Tugas Akhir Matakuliah Sistem Radar Prog

(1)

1

Tugas Akhir Matakuliah Sistem Radar

Program S2 Magister Teknik Elektro

Presented by:

•

Agus Sri Budi

•

Andar Jan Pieter

•

Agung Budiyanto

Outline:

l

Pengenalan Radar

l

Definisi dan Fungsi Radar Cuaca

l

Klasifikasi Radar Cuaca

l

Scanning Radar Cuaca

l

Blok Diagram Radar Cuaca

l

Cara Kerja Radar Cuaca

(2)

Outline:

l

Pengenalan Radar

l

Cara Kerja Radar Cuaca

l

Aplikasi Radar Cuaca

Pengenalan Radar

l

RA

dio

D

etection

A

nd

R

anging

l

Developed during WWII for detecting enemy aircraft

l

Active

remote sensor

l

Transmits and receives pulses of E-M radiation

l

Satellite is

passive

sensor (receives only)

l

Numerous applications

l

Detection/analysis of meteorological phenomena

l

Defense

l

Law Enforcement

l

Baseball

l

Jenis Radar

(3)

3

Prinsip Dasar

• Transmitter membangkitkan pulsa energi pendek pada frekuensi radio dalam spektrum elektromagnetik

• Pulsa-pulsa energi ini difokuskan oleh antena yang merambat dengan kecepatan cahaya.

• Jika pulsa-pulsa tersebut menangkap sebuah obyek dengan karakteristik refraktif yang berbeda dengan udara, maka ada arus yang diinduksikan dalam objek yang mengganggu pulsa dan menyebabkan beberapa energi dihamburkan.

• Sebagian energi ini akan dihamburkan ke antena dan jika komponen energi yang dihamburkan cukup besar maka energi akan dideteksi oleh antena.

Prinsip

Prinsip DasarDasar RadarRadar

Outline:

l

Pengenalan Radar

l

(4)

Definisi & Fungsi

Definisi :

l Radar cuaca adalah suatu alat yang dapat dikategorikan sebagai remote sensing yang digunakan untuk mengobservasi kondisi atmosfer

l Radar cuaca dapat mendeteksi dan melakukan tracking target cuaca di atmosfer dalam real time

l Target yang diperhatikan oleh radar cuaca adalah hydrometeors seperti hailstones, snowflakes, sleet particles, dan lain-lain

Fungsi :

l Untuk mendeteksi kondisi cuaca secara kuantitatif, mengetahui letaknya serta mengikuti pergerakannya

l Mendeteksi aktifitas cuaca yang hebat dan memperkirakan posisi dan intensitasnya

l Mengestimasi tipe-tipe dari cuaca ( hujan, salju, hujan es, dll)

l Menganalisis struktur badai dan potensinya l Melakukan prakiraan cuaca jangka pendek (sampai

dengan 6 jam ke depan)

l Menyediakan data untuk model hydrological

Target Radar Cuaca

Awan (Cloud) •Tersusun oleh partikel-partikel air yang sangat kecil, kristal es atau

keduanya

Salju (Snow)

•Tidak selalu dapat dideteksi oleh radar

•Hujan masih dapat dideteksi pada jarak yang jauh dari radar,

sedangkan salju pada jarak maksimum radar sudah tidak terlihat (rata-rata presipitasi salju biasanya lebih rendah dibandingkan dengan hujan)

Rambun / hujan es (Hail)

•Didefinisikan sebagai presipitasi dalambentuk es dengan

diameter sekitar 5 mm, berbentuk bola atau es tak beraturan yang biasanya terbentuk dari awan Cumulonimbus

Awan Cumulonimbus

Squall line

Tornado

Petir (Lightning) •Kilatan elektrik secara tiba-tiba yang menghasilkan lintasan cahaya(kilat) dan bunyi gemuruh (thunder)

Badai Guntur (Thunderstorm)

•Bentuk karakteristik cuaca yang ditandai dengan adanyapetir dan

guntur, biasanya disertai dengan hujan besar, rambun, salju,

kadang-kadang badai salju

Wind Shear

•Perubahan arah atau kecepatan angin yang besar di atmosfer •Wind shear ini berperan dalam terbentuknya tornado dan rambun. •Wind shear pada lapisan atmosfer tidak stabil dapat menghasilkan

turbulen.

