibração acurada com precisão de 0,5 a 1,0 K. A maioria dos
receptores tem uma ou duas fontes internas de ruído que provêm medidas de calibração.
Contudo, as perdas nos guias-de-onda, a falta do completo conhecimento de parâmetros
radiométricos, e mais algumas causas, usualmente exigem que algum método de
calibração externa também seja empregado. É assumido que o radiômetro emprega um
detector de lei quadrática, na qual a tensão de saída é proporcional a potência de
36
entrada; isto é, a tensão é proporcional a temperatura da antena. As mais comuns
técnicas de calibração são: Calibração com alvo de referência externo emulando um
corpo negro [35], método de calibração tipo “tipping curve” [38] e a calibração com
carga criogênica [39, 40].
III.11 Técnicas de recuperação de dados
As técnicas para recuperar a informação meteorológica a partir de medidas de
radiação são geralmente baseadas na equação 12. Uma vez que o radiômetro fornece
somente um número finito de medidas de radiação, e vários parâmetros são necessários
para descrever perfis de temperatura, vapor d’água, e água líquida, uma solução
matemática rigorosa não existe [41]. Entretanto, é usual considerar as medidas como
válidas e complementar as mesmas com fontes de informações suplementares que
podem ser fornecidas por previsões meteorológicas numéricas, ou a priori, de alguma
informação obtida de dados do passado. Uma excelente revisão de algoritmos que são
comumente utilizados em sensoriamento remoto meteorológico é dada em [42]. Outros
métodos frequentemente utilizados são: redes neurais [43, 44]; filtragem Kalman [45] e
regressão [46]; Outra técnica promissora é a de combinar dados de radiômetro com um
modelo numérico de previsão, como tem sido feito em meteorologia por satélite [47].
III.12 Vapor d’água integrado e água líquida em nuvens
O vapor d’água integrado e água líquida em nuvens são variáveis importantes
em meteorologia e clima. Devido ao processo termodinâmico de evaporação e
condensação, bem como o transporte por ventos, estas quantidades variam
significativamente no espaço e tempo. O vapor d’água é caracterizado pela densidade de
vapor d’água em função das coordenadas espaciais e tempo. Para caracterizar a água
37
liquida em nuvens é necessário o conhecimento do tamanho de partícula, pois as nuvens
de água consistem de um grande número de gotículas de tamanhos variados. O número
de todas as gotículas contidas em uma unidade de volume é o número total de densidade
[m-3
]. A distribuição de tamanho de gota (DTG) descreve a densidade em função do raio
da partícula; isto é, o número de gotas por unidade de volume dentro de um determinado
intervalo de raio. Devido aos complexos processos microfísicos nas nuvens, a DTG é
altamente variável no tempo e espaço. Em contraste com gotas de chuva, gotículas de
nuvens são esferas perfeitas e assim, todos os parâmetros microfísicos podem ser
calculados a partir da DTG. Por exemplo, o conteúdo de água líquida (LWC) [kg m-3
] é
dado pelo produto do volume total de água e a densidade de água. Como o volume de
uma esfera é proporcional ao raio ao cubo, o LWC é também chamado de terceiro
momento da DTG. Esse fato é uma das mais interessantes propriedades das nuvens e é a
variável de prognóstico na maioria das predições numéricas de tempo e modelos de
clima para descrever nuvens, mas poucas observações estão disponíveis para a
validação dos resultados dos modelos. O método de maior precisão para determinar o
LWP (Liquid Water Path), que é a integral vertical do LWC, é a radiometria passiva por
microondas de solo.
Contudo, para muitas aplicações, é crucial saber quais são as altitudes em que a
água está localizada. Para determinar a altura da base da nuvem muitos instrumentos
podem ser usados (por exemplo, radares, lidars e radiômetros de infravermelho); já para
a determinação da espessura de nuvens, os radares são utilizados. Finalmente, para
determinar os perfis de conteúdo de vapor d’água, a combinação de medidas passivas
em microondas e radar é promissora [48].
Medidas em freqüência dupla da temperatura de brilho na freqüência ótima
próxima a linha de vapor d’água em 22,235 GHz e em uma faixa de transmissão tem
38
sido usadas para medir IWV e LWP [38]. A precisão geral de uma medida de IWV em
freqüência dupla com radiômetro tem apresentado valores melhores do que 1 mm
médio.
Melhorias no método de duplo canal podem ser feitas com observações em
várias freqüências. O LWP pode ser estimado a partir de medidas de emissão
atmosférica na região de microondas, pois nessa região espectral, a contribuição da
nuvem aumenta com a frequência (Figuras 3 e 4). Para o retorno de LWP, o canal
próximo a linha de absorção de vapor d’água faz a correção na mudança de
concentração de vapor d’água da atmosfera. Tais observações são, com exceção das
medidas dispendiosas e limitadas feitas por aeronaves, o mais preciso método para
observar LWP com uma precisão de melhor que 25 gm-2
. O uso adicional do canal de
90 GHz pode restringir ainda mais o problema e melhorar a precisão para valores
menores do que 15 gm-2
[48].
III.13 Perfilagem de temperatura por radiômetros multicanal
A perfilagem de temperatura feita por radiômetros pode ser realizada pela
medida da intensidade do espectro de radiação em freqüências ao redor da faixa de
absorção do oxigênio em 60 GHz [49]. A emissão em qualquer altitude é proporcional a
temperatura local; assim, o perfil de temperatura pode ser obtido. Qualquer freqüência
próxima a banda central é adequada para obter a informação do perfil de temperatura. A
aquisição de dados inclui sondagens de temperatura e umidade até a altura de 10 km, e é
similar em precisão em relação à radiossonda quando usado na predição numérica de
tempo [50].
39
Uma das vantagens potenciais de dados radiométricos de alta resolução temporal
(10 a 15 min) é que os dados podem ser diretamente assimilados em modelos de
previsão do tempo e assim contribuir e melhorar as previsões de curto termo.
Uma técnica usual para mostrar os dados de medidas radiométricas é a de
tempo-altura onde o eixo horizontal é o tempo, e o eixo vertical é a altura, e o dado
radiométrico é colorido.
III.14 Perfilagem de temperatura da camada limite por radiômetros de
varredura
A técnica consiste em medir a emissão atmosférica em diferentes ângulos em
uma banda de comprimento de onda que exiba relativamente uma alta atenuação
atmosférica. Um radiômetro desse tipo pode operar em 60 GHz (comprimento de onda
de 5 mm), próximo ao pico forte da banda de oxigênio, e com uma largura de feixe de 6
°, e pode fornecer dados em uma base de tempo de 1 s. Nesta região de freqüência, a
radiação na direção horizontal pode ser usada como um nível de referência desde que Tb
seja essencialmente igual a da temperatura do ar na altitude da medida. Assim, essa
medida da temperatura do ar fornece uma calibração para o radiômetro. Pela radiação
descendente em diferentes ângulos de elevação, os perfis de temperatura de ar
atmosférico podem ser obtidos. A resolução vertical dos perfis recuperados é função da
altitude, e variam de distâncias de cerca de 10 m próximos a superfície até cerca de 300
m a 500 m de altitude.
Em razão da simplicidade e portabilidade do instrumento e suas características
extremamente flexíveis, ele tem sido usado em plataformas aéreas, marítimas e
baseadas em solo [33, 51].
40
III.15 Observações em varredura angular de nuvens líquidas
Tal informação pode ser usada para estudos envolvendo transferência radiativa
tridimensional da radiação solar através das nuvens para melhorar a estimativa de
distribuição de água em nuvem e sua estrutura.
III.16 Perfilagem integrada por sinergia de sensores
Enquanto a coluna de água líquida em nuvens pode ser estimada com precisão a
partir de medidas de radiômetro de microondas, a informação sobre sua distribuição
vertical é um pouco limitada.
Entretanto, medidas de radiômetro de microondas são freqüentemente
combinadas com observações simultâneas de radar meteorológico que provem o fator
de refletividade radar Z com uma resolução vertical de aproximadamente 50-100 m.
Assim, uma aproximação comum utilizada por Frisch et al. [52] compara o perfil de
refletividade radar com o LWP medido pelo radiômetro. Uma técnica fisicamente mais
sofisticada, [53] combina as temperaturas de brilho em microondas, a atenuação do
perfil de refletividade radar corrigida, medidas feitas com LIDAR da base da nuvem,
umidade e temperatura do solo, e o mais próximo perfil de radiossonda operacional.
Esta técnica de perfilagem integrada (IPT) pode simultaneamente obter perfis de
temperatura, umidade, e LWC.
O IPT é um passo em direção ao um algoritmo de perfilagem abrangente que
combina medidas de todos os instrumentos disponíveis para determinar o estado da
atmosfera tão preciso quanto possível desde que esta tarefa deve idealmente ser
cumprida em um caminho fisicamente consistente.
