radar de ondas

Básicamente, existen dos clases diferentes de sensores remotos de radar para la medición de olas oceánicas.

• El sensor directo mide directamente algún parámetro relevante del sistema de olas (como la elevación de la superficie o la velocidad de las partículas de agua ).
• Los sensores indirectos observan las olas superficiales mediante la interacción con algún otro proceso físico, como por ejemplo la sección transversal de radar de la superficie del mar.

Los radares de microondas pueden utilizarse en dos modos diferentes ;

• El modo casi vertical . El eco del radar se genera por reflexiones especulares de la superficie del mar.
• Modo de ángulo rasante bajo . El eco del radar se genera por dispersión de Bragg , por lo que deben estar presentes las ondulaciones superficiales generadas por el viento ( ondas capilares ). La señal retrodispersada será modulada por las grandes ondas de gravedad superficiales y la información de las ondas de gravedad se deriva de la modulación de la señal retrodispersada. Plant y Shuler (1980) ofrecen una excelente presentación de las teorías de la teledetección por microondas de la superficie del mar .

La huella del radar (el tamaño de la superficie iluminada por el radar) debe ser pequeña en comparación con todas las longitudes de onda oceánicas de interés. La resolución espacial del radar está determinada por el ancho de banda de la señal del radar (véase características de la señal del radar ) y el ancho del haz de la antena del radar.

El haz de una antena de microondas diverge. Por consiguiente, la resolución disminuye al aumentar la distancia. En la práctica, el haz de un radar infrarrojo ( láser ) no diverge. Por lo tanto, su resolución es independiente de la distancia.

Los radares de alta frecuencia utilizan el mecanismo de dispersión de Bragg y siempre operan con ángulos rasantes muy bajos. Debido a la baja frecuencia de operación, las ondas de radar se retrodispersan directamente por las ondas gravitatorias y no es necesario que haya ondulaciones en la superficie.

Los transceptores de radar pueden ser coherentes o no coherentes. Los radares coherentes miden tanto la modulación Doppler como la modulación de amplitud, mientras que los radares no coherentes solo miden la modulación de amplitud. Por consiguiente, un eco de radar no coherente contiene menos información sobre las propiedades de la superficie del mar. Un ejemplo de radar no coherente son los radares de navegación marítima convencionales.

La forma de onda del transmisor de radar puede ser de onda continua no modulada, modulada o pulsada. Un radar de onda continua no modulada no tiene resolución de alcance, pero puede detectar objetivos en función de su velocidad, mientras que un radar modulado o pulsado puede detectar ecos de diferentes distancias. La forma de onda del radar desempeña un papel fundamental en la teoría del radar (Plant y Shuler, 1980) .

• Modo de operación o geometría de medición (vertical o rasante)
• Clase de sistema (directo o indirecto)
• Frecuencia de funcionamiento
• Forma de onda del radar (onda continua no modulada o modulada/pulsada)
• Tipo de transceptor (coherente o no coherente)
• Propiedades de la antena de radar

Los telémetros de microondas también operan en modo vertical a frecuencias de GHz y no se ven tan afectados por la niebla y las salpicaduras de agua como los telémetros láser . Normalmente se utiliza una forma de onda de radar de frecuencia modulada continua (CWFM) o pulsada para proporcionar resolución de distancia. Dado que el haz diverge, el tamaño lineal de la huella es directamente proporcional a la distancia, mientras que el área de la huella es proporcional al cuadrado de la distancia.

Un ejemplo de telémetro de microondas es el Miros SM-094, diseñado para medir olas y el nivel del agua, incluidas las mareas . Este sensor se utiliza como sensor de separación de aire (altura libre de puentes) en el sistema PORTS de la NOAA . Otro ejemplo es el WaveRadar REX, derivado del radar de tanque Rosemount.

A partir de datos sobre la elevación de la superficie del agua en tres o más ubicaciones, se puede calcular un espectro direccional de altura de ola. El algoritmo es similar al que genera un espectro direccional a partir de datos de cabeceo (movimiento vertical), balanceo y cabeceo en una sola ubicación, proporcionados por una boya de oleaje en forma de disco. Un conjunto de tres radares verticales, con huellas en los vértices de un triángulo equilátero horizontal, puede proporcionar los datos necesarios sobre la elevación de la superficie del agua. «Directional WaveGuide» es un sistema de radar comercial basado en esta técnica. Está disponible a través de las empresas holandesas Enraf ​​y Radac.

Los radares de navegación marítima ( banda X ) proporcionan imágenes de eco marino que contienen un patrón similar al de las olas. Al digitalizar la señal de vídeo del radar, esta puede ser procesada por un ordenador. A partir de estas imágenes digitalizadas, se pueden calcular parámetros de la superficie del mar. El radar de navegación marítima opera en modo de ángulo rasante bajo y debe estar presente la ondulación superficial generada por el viento. El radar de navegación marítima no es coherente y es un ejemplo típico de sensor de olas indirecto, ya que no existe una relación directa entre la altura de la ola y la amplitud de modulación de la retrodispersión del radar. Normalmente se emplea un método empírico de escalado del espectro de olas. Los sensores de olas basados ​​en radares de navegación marítima son excelentes herramientas para la medición de la dirección de las olas. Un radar de navegación marítima también puede ser una herramienta para la medición de corrientes superficiales. Se pueden proporcionar mediciones puntuales del vector de corriente, así como mapas de corriente hasta una distancia de unos pocos kilómetros (Gangeskar, 2002) . Miros WAVEX tiene su principal área de aplicación como mediciones direccionales de olas desde buques en movimiento. Otro ejemplo de un sistema basado en radar marítimo es OceanWaves WaMoS II.