Squall Line

•Istilah yang digunakan untukmenjelaskan gerakan thunderstorm

(5)

5

Interpretasi

Kegiatan mendeteksi dan menilai arti penting obyek dari suatu target yang

terlihat pada layar monitor radar

•Tampilan citra radar perlu diinterpretasi dengan teliti agar menghasilkan informasi yang benar

•Gambar di samping adalah tampilan layar monitor radar cuaca 2 dimensi

•Dengan menggunakan pointer untuk memilih titik-titik atau pixel yang diinginkan pada layar, maka akan langsung dapat dibaca data posisi dan nilai rata-rata curah hujan dalam milimeter per jam pada sisi layar

•Citra radar cuaca akan dapat digunakan

sebagai bahan informasi yang benar(misalnya awal dari cuaca ekstrim : banjir, kekeringan, badai guruh), apabila sang forecaster dapat menginterpretasi/ menerjemahkan arti penting suatu objek pada target secara teliti

Outline:

l

Pengenalan Radar

l

(6)

L Band Radar

Frekuensi 1-2 GHz

λ: 15 –30 cm

S Band Radar

λ: 8 - 15 cm

C Band Radar

λ: 4 –8 cm

X Band Radar

Frekuensi 8-12GHz

λ: 2.5 - 4cm

•Fungsi : untukmempelajari turbulensi udara(clear air turbulence)

•Tidak mudah terkena redaman / attenuation •Bergunauntuk observasi cuaca jarak dekat dan jauh

•Radar ini membutuhkandish antenna danmotor penggerakyang sangat

besar

•Ukuran dish tidak terlalu besar, sehingga dapat dibuatportable •Menghasilkan beamwidth yang kecil dengan menggunakan antenna yang

kecil dantidak membutuhkan power/ daya sebesar radar S-band

•Radar ini sangat berguna untukobservasi cuaca pada jarak yang pendek •Lebih sensitive dan dapatmendeteksi partikel-partikel yang lebih kecil

(tiny water particles) sehingga dapat digunakan untuk mempelajari awan

•Mudah terkena redaman/ attenuation, sehingga hanya digunakan observasi cuaca pada jarak yang sangat pendek

1

2

3

4

• Cara terbaik untuk mendeteksi objek cuaca adalah dengan menggunakan beberapa frekuensi sinyal yang berbeda-beda

• Secara sederhana dapat dikatakan bahwa radar cuaca merupakan pengembangan dari system radar PSR dengan menggunakan multi frekuensi

• Panjang gelombang yang lebih pendek berguna untuk partikel yang lebih kecil, tetapi sinyal lebih cepat dilemahkan

• Cara terbaik untuk mendeteksi objek cuaca adalah dengan menggunakan beberapa frekuensi sinyal yang berbeda-beda

• Secara sederhana dapat dikatakan bahwa radar cuaca merupakan pengembangan dari system radar PSR dengan menggunakan multi frekuensi

Outline:

l

Pengenalan Radar

l

(7)

7

Informasi utama yang dibutuhkan radar cuaca:

•Azimuth

•Elevation

•Distance Informasi utama yang dibutuhkan radar cuaca:

•Azimuth

•Elevation

•Distance

•Radar cuaca umumnya menggunakan teknik scan PPI

•Radar cuaca bekerja dengan cara mengumpulkan suatu rangkaian surveillance scan pada kondisi sudut elevasi yang semakin bertambah

•Radar cuaca umumnya menggunakan teknik scan PPI

•Radar cuaca bekerja dengan cara mengumpulkan suatu rangkaian surveillance scan pada kondisi sudut elevasi yang semakin bertambah

Plan Position Indicator (PPI): Plan Position Indicator (PPI):

• Radar menjaga sudutelevasi dalam

posisi tetapdan tetapi merubah sudut azimuth.