41
III.17 Aplicações do radiômetro em microondas e ondas milimétricas
O número e diversidade de aplicações de radiômetros de microondas hoje é
surpreendente quando se recorda que a técnica de Dicke é relativamente recente.
Explorada primeiramente pela ciência da radioastronomia, o poder deste instrumento
tem demonstrado sua habilidade de explorar o desconhecido e prover muitas das
descobertas históricas. Somente uma pequena fração do conhecimento obtido foi
previsto. Foi verificado que a temperatura do sol, medida em baixas frequências, era
mais do que 1.000.000 K ao invés dos 6000 K previstos. O ruído de rádio proveniente
de nossa própria galáxia é notavelmente diferente da radiação de corpo negro prevista.
Fontes espacialmente discretas de energia de rádio intensas estão presentes no espaço e
não podem ser identificadas com fontes observadas opticamente. Hoje, a
imprevisibilidade em radio astronomia galáctica é considerada rotina.
Gerado pelo pioneirismo e entusiasmo da ciência da radio astronomia, a
melhoria na capacidade do sensor radiométrico de microondas tem sido igualmente
surpreendente. A sensibilidade de medidas de temperatura alcançada hoje no
comprimento de onda de 1 mm é a mesma da melhor disponível a trinta anos atrás no
comprimento de onda de 1 cm. Em três décadas, a capacidade de medidas em 1 cm foi
melhorada por mais de duas ordens de magnitude. O instrumento de trinta anos atrás
ocupava muito espaço e consumia aproximadamente 100 W de potência. O de hoje é do
tamanho de uma caixa fósforo e exige menos do que um watt de potência de entrada.
Em paralelo a necessidade de aperfeiçoar a capacidade do sensor tem-se a necessidade
por antenas mais sofisticadas com tolerância de superfície melhorada para fornecer a
maior resolução angular em comprimentos de onda curtos.
O padrão do desenvolvimento histórico da aplicação do radiômetro tem sido o
contrário do que poderia ter previsto. Das primeiras observações de ruído galáctico,
42
seguida pela observação do sistema solar, o radiômetro nas décadas recentes tem sido
apontado com maior interesse no planeta Terra. O primeiro passo nesta direção foi obter
um entendimento melhorado dos processos físicos na atmosfera terrestre. O radiômetro
de microondas tem possibilitado uma visão global dos perfis de vapor d’água e
temperatura como mostrado no presente trabalho.
43
CAPÍTULO IV
MATERIAIS E MÉTODOS
O trabalho experimental desenvolvido neste período consistiu de uma seqüência
de atividades, que inclui a pesquisa, instalação, calibração do sistema de medidas em
campo aberto e posterior análise dos primeiros dados recuperados.
IV.1 Materiais, equipamentos e acessórios
Os materiais, equipamentos e acessórios utilizados para viabilizar a realização
deste trabalho são:
- Radiômetro modelo MP-3000A fabricado pela Radiometrics com 35 canais na
banda K e banda V [54]. Este instrumento será melhor detalhado na seção IV.3.
O conjunto do radiômetro inclui os seguintes itens:
- gabinete do radiômetro (Figura 8)
- Computador de controle com o software de operação
- cabo de alimentação
- cabo de comunicação
- Tripé
- Alvo de calibração criogênico para nitrogênio líquido (Figura 9).
Figura 8: Radiômetro de microondas MP3000A.
44
Figura 9: Alvo de calibração externo criogênico.
IV.2 Instalação e calibração do radiômetro MP3000A
Foi selecionado um local para a instalação do radiômetro nas dependências do
Laboratório de Instrumentação Meteorológica (LIM) do INPE de Cachoeira Paulista
para dar início a montagem e início das atividades.
A instalação do radiômetro foi feita com o auxílio do pessoal técnico do INPE,
seguindo os procedimentos recomendados pelo fabricante, para dar início aos estudos de
funcionamento do equipamento e também para preparar o instrumento previamente
testado para participação nos experimentos do Projeto CHUVA.
Nesta etapa foi dada ênfase na parte de calibração do sistema visto que esta
operação é crítica para uma correta recuperação de dados e posterior análise.
Uma descrição mais detalhada sobre o procedimento de calibração é dada no
capítulo 5 e características funcionais e especificações são vistas na seção IV.3.
O radiômetro pode ser montado sobre o solo (concreto, asfalto ou outra
superfície firme) ou sobre o terraço de um edifício, considerando os seguintes fatores:
- é essencial selecionar um local onde o campo de visada da antena não seja
obstruído ou contaminado por características da superfície terrestre tais como
montanhas, árvores, edifícios e etc., pois o ângulo de elevação da antena muda durante a
operação normal de horizonte a horizonte.
45
- Os receptores de microondas do radiômetro são muito sensíveis. Para
minimizar o risco de contaminação por radio transmissores, um local deve ser escolhido
livre de toda interferência maior do que -144 dBm/MHz dentro da banda de operação.
Podem surgir interferências fora da banda por transmissores de HF, VHF, UHF ou
microondas muito próximos do radiômetro.
IV.3 O MP3000A
O radiômetro MP3000A produz perfis verticais de alta resolução de temperatura,
umidade relativa e perfis de vapor d’água e perfis em baixa resolução de água líquida da
superfície até 10 km acima do solo.
O MP3000A incorpora dois subsistemas de RF no mesmo gabinete que
compartilham a mesma antena e sistema de apontamento. O subsistema de perfilagem
de temperatura utiliza as observações de temperatura de brilho do céu em frequências
selecionadas entre 51 e 59 GHz. O subsistema de perfilagem de vapor d’água utiliza
observações de temperatura de brilho do céu em frequências selecionadas entre 22 e 30
GHz.
Sensores meteorológicos de superfície são incluídos para medir temperatura do
ar, umidade relativa e pressão barométrica, além de um sensor de chuva que também é
incluído. Um termômetro infravermelho de apontamento para o zênite é montado
internamente para melhorar as medidas dos perfis de vapor d’água e água líquida.
Por ser um equipamento passivo, o radiômetro não emite radiação detectável por
nenhum meio.
A antena do equipamento deve ter uma visão clara do céu, de horizonte a
horizonte, em pelo menos um plano vertical. Se o posicionador de azimute estiver
instalado, é necessária uma visão livre de obstruções para todos os ângulos de azimute e
46
elevação de interesse (não utilizado neste trabalho). O radiômetro é controlado por um
software proprietário e é instalado em um computador portátil fornecido pelo fabricante
sendo esse computador conectado diretamente ao radiômetro via cabo RS422 ou pode
ser conectado via LAN usando uma porta RS422 remota. O software fornece uma
interface gráfica de usuário que permite a seleção de procedimentos de observação pré-
definidos pelo usuário e procedimentos de calibração automáticos (Figura 10).
Figura 10: Vista do software de controle fornecido (VizMet-B).
Os dados de calibração e observações em tempo real são mostrados em formato
gráfico (Figura 11 e 12) e são gravados no computador em uma pasta que pode ser
configurada para ser acessível via LAN.
Figura 11: Exemplo de apresentação de perfis 2D em tempo real pelo software
de controle.
47
Figura 12: Exemplo de apresentação de perfis 3D em tempo real pelo software
de controle.
Quando o software de controle é iniciado ele realiza um auto teste e apresenta
um menu de opções onde o usuário pode escolher um procedimento de observação pré
instalado e então o computador passa a gravar os dados que são classificados em três
níveis: nível 0, relativo aos dados brutos do receptor em Volts; nível 1, relativo aos
valores de temperatura de brilho em Kelvin; e nível 2, referentes aos perfis recuperados.
Um diagrama em corte do radiômetro é mostrado na Figura 13. Deve-se
observar que o acumulo de água líquida no radome da antena pode causar erros nas
temperaturas de brilho observadas e para minimizar tais erros o radome é feito com
material hidrofóbico para repelir a água e um sistema de ventilação (superblower) é
usado para soprar gotas d’água para fora do radome.
Os sensores de umidade relativa e temperatura são integrados na entrada de
admissão de ar do sistema do superblower para garantir um fluxo constante de ar
ambiente sobre os sensores.
48
Figura 13: Diagrama em corte do radiômetro.
Além destes há um sensor de chuva que é montado na parte superior do sistema
de ventilação, um sensor de pressão barométrica que fica localizado dentro do gabinete
para minimizar a variação da temperatura ambiente no sensor e um sensor
infravermelho que fica instalado na parte de cima do gabinete.
A Tabela 2 fornece de forma resumida as especificações básicas do instrumento.
Tabela 2: Especificações básicas do radiômetro.
