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INTRODUCCIÓN

El presente trabajo muestra un estudio de evalua-ción de la capacidad de las estaciones costerasmedidoras de oleaje basadas en radar de navegaciónpara monitorizar en tiempo real la evolución espa-ciotemporal de los campos de oleaje.

El artículo está estructurado como sigue: lasiguiente sección describe brevemente el radar denavegación como dispositivo de teledetecciónactivo en el rango de las microondas. Posterior-mente se esbozan los pasos para obtener, a travésde un proceso de modelización inversa, el espectrodel oleaje a partir del espectro de la imagen radar.La sección siguiente muestra resultados compara-tivos de diversos parámetros espectrales del oleajeobtenidos a partir de las imágenes radar y de regis-tros procedentes de boyas oceanográficas. Final-mente, la última sección, presenta las conclusio-nes del trabajo.

EL RADAR DE NAVEGACIÓN COMOINSTRUMENTO DE TELEDETEC-CIÓN OCEANOGRÁFICA

Es conocido que, para distancias cercanas(alcances menores de 10 km), en las pantallas delos radares de navegación convencionales se obtie-ne una señal debida al oleaje. Esta señal, conocidapor su término inglés cómo “sea clutter”, se inten-ta suprimir para que no interfiera con la detecciónde buques o líneas de costa. Sin embargo, es posi-ble utilizar dicha señal para determinar las caracte-rísticas de los campos de oleaje y su evoluciónespacio-temporal.

La idea inicial de utilizar radares de navegaciónconvencionales para la medida del oleaje data de losaños cincuenta, aunque fue en la década de los añosochenta y, sobre todo, a finales de los noventa cuan-do se desarrollaron los algoritmos y el “hardware”necesarios para analizar las propiedades del oleajede forma fiable y en tiempo real.

Revista de Teledetección. 2006. Número Especial: 50-54

Análisis de oleaje y corrientes superficialesmediante radar de navegación en banda X

P. Izquierdo*, J. C. Nieto** y G. Rodríguez***

pizdo2002@yohoo.es, josecarlos.nieto@uah.es, grodriguez@dfis.ulpgc.es

* 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

Los radares de navegación en banda X se puedenutilizar como un dispositivo activo de teledetecciónoceanográfica en el rango de las microondas.

El presente trabajo muestra la capacidad de lasestaciones csteras medidoras de oleaje basadas enradar de navegación para monitorizar el oleaje entiempo real. Para ello, se presentan algunos resulta-dos comparatiavos con medidas in situ realizadaspor boyas oceanográficas.

PALABRAS CLAVE: oleaje, radar de navegación,espectro direccional, corrientes superficiales.

ABSTRACT

X-band marine radars are able to be used as an ocea-nographic microwave active remote sensing tool.

The present work shows the capabilities of marineradar based wave measuring stations on shore for realtime ocean wave monitoring. For that purpose, somecomparative results are shown by using oceanographicbuoy in-situ measurements.

KEY WORDS: ocean waves, marine radar, directio-nal spectrum, surface currents.

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A diferencia de otros sensores radar que operanen el rango de las microondas, como es el caso delradar de apertura sintética (SAR, “Synthetic Aper-tura Radar”) el radar de navegación proporcionaimágenes del oleaje con mayor resolución (5x5 m2

aproximadamente), aunque su área de cobertura esmenor (unos pocos kilómetros cuadrados en com-paración con los 5x10 km2 del SAR a bordo de unsatélite en modo oleaje, “wave mode”, o los100x100 km2 en modo imagen, “image mode”). Lalongitud de onda típica de la radiación electromag-nética emitida por el radar de navegación es de 3 cmaproximadamente (banda X).

Por tanto, el radar de navegación es un sistema deteledetección activo que opera a distancias cerca-nas. Esta propiedad permite instalar estaciones per-manentes basadas en esta tecnología en zonas cer-canas a la costa o en plataformas petrolíferas con elfin de monitorizar permanentemente el medio mari-no. La Figura 1 muestra un ejemplo de campo deoleaje detectado por un radar de navegación a bordode un buque en ruta.

