El radar de olas es un tipo de radar para medir las olas del viento . Existen varios instrumentos basados en una variedad de conceptos y técnicas diferentes, y todos ellos suelen denominarse . Este artículo (véase también Grønlie 2004) ofrece una breve descripción de las técnicas de teledetección por radar terrestre más comunes .
Los instrumentos basados en técnicas de teledetección por radar han adquirido especial interés en aplicaciones en las que es importante evitar el contacto directo con la superficie del agua y evitar interferencias estructurales. Un caso típico es la medición de olas desde una plataforma marina en aguas profundas, donde las corrientes rápidas pueden dificultar enormemente el amarre de una boya de olas. Otro caso interesante es el de un barco en navegación, donde tener instrumentos en el mar es muy poco práctico y se deben evitar las interferencias del casco del barco.
Básicamente, existen dos clases diferentes de sensores remotos de radar para las olas del océano.
Los radares de microondas se pueden utilizar en dos modos diferentes :
La huella del radar (el tamaño de la superficie iluminada por el radar) debe ser pequeña en comparación con todas las longitudes de onda de interés del océano. La resolución espacial del radar está determinada por el ancho de banda de la señal del radar (consulte las características de la señal del radar ) y el ancho del haz de la antena del radar.
El haz de una antena de microondas diverge. En consecuencia, la resolución disminuye a medida que aumenta el alcance. A efectos prácticos, el haz de un radar IR ( láser ) no diverge. Por lo tanto, su resolución es independiente del alcance.
Los radares de alta frecuencia utilizan el mecanismo de dispersión Bragg y siempre funcionan en ángulos rasantes muy bajos. Debido a la baja frecuencia de funcionamiento, las ondas del radar se retrodispersan directamente desde las ondas de gravedad y no es necesario que haya ondulaciones en la superficie.
Los transceptores de radar pueden ser coherentes o no coherentes. Los radares coherentes miden la modulación Doppler y la modulación de amplitud, mientras que los radares no coherentes solo miden la modulación de amplitud. En consecuencia, un eco de radar no coherente contiene menos información sobre las propiedades de la superficie del mar. Ejemplos de radares no coherentes 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 diferentes velocidades, mientras que un radar modulado o pulsado puede detectar ecos de diferentes alcances. La forma de onda del radar desempeña un papel muy importante en la teoría del radar (Plant y Shuler, 1980).
Tucker (1991) ofrece un excelente estudio de diferentes técnicas de radar para la teledetección de ondas.
Los telémetros de microondas también funcionan en modo vertical a frecuencias de GHz y no se ven tan afectados por la niebla y el rocío de agua como los telémetros láser . Normalmente se utiliza una forma de onda de radar pulsada o modulada en frecuencia de onda continua (CWFM) para proporcionar resolución de alcance. Dado que el haz diverge, el tamaño lineal de la huella es directamente proporcional al alcance, mientras que el área de la huella es proporcional al cuadrado del alcance.
Un ejemplo de un telémetro de microondas es el Miros SM-094, que está diseñado para medir las olas y el nivel del agua, incluidas las mareas . Este sensor se utiliza como sensor de espacio de aire (espacio libre entre puentes) en el sistema PORTS de la NOAA . Otro ejemplo es el WaveRadar REX, que es un derivado de un radar de tanque Rosemount.
A partir de los datos sobre la elevación de la superficie del agua en tres o más lugares, se puede calcular un espectro direccional de la altura de las olas. El algoritmo es similar al que genera un espectro direccional a partir de los datos sobre el movimiento vertical, el cabeceo y el balanceo en un único lugar, proporcionados por una boya de olas con forma de disco. Una matriz 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 en las empresas holandesas Enraf y Radac.
Los radares de navegación marina ( banda X ) proporcionan imágenes de interferencias marinas que contienen un patrón similar al de las olas del mar. Al digitalizar la señal de vídeo del radar, se puede procesar mediante un ordenador digital. Se pueden calcular los parámetros de la superficie del mar basándose en estas imágenes digitalizadas. El radar de navegación marina funciona en modo de ángulo rasante bajo y debe estar presente la ondulación superficial generada por el viento. El radar de navegación marina no es coherente y es un ejemplo típico de un sensor de olas indirecto, porque no hay una relación directa entre la altura de las olas y la amplitud de modulación de retrodispersión del radar. Normalmente se emplea un método empírico de escalado del espectro de las olas. Los sensores de olas basados en radares de navegación marina son excelentes herramientas para las mediciones de la dirección de las olas. Un radar de navegación marina también puede ser una herramienta para las mediciones de corrientes superficiales. Se pueden proporcionar mediciones puntuales del vector de corriente, así como mapas de corrientes hasta una distancia de unos pocos kilómetros (Gangeskar, 2002). Miros WAVEX tiene su principal área de aplicación como mediciones de olas direccionales de barcos en movimiento. Otro ejemplo de un sistema basado en radar marino es OceanWaves WaMoS II.