Função ou parâmetro Especificação
Precisão da medida calibrada de Tb 0,2 + 0,002 * (TkBB - Tsky)
Estabilidade de longo período < 1,0 K / ano (típico)
Resolução (depende do tempo de
integração)
0,1 – 1 K
Faixa de Temperatura de Brilho 0 – 400 K
Resolução ótica da antena e lóbulos
secundários:
22 – 30 GHz
51 – 59 GHz
4,9 – 6,3o (-24 dB)
2,4 – 2,5o (-27 dB)
Tempo de integração (selecionável em
passos de 10 ms)
0,01 – 2,5 s
Faixa de frequência de operação:
Vapor d’água
Oxigênio
22,0 – 30,0 GHz (Banda K)
51,0 – 59,0 GHz (Banda V)
49
Canais calibrados 35
Largura de banda de canal 300 MHz
Precisão dos sensores de superfície:
Temperatura
Umidade Relativa
Pressão Barométrica
Sensor Infra Vermelho
0,5o C @ 25
o C
2 %
0,3 mb
[0,5 + 0,007*T] oC (onde T = Tamb –
Tnuvem)
Algoritmos para obtenção de produtos de
nível 2
Redes Neurais
Sistemas de calibração:
Padrões primários
Padrões operacionais
Nitrogênio líquido e calibração TIP
Fonte de ruído (diodo) e corpo negro em
temperatura ambiente
Faixa operacional do radiômetro:
Temperatura
Umidade relativa
Altitude
Vento (operacional/máximo)
-40o a 35
o C
0 – 100 %
-300 – +3000 m
30 m/s / 60 m/s
Propriedades físicas:
Dimensões (A x L x C)
Peso
50 x 28 x 76 cm
27 kg
Alimentação
(100 – 250 VAC / 50 – 60 Hz)
200 W típico (Tamb = 25o C)
400 W máximo
Interface de dados RS 422
Formato de arquivos de dados ASCII CSV
IV.3.1 Teoria de operação do radiômetro
Perfis de temperatura podem ser obtidos pela medida da intensidade de radiação,
ou temperatura de brilho, em pontos ao longo da curva do oxigênio centrada em 60
GHz. A emissão em qualquer altitude é proporcional a temperatura local e a densidade
de oxigênio; assim o perfil de temperatura pode ser recuperado.
Os perfis de vapor d’água podem ser obtidos pela observação da intensidade e
forma da emissão a partir das linhas de vapor d’água alargadas por pressão. A linha
próxima a 22 GHz é adequada para perfilagem baseadas em solo em áreas relativamente
úmidas. A linha mais sensível em 183 GHz é mais adequada para perfilagem de vapor
50
d’água baseadas em solo em ambientes áridos. A emissão do vapor d’água é uma linha
estreita em altas altitudes e é alargada por pressão em baixas altitudes de modo que a
intensidade da emissão é proporcional a densidade de vapor e temperatura. Varrendo o
perfil espectral e matematicamente invertendo os dados observados pode-se então
prover os perfis de vapor d’água.
Podem ser obtidos perfis de água líquida em nuvens com resolução limitada a
partir da medida da contribuição da água líquida em relação a características espectrais
da atmosfera com a variação de opacidade. A informação de água líquida em nuvens
nas bandas de 22 a 30 GHz e 51 a 59 GHz são usadas pelo radiômetro MP3000A para
produzir um perfil de líquido. A informação de altitude de base de nuvem derivada do
sensor infravermelho melhora as recuperações dos perfis de vapor d’água e água
líquida.
A umidade relativa de superfície, temperatura e pressão barométrica são medidas
pelo radiômetro e usadas na determinação dos perfis. Adicionalmente, um sensor
infravermelho apontado verticalmente indica a presença de nuvem, e mede a
temperatura de base da nuvem se estas estão presentes. O conhecimento da temperatura
de base de nuvem resulta na densidade de vapor na base da nuvem (na saturação), e
combinado com o perfil de temperatura recuperado, resulta na altura da base de nuvem.
IV.3.2 Recuperação de perfis a partir das observações
Análises extensivas indicam que as redes neurais superam outros métodos para
recuperação de perfis de vapor d’água, água líquida em nuvens e temperatura a partir de
dados radiométricos.
51
O radiômetro usa este método de inversão matemática para a determinação dos
perfis e as redes neurais fornecidas pela Radiometrics são obtidas utilizando um
simulador de redes neurais Stuttgart e um histórico de perfis de radiossondas.
Um algoritmo é usado para treinar a rede neural e uma rede é usada para a
determinação de perfis. Os perfis de saída têm 58 níveis de altura, começando com
passos de 50 m da superfície até 500 m, passando a passos de 100 m até 2,0 km e então
passando a passos de 250 m até 10 km.
IV.3.3 Fontes de erro do radiômetro
O operador do radiômetro deve estar atento para as seguintes fontes de erros de
medida:
- O sol é considerado um corpo negro que irradia a uma temperatura de 6000 K.
Entretanto as observações nas bandas K e V (com larguras de feixe da antena de 3 e 6
graus) devem evitar direções contidas em aproximadamente 15 graus da posição do sol,
onde pode resultar em um erro de até 60 K.
- Algoritmos de recuperação utilizando redes neurais possuem certa dependência
do local das observações, especialmente para recuperações de vapor d’água e água
líquida. O operador deve garantir que os coeficientes de recuperação são representativos
do local de observação. Tais coeficientes de recuperação são gerados a partir de dados
históricos de radiossonda representativos da região.
- Água líquida sobre o radome do radiômetro pode resultar em medidas
artificialmente altas de temperatura de brilho. Entretanto o radiômetro possui um
sistema de mitigação que inclui o radome com película hidrofóbica e o SuperBlower,
que minimizam a acumulação de água líquida sobre o radome e fornece capacidade de
medidas durante a maioria dos eventos de precipitação.
52
- Interferência por radiofrequência podem causar picos espúrios nos dados de
saída e embora o radiômetro tenha implementado uma proteção contra esse efeito,
transmissores de alta potência, especialmente nas regiões entre 10 a 1000 MHz, 22 a 30
GHz e de 51 a 59 GHz podem interferir nos receptores do radiômetro. Para minimizar
este efeito é feita uma média das observações. Contudo, picos com uma magnitude
maior do que muitos Kelvins podem afetar a acurácia dos perfis recuperados. O
radiômetro deve ser instalado em um local que seja isolado o blindado de transmissores
rádio de alta potência.
- Erros de calibração degradarão a acurácia inerente ao instrumento. Fontes de
ruído (diodos) fornecem uma referência de ganho precisa e de alta estabilidade, mas
esses diodos serão precisos na mesma medida da precisão dos padrões primários
utilizados para calibração. Deve-se tomar muito cuidado na calibração dos diodos
utilizando os métodos descritos neste texto.
Um alvo de referência interno em temperatura ambiente provê um meio para
calibrar a temperatura do sistema, a partir do qual a temperatura do receptor é derivada.
A temperatura do receptor é muito estável, assim as observações do alvo de referência
não precisam ser frequentes. Para minimizar erros da temperatura do receptor durante
períodos de rápida variação da temperatura ambiente, as calibrações da temperatura do
receptor devem ser feitas a cada cinco minutos ou menos.
IV.3.4 Descrição do hardware do radiômetro
O diagrama de blocos da Figura 14 fornece uma vista dos componentes
sistêmicos do radiômetro.
53
Figura 14: Diagrama de blocos sistêmico do radiômetro.
Um receptor GPS é montado na parte de cima do gabinete do radiômetro e
conectado ao painel frontal via cabo RS232, fornecendo dados de data, hora e posição
para a placa controladora. O computador utiliza os dados de GPS para manter a precisão
do clock de sistema do Windows e para melhor identificar a posição geográfica nos
arquivos de dados.
A placa controladora gerencia todos os outros componentes do radiômetro sendo
que esta consiste de um microprocessador, circuitos lógicos, circuitos analógicos,
reguladores de tensão e um compartimento em miniatura com temperatura controlada
para acomodação de um sensor de pressão.
O computador opera com sistema operacional Windows XP junto com o
software de operação pré-instalado.
54
Normalmente, é selecionado pelo operador um procedimento definido em
fábrica ou pelo usuário e executado pelo computador para dar acesso a observações do
céu, calibrações específicas ou processamento de dados de eventos. Os dados são
gravados em arquivos dentro do computador e pode ser acessível via LAN e Internet.
Quando o computador envia um comando para fazer certo número de
observações radiométricas, a placa controladora aponta a antena para os ângulos de
elevação e azimute requisitados, determina a frequência do oscilador local (sintetizador)
para sintonizar o radiômetro para a primeira frequência da série requerida e comanda o
receptor apropriado para fazer a primeira observação.
Quando o receptor completa a observação da primeira frequência, a placa
comanda o sintetizador para sintonizar a próxima frequência da série e então comanda o
receptor apropriado para fazer a próxima observação.
Esta sequencia é repetida até que todos os canais solicitados sejam observados e
então os dados são enviados da placa controladora para o computador.
O feixe da antena é formado por um refletor plano a 45o, uma lente dielétrica de
150 mm e um refletor de grade. A lente atua como um dispositivo corretor de fase que
concentra frentes de onda plana no centro de fase dos alimentadores tipo corneta
corrugada resultando em um alto ganho e baixos níveis de lóbulos laterais.