• Jika radar berputar sejauh 360 derajat, maka cara scan tersebut dinamakan “surveillance scan”

• Jika radar berputar kurang dari 360 derajat, maka cara scan radar dinamakan“sector scan”

Range Height Indicator (RHI): Range Height Indicator (RHI):

• Radar menjaga sudut azimuth dalam posisi tetap tetapi sudut elavdasi berubah-ubah.

• Sudut elevasi secara normal berputar dari near the horizon to near the zenith (the point in the sky directly overhead)

Source : University of Illinois WW2010 Project

Outline:

l

Pengenalan Radar

l

(8)

Blok Diagram - General

•

• TransmitterTransmitter : berfungsi untuk menghasilkan sinyal microwave dengan phase dan amplitude tertentu, dimana untuk radar cuaca biasanya menggunakan sinyal dengan panjang gelombang ~10 cm

•

• AntenaAntena : fungsi utama antenna adalah untuk mem-fokuskan dan memancarkan sinyal dengan ukuran beam yang kecil (small beam) dan

mendengarkan serta

mengumpulkan sinyal yang kembali.

•

• FeedhornFeedhorn: menyalurkan sinyal dari transmitter ke antenna dan sebalinya mengalirkan sinyal yang kembali dari antenna ke receiver)

•

• ReceiverReceiver : mendeteksi sinyal yang kembali dari target dan selanjutnya sinyal tersebut akan dibaca di layar monitor

Blok Diagram

Ex: MicroMet S- Band Doppler Radar

(9)

9

Ex: MicroMet S- Band Doppler Radar

• Up-Graded NEXRAD -Klystron Based System (No Magnetron Tubes)

• Low Power –Full Range Radars –650 KW Peak Power

• The Largest Antenna Dish for Doppler Weather Radars –8.56 m • Only Doppler Radar with US Government Developed Algorithms

• Only Doppler Weather Radar for Tropospheric Wind Profiling

• Cloud Inversions

• Only Doppler Radar that will Detect Smoke, Fire, & Explosions

• Only Doppler Radar that Detects Gust Front/Sea Breeze/Fronts, & Wind Shifts

• Rainfall Accumulation 1 Hr, 3 Hr,

• Storm Vortex - Highly accurate severe storm warnings with long lead time

• User Selectable, Storm Totals Using Unique Algorithms

• Flash Flood Forecasting

• Precipitation Intensity

• Precipitation (Onset, Duration, Ending)

• Stage II and III Precipitation Processing

• Only Doppler Weather Radar that will Detect Birds, & Insects

• 1 deg Beam Width

Spesifikasi Teknis :

Outline:

l

Pengenalan Radar

l

(10)

Radar cuaca bekerja melalui 4 tahapan utama yaitu:

• Mengirimkan sinyal-sinyal / pulsa radar (Sending Radar Pulses)

• Mendengarkan/ menerima sinyal yang kembali (Listening for Return Signals)

• Menentukan tinggi (Determining Height)

• Melakukan kalibrasi terhadap intensitas sinyal yang kembali (Calibrating Intensity of Return)

• Radar cuaca mengirim pulsa gelombang microwave, dalamorde mikro detik, menggunakan suatu cavity magnetron atau tabung klystron

• Panjang gelombang yang dikirim sebesar 1-10 cm, yaitu kira-kira 10 kali diameter dari tetesan/ droplets atau partikel es, sebab Rayleigh scattering dapat terjadi pada frekuensi / panjang gelombang tersebut. Ini berarti bahwa bagian dari energi masing-masing pulsa/ sinyal yang dikirim akan terpantul oleh partikel-partikel yang kecil tersebut dan kembali ke arah stasiun radar.

