He narrado en otra entrada de este blog los avatares que me condujeron a trabajar desde 1981 en el Centro Meteorológico de Camagüey como “ingeniero de radar” y el largo camino que tuve que seguir para realmente llegar a formarme como tal, así como también comenté sobre los principales “culpables” de esta, mi adicción a los radares meteorológicos. Luego de haber nucleado a un colectivo (que nos dimos en llamar LADETEC, con un peculiar modus operandi) que está entre las muy pocas instituciones del mundo que pueden fabricar un radar meteorológico, muchos me preguntan ¿qué debe dominar un ingeniero que habrá de atender la tecnología de un radar meteorológico moderno? Dado que he entrenado a 33 ingenieros a lo largo de 40 años, creo tener “algo” de experiencia para dar una opinión sobre este tema.
En el año 2009, en el plenario de una conferencia de pronósticos a muy corto plazo (WMO Symposium on Nowcasting and Short Term Forecasting) efectuada en Whistler, British Columbia, Canadá, formé parte de un Panel de Países “en desarrollo”, dirigido por la Dra. Rita Roberts del National Center for Atmospheric Research (NCAR).
En mi exposición hablé de nuestros modestos avances en la sostenibilidad de los radares y de las dificultades que se presentan para los países en desarrollo para sostener este tipo de equipamiento. El Dr. Jim Wilson, un afamado especialista de Pronóstico Inmediato (también de NCAR), asombrado de nuestros logros en materia de sostenibilidad en el tiempo de radares muy viejos y su modernización, me preguntaba – in your experience ¿what should be done to get experts in weather radars and to keep them motivated to continue working on them in developing countries? Le contesté—I´m afraid a Revolution like Cuban should be done.
Porque sinceramente, el único país subdesarrollado, hasta dónde yo sé, en donde se ha podido mantener un equipo de especialistas de élite por más de 30 años (Arturo, Roberto y Leonardo, a quienes les han ofrecido deslumbrantes salarios en otros países), es en Cuba y para mi asombro, el INSMET prescindió de sus servicios cuando están en su mejor momento. En el resto de los países latinoamericanos que he visitado, los especialistas de radar, en cuanto adquieren un poco de nivel (si es que alguno lo logra), emigran hacia países desarrollados en busca de mejores condiciones de vida y de trabajo.
Así las cosas, si mi amable lector está interesado en el tema, le puedo comentar de forma resumida, cuáles son los principales tópicos que creo que debe dominar un ingeniero para poder lidiar exitosamente con un radar meteorológico moderno. No pierda tiempo y póngase a estudiar si desea ser verdaderamente un ingeniero de radar.
Tenga en cuenta mi estimado lector que cada uno de estos tópicos es toda una ciencia, expuesta en numerosos cursos, libros y sobre todo, en artículos científicos. Obviamente, el ingeniero de radar meteorológico probablemente no pueda abarcarlos todos en toda su magnitud y complejidad; pero sí tiene que tener en cuenta las principales conclusiones de cada uno de ellos que le puedan ayudar en su trabajo. Así pues, ahí van los temas:
Teoría de radiolocalización meteorológica. Teoría de la propagación de las ondas electromagnéticas. Ecuaciones de Maxwell. Atenuación, Refracción, Difracción. Objetos no meteorológicos. Objetos meteorológicos. Ecuación del radar para objetos concentrados. Ecuación del radar para objetos distribuidos. Superficie efectiva de retrodispersión. Reflectividad de los objetos meteorológicos (Distribuciones de Rayleigh, Mie, Geométrica). Velocidad de los objetos concentrados y distribuidos. Efecto Doppler. Fenómenos meteorológicos. Métodos para la detección y seguimiento de los fenómenos meteorológicos. Frentes fríos. Tormentas. Ciclones. Aeroavalanchas. Mesociclones. Tornados. Frentes de rachas. Patrones de Reflectividad de los fenómenos meteorológicos peligrosos. Patrones de velocidad de los fenómenos meteorológicos peligrosos. Vea el libro de Rinehart traducido por mí al español.
Tipos de radares, parámetros y características. Radares meteorológicos (Bandas X, C, S y sus características). Radares de Nubes (Bandas W, Ka, Ku). Radares Doppler. Alcance del radar. Resolución. Precisión. Exactitud. Rangos de medición y unidades de medida de Z, V, W. Dilema Doppler. Radares polarimétricos. Rangos de medición y unidades de medida de Reflectividad Diferencial, Fase Diferencial, Fase Diferencial específica, Coeficiente de Correlación, Coeficiente de Depolarización. Inteligencia artificial aplicada a la interpretación de las variables polarimétricas. Radares de doble longitud de onda. Canales meteorológicos en los radares aeronáuticos. Radares a bordo de aviones. Radares a bordo de satélite. Radar Meteorológico Cubano (Doppler).