A Tabela 3 sintetiza as características básicas do subsistema da antena.
Tabela 3: Características básicas da antena do radiômetro.
Parâmetro
22 GHz 30 GHz 51 GHz 59 GHz
Largura de feixe de
meia potência
6,3 4,9 2,5 2,4
Ganho (dBi)
30 32 36 37
Lóbulos secundários
(dB)
<-23 <-24 <-26 <-27
55
A energia de microondas passa através do radome e é refletida pelo refletor
plano para a lente dielétrica, onde a energia é concentrada nas cornetas corrugadas de
microondas associadas com cada receptor. O refletor de grade separa a energia de
microondas em dois feixes, passando as ondas polarizadas verticalmente diretamente
pela grade para a corneta de banda K e refletindo as ondas polarizadas horizontalmente
para a corneta de banda V.
O posicionador de elevação pode rotacionar o refletor plano em 360o para
apontar o feixe para qualquer ângulo de elevação e quando posicionado para baixo
(270o), a antena aponta para o alvo de referência interno em temperatura ambiente que é
considerado como um corpo negro.
Quando o computador envia um comando para a placa controladora para calibrar
os receptores, essa comanda o posicionador de elevação para 270o e coleta uma série de
observações em todos os canais para serem calibrados. A placa controladora envia os
dados das observações e a temperatura física do alvo de referência para o computador
onde as temperaturas do receptor são calculadas e armazenadas.
Um inclinômetro de dois eixos é montado no topo do posicionador de elevação e
mede a inclinação entre os pontos norte-sul e leste-oeste do equipamento, fornecendo
meios para corrigir os ângulos de elevação para qualquer desvio estático devido a erros
de nivelamento do instrumento. O microprocessador do posicionador de elevação
digitaliza os valores analógicos dos desvios e envia para a placa controladora.
O termômetro infravermelho consiste de um modelo KT-15 IRT, suporte
mecânico alvo de corpo negro, uma janela com película de carbono e dois sensores de
temperatura.
56
IV.3.5 Descrição detalhada dos receptores de microondas
O radiômetro utiliza no receptor uma arquitetura de conversão do tipo super-
heteródino de dupla banda lateral. Todos os receptores são similares em arquitetura e
construção, exceto pela faixa de frequências observadas e os canais de microondas são
selecionados usando um sintetizador de frequência de alta estabilidade com 1,0 MHz de
resolução para sintonizar qualquer canal disponível em cada banda.
Existem 4001 canais disponíveis na banda de 22 a 30 GHz e 2001 canais na
banda de 51 a 59 GHz. Essa tecnologia de agilidade em frequência habilita o receptor
sintonizar muitos canais, dispensando o uso de banco de filtros que são mais
dispendiosos e de implementação mais complexa.
Os receptores são fornecidos de fábrica com 21 canais calibrados na banda de 22
a 30 GHz e 14 canais calibrados na banda de 51 a 59 GHz, porém pode-se utilizar outras
frequências sob especificação especial.
A Figura 15 contém algumas fotos dos receptores em banda K e banda V.
Figura 15: Vista dos receptores do radiômetro.
Os receptores recebem os sinais da antena e fazem a conversão em uma
frequência comum para toda banda (frequência intermediária – FI). O módulo de FI
amplifica, filtra e detecta o sinal. A saída de tensão do detector é proporcional à
57
temperatura do sistema (ruído combinado do receptor e antena) e é amplificada dentro
do módulo de FI para um nível mais alto (1 a 2 V típico), passando por um filtro do tipo
passa baixa e então digitalizado para o processador de banda base (PBB).
A seleção da frequência de recepção é feita pela escolha da frequência do
oscilador local no sintetizador. Cada receptor possui uma fonte de ruído (diodo),
utilizado para medidas do ganho do sistema, controlado pelo PBB. A temperatura física
dos componentes de microondas são estabilizados em aproximadamente 30 mK RMS
por um controle na PBB.
IV.3.6 Arquivos das redes neurais
Os perfis de temperatura atmosférica, umidade e água líquida são recuperados
das medidas do radiômetro de nível 1 através de redes neurais. As redes neurais são
treinadas usando dados históricos de radiossonda de uma ou mais regiões com a mesma
climatologia do local de observação para treinamento das redes neurais. As sondagens
com radiossondas são modeladas usando modelos de emissão atmosférica e equações de
transferência radiativa para fornecer as temperaturas de brilho que seriam observadas no
nível do solo. As redes neurais fazem a recuperação dos perfis de temperatura, umidade
e água líquida que melhor se correlaciona com as observações radiométricas. As redes
neurais são treinadas usando um simulador Stuttgart e um método de retro propagação
padrão.
IV.3.7 Arquivo de nível 0
Os arquivos de nível 0 contém os dados brutos não processados em unidades de
engenharia e contém toda a informação necessária para reprocessar os dados brutos com
informações de calibração alternativas ou algoritmos.
58
IV.3.8 Arquivo de nível 1
Os arquivos de nível 1 contém os valores das temperaturas de brilho para cada
canal especificado no arquivo de configuração. Estes dados são produzidos a partir dos
dados de nível 0 e informações de calibração do arquivo de configuração.
IV.3.9 Arquivo de nível 2
Os arquivos de nível 2 contém as recuperações dos perfis de temperatura (K),
vapor d’água (g/m3), umidade relativa (%) e água líquida (g/m
3). Os perfis são
produzidos utilizando os dados de nível 1 e as redes neurais especificadas no arquivo de
configuração.
59
CAPÍTULO V
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesta etapa são apresentados e discutidos os resultados obtidos dentro de cada
item referente às atividades realizadas que foram:
- a calibração do radiômetro com alvo de referência criogênico, item crítico
essencial para correta recuperação de dados;
- a análise dos dados brutos de nível 0 para recuperação de dados de temperatura
de brilho (nível 1) utilizando algoritmo desenvolvido para este trabalho; e
- as primeiras comparações de dados de nível 2 com dados obtidos de outros
instrumentos (Lidar e radar de apontamento vertical).
V.1 Calibração do radiômetro
Existem sete parâmetros associados com cada canal de microondas que são
individualmente calibrados para prover o mais alto nível de precisão sobre todas as
condições de operação. Os sensores meteorológicos de superfície também contribuem
com a precisão dos dados de nível 2. A maioria dos parâmetros do radiômetro que
requerem calibração permanecem estáveis por muitos anos sendo que todos esses
parâmetros são calibrados em fábrica, sobre toda faixa de temperatura operacional e
normalmente não requerem ajustes.
Os sete parâmetros calibrados em fábrica associados com cada canal de
microondas são designados como segue:
- alpha: expoente de correção de linearidade;
- dTdG: coeficiente de supressão de ruído;
- K1: coeficiente de ordem zero da correção dependente de temperatura de Tnd (onde
Tnd é a temperatura do diodo);
- K2: coeficiente de primeira ordem da correção dependente de temperatura de Tnd;
60
- K3: coeficiente de segunda ordem da correção dependente de temperatura de Tnd;
- K4: coeficiente de terceira ordem da correção dependente de temperatura de Tnd;
- Tnd@290: Temperatura efetiva do diodo (fonte de ruído) para TkBB = 290 K (onde
TkBB é a temperatura efetiva do alvo de referência interno).
Estes sete parâmetros são usados para calcular as temperaturas de brilho de
acordo com a função de transferência descrita na seção V.3.
A temperatura efetiva da fonte de ruído (Tnd) é muito estável, mas deve ser
recalibrada após o transporte do instrumento ou uma vez a cada três a seis meses para
garantir a precisão. O método disponível e utilizado para calibrar as fontes de ruído foi o
de calibração por nitrogênio líquido que é aplicável para todos os canais de microondas.
O arquivo de configuração do instrumento contém todos os parâmetros
associados com a operação do instrumento e os dados de calibração de fábrica únicos
para cada receptor. A Figura 16 mostra um bloco de calibração para os 35 canais do
MP3000A.
Figura 16: Bloco de calibração típico para os canais do instrumento.
61
V.2 Calibração com nitrogênio líquido (alvo criogênico)
A fonte de ruído do radiômetro é utilizada como um padrão secundário para
medir o ganho do sistema em cada canal para cada observação e quando habilitada, ela
adiciona um nível calibrado na temperatura de brilho. Quando o valor de Tnd não é
conhecido, ele pode ser determinado pela observação de dois alvos de temperatura
conhecida.
No método utilizado, o alvo de referência interno em temperatura ambiente
fornece uma temperatura conhecida para calibração e o alvo criogênico externo, que se
trata de um recipiente contendo um absorvedor de microondas piramidal preenchido
com nitrogênio líquido, fornece a segunda. A temperatura do alvo de referência interno
(TkBB) é medida pelo instrumento toda vez que um comando é executado.
