Análisis de oleaje y corrientes superficiales mediante radar de navegación en banda X

P. Izquierdo

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Resumen
Los radares de navegación en banda X se pueden utilizar como un dispositivo activo de teledetección oceanográfica en el rango de las microondas. El presente trabajo muestra la capacidad de las estaciones csteras medidoras de oleaje basadas en radar de navegación para monitorizar el oleaje en tiempo real. Para ello, se presentan algunos resultados comparatiavos con medidas in situ realizadas por boyas oceanográficas.
Abstract
X-band marine radars are able to be used as an oceanographic microwave active remote sensing tool. The present work shows the capabilities of marine radar based wave measuring stations on shore for real time ocean wave monitoring. For that purpose, some comparative results are shown by using oceanographic buoy in-situ measurements.

Sujets

• Ocean waves
• Marine radar
• Ocean current

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• Publié le: 01 janvier 2006
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Extrait

10. P. Izquierdo 12/2/07 09:28 Página 50
Revista de Teledetección. 2006. Número Especial: 50-54
Análisis de oleaje y corrientes superficiales
mediante radar de navegación en banda X
* ** ***P. Izquierdo , J. C. Nieto y G. Rodríguez
[e-mail], [e-mail], [e-mail]
* Instituto Superior Técnico. Unit of Marine Technology and Engineering. Lisboa. Portugal
** Universidad de Alcalá. Escuela Politécnica Superior. Dpto. de Teoría de la Señal y Comunicaciones
*** Universidad de las Palmas de Gran Canaria Facultad de Ciencias del Mar. Dpto.d e Física
RESUMEN ABSTRACT
Los radares de navegación en banda X se pueden X-band marine radars are able to be used as an
oceautilizar como un dispositivo activo de teledetección nographic microwave active remote sensing tool.
oceanográfica en el rango de las microondas. The present work shows the capabilities of marine
El presente trabajo muestra la capacidad de las radar based wave measuring stations on shore for real
estaciones csteras medidoras de oleaje basadas en time ocean wave monitoring. For that purpose, some
radar de navegación para monitorizar el oleaje en comparative results are shown by using oceanographic
tiempo real. Para ello, se presentan algunos resulta- buoy in-situ measurements.
dos comparatiavos con medidas in situ realizadas
por boyas oceanográficas. KEY WORDS: ocean waves, marine radar,
directional spectrum, surface currents.
PALABRAS CLAVE: oleaje, radar de navegación,
espectro direccional, corrientes superficiales.
INTRODUCCIÓN EL RADAR DE NAVEGACIÓN COMO
INSTRUMENTO DE
TELEDETECEl presente trabajo muestra un estudio de evalua- CIÓN OCEANOGRÁFICA
ción de la capacidad de las estaciones costeras
medidoras de oleaje basadas en radar de navegación
Es conocido que, para distancias cercanaspara monitorizar en tiempo real la evolución
espa(alcances menores de 10 km), en las pantallas deciotemporal de los campos de oleaje.
los radares de navegación convencionales se obtie-El artículo está estructurado como sigue: la
ne una señal debida al oleaje. Esta señal, conocidasiguiente sección describe brevemente el radar de
navegación como dispositivo de teledetección por su término inglés cómo “sea clutter”, se
intenactivo en el rango de las microondas. Posterior- ta suprimir para que no interfiera con la detección
mente se esbozan los pasos para obtener, a través de buques o líneas de costa. Sin embargo, es
poside un proceso de modelización inversa, el espectro ble utilizar dicha señal para determinar las
caractedel oleaje a partir del espectro de la imagen radar. rísticas de los campos de oleaje y su evolución
La sección siguiente muestra resultados compara- espacio-temporal.
tivos de diversos parámetros espectrales del oleaje La idea inicial de utilizar radares de navegación
obtenidos a partir de las imágenes radar y de regis- convencionales para la medida del oleaje data de los
tros procedentes de boyas oceanográficas. Final- años cincuenta, aunque fue en la década de los años
mente, la última sección, presenta las conclusio- ochenta y, sobre todo, a finales de los noventa
cuannes del trabajo. do se desarrollaron los algoritmos y el “hardware”
necesarios para analizar las propiedades del oleaje
de forma fiable y en tiempo real.
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Análisis de oleaje y corrientes superficiales mediante radar de navegación en banda X
Por tanto, el radar de navegación es un sistema de
teledetección activo que opera a distancias
cercanas. Esta propiedad permite instalar estaciones
permanentes basadas en esta tecnología en zonas
cercanas a la costa o en plataformas petrolíferas con el
fin de monitorizar permanentemente el medio
