El radar de aplicaciones de dinámica oceánica costera ( CODAR ) es un tipo de radar portátil, terrestre y de alta frecuencia (HF) desarrollado entre 1973 y 1983 en el Laboratorio de Propagación de Ondas de la NOAA en Boulder, Colorado. CODAR es un sistema no invasivo que puede medir y mapear corrientes oceánicas cercanas a la superficie en aguas costeras. Es transportable y puede producir mapas de corrientes oceánicas en el sitio casi en tiempo real. Además, utilizando CODAR es posible medir las alturas de las olas y producir una estimación indirecta de la dirección del viento local .
CODAR utiliza un sistema de antena compacto que consta de bucles cruzados y un látigo para recibir y un látigo para transmitir pulsos de radio. [1] El sistema se puede transportar en un vehículo y puede funcionar con una fuente de alimentación portátil; para la instrumentación moderna se recomienda una capacidad mínima de 1050 vatios. [2] CODAR es capaz de funcionar en prácticamente todas las condiciones climáticas (puede tolerar temperaturas de 0 °F (-18 °C) a 90 °F (32 °C) [3] ) y las dimensiones relativamente pequeñas del sistema de antena permiten el despliegue de CODAR incluso en áreas costeras rocosas y altamente pobladas. Sin embargo, como la señal se atenúa rápidamente por la tierra, la antena debe montarse lo más cerca posible de la superficie del agua.
Los equipos modernos pueden funcionar entre 3 y 50 MHz y pueden programarse para funcionar sin supervisión durante períodos de hasta dos semanas. [4]
El equipo principal está conectado por cable al segmento electrónico, que se encuentra en un entorno protegido y contiene el hardware del sistema, donde se almacena la información. Un miniordenador controla el radar y procesa las señales y el operador puede comunicarse con el sistema a través de un terminal de teclado portátil.
Los datos espectrales en bruto se pueden procesar en línea para obtener resultados en tiempo real y los productos de datos finales se pueden visualizar en una terminal gráfica o imprimir con un trazador gráfico. También se puede realizar un procesamiento fuera de línea en una fecha posterior.
El objetivo principal de CODAR es medir las corrientes superficiales. El alcance y la resolución de los sistemas varían según las condiciones ambientales y la ubicación de la antena. Sin embargo, en general, en su modo de largo alcance, los CODAR modernos pueden medir hasta 100-200 km de la costa con una resolución de 3-12 km. Al aumentar la frecuencia, se pueden obtener resoluciones de hasta 200-500 m, pero el rango de observación se acorta a 15-20 km. [5]
Sin embargo, el alcance real puede verse limitado por interferencias de radio, condiciones oceánicas elevadas y condiciones del terreno en las proximidades de las antenas. Los suelos arenosos húmedos y mojados mejoran la propagación de las ondas terrestres, mientras que los suelos secos y rocosos atenúan la señal. [6]
Un solo sistema CODAR puede medir únicamente el componente de la corriente superficial que se acerca o se aleja del radar, por lo que para determinar los vectores totales de la corriente superficial es necesario utilizar al menos una configuración de dos sistemas. Se puede emplear una serie de sitios CODAR para obtener cobertura regional. En una configuración de radar múltiple, el espaciamiento entre dos sistemas de radar debe ser de aproximadamente 15 a 40 km para el modo de mar abierto de largo alcance y de 8 a 20 km en el modo de corto alcance. [7]
Normalmente, los datos CODAR se promedian durante una hora para reducir el ruido del eco marino. Por lo tanto, se pueden generar mapas de corrientes cada hora. Este período se puede reducir a aproximadamente 20 minutos, sin embargo, los datos recopilados durante períodos cortos pueden ser ruidosos. [7]
Las mediciones de CODAR son útiles tanto para fines militares como civiles. Las principales aplicaciones incluyen proyectos de ingeniería costera y seguridad pública, planificación de rutas marítimas, mitigación de la contaminación oceánica , operaciones de búsqueda y rescate, mitigación de derrames de petróleo en tiempo real y evaluación de la conectividad de poblaciones larvarias. Además, los datos obtenidos de CODAR se utilizan como insumos para el monitoreo de recursos globales y modelos de pronóstico meteorológico y son particularmente útiles para mediciones de mareas y marejadas ciclónicas. [8] Además, la dirección de propagación de la energía de las olas y el período de las olas más energéticas se pueden extraer de las mediciones, que son importantes para muchas aplicaciones prácticas en el diseño y operación de estructuras costeras y marinas.
CODAR opera utilizando la transmisión aérea de ondas en la banda de alta frecuencia (HF) (3–30 MHz), ya que las ondas electromagnéticas en esta banda tienen longitudes de onda proporcionales a las ondas de gravedad impulsadas por el viento en la superficie del océano. [9] Según las necesidades del cliente, se puede utilizar en modo de frecuencia única o multifrecuencia. Como el océano tiene una superficie rugosa, cuando una señal de alta frecuencia alcanza la superficie del océano, una parte de la energía incidente se dispersa de vuelta hacia la fuente y el receptor mide la señal reflejada. Esta retrodispersión (o reflexión) produce un espectro de energía en el receptor, incluso si la fuente de energía es de frecuencia única, debido a la forma y el movimiento de la superficie del mar. Interpretar los retornos espectrales para varias frecuencias de transmisión es la clave para extraer información sobre el océano [10] y, específicamente, para medir las corrientes superficiales.