V.2.1 Contribuições de temperatura do alvo criogênico
As contribuições de temperatura do alvo de calibração criogênico incluem:
- Perda por inserção da camada de poliestireno que contém o alvo e absorvedor
de microondas (a perda por inserção contribui na temperatura por re-irradiação na
mesma medida que a absorção).
- Reflexão da interface poliestireno/nitrogênio.
- Reflexão da superfície do absorvedor de microondas que está imersa em
nitrogênio líquido.
- Elevação no ponto de ebulição do nitrogênio líquido devido a pressão
hidrostática associada com a profundidade.
Estas contribuições são levadas em conta pela calibração através dos coeficientes
contidos no arquivo de configuração.
62
V.2.2 Procedimento de calibração com nitrogênio líquido
A calibração foi realizada após o radiômetro ligado por pelo menos uma hora e
após isso foi necessário instalar o alvo criogênico de encontro ao radome do radiômetro
na parte superior do gabinete (Figura 17).
Figura 17: Alvo criogênico instalado para calibração.
Com o radiômetro estável em temperatura e o alvo no devido lugar, é iniciada a
calibração pelo período de uma a duas horas e continua até que seja dado o comando
pelo usuário. É necessário que a calibração seja feita em tempo seco onde seja mínima a
possibilidade de condensação no alvo, dessa forma é recomendado que se seja feita a
calibração com umidade relativa menor do que 70%.
Durante a calibração, o software de calibração exibe o tempo decorrido de
calibração e um gráfico de Tnd para cada canal e quando a calibração é concluída o
software de controle registra novos valores para as variáveis alpha, dtdG e Tnd para
todos os canais e então encerra a execução.
Dois métodos foram utilizados para verificar se a calibração foi feita
corretamente. Primeiro, os arquivos de configuração atual e precedente foram abertos e
63
inspecionados usando um editor de texto verificando se não houve grandes mudanças
nos valores de alpha, dTdG e Tnd sendo que estes devem estar próximos aos valores do
arquivo precedente. Tipicamente os valores de alpha ficam em torno de 0,1 a 1,1, dTdG
na faixa de -100.000 a -5.000.000 e Tnd deve estar entre 1 a 2% do valor registrado na
última calibração válida conhecida. Valores diferentes dos citados podem indicar uma
calibração deficiente.
Segundo, para verificar se a umidade não corrompeu a calibração, é necessário
abrir e traçar as curvas de Tnd da calibração. Se estes valores de Tnd são constantes no
tempo, com uma pequena contribuição de ruído randômico em pequenos intervalos de
tempo, então a calibração pode ser considerada adequada. A Figura 18 mostra a curva
de dados do arquivo de calibração realizado no INPE. Pode ser visto que todos os canais
se mantêm constante durante a duração da calibração e o nível de ruído é baixo. Estas
verificações provêm alta confiabilidade de que a calibração foi bem sucedida.
Figura 18: Teste de verificação da calibração com nitrogênio líquido para todos os
canais.
64
Enquanto o alvo estava ainda na posição, a nova calibração foi adicionalmente
verificada pela execução de um procedimento especial que alterna entre observações do
alvo de calibração interno (ângulo de elevação de 270 graus) e o alvo de calibração
externo (ângulo de elevação de 90 graus).
Um arquivo com o procedimento de teste está incluído no software de controle
para realizar esta operação e após iniciar este procedimento foram mostradas as
temperaturas de brilho para todos os canais observando alternadamente o alvo interno e
alvo externo. Se a calibração foi bem feita, então as temperaturas de brilho para todos os
canais devem estar próximos aos valores calculados de temperatura efetiva do alvo
(tipicamente entre 77 e 80 K, dependendo da pressão barométrica).
É suficiente selecionar as temperaturas de brilho por uns poucos ciclos do
procedimento para verificar se todos os canais foram calibrados razoavelmente, após
certo tempo, pode começar a condensação na parte inferior do alvo e os resultados
começam a se desviar do valor nominal. As Figuras 19, 20 e 21 mostram as curvas de
verificação da calibração realizada com o procedimento acima descrito.
Figura 19: Média dos erros e desvio padrão para a calibração utilizando nitrogênio
líquido e alvo interno.
65
Figura 20: Calibração do valor de temperatura de brilho do alvo de referência
interno para todos os canais do radiômetro.
Figura 21: Calibração do valor de temperatura de brilho do alvo criogênico para
todos os canais do radiômetro.
Observa-se que os valores obtidos estão próximos dos previstos e a calibração
pode ser considerada como efetiva para a realização das observações com erros menores
do que 0,5 K na maioria dos canais do instrumento.
66
V.3 Função de transferência de temperatura de brilho
O radiômetro utiliza um algoritmo proprietário e um sistema de calibração para
obter os valores de temperatura de brilho do céu a partir dos valores de nível 0, que são
os valores em Volts na saída do receptor. Este algoritmo faz uso de coeficientes de
calibração medidos em fábrica para compensar os efeitos de variação da temperatura
ambiente e não linearidades do sistema.
O algoritmo e sistema de calibração também incluem métodos para a eliminação
da maioria dos efeitos de ruído nas observações, reduzindo desse modo
significativamente o ruído total do sistema comparado com outras tecnologias. A função
de transferência utilizada neste trabalho é a seguinte:
Onde:
Tsky: Temperatura de brilho do céu (K);
Vsky: Tensão de saída do receptor da observação do céu com a fonte de ruído desligada
(V);
Gsky: Ganho do receptor durante a observação do céu (V/K);
α: Expoente de correção de componentes não lineares do receptor (adimensional);
TRX_sky: Temperatura do receptor durante a observação do céu (K).
Os valores medidos pelo radiômetro são:
Vsky : Tensão de saída do receptor da observação do céu com a fonte de ruído desligada
(V);
Vsky_nd: Tensão de saída do receptor da observação do céu com a fonte de ruído ligada
(V);
67
Vbb: Tensão de saída do receptor da observação do corpo negro interno em temperatura
ambiente com a fonte de ruído desligada (V);
Vbb_nd: Tensão de saída do receptor da observação do corpo negro interno em
temperatura ambiente com a fonte de ruído ligada (V);
Tkbb: Temperatura de radiação efetivamente medida do corpo negro (K). obs: verificar
este conceito direito no manual, está confuso pra mim.
Os parâmetros de calibração são:
α: Expoente de correção de componentes não lineares do receptor (adimensional);
Tnd_290: Temperatura da fonte de ruído @ TkBB = 290 K;
K1 – K4: Coeficientes de temperatura calibrados em fábrica;
dTdG: Parâmetro específico de hardware do receptor.
Os valores calculados são:
Ganho do receptor durante a observação do céu, dado por:
Onde:
Temperatura do receptor durante a observação do céu, dado por:
Onde Gbb é o ganho do receptor durante a observação do corpo negro interno de
referência em temperatura ambiente, dado por:
E por fim, TRX_bb é a temperatura do receptor durante a observação do corpo
negro interno de referência, dado por:
68
Com base na função de transferência descrita, foi desenvolvido um algoritmo
neste trabalho que automatiza os cálculos dos dados brutos de nível 0 para dados de
temperatura de brilho (nível 1) e foi verificado que os resultados são condizentes,
resultando em valores idênticos ao obtidos pelo software do fabricante.
A Figura 22 mostra um aplicativo inicial de checagem de dados feita para
verificação de consistência de dados.
Figura 22: Aplicativo de teste utilizado para verificar a função de transferência.
Para ilustração, a Tabela 4 a seguir mostra alguns resultados obtidos em alguns
canais no processamento dos dados.
69
Tabela 4: Resultados obtidos do algoritmo desenvolvido para recuperação de
dados de temperatura de brilho.
Frequência
(GHz)
Tnd290
(K)
Vsky
(V)
Vbb
(V)
Tsky (K)
software
Radiometrics
Tsky (K)
Algoritmo
desenvolvido
Erro
(K)
22,234 132,50 1,57 1,94 167,24 167,24 0,0
30,000 161,12 0,69 0,86 169,32 169,32 0,0
51,248 186,12 1,13 1,18 247,03 247,03 0,0
58,800 148,06 1,24 1,26 291,92 291,92 0,0
V.4 Verificação de arquivos de nível 2
Nesta parte do trabalho, foram utilizados alguns dados de nível 2 (altura de base
de nuvem, conteúdo de água líquida, dentre outros) para iniciar as comparações de
dados obtidos pelo radiômetro com outros instrumentos, no caso um LIDAR e um radar
de apontamento vertical.
Para isso, foram utilizados os perfis verticais de nuvens observados na cidade
brasileira de Fortaleza durante 20 dias em abril de 2011. Estas medidas foram obtidas de
uma campanha anterior do projeto CHUVA, visto que ainda não existiam dados da
campanha do Vale do Paraíba disponíveis.
Este estudo foi compilado e apresentado em forma de pôster no VI Workshop on
Lidar Measurements in Latin America e está no apêndice A.
