43
Pemanfaatan Noise Radar Kapal untuk Pemantauan
Curah Hujan Wilayah Lokal
Ginaldi Ari
*, Asif Awaludin, dan Soni Aulia Rahayu
Pusat Sains dan Teknologi Atmosfer, LAPAN, Bandung 40266, Indonesia *
E-mail: ginaldi.lapan@gmail.com
Abstrak
Hasil penelitian menunjukkan noise dari echo radar kapal dapat mendeteksi hujan, ini terlihat dari adanya echo rain clutter dalam jumlah yang sangat banyak saat kondisi hujan pada tampilan plotter radar kapal. Radar cuaca tidaklah mengukur hujan secara langsung, namun memanfaatkan jumlah energi yang dipantulkan oleh partikel tetes hujan untuk suatu sampel volume. Jumlah energi tergantung dari ukuran serta bentuk partikel yang dikenai oleh pancaran radar. Metode pertama dalam menangkap potensi radar kapal memantau hujan menggunakan metode image processing pada gambar rekaman plotter radar. Perbandingan akumulasi hasil image processing dengan data TRMM menunjukkan adanya kesesuaian kondisi hujan. Metode pengolahan sinyal juga dilakukan dengan sistem akuisisi sinyal awal dari plotter radar. Performa dari rangkaian pengkondisian sinyal telah diuji mampu mengatasi input data level tegangan serta frekuensi tinggi. Sistem akuisisi menggunakan CPU serta ADC masih belum mampu mensampling data radar pada jumlah sampel yang banyak karena keterbatasan respon sistem.
Abstract
The Use of Vessel’s Radar Noise for Rainfall Monitoring in Local Area. This research result shows noise arising
from echo (of vessel radar) can detect rainfall. It shows a massive echo rain clutter in the vessel radar plotter when raining condition. The weather radar does not measure rainfall directly, but take advantage of the amount of energy reflected by water particles/drops for a particular sample volume. The amount of energy depends on size and form of the water particle which exposed/emitted by the radar. First method in capturing the radar potential to monitor rainfall is image processing method in the radar plotter record. Comparison of the accumulation between image processing result with TRMM data shows a relevancy with rain condition. Signal processing method is also carried out using preliminary signal acquisition system from radar plotter. The performance of signal conditioning circuits has been tested to be able to cope with high tension and frequency data input.
Acquisition system using CPU and ADC is not enough
for radar data sampling in a large amount of sample due to limitation of response system.
Keywords: radar, rain, echo, image processing, signal processing
1. Pendahuluan
Pentingnya mempelajari iklim dan cuaca di Indonesia menggunakan instrumen pemantau cuaca dengan cakupan wilayah yang luas sangat diperlukan. Instrumen pemantau cuaca yang paling efektif untuk jangkauan wilayah yang luas adalah menggunakan radar. Radar cuaca adalah radar yang mampu mendeteksi tetes hujan dengan ukuran diameter sangat kecil. Radar cuaca juga mampu memantau pergerakan hujan dan awan. Radar cuaca ini tidak mengukur hujan secara langsung, namun memanfaatkan jumlah energi
yang dipantulkan oleh partikel tetes hujan untuk suatu sampel volume. Jumlah energi tergantung dari ukuran serta bentuk partikel yang dikenai oleh pancaran radar. Energi yang diterima saat terjadi hujan, merupakan jumlah dari energi yang diterima kembali dari jutaan tetes hujan pada suatu sampel volume. Energi yang diterima tersebut yang akan diolah menggunakan sistem pengolahan sinyal yang akan dilakukan pada penelitian ini.
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya menunjukkan noise dari echo radar kapal dapat
▸ Baca selengkapnya: cara menggunakan radar
(2)mendeteksi hujan, ini terlihat dari adanya echo rain clutter dalam jumlah yang sangat banyak saat kondisi hujan pada tampilan plotter radar kapal. Radar kapal komersil dengan frekuensi X band dapat dimanfaatkan menjadi radar cuaca jangkauan daerah lokal dengan resolusi tinggi untuk melihat pola intensitas dari kejadian hujan [1].