marino. La Figura 1 muestra un ejemplo de campo de
oleaje detectado por un radar de navegación a bordo
de un buque en ruta.
Funcionamiento del radar de navegación
El radar de navegación opera transmitiendo
pulsos de ondas electromagnéticas focalizadas en un
haz muy estrecho. La señal recibida por el radar es
originada por la retro-dispersión de los campos
electromagnéticos debido a las ondas capilares y
demás rugosidades de la superficie, causadas por el
Figura 1. Imagen radar de un campo de oleaje. viento local, cuyo tamaño sea del orden de la
longitud de onda de la radiación electromagnética
incidente. El patrón de dispersión electromagnética está
A diferencia de otros sensores radar que operan modulado por las ondas más largas, como el mar de
en el rango de las microondas, como es el caso del viento, o el mar de fondo, que son precisamente las
radar de apertura sintética (SAR, “Synthetic Aper- ondas que se quieren medir. La señal recibida por el
tura Radar”) el radar de navegación proporciona radar se digitaliza en tiempo real y se almacena
2imágenes del oleaje con mayor resolución (5x5 m como series temporales de imágenes. Los valores
aproximadamente), aunque su área de cobertura es en la imagen radar están codificados en niveles de
menor (unos pocos kilómetros cuadrados en com- grises, que, como ocurre en general con todos los
2paración con los 5x10 km del SAR a bordo de un radares, no son una función directa de las
elevaciosatélite en modo oleaje, “wave mode”, o los nes de la superficie libre del mar, sino de cómo
2100x100 km en modo imagen, “image mode”). La dicha superficie dispersa los campos
electromagnélongitud de onda típica de la radiación electromag- ticos. Por tanto, a partir de la imagen radar no se
nética emitida por el radar de navegación es de 3 cm pueden conocer directamente los valores absolutos
aproximadamente (banda X). de ningún parámetro físico y es necesario aplicar
técnicas de modelización inversa. Estos modelos
transforman los valores de la serie temporal de
imágenes radar (véase la Figura 2) en parámetros
relativos a los movimientos verticales de la superficie
libre del mar (Nieto Borge et al., 2004).
ANÁLISIS DE OLEAJE Y CORRIENTES
CON RADAR DE NAVEGACIÓN
Como se comentó en la sección anterior el
análisis del oleaje mediante radar de navegación se
basa en un método de modelización inversa
(Izquierdo González, 2003), cuyos pasos se
enumeran a continuación:
Figura 2. Esquema que muestra la serie temporal de Nt • Obtención del especto de la imagen I(k, w)
imágenes radar digitalizadas que se utiliza para el análisis
(espectro de la serie temporal de imágenes radardel oleaje y los parámetros que definen las resoluciones
estimado a partir de una transformada de Fourieren el espacio (Dx, Dy) y el tiempo (Dt).
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P. Izquierdo, J. C. Nieto y G. Rodríguez
rales de elevaciones de ola, se determina única-tridimensional), donde w es la frecuencia y
mente un espectro en frecuencia S(w), que esták=(k , k ) el vector número de onda. x y
relacionado con F(k,w) mediante la expresión•Filtrado de las componentes espectrales del
espectro de la imagen, en el espacio de
frecuen(3)cias w y números de onda k=(k , k ), que no per-x y
tenecen al oleaje (Nieto Borge et al., 2004).
Para ello, se considera la relación de dispersión Por tanto, se compararán los parámetros que se
de ondas de gravedad lineales deriven del espectro en frecuencia S(w) para ambos
sensores, la boya y el radar. Es preciso señalar que
(1) existen boyas de oleaje que pueden determinar,
además de las elevaciones de las olas, algunas
propiedonde g es la aceleración de la gravedad, d es la dades direccionales del oleaje. En ese caso se
pueprofundidad y U=(U , U ) es la corriente superfi- den comparar un número mayor de parámetros quex y
cial. Conocida la profundidad d, y como resultado los derivados de la función S(w).
del filtrado, al analizar la distribución de las
componentes espectrales en el espacio de frecuencias y Resultados de la comparación
números de onda, se obtiene también la estimación
A la hora de comparar los parámetros de oleajede la corriente superficial U (Senet et al. 1997).
definidos a partir de los momentos espectrales (2)La estimación del espectro direccional de oleaje
hay que tener en cuenta cual es el valor de la fre-en número de onda F(k, w) se obtiene mediante la
cuencia máxima de integración. Esta frecuencia,relación de dispersión (1) y del espectro de la
imadenominada frecuencia de Nyquist, está relaciona-gen I(k, w). A partir del espectro F(k, w) se
deterda con el mínimo cambio temporal que el sensorminan los momentos espectrales m (i = -1, 0, 1, 2),
i
puede registrar. Este mínimo cambio temporal
viene dado por el tiempo de muestreo Dt de la serie(2)