Dispositivos de potencia de microondas. Parámetros y características comunes. Magnetrones, klistrones de reflexión, klistrones multi-haz, amplificadores de estado sólido. Análisis comparativo de ventajas y desventajas de cada uno. Métodos de verificación y ajuste.
Esquemas y parámetros de transmisores. Función y características generales de los módulos de salida de radiofrecuencias. Moduladores con descarga total del acumulador, y con descarga parcial del acumulador. Dispositivos de conmutación: tiratrones, semiconductores de conmutación de potencia (MOSFET, IGBT), parámetros y características. Acumuladores. Líneas formadoras de pulsos. Fuentes de suministro de potencia características y parámetros. Frentes de subida y caída de los pulsos. Potencia en el pulso. Potencia promedio. Frecuencia de repetición de los pulsos. Duración de los pulsos. Factor de llenado. Espectro de potencias de radiofrecuencias. Parámetros de los transmisores. Métodos de verificación y ajustes.
Tipos de receptores y sus parámetros. Principios de funcionamiento de los receptores súper-heterodinos. Receptores súper-heterodinos de doble conversión y de una sola conversión. Parámetros de los receptores. Ancho de banda. Rango dinámico. Señal mínima discernible. Curvas entrada-salida. Parámetros de los receptores. Métodos de verificación y ajustes.
Tipos de antena y sus parámetros. Antenas de apertura circular con emisor en el foco del paraboloide. Antenas con emisor fuera del foco del paraboloide (offset). Antenas Cassegrain y Gregorianas. Antenas de arreglos de dipolos en fase. Patrones de radiación (zona cercana y zona lejana). Principales parámetros de las antenas. Nivel de potencia de los lóbulos laterales. Ancho y forma del haz. Ganancia de la antena. Métodos de verificación. Características específicas de las antenas para radares meteorológicos polarimétricos. Influencias del tipo y parámetros de una antena en la medición de variables polarimétricas. Influencia de la antena en el procesamiento de las señales. Métodos de verificación de los parámetros de los sistemas de antena.
Dispositivos para circuitos de microondas. Teoría del paso de las radiaciones electromagnéticas en las guías de onda. Guías de onda y Coaxiales. Transiciones guía de onda-coaxial. Guías de onda rectas y curvas. Codos E y H. Guías de onda giratorias. Divisores de potencia de RF. Bocinas emisoras. Uniones y separadores de guías de onda. Conmutadores de antena (Transmisión/Recepción). Circuladores de ferrita (Magic T). Descargadores.
Receptores analógicos (Receiver Front-End). Amplificadores de radiofrecuencias de bajo ruido. Filtros de radiofrecuencias. Mezcladores (simples, balanceados, doblemente balanceados, ventajas y desventajas, criterios de uso). Filtros de frecuencia intermedia. Amplificadores de frecuencia intermedia. Divisores de frecuencia intermedia. Parámetros y métodos de verificación y ajuste.
Receptores digitales. Demodulación sincrónica. Osciladores numéricos. Multiplicadores (mezcladores digitales) Filtros digitales. Filtro FIR. Filtros IIR. Filtros en peine. Ancho de banda. Rango dinámico. Distorsiones. Relación duración de pulso/ancho de banda. Diseño de FPGA. Lenguaje VHDL. Sistemas embebidos.
Motores eléctricos. Características mecánicas. Motores de CD. Motores de CD sin escobillas. Motores de CA. Motores de paso. Motores sincrónicos de imanes permanentes. Motores de reluctancia magnética. Teoría de operación y mantenimiento de los motores.
Dispositivos de potencia para control de motores. Dispositivos semiconductores de potencia (Tiristores, TRIACs, MOSFET, IGBT) para el control de motores. Convertidores CA-CD. Convertidores CD-CD. Convertidores CD-CA. Fuentes de pulsos (Buck, Boost, Buck-Boost). Parámetros y características.
Teoría de accionamientos eléctricos de servosistemas. Lazos de control de posición, velocidad y aceleración (corriente). Estrategias de control. Regulación y ajuste. Comportamiento de los distintos motores en los accionamientos para antenas de radar. Ajustes de los lazos de control.
Posicionamiento de la antena. Teoría de operación de la conversión de la posición angular de la antena en código digital. Dispositivos codificadores. Código Gray. Dispositivos para convertir de Gray a Binario. Transmisión Serie Sincrónica. Principales parámetros y características de los codificadores (encoders absolutos). Métodos de verificación y ajuste. Protecciones.
Teoría de procesamiento de las señales. Espectro de potencia de las señales. Cálculo de los Momentos. Estadística de las señales. Independencia estadística de las señales. Número equivalente de muestras independientes. Transformada de Fourier. Transformada Z. Método de pares de pulsos. Cálculo de la Reflectividad a partir del Momento de Orden Cero. Cálculo de la Velocidad Doppler a partir del Momento de Orden Uno. Cálculo del Ancho del Espectro de Velocidades a partir del Momento de Orden Dos. Desdoblamiento de distancia. Desdoblamiento de velocidad. Principales procesadores de señales (RVP-8, RVP-900, GDRX-5, NDRX, Enigma, ASPEN-DRX). Indicadores de control de calidad. No haga como yo, no menosprecie este tópico.