De forma resumida, neste trabalho preliminar inicial foi estabelecido como
objetivo apresentar observações de nuvens, obtidas com três instrumentos de perfilagem
adotados no projeto: LIDAR, radiômetro de microondas e um radar em banda K.
O LIDAR é fabricado pela empresa Raymetrics, modelo LR101V-D200 com
feixe de 532 nm, e o Radar é do fabricante Metek, modelo Micro rain radar MRR-2 de
24,230 GHz.
70
Em uma das observações (Figura 23), foi constatada uma diferença entre os
dados de altura de base de nuvem entre o radiômetro e o LIDAR, visto que os resultados
do radiômetro são derivados da temperatura de brilho de um sensor infravermelho. Por
isso, este parece particularmente perturbado na presença da luz do sol ou por uma
camada de nuvem muito baixa.
Figura 23: Comparação de dados de altura de nuvem: radiômetro (vermelho) e
LIDAR (cinza).
Continuando com as comparações, também foram verificadas medidas obtidas
de conteúdo de água líquida pelo radiômetro e MRR-2 vistas nas Figuras 24 e 25.
Figura 24: Conteúdo de água líquida medida pelo radiômetro.
71
Figura 25: Conteúdo de água líquida medida pelo MRR.
Neste estudo foi afirmado que o LIDAR gera uma descrição muito mais fina da
estrutura da nuvem do que outras modalidades e embora o MRR-2 esteja trabalhando na
banda K, ele parece não gerar dados consistentes na recuperação de estrutura de nuvens
localizada em 5500 m antes e depois do evento de chuva leve detectado (evento 2).
No entanto, o MRR-2 prova ser particularmente útil no caso de hidrometeoros e
mostra uma sensibilidade próxima ao LIDAR nos mapas de refletividade e velocidade
de queda d’água.
É discutido também que o MRR-2 e o MP3000A mostram dificuldades para
inferir a altura de base de nuvens e que provavelmente seus algoritmos podem estar
causando os desvios encontrados: o MP3000A utiliza redes neurais, o MRR-2 é de fato
um instrumento CW e o LIDAR é um instrumento pulsado.
Nesta primeira etapa, foram levantadas somente as diferenças entre as medidas,
porém sem explicitar de forma conclusiva as razões pelas quais estas diferenças surgem.
Trabalhos posteriores deverão caracterizar melhor as limitações de cada método,
principalmente enfatizando as faixas das bandas espectrais utilizada por cada
equipamento e a quantidade de informações que podem ser obtidas com certo grau de
confiabilidade.
72
Por fim, é comentado que esforços adicionais explorarão a complementaridade
de dados de LIDAR e radar de banda X disponível em uma análise mais detalhada.
V.5 Avaliação dos resultados obtidos
Nos primeiros estudos em radiometria de solo feitos neste trabalho, através da
técnica de medidas utilizando o MP3000A, da realização calibrações com alvos de
referência e das primeiras observações, foi verificado de forma preliminar que o sistema
de medidas utilizado mostra-se adequado em função das metodologias avaliadas.
Sendo assim, nesta primeira etapa envolvendo os ensaios iniciais, foi possível
estabelecer uma metodologia confiável, uma vez que os resultados experimentais
comprovam os preditos pela literatura disponível, que discute a validade de medidas de
temperatura de brilho.
No entanto, o trabalho realizado permitiu de maneira muito proveitosa a
utilização do radiômetro para avaliação das calibrações utilizadas, o desenvolvimento
dos algoritmos de obtenção de temperatura de brilho para todos os canais e as primeiras
comparações de resultados de perfis com outras técnicas de medida, além de preparar o
equipamento para atender as demandas do projeto CHUVA.
As observações feitas também mostram que para os trabalhos futuros de
avaliação dos resultados dos perfis obtidos, estudos mais detalhados precisam ser
realizados, de modo a validar a precisão das medidas e verificar a complementaridade
com outros métodos de caracterização.
73
CAPÍTULO VI
CONSIDERAÇÕES FINAIS DO RELATÓRIO
VI.1 Considerações gerais
No projeto inicial de pós-doutorado foi proposto o domínio da técnica de
radiometria de solo por microondas visando o conhecimento dos princípios de
funcionamento do instrumento e o entendimento dos processos de obtenção dos dados
de temperatura de brilho e perfis atmosféricos a partir dos dados brutos derivados do
receptor de microondas.
Esta proposta foi baseada na carência de material/informações nesta área e
também pelo fato de contribuir com os objetivos do INPE, visto que o radiômetro é um
produto comercial e muitas informações a respeito deste são proprietárias e, portanto,
não disponíveis para o público.
Por isto foi estabelecida a metodologia apresentada, devido às limitações citadas
e, também, pelo fato da técnica não ser aplicada operacionalmente no Brasil, exigindo
que adaptações sejam feitas para nossa região de modo a permitir a realização de
medidas confiáveis.
Boa parte dos objetivos citados foram atendidos, embora com o tempo de
vigência reduzido, destacando o conhecimento do equipamento e aplicação de técnicas
de calibração de forma precisa, a obtenção de dados de nível 1 (temperatura de brilho) a
partir de dados de nível 0 (dados brutos) através de um algoritmo desenvolvido neste
trabalho e o início de avaliação de dados de nível 2 fazendo o uso de outras técnicas de
observação como comparativo (LIDAR e MRR).
Em função do trabalho realizado sugere-se dar continuidade às medidas e
estudos dos métodos propostos, de modo a se obter resultados em vários ambientes e,
também, realizar a validação definitiva da técnica em questão enfatizando as vantagens
74
e limitações. A obtenção de dados e posterior análise permitirá ampliar a correlação dos
resultados e o entendimento de fenômenos que são apresentados de maneira sucinta e
conclusiva.
No entanto, a pesquisa iniciada neste processo gerou uma contribuição
significativa ao projeto em andamento e dará subsídios para seu prosseguimento de
forma adequada e aplicável quanto às medidas até então realizadas.
De maneira geral o cronograma proposto inicialmente foi atendido, com exceção
das atividades fora da vigência, porém a pesquisa feita até então foi suficiente para as
conclusões descritas e para dar base para continuidade em atividades futuras.
VI.2 Dificuldades encontradas
Com relação às dificuldades encontradas vale ressaltar:
- A disponibilidade de somente um equipamento para execução das medidas;
- A falta de informações complementares do hardware e software do instrumento;
devido estas serem de propriedade industrial (produto fechado);
- A pouca disponibilidade de dados históricos de emissão atmosférica por
microondas devido à ausência de radiômetros semelhantes ao utilizado;
VI.3 Contribuições
Com relação às contribuições até o momento vale lembrar:
- Aumento do conhecimento em medidas com o radiômetro de solo em função de
trocas de informações com a equipe que atua na área e pelas atividades/estudos
realizados;
- Apoio na redação e submissão de trabalhos técnico-científicos gerados no
período de bolsa avaliado;
75
- Apoio na disponibilização do instrumento para a realização das campanhas do
projeto CHUVA.
VI.4 Sugestões para trabalhos futuros
- Dar continuidade às medidas de parâmetros atmosféricos visando construir um
banco dados nos canais de microondas.
- Dar início ao levantamento dos métodos de obtenção dos perfis atmosféricos a
partir dos dados de temperatura de brilho e propor um modelo compatível com a
região;
- Elaboração de um projeto propondo a implantação de uma rede de radiômetros
no território brasileiro visando uma maior cobertura de dados de perfis de
sondagem.
- Definir uma metodologia em campo aberto a ser utilizado nas comparações de
medidas com outros instrumentos, finalizando a análise crítica de
vantagens/desvantagens e infraestrutura necessária;
- Anteprojeto para avaliação de estudos de radiometria de solo com novos canais
de microondas (por exemplo, 90 GHz);
- Elaboração de um software operacional para obtenção dos dados de nível 1
utilizando o algoritmo desenvolvido neste trabalho.
76
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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ANEXO XI
Validation and Improvements of BRAIN precipitation satellite estimator using CHUVA field
campaign dataset and passive microwave radiometer data in the Megha-Tropiques Satellite
context.
Visiting Researcher - Nicolas Viltard (CNRS)
Brazilian Responsible - Luiz A. T. Machado
Place: INPE/CPTEC
Duration: 6 month
Start date: August 2012
Context
The Megha-Tropiques mission was launched from India on October 22nd 2011. This
satellite results from a cooperation between France and India and is part of the Global
Precipitation Measurement (GPM) program involving NASA, JAXA, CNES, ISRO and INPE as
the main space agencies.
Among the three instruments on board, MADRAS is a passive microwave radiometer
similar in concept to the TMI or the SSM/I. Its nine channels (18 H & V, 23 V, 36 H & V, 89 H
& V, 157 H & V) are used as an input for a rain retrieval algorithm called BRAIN (see below)
that produces instantaneous rain rates. The retrieved rain field has a resolution of about 20 km
over a 1700 km swath. Megha-Tropiques is set on a low-inclination orbit (20°) at 866 km
altitude which gives a extremely peculiar revisit pattern. The satellite will overfly a given
location between 30° N and 30° S up to 6 times a day, in lags of about 90 minutes. The
number of overpasses per day will depend on the latitude of the considered location, with a peak
at 14° of latitude and a minimum near the equator and at the edges of the covered regions
(near 30° S or N).