Tinggi pancaran radar tergantung dari sudut bukaan vertikal radar serta jarak radar. Tinggi pancaran berpengaruh terhadap perhitungan konversi jumlah energi yang diterima radar menjadi reflektifitas [2].
2. Metode Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui seberapa jauh jangkauan vertikal dari radar dengan menggunakan konstanta yang dimiliki radar dan mengamati potensi bisa atau tidaknya radar kapal tersebut digunakan untuk mengamati curah hujan. Untuk mengamati curah hujan dilakukan berdasarkan pengamatan data gambar hasil rekaman tampilan plotter radar kapal serta akuisisi sinyal video plotter radar.
Tinggi pancaran vertikal radar dapat dihitung berdasarkan Persamaan (1) dengan asumsi refraksi yang terjadi bersifat normal. Ilustrasi tinggi pancaran vertikal radar serta radius efektif seperti pada Gambar 1.
... (1)
R’= (4/3) x R . (2) dengan,
H = Tinggi pancaran vertikal radar (Km) R’ = radius efektir pancaran radar (Km) r = jarak dari radar (Km)
ϕ = sudut bukaan vertikal radar (Radian) Ho = Tinggi antena radar (Km)
R = diameter bumi (6374 Km)
Gambar 1. Ilustrasi Tinggi Pancaran Vertikal Radar Serta Radius Efektif
Pada penelitian ini akan dilakukan 2 metode untuk memanfaatkan sinyal echo radar kapal, yang pertama dengan metode image processing, sedangkan yang kedua adalah dengan pengolahan sinyal radar. Metode pertama adalah image processing dimana potensi radar kapal dalam memantau curah hujan dilihat dari hasil tampilan plotter radar yang kemudian direkam menggunakan software vcapture yang akan merekam tampilan plotter per 1 menit dalam bentuk gambar dengan format jpeg dengan resolusi 460 x 600 piksel. Plotter direkam pada saat sebelum terjadi hujan dan saat terjadi hujan. Hal ini dilakukan untuk melihat apakah peristiwa hujan dapat diamati. Kemudian gambar hasil rekaman tersebut diolah menggunakan metode Image processing Matlab untuk melihat potensi penggunaan data gambar tersebut dalam melakukan memantau hujan. Ground clutter difilter untuk mendapatkan hanya image echo dari hujan, yang kemudian dibandingkan dengan data TRMM 3 jam-an. Data TRMM dengan resolusi 2,50 x 2,50 diunduh dari situs giovanni
(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/) pada waktu GMT dengan koordinat lokasi lintang 6,55–7,5 LS serta bujur 107– 108 BT [3].
Metode kedua adalah pengolahan sinyal dengan melakukan modifikasi akuisisi sinyal video dari plotter radar untuk mendapat sinyal awal yang diterima radar dan sinyal-sinyal lainnya untuk menentukan lokasi serta jarak objek. Rangkaian pengkondisian sinyal dirancang untuk mengkonversi sinyal-sinyal plotter radar yang memiliki input frekuensi dan nilai tegangan yang tinggi. Digitasi sinyal awal plotter dilakukan menggunakan ADC 10 bit setelah difilter. Filter yang digunakan adalah low pass filter. Simulasi dengan menggunakan low pass filter telah dilakukan [4] untuk mendapatkan konfigurasi yang tepat. Hasil pengolahan sinyal memperlihatkan gambar sementara cakupan radar (0-120) sebelum terjadi hujan dan pada saat terjadi hujan.
3. Hasil dan Pembahasan
Radar X-BAND FURUNO M1932MK2 merupakan
radar navigasi yang dapat dimodifikasi menjadi radar cuaca untuk wilayah lokal [5]. Radar ini memiliki transmisi frekuensi pada rentang X band dengan panjang gelombang 3,75–2,5 cm yang mampu mendeteksi tetes hujan namun dengan cakupan wilayah yang masih rendah (sekitar 0–60 km). Prinsip kerja radar ini yaitu dengan memanfaatkan jumlah energi yang dipantulkan oleh partikel tetes hujan untuk suatu sampel volume. Spesifikasi radar X band yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 1.