Teoría de procesamiento de los datos. Conversión de coordenadas polares a cartesianas. Resolución versus precisión. Métodos de interpolación y extrapolación. Productos. Distorsión de la información en el procesamiento de datos. Cálculo de los productos. Inteligencia artificial aplicada a la detección de patrones. Supresión de artificios espurios. NEXRAD-ORPG. Principales procesadores de datos (EDGE, IRIS, RAINBOW, METRANET, FROG-MURAN). VESTA-ORPG.
Visualización de la información de radar. Imágenes de radar características y parámetros. Teoría de procesamiento de imágenes. Proyecciones geográficas. Mapas. Rejillas sobre impuestas. Marcadores. Inteligencia artificial aplicada al procesamiento de imágenes. Imágenes de radar en Internet. Las imagen4es de los radares cubanos pueden verse en Internet (con numerosas facilidades interactivas en el sitio del Centro de Radares.
Teoría de mantenimiento. Teoría de los mantenimientos y su evolución. Principales tipos de trabajos de mantenimiento. Mantenimientos correctivos y preventivos. Trabajos de medición de parámetros. Trabajos de ajuste y regulación. Trabajos de engrase y lubricación. Trabajos de limpieza y pintura. Composición física y química de los materiales para cada tipo de mantenimiento. Personal y fondo de tiempo para cada tipo de trabajo. Nosotros, en LADETEC, hemos ejecutado todo tipo de mantenimientos en los radares cubanos, desde los más simples, hasta las remodelaciones capitales.
Servicio técnico. Indicadores generales del servicio técnico. Tiempo medio entre fallas. Tiempo medio de reparación. Indicadores específicos del funcionamiento de un radar y de una red de radares. Organización del mantenimiento de una red de radares. Servicio técnico centralizado versus servicio técnico distribuido. Sistema de mantenimiento de los radares de NWS-NOAA. Organización y estructura del Radar Operation Center de la NOAA. Tercerización de los servicios. En la figura debajo pueden ver el desempeño histórico de uno de los indicadores más importantes del servicio técnico: la cantidad de observaciones que han ejecutado los radares, que es como decir, cuán útiles han sido, cuánto de información hemos podido sacar a una inversión. Como puede observarse, la cantidad de observaciones que los radares cubanos han hecho, ha sido creciente hasta el año 2021 en que las dificultades originadas por la pandemia de COVID-19 impidió mantener el ritmo. Lea esta publicación del periódico Granma para que entienda cómo se logra esta inusual independencia de fabricantes extranjeros.
Instrumentos de medición. Teoría de las mediciones. Multímetros. Osciloscopios. Ondámetros. Frecuencímetros. Medidores de potencia. Generadores de señales. Analizadores de espectros. Telurómetros. Medidores de aislamiento. Mediciones en los radares meteorológicos.
A lo largo de 41 años he impartido numerosos cursos de pre y posgrado sobre los temas mencionados. El más completo lo impartí a principios de los 90, y fue el Estudio de Posgrado auspiciado por la Universidad de Camagüey, que contó con 7 cursos de postgrado: Transmisores de radares meteorológicos, Receptores de radares meteorológicos, Sistemas de antena en los radares meteorológicos, Sistemas de accionamiento eléctrico de las antenas de radares meteorológicos, Procesamiento de las señales en los radares meteorológicos. Procesamiento de datos en los radares meteorológicos, Sistema de servicios técnicos en los radares meteorológicos. Esos cursos de postgrado los impartí con todo el rigor matemático.
He impartido otros muchos cursos (en Cuba y en el extranjero) en versión simplificada (sin los «sangrientos detalles» matemáticos); pero les puedo asegurar que cuando a los cursos les quitas el basamento matemático las personas no llegan a entender cabalmente los sistemas, es como un cuerpo con músculos y piel, pero sin esqueleto: no se sostiene. De aquel estudio de postgrado salieron los tres mejores ingenieros que han garantizado el sostén y el desarrollo de los radares meteorológicos cubanos y es porque alcanzaron gran dominio teórico y práctico de todos los sistemas de radar meteorológico con su fundamento matemático incluido.
Algunos creen que lo de la formación de ingenieros de radar es trivial y se resuelve en un cursito de 2-3 semanas, y que basta con llenar un papel en Recursos Humanos de una cosa que llaman Plan de Formación y Desarrollo. Yo, en cambio, pienso que formar un ingeniero de radar toma una vida, hay que esforzarse duramente para lograrlo. La práctica, como decía Marx, dirá quién tiene la razón. En cualquier caso, por aquí estoy todavía para compartir nuestro conocimiento con cualquiera que lo necesite dentro o fuera de Cuba.
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