• Pulsa-pulsa radar menyebar ketika mereka bergerak dari stasiun radar. Dengan demikian volume udara yang dilalui oleh pulsa radar akan lebih besar untuk daerah ang lebih jauh dari stasiun dan lebih kecil untuk daerah yang lebih dekat.

• Pada jarak yang jauh terjadi penurunan resolusi. Pada jarak sekitar 150 –200 km, volume udara yang discan oleh pulsa tunggal berkisar pada orde 1 km3_{. Volume ini dinamakan volume pulsa}

(pulse volume).

• Dimana v adalah volume udara oleh suatu pulsa, h adalah lebar pulsa (dalam meter), r adalah jarak perjalanan pulsa dari radar (dalam meter), danθ2 adalah beam width (dalam radian)

Mengirimkan Sinyal-sinyal / Pulsa Radar (Sending Radar Pulses)

(11)

11

• Selain mengirim sinyal pulsa yang arah target, stasiun radar juga berfungsi sebagai

penerima yang mendengarkan sinyal kembali dari partikel di udara

• Durasi dari siklus"mendengarkan/ listen" pada orde mili detik, yang seribu kali lebih panjang dari durasi pulsa

• Panjang fase ini ditentukan oleh kebutuhan radiasi gelombang mikro (yang bergerak pada kecepatan cahaya) untuk merambat dari detektor ke arah target cuaca dan kembali lagi, suatu jarak yang bisa mencapai ratusan kilometer

• Jarak horizontal dari stasiun ke target dihitung dengan cara sederhana yaitu dari jumlah waktu yang dihitung mulai dari inisiasi pulsa sampai terdeteksinya sinyal kembali. Waktu tersebut dikonversikan ke dalam jarak dengan mengalikan dengan kecepatan perambatan cahaya di udara:

dimana c=299,792.458km/s adalah kecepatan cahaya, dan n≈1,0003 adalah indeks bias udara.

• Jika pulsa yang dipancarkan terlalu sering, kembalinya suatu pulsa dapat mengakibatkan kebingungan dengan pengembalian dari pulsa sebelumnyayang akibatnya dapat menghasilan perhitungan jarak yang tidak tepat

Mendengarkan/ menerima sinyal yang kembali (Listening for return signals)

2

•Setelah setiap satu kali putaran scanning (PPI scanning), sudut elevasi antena diubah untuk mengirimkan scanning berikutnya.

•Skenario ini akan diulang pada berbagai sudut elevasiuntuk memindai/ scan semua volume udara di sekitar radar dalam jangkauan maksimum.

•Biasanya, strategi scanning ini selesai dalam waktu 5 sampai 10 menit untuk mendapatkan data dengan ketinggian 15 km di atas tanah dan jarak 250 km dari radar

•Tergantung pada sudut elevasi antena dan pertimbangan lainnya, rumus berikut dapat digunakan untukmenghitung ketinggian target di atas tanah:

Menentukan Tinggi (Determining Height)

3

dimana:

r= jarak radar dengan target, k_e= 4/3,

ae= radius bumi,

(12)

• Target pada setiap volume tidak unik sehingga perlu dilakukan kalibrasi terhadap intensitas sinyal yang kembali.

• Kalibrasi dilakukan dengan pengembangan persamaan umum Radar:

• Dalam kasus ini, radar cross section tiap target ditambahkan:

• Pengembangan dari persamaan dasar:

• Faktor kalibrasi menunjukkan bahwa sinyal kembali berbanding terbalik dengan R2

Kalibrasi terhadap Intensitas Sinyal yang Kembali (Calibrating Intensity of Return)

4

Outline:

l

Pengenalan Radar

l

(13)

13

Weather Surveillance Radar

WSR-1di North Omaha Airport (1954 –1974)

WSR-1 (Weather Surveillance Radar-1)

•WSR-1 merupakan salah satu dari jenis radar cuaca pertama, •Versi modifikasi dari radar AN/APS-2F, radar, yang diperoleh biro

cuaca (Weather Bureau ) pemerintah Amerika Serikat (sekarang dianamakan National Weather Service) dari angkatan laut.