Profil lebar berkas vertikal dan horisontal radar ditunjukkan dalam Gambar 2. Pada Gambar 2 dapat dilihat untuk berkas vertikal maksimum pada ketinggian 14,4 m dengan jangkauan horizontal jarak jangkauannya sekitar 60 km. Pada berkas vertikal 7,2 m pada 30 km,
4,8 m pada 20 km, 2,4 m pada 10 km dan 1,2 km pada jarak 5 km.
Contoh gambar hasil rekaman plotter seperti pada Gambar 3. Gambar ini merupakan hasil rekaman per 1 menit dari tampilan plotter pada kondisi sebelum dan saat hujan. Untuk Gambar 3 sebelah kiri merupakan tampilan plotter pada saat kondisi sebelum hujan. Dimana gambar yang tampil masih terdapat ground clutternya. Sedangkan untuk Gambar 3 yang sebelah kanan merupakan gambar saat terjadinya hujan dan masih terdapat ground clutternya. Hasil akumulasi pengolahan gambar dengan image processing toolbox Matlab seperti pada Gambar 4. Ground clutter didefinisikan terlebih dahulu kemudian diekstrak untuk mendapatkan data image hujan.
Perbandingan hasil image processing dengan data TRMM 3 jam-an pada Gambar 4 memperlihatkan pengamatan pada tanggal 17/2/2012 pukul 16.30-19.00.
Terlihat hujan cukup merata di wilayah Bandung. Untuk Gambar 4a merupakan data image processing hasil rekaman plotter radar setelah dihilangkannya clutter. Kondisi ini dipertegas dengan data pengukuran data TRMM 3 jam-an hasil image processing seperti pada Gambar 4b, dari gambar dapat dilihat arah barat sampai utara terjadi intensitas hujan yang cukup tinggi.
Table 1. Spesifikasi Radar X Band
Tipe radar Radar X Band (9410±30 M) Power Output 4 kW
Jangkauan 0 – 60 km Kecepatan rotasi 24 rpm
Jenis antena 3.5 ft centre-fed waveguide slotted array Vertical Beamwidth 270
Horizontal beamwidth 2,40 Sumber: Furuno Operator’s Manual
(a) (b)
Gambar 2. Jangkauan Berkas Sinyal Radar, (a) Berkas Vertikal, (b) Berkas Horizontal
(a) (b)
(a) (b)
Gambar 4. Hasil Perbandingan pada Tanggal 17/2/2012 Pukul 16.30–19.00, (a) Data Image Processing Gambar Rekaman
Plotter Radar, (b) Data TRMM Pukul 19.05–22.00
(a) (b)
Gambar 5. Hasil Perbandingan pada Tanggal 17/2/2012 Pukul 19.05–22.00, (a) Data image Processing Gambar Rekaman
plotter Radar, (b) Data TRMM
Gambar 5 merupakan hasil pengukuran pada hari yang sama pukul 19.05–22.00, dimana terlihat hujan mulai mereda di bagian tenggara. Hal ini dapat dilihat dari data image processing hasil rekaman plotter radar pada pada Gambar 5a bagian tenggara terlihat hitam dengan titik-titik putih yang telah berkurang. Untuk hasil pengukuran TRMM 3 jam-an pada Gambar 5b yang juga memperlihatkan nilai yang lebih rendah pada bagian tenggara dibandingkan dengan bagian yang lain. Kurang optimalnya data image processing akibat
ekstraksi ground clutter yang menyebabkan beberapa data hujan tidak tertampil.