Como consecuencia de la Ley de Dispersión de Bragg, la señal de retorno más fuerte que se recibe proviene de las olas del océano que viajan directamente hacia o desde la fuente del radar y cuya longitud de onda física es exactamente la mitad de la longitud de la onda del radar transmitida. La señal de retorno se procesa y su análisis espectral proporciona el espectro Doppler del eco marino, donde se pueden reconocer dos picos dominantes a diferentes frecuencias.
El desplazamiento de estos picos con respecto a sus frecuencias conocidas se denomina “desplazamiento Doppler del eco” y permite evaluar la velocidad radial de una corriente superficial, es decir, la velocidad de dispersión a lo largo de la línea entre la superficie impactada y el radar. De hecho, la magnitud de este componente de la velocidad es proporcional al grado de desplazamiento de la señal. Por lo tanto, CODAR mide el desplazamiento de frecuencia inducido por el efecto Doppler (junto con la distancia desde el radar hasta el sector y el ángulo direccional) para proporcionar una estimación del componente radial de la velocidad de las olas en el sector de la superficie del mar de interés.
Para medir corrientes, el equipo CODAR calcula tres componentes:
La señal enviada desde la antena CODAR tiene una frecuencia conocida y se mueve a la velocidad de la luz. Por lo tanto, la longitud de onda de la señal es conocida (longitud de onda = velocidad de la luz / frecuencia). Aprovechando la Ley de Bragg, CODAR maximiza la señal de alta frecuencia dispersa, dado que la resonancia solo se producirá para la longitud de onda dada:
λ s = λ t / (2 * cos(φ) )
donde λ s es la longitud de onda de la ola superficial del océano, λ t es la longitud de onda de la señal transmitida y φ es el ángulo de incidencia entre la señal y la superficie del océano.
Como las antenas CODAR suelen estar situadas a nivel del mar, se puede suponer que el ángulo de incidencia theta es cero. Por tanto, la ecuación se reduce a:
λs = λt / 2
Esto significa que cuando la señal emitida choca con ondas con una longitud de onda igual a la mitad de la señal transmitida, la señal que se dispersa de vuelta a la antena estará en fase. Por lo tanto, estas ondas producirán una señal dispersada “más fuerte” y por lo tanto fácilmente identificable, que es medida por el sistema CODAR. De esta manera, la velocidad actual se extrae determinando el desplazamiento Doppler de las ondas. [11]
Sin embargo, las ecuaciones anteriores representan un modelo simplificado, ya que suponen que las ondas reflejadas no se mueven. Esto, por supuesto, no es cierto y, debido al movimiento, la frecuencia de la señal dispersada (y, por lo tanto, su longitud de onda) no es la misma que la de la señal transmitida. De hecho, “las ondas que se mueven hacia el receptor aumentan la frecuencia de retorno, mientras que las ondas que se alejan la disminuyen”. [11]
Luego se observa otro desplazamiento Doppler ( Δf ) y, al medirlo, es posible determinar el componente de velocidad radial νs de la corriente superficial utilizando la fórmula Doppler:
Δf = νs / λs
La distancia al objetivo se calcula a partir del retardo temporal, que se obtiene restando el tiempo de la señal de retorno al tiempo de la señal transmitida.
CODAR es un " sistema de radiogoniometría ". La señal es recibida por dos antenas de bucle y un monopolo. Mientras que la señal que recibe el monopolo no varía con la dirección de la señal entrante, la señal recibida por las dos antenas de bucle (colocadas en un ángulo de 90°) sí varía con la dirección. [11] Esta información permite que un software determine la dirección de la señal.
Una vez calculada la velocidad radial de las corrientes, la distancia al objetivo y la dirección angular hasta el objetivo, es posible determinar el vector de corriente y construir mapas de vectores de corriente. De hecho, para el área en la que se superponen los datos vectoriales de dos sitios CODAR, es posible calcular la velocidad y la dirección de la corriente y las comparaciones con derivadores de superficie y análisis de errores realizados en 1979 indican que CODAR mide corrientes de superficie con una precisión de al menos 10 cm/s. [12] En 2010, los minoristas de equipos CODAR modernos garantizan una precisión típicamente < 7 cm/s de la velocidad total de la corriente y 1–2 cm del componente de marea, en condiciones ambientales normales. [13] Sin embargo, la precisión del sistema depende de varios factores, como las relaciones señal-ruido, la geometría y los errores de apuntamiento.
Existen algunas limitaciones inherentes al sistema que no permiten determinadas aplicaciones. A continuación se presentan las principales limitaciones prácticas:
Como se ha comentado anteriormente, para un ángulo de observación determinado, una única estación CODAR puede detectar únicamente el componente del flujo que se desplaza hacia o desde su ubicación. Las corrientes radiales de dos o más sitios se deben combinar para obtener estimaciones de corrientes superficiales vectoriales. Además, cuando se utilizan dos estaciones CODAR, el denominado "problema de la línea base" puede afectar a la medición. Esto ocurre cuando ambos instrumentos miden el mismo componente de velocidad. Para evitar este problema y resolver adecuadamente el vector de corriente, generalmente dos radiales deben tener un ángulo entre 30° y 150°. [14]
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