Funcionamiento del radar de navegación

El radar de navegación opera transmitiendo pul-sos de ondas electromagnéticas focalizadas en unhaz muy estrecho. La señal recibida por el radar esoriginada por la retro-dispersión de los camposelectromagnéticos debido a las ondas capilares ydemás rugosidades de la superficie, causadas por elviento local, cuyo tamaño sea del orden de la longi-tud de onda de la radiación electromagnética inci-dente. El patrón de dispersión electromagnética estámodulado por las ondas más largas, como el mar deviento, o el mar de fondo, que son precisamente lasondas que se quieren medir. La señal recibida por elradar se digitaliza en tiempo real y se almacenacomo series temporales de imágenes. Los valoresen la imagen radar están codificados en niveles degrises, que, como ocurre en general con todos losradares, no son una función directa de las elevacio-nes de la superficie libre del mar, sino de cómodicha superficie dispersa los campos electromagné-ticos. Por tanto, a partir de la imagen radar no sepueden conocer directamente los valores absolutosde ningún parámetro físico y es necesario aplicartécnicas de modelización inversa. Estos modelostransforman los valores de la serie temporal de imá-genes radar (véase la Figura 2) en parámetros rela-tivos a los movimientos verticales de la superficielibre del mar (Nieto Borge et al., 2004).

ANÁLISIS DE OLEAJE Y CORRIENTESCON RADAR DE NAVEGACIÓN

Como se comentó en la sección anterior el aná-lisis del oleaje mediante radar de navegación sebasa en un método de modelización inversa(Izquierdo González, 2003), cuyos pasos se enu-meran a continuación:

• Obtención del especto de la imagen I(k, w)(espectro de la serie temporal de imágenes radarestimado a partir de una transformada de Fourier

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Figura 1. Imagen radar de un campo de oleaje.

Figura 2. Esquema que muestra la serie temporal de Ntimágenes radar digitalizadas que se utiliza para el análisisdel oleaje y los parámetros que definen las resolucionesen el espacio (Dx, Dy) y el tiempo (Dt).

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tridimensional), donde w es la frecuencia yk=(kx, ky) el vector número de onda.

• Filtrado de las componentes espectrales delespectro de la imagen, en el espacio de frecuen-cias w y números de onda k=(kx, ky), que no per-tenecen al oleaje (Nieto Borge et al., 2004).Para ello, se considera la relación de dispersiónde ondas de gravedad lineales

(1)

donde g es la aceleración de la gravedad, d es laprofundidad y U=(Ux, Uy) es la corriente superfi-cial. Conocida la profundidad d, y como resultadodel filtrado, al analizar la distribución de las com-ponentes espectrales en el espacio de frecuencias ynúmeros de onda, se obtiene también la estimaciónde la corriente superficial U (Senet et al. 1997).

La estimación del espectro direccional de oleajeen número de onda F(k, w) se obtiene mediante larelación de dispersión (1) y del espectro de la ima-gen I(k, w). A partir del espectro F(k, w) se deter-minan los momentos espectrales mi (i = -1, 0, 1, 2),

(2)

y, con ellos, los parámetros de oleaje correspon-dientes (Izquierdo González et al., 2005).

COMPARACIÓN CON MEDIDAS IN SITU

Con el fin de estimar la capacidad de los rada-res de navegación para medir parámetros de esta-do de mar se han utilizado los datos correspon-dientes a una estación radar en costa localizada enel Cabo de Peñas, Asturias. Se han usado datos deoleaje registrados por una boya oceanográficafondeada en las cercanías de la zona marina ilu-minada por el radar. La comparación entre losresultados procedentes de la boya y el radar serealiza a partir de la estimación del espectro deloleaje. En el caso de la boya utilizada, el registrode oleaje consiste en una serie temporal de eleva-ciones de la superficie libre. Por tanto, se obtieneinformación de los periodos de las olas detecta-das, es decir, de las frecuencias asociadas, y no delas longitudes de onda, o sus números de ondaasociados. Es decir, en vez del espectro de oleajetridimensional F(k,w), en el caso de series tempo-

rales de elevaciones de ola, se determina única-mente un espectro en frecuencia S(w), que estárelacionado con F(k,w) mediante la expresión

(3)

Por tanto, se compararán los parámetros que sederiven del espectro en frecuencia S(w) para ambossensores, la boya y el radar. Es preciso señalar queexisten boyas de oleaje que pueden determinar, ade-más de las elevaciones de las olas, algunas propie-dades direccionales del oleaje. En ese caso se pue-den comparar un número mayor de parámetros quelos derivados de la función S(w).