A number of validation activities are related to the Megha-Tropiques program. First, two
“algorithm validation” campaigns took place in 2010 in Niamey and 2011 in the Maldives. These
two campaigns were meant to construct some reference for the ice microphysics that strongly
affects the radiometric signal at frequencies above 30 GHz. The two campaign were based on the
same principle with the deployment of the French Falcon 20 aircraft equipped with in-situ
microphysics probes and the RASTA 95 GHz Doppler cloud radar. In addition to the aircraft,
one (or more) ground-based polarimetric radar were deployed simultaneously. The ground radars
provide us with a robust statistic of the ice particles classification using the polarimetric
measurements. These radars were set up for at least 5 months, sampling a wide variety of
systems. The aircraft was present for only one month but flew inside the rain systems within
(whenever possible) the radar field. The ins-situ probes give us a quantitative information on the
ice particles distribution and habits at the flight level. This information is used to constrain the
profile retrieval performed using the 95 GHz radar Doppler and reflectivity measurement. On the
end, a precise description of the vertical structure of the precipitating ice is built. These
quantitative information are then compared to the radar particles classification. The outcome will
be a series of values to be used in radiative transfer modeling to properly represent the ice
crystals involved in the scattering of the brightness temperatures. An accurate simulation of this
scattering effect directly impacts the transfer function between surface rain and observed
brightness temperatures, affecting the quality of the retrieval. The two campaigns showed
already very different particles habits, since Africa seemed to have a lot of aggregated and rimed
particles associated with the strong vertical motion of the air in the systems. The Maldives
showed a deep convection with rather weak updrafts leading to a lot more pristine ice and little
riming. This means, as a preliminary result, that for the same rain rate at the ground, Africa
would eventually show much colder brightness temperatures than Maldives. These data are
currently being exploited.
Second, a series of “product validation” campaigns are envisioned in order to quantify
precisely the errors on the retrieved rain field . One of these campaign will take place in
Ouagadougou (Burkina Faso, Africa) during the monsoon season 2012. An other one of these
campaign will take place in the Kabini river basin in India, during the course of 2012 also. These
campaign will involve the deployment of ground based radars and rain gauges in order to build a
reference measurement of the rain with its associated error bars. The rain retrieved from Megha-
Tropiques' MADRAS will be compared to these reference rain fields in order to build an error
model for the retrieval algorithm, similarly to the work proposed in Kirstetter et al. (2011).
The next step, after covering Africa and India would be to go for validation activities over
South America. The CHUVA campaign appears to provide an excellent set of data to do so.
Furthermore, some specific problems have to be addressed over Brazil in order to improve
satellite-based rain estimates. The present proposal will cover this particular aspect of the rain
retrieval over Brazil using Megha-Tropiques and other satellite data, emphasizing on the warm
rain problem.
We have already a history of collaboration, the paper Lima et al., 2007 was our first
result from this collaboration effort, we hope this project will pave the way to go further in the
understand of the cloud processes and its relation with the radiative signature in microwave
channels.
State of Art of Rain Estimation
Rain estimation from space is a challenge that started in the early 60s when the first
Defense Meteorological Satellite (DMSP) Special Sensor Microwave/Imager (SSM/I) was
launched and its data were made available to the public. Since then, many methodologies were
developed to convert those measured brightness temperatures into surface rain rates. These
results were somewhat deceptive until 1997 when the Tropical Rainfall Measuring Mission
(TRMM) was launched (Simpson et al. 1988, Kummerow et al. 1998). For the very first time a
precipitation radar (PR) was sent into space, allowing for the first time to get 3D reflectivity
fields along with the measured brightness temperatures. Although the PR data are not without
raising questions about both attenuation correction and drop-size distribution (Iguchi et al.
2000a, 2000b), this was a breakthrough for rain retrieval using PMR since a direct comparison
was made possible (Viltard et al. 2000).
Since the beginning of the TRMM era and with the very ambitious validation activities
that took place around the whole tropical belt, a lot of progress was made in terms of rain
retrieval. The first algorithms that would compute statistical relationship between ground based
rain field and brightness temperatures (see Ferraro and Marks (1995) for instance) were
progressively replaced by Bayesian-type approach (Kummerow et al. 1996, Nesbitt et al. 2004,
Viltard et al. 2006, among many others) among which the famous TRMM operational algorithm
known as 2A12 or Gprof. Some artificial neural network techniques were also tested (Grecu and
Anagnostou 2001 and to some extent Moreau et al. 2002) with some amount of success.
A review paper by Stephens and Kummerow (2007) gives a rather complete description of
the state-of-the-art in terms of rain retrieval using passive microwave data. What is more
interesting is that they agree to the idea that it is not so much the methodology emplyed to
perform the retrieval rather than the knowledge on the vertical structure of the latter that is the
major source of error in the retrieval. Basically, our lack of knowledge on the particles and drop
distribution and properties prevents us from building reliable cloud model simulations hence
proper retrieval database.
Furthermore, since the middle of the first decade of the 21st century, a lot of the efforts
on rain retrieval was diverted from the tropical regions to the mid to upper latitude with the
perspective of GPM. The latter will provide a global coverage, meaning a retrieval in regions
where solid precipitation might hit the ground and where the ground itself might be covered with
snow or ice. This represents a even more challenging task than the tropical precipitation
retrieval.
We do believe that there is a lot to be done in the tropics still and that is why the
Megha-Tropiques framework is very important for further improvements of the rain retrieval in
those regions. The very innovative aspect brought out by this mission will be the specific orbit
offering a high revisit time with various overpasses over the same system, allowing for the first
time to look more precisely at the life cycle and use this information to improve the rain
retrieval.
The CHUVA Project
The Cloud processes of tHe main precipitation systems in Brazil: A contribUtion to cloud
resolVing modeling and to the GPM (GlobAl Precipitation Measurement) - The CHUVA Project
is a FAPESP Thematic Project coordinated by the collaborator of this proposal. CHUVA has the
participation of INPE, USP, DCTA and several Federal Universities. Below is the CHUVA
Project summary.
The physical process inside the clouds is one of the most unknown components of the
weather and climate system. A description of the cloud processes through the use of standard
meteorological parameters in numerical models has to be strongly improved to accurately
describe the characteristics of hydrometeors, the latent heating profiles, the radiative balance,
the air entrainment and the cloud updrafts and downdrafts. Numerical models have been
improved to run at higher spatial resolutions where it is necessary to describe explicitly these
cloud processes. For instance, to analyze the effects of global warming in a given region is
necessary to perform simulations considering all these cloud processes described above. Another
important application that needs to have this knowledge is the precipitation estimation by
satellite. The Brazilian space program is planning to launch, in 2014 a satellite to measure
precipitation, which will be part of the GPM (Global Precipitation Measurement) constellation
program. Warm clouds are responsible for a large amount of the precipitation in the tropics,
especially in coastal regions. This cloud type is little studied and is not considered in satellite
rainfall retrievals. This project will carry out field experiments at seven sites to investigate the
different precipitation regimes in Brazil. To study these precipitation regimes, the field
campaigns will make use of dual polarization radar, lidar, microwave radiometers, disdrometer,
radiosonde and various other instruments. The analysis will be performed considering the
microphysical evolution and the cloud life cycle, the different precipitation estimation algorithms,
the development of thunderstorms and lightning formation, the processes in the boundary layer
and cloud microphysics modeling. This project intends to progress in the knowledge of the cloud
processes to reduce the uncertainties in the precipitation estimation, mainly from warm clouds
and consequently improving the knowledge of the water and energy budget and the cloud
microphysics. This research project will carry studies on climate and physical processes by the
means of conventional and special observations in order to create a database that can describe
the cloud processes of the main precipitating system in Brazil. Accordingly, this proposal aims
the development of a database that can be carried out to improve the remote sensing
precipitation estimation thus validating and improving the cloud microphysical parameterization
in the cloud models. This project will especially focus on the warm cloud precipitation produced
by different types of convection.
Megha-Tropiques
As stated previously Megha-Tropiques results in cooperation between the French Centre National d'Etudes Spatiales (CNES) and the Indian Space Research Organisation (ISRO). The
satellite was launched on October 2011 from the Indian launchpad using a Polar Satellite Launch
Vehicle (PSLV). The bus is an Indian IRS platform placed on a 20° inclination orbit at 866 km
altitude. The mission is made of four instruments, among which three are part of the French-
Indian cooperation and the last one (Radio-Occultation GPS for water vapor sounding) is a
Indian-only project.