•Varian dari radar WSR-1 adalah WSR-1A, WSR-3, dan WSR-4. •Radar WSR-1 di Amerika Serikat ditempatkan di Washington

National Airport in Washington, D.C

Radar image of tornado-producing supercells over Minneapolis, 1965

WSR-57 (Weather Surveillance Radar -1957)

•Radar cuaca modern yang pertama, yang hanya memberikan data

refleksi/ pantulan yang masih kasar (coarse reflectivity data) dan tanpa data kecepatanàsangat sulit untuk memprediksi tornado.

•Operator radar harus secara manual memutar engkol untuk

menyesuaikan sudut elevasi radar serta membutuhkan keterampilan yang cukup untuk menilai intensitas badai berdasarkan bercak hijau (green blotches) di jangkauan radar.

•Radar terakhir WSR-57 di Amerika Serikat telah dinonaktifkan

pada 2 Desember 1996, digantikqn oleh NEXRAD

NEXRAD or Next-Generation Radar

•NEXRAD adalah suatu jaringan radar Amerika yang terdiri dari 160

high-resolution S-band Doppler weather radarsyang dioperasikan oleh National Weather Service (NWS)

•WSR-88D (Weather Surveillance Radar, 1988, Doppler) •NEXRAD mendeteksi curah hujan dan gerakan atmosfer atau angin,

dapat menunjukkan pola curah hujan dan gerakannya.

Aplikasi khusus pada Avionics Weather Radar

•Aplikasi system radar pada pesawat terdiri dariradar cuaca,

system pencegahan tabrakan, tracking target, perkiraan ketinggiandari bumi dan system lainnya.

•ARINC 708 adalah salah satu contoh radar cuaca primer yang menggunakan airborne pulse-Doppler radar, dengan bagian utama:

•Antenna

•T-R Unit (Transmit-Receive Unit) •CDU (Control-Display Unit) •Display

•Tidak seperti radar cuaca tanah yang diset pada sudut tetap, radar cuaca udara bekerja dari hidung atau sayap pesawat terbang.

Weather radar on the wing of Pilatus PC-12

•Antena terhubung dan dikalibrasi dengangyro vertikalyang terletak di pesawat, berfungsi untuk mengatasi gerakan terbang (tidak hanya bergerak ke atas, bawah, kiri, dan kanan, tetapi juga akan melakukan gerakan bergulir)

(14)

Radar Cuaca BMKG

•BMKG memiliki24 radar C-band denganrange efektif masing-masing radar berkisar150 km (Data tahun 2011)

•Citra radar cuaca menggambarkan potensi intensitas curah hujan yang dideteksi oleh radar cuaca

•Pengukuranintensitas curah hujan(presipitasi) oleh radar cuaca berdasarkan seberapa besar pancaran energi radar yang dipantulkan kembali oleh butiran-butiran air di dalam awan dan digambarkan dengan produk Reflectivity yang memiliki besaran satuan dBZ (decibel)

•Makin besar energi pantul yang diterima radar maka makin besar juga nilai dBZ, dan semakin besar nilai dBZ reflectivity menunjukkan intensitas hujan yang terjadi semakin besar

Sumber http://www.bmkg.go.id/

Kategori Intensitas Hujan

Nilai dBZ Mm/Jam

Hujan ringan 30 s/d 38 1 s/d 5 Hujan sedang 38 s/d 48 5 s/d 10 Hujan lebat 48 s/d 58 10 s/d 20 Hujan sangat

lebat

>58 >20 Citra Radar Cuaca JABODETABEK

HARIMAU (Hydrometeorological ARray for Intraseasonal-variation

Monsoon AUtomonitoring)

Sumber : http://neonet.bppt.go.id/harimau/

• Fasilitas yang telah dipasang atas kerjasama dengan JAMSTEC (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology):

• X-band Doppler Radar (XDR)di Minangkabau International Airport, Padang, Sumatera Barat

• Wind Profiler Radar (WPR) di Pontianak (Kalimantan Barat), Manado (Sulawesi Utara) dan Biak (Papua)

• C-band Doppler Radar (CDR) di Serpong, DKI Jakarta.