Metode kedua akuisisi sinyal awal dari plotter radar dilakukan dengan penambahan rangkaian pengkondisian sinyal yang dirancang untuk mengatasi input sinyal yang memiliki tegangan serta frekuensi data tinggi [6]. Rangkaian pengkondisian sinyal terdiri dari buffer serta optocoupler converter (Gambar 6). Performa rangkaian pengkondisian sinyal diperlihatkan pada Gambar 7,
Gambar 6. Rangkaian Pengkondisian Sinyal
Gambar 7. Performa Rangkaian Pengkondisian Sinyal
Gambar 8. Sinyal Hasil Digitasi ADC setelah Terfilter, (a) Bearing (b) Trigger (c)Video
yang menunjukkan waktu respon sama antara input sinyal radar dengan output rangkaian serta penurunan polaritas tegangan awal input sinyal yang disesuaikan dengan tegangan referensi (5 Volt).
ADC dengan resolusi 10 bit kecepatan frekuensi sampling 20 Ms/detik digunakan untuk mendigitasi sinyal video dan trigger, dengan sinyal heading sebagai
(a) (b) (c)
Gambar 9. Perbandingan Plot Hasil Akuisisi dengan Tampilan Plotter Radar, (a) Hasil Akuisisi (b)
Irisan Tampilan pada Radius 120, (c)
Tampilan Plotter Radar
pemicu mulainya sampling. Hasil digitasi ini kemudian difilter kembali dengan filter FIR secara software untuk menghilangkan riak noise pada sinyal echo.
Filter FIR (finite impulse response) adalah salah satu tipe dari filter yang dipakai pada aplikasi digital signal processing (DSP). Keuntungan filter FIR antara lain adalah stabil dan memiliki phasa yang linier. Gabungan sinyal digitasi yang telah terfilter dapat dilihat seperti pada Gambar 8.
Proses selanjutnya adalah mengkonversi sinyal digitasi yang telah terfilter menjadi koordinat polar menggunakan kombinasi sinyal trigger dan video yang kemudian diplot. Contoh sampel data menggunakan data scan pada cakupan radius 0–120. Hasil plot
dibandingkan dengan gambar plotter (Gambar 9) yang menunjukkan belum sempurnanya sistem akuisisi karena masih ada data yang tidak lengkap atau hilang akibat respon akuisisi yang masih lambat dibanding dengan kecepatan scan radar.
4. Simpulan
Telah dikembangkan sistem pengolahan sinyal radar kapal untuk pemanfaatan deteksi echo hujan. Dengan menggunakan dua metode, yang pertama adalah dengan menggunakan metode image processing dari hasil rekaman plotter radar. Perbandingan dengan data TRMM menunjukkan kondisi hujan yang sesuai. Ekstraksi ground clutter pada metode ini juga akan menghilangkan sebagain sinyal echo hujan sehingga dirasa kurang efektif. Metode kedua adalah dengan merancang bangun sistem pengolahan sinyal radar lengkap dengan rangkaian pengkondisian sinyal, sistem akuisisi serta filter. Performa dari rangkaian pengkondisian sinyal telah diuji mampu mengatasi input
data level tegangan serta frekuensi tinggi. Sistem akuisisi menggunakan CPU serta ADC masih belum mampu mensampling data radar pada jumlah sampel yang banyak karena keterbatasan respon dari sistem. Sistem ini masih perlu ditingkatkan terutama di sistem akuisisi untuk mendapatkan data scan radar radius maksimum.
Daftar Acuan
[1] L. Pedersen, Thesis, Faculty of Engineering and Science Department of Civil Engineering, Aalborg University. Aalborg, Denmark, 2004.
[2] R.E. Rinehart, Radar for Meteorologists, Grand Forks, ND: Rinehart Publications, 1997.
[3] Ges Disc, Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM). http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/, 2009. [4] A. Awaludin, G.A. Nugroho, C. Latief, A.
Budiyono, Jurnal Sains Dirgantara, 8/1 (2010) 79. [5] Anon., Furuno Operator’s Manual Marine Radar
Model 1832/1932/1942, Furuno Electric Co. Ltd. Nishinomiya Japan, 2001.
[6] E.S. Riseborough, Detection of low Observable with a Low Cost Navigation Radar, Technical Report of Defence R&D Canada, Canada, 2008.