Resultados de la comparación

A la hora de comparar los parámetros de oleajedefinidos a partir de los momentos espectrales (2)hay que tener en cuenta cual es el valor de la fre-cuencia máxima de integración. Esta frecuencia,denominada frecuencia de Nyquist, está relaciona-da con el mínimo cambio temporal que el sensorpuede registrar. Este mínimo cambio temporalviene dado por el tiempo de muestreo Dt de la seriede datos (la serie temporal de elevaciones en el casode la boya y la serie temporal de imágenes en elcaso del radar). La frecuencia de Nyquist y su fre-cuencia angular asociada vienen dadas por la expre-siones respectivas fNy=2/Dt , o wNy=2p fNy.

Las Figuras 3 a 5 muestran la comparación losmomentos espectrales m0 (Figura 3), m1 (Figura4) y m2 (Figura 5). Cada punto de la serie tempo-ral corresponde a una medida realizada por lossensores (el radar y la boya). Se realizaba unamedida cada hora. En cada figura se muestran losresultados obtenidos por el radar y los correspon-dientes para la boya utilizando la frecuencia deNyquist propia de la boya (cruces en las figuras)y la frecuencia de Nyquist propia del radar (círcu-los en las figuras). Se observa que los resultadosse acercan más cuando se utiliza la misma fre-cuencia de Nyquist (la del radar). Esto se debe aque el radar de navegación muestrea la superficiedel mar con menor resolución temporal que laboya. Asimismo, a medida que aumenta el ordendel momento espectral las diferencias entre losresultados de la boya y el radar aumenta, ya quelos momentos espectrales de mayor orden danmayor peso a frecuencias más altas (cambios másrápidos).

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A continuación se muestran las comparaciones dediversos parámetros de oleaje obtenidos a partir delos momentos espectrales. La Figura 6 muestra lacomparación de las estimaciones del periodo mediodel oleaje Tm02 = √m0 / m2 obtenidas por la boya yel radar utilizando la misma frecuencia de Nyquist.Se observa una buena coincidencia general en losdatos, aunque en algunos registros el radar da valo-

res más altos del periodo medio (frecuenciasmedias menores) debido a los tiempos de muestreomayores que hacen que el radar no pueda medir enel dominio del tiempo todas las componentes espec-trales que mide la boya. La Figura 7 muestra lacomparación de la altura significativa Hs = 4 √m0.Se observa en general una buena coincidencia entrelas dos series de datos.

La Figura 8 muestra la comparación del valormáximo del espectro en frecuencia S(w) obtenidopara cada medida. Se observa que la serie de datoscorrespondiente a la boya presenta cambios másabruptos en el tiempo. Esto se debe a que la esti-mación espectral de la boya presenta mayor varia-bilidad estadística que la del radar. La razón se debea que los registros de la boya son medidas puntua-les, sólo se promedia en el tiempo, mientras que elradar promedia en el espacio y en el tiempo.

CONCLUSIONES

Las comparaciones mostradas en el presente tra-bajo muestran que las estaciones medidoras de ole-aje basadas en tecnología radar son un instrumentoútil para medir en tiempo real el oleaje. Comparadocon una boya, las limitaciones principales del radarse producen en aquellos casos en que existe unapresencia significativa de oleaje de periodos cortos,ya que la el tiempo de muestreo de la serie tempo-ral (dado por el periodo de rotación de la antena).Estas limitaciones no ocurren cuando el oleajemedido presenta periodos largos, como es el casodel mar de viento desarrollado y del mar de fondo.Como ventaja del radar frente a la boya hay queseñalar que el radar proporciona estimaciones delespectro del oleaje más estables y con menos varia-bilidad estadística.

Hay que indicar también que, como parte del pro-ceso de análisis de los registros del radar, se puedeestimar la corriente superficial. Como trabajo a rea-lizar en el futuro, sería útil realizar estudios compa-rativos de la corriente estimada por el radar y datosobtenidos por sensores in situ.

BIBLIOGRAFÍA

IZQUIERDO, P. 2003. Análisis de campos de olea-je con radar de navegación y medidas in situ.Tesis Doctoral. Universidad de las Palmas deGran Canaria.

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

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Figura 3. Comparación del momento espectral m0 obteni-do mediante el radar y la boya para diferentes frecuenciasde Nyquist.

Figura 4. Comparación del momento espectral m1 obteni-do mediante el radar y la boya para diferentes frecuenciasde Nyquist.

Figura 5. Comparación del momento espectral m2 obteni-do mediante el radar y la boya para diferentes frecuenciasde Nyquist.

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