• Data radar cuaca ini akan dipadukan dengan data yang diperoleh dari sistem pemantauan pelampung (buoy) TRITON di perairan ekuator Samudera Pasifik Barat dan Hindia Timur untuk mengetahui perubahan musim dan ENSO (El Nino/La Nina Southern Ocean) serta IOD (Indian Ocean Dipole)

• HARIMAU kerjasama penelitian antara BPPT, LAPAN, BMKG) dengan IORGC-Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC), RISH-Kyoto University, dan ILTS-Hokkaido University, yang penyelenggaraannya di bawah koordinasi Pusat Teknologi Inventarisasi Sumberdaya Alam (PTISDA) –BPPT)

• Program ini dikembangkan untuk mendukung sistem mitigasi bencana di Benua Maritim Indonesia yang dapat memonitor kondisi cuaca dan iklim secara real time, periodik, dan berkesinambungan.

(15)

15

Radar Cuaca Doppler C-band (CDR)

Spesifikasi Teknis

Radar cuaca Doppler C-band di kawasan PUSPIPTEK Serpong Spesifikasi Teknis

Radar cuaca Doppler C-band di kawasan PUSPIPTEK Serpong

Properties Values

Type C-band Doppler Radar (Pulse) Manufacturer Toshiba Electrical Company, Japan Height of Tower 10 m

Antenna Diameter 3 m Beam Width 1.6 degree Transmitter Peak Power 200 kW

Coverage (default) 175 km (Surveillance mode), 105 km (Volume Scan Mode)

Resolution (default) 1 km Transmitting Frequency 5320 MHz Spectral Width 4 MHz Pulse Width 1.0 microsecond Pulse Repetation

Frequency

840 MHz (Surveillance mode), 1360 MHz (Volume Scan Mode)

Antenna Rotation 5 rpm Azimuth 360 degree Elevation 0.6 to 50 degree

Operating System Sun Solaris & Red Hat Enterprise Linux 5 Radar Data Processing

System

Sigmet RVP8 + IRIS Radar/Analysis ver. 8.12.1.1

RAW Data Reflectivity, Doppler Velocity, Spectral Width

Sumber : http://neonet.bppt.go.id/harimau/

Radar Cuaca Doppler X-band (XDR)

Sumber : http://neonet.bppt.go.id/harimau/ Spesifikasi Teknis

Radar cuaca Doppler X-band di Bandara Internasional Minangkabau Padang

Spesifikasi Teknis

Radar cuaca Doppler X-band di Bandara Internasional Minangkabau Padang

Properties Values

Type X-band Doppler Radar (Pulse) Manufacturer Japan Radio Company Ltd Model JMA-237 B

Frequency and Polarization 9770 MHz, Horizontal Transmitter Peak Power 70 kW

Feeder Loss 1.5 dB Minimum Detectable Level -111.6 dBm Antenna Diameter and

Weight

2.5 m, 730 kg

Antenna Rotation 30 degree/second Elevation Angle 0.6 degree (surveillance)

0.6, 1.1, 2.4, 3.2, 4.1, 5.1, 6.3, 7.8, 9.6, 11.8, 14.5, 17.8, 21.8, 26.6, 32.6, 40.0, 50.0 degree (volume scan)

Pulse Length 0.5 ms (short), 0.9 ms (long) Beam Width 0.98 degree

Coverage 80 km, 200 m interval Sampling Time 10 minutes Operating System and

Processing

(16)