El radar de microondas Doppler pulsado con compuerta de rango opera en modo de ángulo rasante bajo. Mediante el uso de varias antenas, puede utilizarse como sensor de ondas direccional, midiendo básicamente el espectro direccional de la velocidad horizontal de las partículas de agua. El espectro de velocidad está directamente relacionado con el espectro de altura de las olas mediante un modelo matemático basado en la teoría de ondas lineales, y permite obtener mediciones precisas del espectro de ondas en la mayoría de las condiciones. Dado que las mediciones se realizan a cierta distancia de la plataforma sobre la que está montado, el campo de ondas se ve ligeramente afectado por la interferencia de la estructura de la plataforma.

El radar de ondas y corrientes Miros es el único sensor de ondas disponible basado en la técnica de radar Doppler pulsado con compuerta de rango. Este radar también utiliza la técnica de doble frecuencia (véase más abajo) para realizar mediciones puntuales del vector de corriente superficial.

El radar de microondas de doble frecuencia transmite dos frecuencias de microondas simultáneamente. La separación de frecuencias se elige para obtener una longitud de "batido espacial" que se encuentre dentro del rango de las olas de interés. El radar de doble frecuencia puede considerarse el equivalente en microondas del radar de alta frecuencia (HF) (véase más adelante). Este radar es adecuado para la medición de corrientes superficiales. En lo que respecta a la medición de olas, los procesos de retrodispersión son demasiado complejos (y aún no se comprenden del todo) como para permitir alcanzar una precisión de medición útil.

El radar HF CODAR SeaSonde y Helzel WERA están bien establecidos como una herramienta poderosa para mediciones de corrientes marinas hasta un alcance de 300  km. Opera en la banda de frecuencias HF y VHF baja correspondiente a una longitud de onda de radar en el rango de 10 a 300 m. El desplazamiento Doppler de las líneas de Bragg de primer orden del eco del radar se utiliza para derivar estimaciones de corrientes marinas de manera muy similar a como se hace con el radar de microondas de doble frecuencia. Normalmente se requieren dos instalaciones de radar, que observan la misma porción de la superficie del mar desde diferentes ángulos. ^{[ 1 ]} La última generación de radar oceánico terrestre puede alcanzar más de 200  km para el mapeo de corrientes oceánicas y más de 100  km para mediciones de olas Helzel WERA. Para todos los radares oceánicos, la precisión en el alcance es excelente. Con alcances más cortos, la resolución del alcance se vuelve más fina. La resolución angular y la precisión dependen de la configuración de la matriz de antenas utilizada y los algoritmos aplicados ( localización de dirección o formación de haces). El sistema WERA ofrece la opción de utilizar ambas técnicas; la versión compacta con sistema de localización de dirección o el sistema de antenas tipo matriz con métodos de formación de haces.

La tecnología FutureWaves fue desarrollada originalmente como un sistema de predicción ambiental de movimientos y comportamiento de buques (ESMF, por sus siglas en inglés) para la Oficina de Investigación Naval (ONR, por sus siglas en inglés ) de la Armada por la división Applied Physical Sciences Corporation de General Dynamics . La tecnología fue adaptada para su lanzamiento al mercado comercial y se presentó públicamente por primera vez en la Conferencia de Tecnología Offshore de 2017 en Houston, Texas.

Esta tecnología se diferencia de los sistemas de predicción de olas existentes al utilizar un radar de detección de olas personalizado capaz de medir la retrodispersión Doppler hasta alcances de aproximadamente 5  km. La antena del radar está polarizada verticalmente para mejorar la señal de retrodispersión de la superficie del mar. También utiliza un innovador esquema de procesamiento de señales de radar que aborda las señales de retrodispersión inherentemente ruidosas mediante un proceso matemático denominado inversión de mínimos cuadrados . Este enfoque aplica un filtro altamente sobredeterminado a los datos del radar y rechaza los escaneos de radar que no observan olas incidentes. El resultado es una representación precisa del campo de olas incidentes propagantes que determinará los movimientos del buque en un intervalo de 2 a 3 minutos. Los algoritmos de procesamiento de olas también permiten el cálculo en tiempo real de los espectros de potencia bidimensionales del campo de olas y la altura significativa de las olas, similar a la que proporciona una boya de olas.

También utiliza un proceso de predicción del movimiento de la embarcación que se basa en una base de datos de fuerza/respuesta precalculada. Los grados de libertad de movimiento dinámico se representan como un sistema mecánico concentrado cuyos movimientos futuros se predicen mediante la resolución numérica de una ecuación diferencial acoplada, forzada y con múltiples grados de libertad, cuyo estado inercial inicial proviene de las señales de los sensores de movimiento de la embarcación. La solución en el dominio del tiempo permite incorporar mecanismos de forzamiento no lineales, como la amortiguación cuadrática del balanceo y los sistemas de control de balanceo, en la predicción.

Finalmente, utiliza la solución de middleware de arquitectura abierta Gravity para integrar las señales de los sensores, las subrutinas de procesamiento y las pantallas de usuario. Este enfoque de arquitectura abierta permite la implementación de pantallas de operador personalizadas, junto con modelos físicos de embarcaciones y maquinaria específicas (por ejemplo, grúas) en el sistema.