The first instrument (called MADRAS) of the cooperation is a conical-scanning passive
microwave radiometer with 9 channels 18.7, 23.8, 36.5, 89. and 157 GHz all in both
polarizations (horizontal and vertical) except for the 23.8 GHz which is only vertical. The spatial
resolution for the 3 lower frequencies is about 40 km cross-track and is respectively 10 km for
89 GHz and 6 km for the 157 GHz channels. The MADRAS has a swath of about 1700 km.
The second instrument (called SAPHIR), of secondary importance for the present study,
is a cross-track scanning passive microwave sounder for water vapor. It is a 6-channel
instrument centered on the 183.3 GHz band of the water vapor absorption line. The resolution
of SAPHIR is 10 km at the nadir and decreases to 40 km at the edges of the scan.
The third instrument on the satellite (ScaraB) is a cross-track scanning broadband
radiometer for the radiative budget TOA. ScaraB has a resolution of 40 km at nadir which
decreases toward the edges of the scan. This instrument is not relevant either for the present
study.
The mission center is in India and all Level 0 data are received in the data processing
center in Bangalore before being processed into Level 1 (brightness temperatures) and
distributed to the French data center in Lille. There, the French Level 2 (geophysical products),
and above, are produced and distributed. India will produce on its own some Level 2, which will
be distributed directly by ISRO.
Megha-Tropiques is part of the Global Precipitation Measurement (GPM) constellation
and as such its data are made available to the GPM team. In parallel, real time availability of the
data will be set up on a on-demand basis for real-time forecast agencies.
The data distribution is supposed to start anytime during the first trimester of 2012, as
soon as the test phase is over. Useful information and update can be found at
http://meghatropiques.ipsl.polytechnique.fr/
Brain Description
The algorithm currently used in the Megha-Tropiques framework is called BRAIN
(Bayesian Rain retrieval Algorithm Including Neural network Viltard et al. 2000, 2006). It is a
Bayes/Monte-Carlo method that relies on an a-priori retrieval database to reduce the world of
possible solutions to those physically meaningful. This retrieval database contains individuals
made of a vector of brightness temperatures and its associated rain rate. The solution computed
by the algorithm is then the most probable average of the rain rate in the database, weighted by
their “closeness” to the measured vector of brightness temperatures.
The algorithm was already evaluated over Africa for two sites, one in Benin and one in
Niger using 10 years of TRMM Microwave Imager data and the corresponding AMMA-CATCH
raingauge networks. The results published in Kirstetter et al. 2011 show that the algorithm has
roughly a 40 % bias when compared to the raingauges but with a strong regional dependence.
The error is around -30 % in Benin's light unstructured rain pattern but around -10% in Niger's
heaviliy organized squall lines, showing that the nature of the rain system has a large impact on
the performances. The study also showed that about 20 % of the rain volume is missed over land
because of the ambiguous detection of rain when no ice scattering signal is present above (cloud
edges, warm rains, early convection).
Research Statement
It is obvious that the quality of the retrieved rain will depend directly on the quality of
the retrieval database, but also on the conditions of its application. The radiometric signal is by
essence ambiguous because it results from natural emissions. Knowing a-priori the conditions in
which the retrieval should be applied is critical as a vector of brightness temperatures could
represent two very different rain rates under different conditions of environment (surface
moisture, water vapor profile, surface temperature, wind speed etc... depending if we are
considering land of oceanic surface). This ambiguity will also be expressed in the ice phase for
instance, as demonstrated by the two experiments in Africa and the Indian Ocean. The ice phase
characteristics will strongly depend on the considered region and the life cycle and type of the
system. Eventually, the ice phase might be totally or partially missing in the case of warm rain or
early convective systems when the vertical extension of the cloud is not yet fully reached. This
is a particularly important challenge in some regions of Brazil like in the coastal area of
Nordeste.
The present proposal deals with the development and improvement of rain retrieval over
Brazil using a combination of passive microwave radiometer (PMR) data (TMI, SSMI, AMSR-E,
MADRAS) completed with infra red data from geostationary satellite (GOES and MSG). The base
tool will be the BRAIN algorithm developed initially for tropical rain retrieval using any of the
passive microwave radiometer mentioned above. From the existing algorithm, a number of steps
will be taken:
WP 1: retrieval database building
First, using a combination of TRMM PR and TMI a retrieval database specifically designed for
Brazil and its various regions will be set up. This database combines the rain rates from the
Precipitation Radar (PR) on the TRMM satellite when more than 12 years of data are available.
These rain profiles are completed in order to feed a radiative transfer model (namely, RTTOV) to
simulate the brightness temperatures for all channels and all geometries of the above mentioned
PMR.
Risk: low. This aspect of the work exists already as part of the operational BRAIN algorithm. The
work will be mostly to select specific rain profile representing the various climates of Brazil,
eventually using CHUVA outcome as a guidance.
WP 2: implementation of a first version of the retrieval and performance assessment
Second, once the retrieval database is built for Brazil, we will run BRAIN on the various datasets
from the various platforms in order to get a first version of the rain product. Using CHUVA
data, a error assessment over the various region of Brazil will be made. Systematic biases and
regional specifics will be looked at in order to infer the criticality of “regionalizing” the
algorithm.
Risk: low. This aspect is also rather well under control since similar studies have been made over
West Africa using the same PMR data.
WP 3: implementation of life cycle information and regionalization of BRAIN
WP 3.1: Third, using the information on the life cycle of the rain system from series of IR
images from GOES or MSG, the retrieval database will be partitioned. This division of the
database will allow us to reduce the retrieval noise, looking only for the individuals that are most
likely to be relevant given the stage of the life cycle of the rain system: early convection, mature
system, decaying system. For the same amount of rain on the ground, a early system will have
less ice scattering but with denser particles while a decaying system will have a lot of ice
particles but mostly as snow. This leads to very different scattering signatures, hence to very
different individuals in the database. This a-priori information from the geostationary satellite
will help to sort out these situations.
WP 3.2: Simultaneously, the retrieval database will be divided into geographic regions depending
on the rain regimes. Brazil offers a large variety of rain regimes and each regime should have its
own database in order, once again, to reduce the noise in the retrieval.
WP 3.3: The CHUVA campaign shown an interesting characteristic of the precipitating system.
Several cases of intense precipitation was reported, in different places, for clouds with high
cloud tops (several kilometers above the melting layer). However, these clouds appear to have
large amount of liquid water and the precipitation process be more associated to the warm part
of the clouds. One hypothesis is that these clouds can be classified as function of the ratio
between the thickness of the cloud base-melting layer and melting layer-cloud top. If rainfall-ice
water path can be modulated by this relationship precipitation will be estimated over land with
much more precision.
Risk: 3.1, moderate. 3.2, moderate. 3.3, high. This is a very innovative aspect of the proposed
work. The risk is moderate for 3.1 because the principle and a series of tests were already
performed and we are confident this should work, but it was never implemented. For 3.2, the risk
is moderate because if the principle is relatively easy, the regionalization increases the risk of
discontinuities in the retrieved rain field. When going from one region/one database to another
region/another database, the rain retrieval will have different characteristics and some bias
might appear. This aspect will need to be addressed if we want a global product over Brazil or if
we want to merge the instantaneous rain retrievals within a more time/space-integrated product.
For the 3.3, the risk is high since this is an hypothesis and should be tested, it is clear that ice
path - precipitation is the main physical relationship in precipitation estimation using microwave,
however, this relationship is highly noisy and new physical approach should be added to improve
the quality of the precipitation estimation. The modulation of this relationship by adding
information about cloud life cycle and ice/super cooled liquid water can strongly improve the
estimation.
WP 4: addressing the warm rain problem
Last, the specific case of warm rains will be looked upon. This problem is particularly critical for
some of the Brazilian regions and is also unfortunately extremely difficult to solve using PMR
data over land. Nonetheless, a preliminary study will be performed using the outcome of WP 1 to
3. The coupling of geostationary and PMR data will allow us to check the correlation between
the presence of cloud in the IR and some signatures in the PMR data even when no ice is
present. It is assumed that when rain is present at the ground for instance, the surface emissivity
will be modified and this could be indirectly used to retrieve some rain intensity. Another
possibility is that the 157 GHz of MADRAS would show some sensitivity to the mixed phase
cloud (top of the liquid cloud layer) and could be used to detect warm rain over land.
Risk: High. The problem is extremely difficult but worth addressing. There is no guarantee of
success but a specific study seems very relevant given the importance of these warm rain to the
total rain in some regions, particularly the coastal ones. Input from the CHUVA campaign will
greatly help setting up the conditions in which those warm rain occur, looking for some
signatures in some of the PMR and IR channels.
The proposed study will take place over a period of 6 month, extending from August 2012
to December 2012. The WP 1 will require about 1.5 month, WP 2 will require about 1 month,
the WP 3 will require about 3 month and the WP 4 will be explored using the remaining time.
Some of the tasks will be partly done in parallel (WP 1 and WP 2) while WP 3 (and WP 4,
obviously) will start only when the first two WPs are done.
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