El radar de microondas Doppler pulsado con compuerta de alcance funciona en modo de ángulo rasante bajo. Mediante el uso de varias antenas, se puede utilizar como un sensor de ondas direccionales, midiendo básicamente el espectro direccional de la velocidad de las partículas de agua horizontales. El espectro de velocidad está directamente relacionado con el espectro de altura de las olas mediante un modelo matemático basado en la teoría de las olas lineales y se pueden proporcionar mediciones precisas del espectro de las olas en la mayoría de las condiciones. Como las mediciones se toman a cierta distancia de la plataforma en la que está montado, el campo de las olas se ve perturbado en un pequeño grado por la interferencia de la estructura de la plataforma.
Radar de corrientes y olas Miros Error en la plantilla de Webarchive: URL vacía. es el único sensor de olas disponible basado en la técnica de radar Doppler pulsado con compuerta de rango. Este radar también utiliza la técnica de doble frecuencia (ver a continuación) 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 dar una longitud de “batido espacial” que esté dentro del rango de las olas del agua de interés. El radar de doble frecuencia puede considerarse un equivalente en microondas del radar de alta frecuencia (HF) (ver más abajo). El radar de doble frecuencia es adecuado para la medición de corrientes superficiales. En lo que respecta a las mediciones de olas, los procesos de retrodispersión son demasiado complicados (y no se comprenden bien) para permitir que se alcance una precisión de medición útil.
El radar HF CODAR SeaSonde y el Helzel WERA son herramientas muy conocidas para la medición de corrientes marinas en un rango de hasta 300 km. Operan en la banda de frecuencias HF y VHF bajas correspondientes 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 forma muy similar a como se hace para el radar de microondas de doble frecuencia. Normalmente se requieren dos instalaciones de radar, que observen la misma zona de la superficie marina desde diferentes ángulos. [1] La última generación de radares oceánicos basados en tierra puede alcanzar más de 200 km para el mapeo de corrientes marinas y más de 100 km para mediciones de olas Helzel WERA. Para todos los radares oceánicos, la precisión en el rango es excelente. Con rangos más cortos, la resolución del rango se vuelve más fina. La resolución angular y la precisión dependen de la configuración del conjunto de antenas utilizado y de los algoritmos aplicados (radiogoniometría o formación de haz). El sistema WERA ofrece la opción de utilizar ambas técnicas; la versión compacta con radiogoniometría o el sistema de antena tipo array con métodos de formación de haz.
La tecnología FutureWaves fue desarrollada originalmente como un sistema de pronóstico ambiental de movimiento y de buques (ESMF, por sus siglas en inglés) para la ONR (Oficina de Investigación Naval) de la Armada por la Applied Physical Sciences Corporation de General Dynamics. La tecnología fue adaptada para su lanzamiento al mercado comercial e hizo su primera aparición pública en la Conferencia de Tecnología Offshore de 2017 en Houston, Texas.
Esta tecnología se diferencia de los sistemas de predicción de olas existentes en que utiliza un radar de detección de olas personalizado capaz de medir la retrodispersión Doppler en rangos 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 a través de 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 las olas entrantes. El resultado es una representación precisa del campo de olas incidente que se propaga y que forzará los movimientos del barco en una ventana 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 proporcionada por 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 calculada previamente. Los grados de libertad dinámicos del movimiento se representan entonces como un sistema mecánico concentrado cuyos movimientos futuros se predicen mediante la solución numérica de una ecuación diferencial acoplada, forzada y de múltiples grados de libertad con un estado inercial inicial proporcionado por las salidas del sensor de movimiento de la embarcación. La solución en el dominio del tiempo permite capturar en la previsión mecanismos de fuerza no lineales, como la amortiguación cuadrática del balanceo y los sistemas de control del balanceo.
Por último, 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 basados en la física de embarcaciones y maquinaria específicas (por ejemplo, grúas) en el sistema.
Telémetros de microondas:
El radar de microondas Doppler pulsado con rango de control:
Sensores de ondas basados en banda X:
Radar HF: