Obviamente al usar la información de los radares meteorológicos estamos interesados en los «ecos», es decir los retornos, que provengan solamente de los objetos meteorológicos, es decir, que provengan de hidrometeoros. Para el lector neófito, un hidrometeoro es la manifestación física del agua en la atmósfera que los meteorólogos observan, pronostican y que los radares intentan detectar y medir. Nos referimos a lluvia nieve, granizo, cimarra, graupel, aguanieve, llovizna… Si desea más detalle de cuáles hidrometeoros puede ver el radar y cuáles no, tire un vistazo a ¿Qué miden los radares meteorológicos? Sin embargo, en este post lo que deseo tratar está referido a los ecos de origen no meteorológico. Si mi lector siente curiosidad por saber cómo los suprimimos en los radares, siga leyendo.
El haz del radar encuentra a su paso no solo a los hidrometeoros, que sería lo que nos gustaría, sino que también encuentra árboles, arbustos y cualquier tipo de vegetación elevada, edificios, torres de acueductos, torres de comunicaciones, colinas, montañas. A los retornos provenientes de estos objetos solemos llamarlos «ecos fijos», porque no se mueven con respecto al radar, a diferencia de los hidrometeoros que sí están, casi siempre, en movimiento. Hay también otro tipo de ecos que no podemos llamar «fijos», como son las bandadas de aves y murciélagos, las nubes de insectos, las cenizas de volcanes en erupción, el polvo de las arenas de un desierto, los aviones, drones y cualquier tipo de objetos volantes. En fin, hay toda una gama de objetos no meteorológicos que obviamente, desearíamos suprimir, porque ya cuando aparecen en las imágenes tienden a confundirse con las imágenes de los verdaderos objetos meteorológicos. Así pues, comencemos por cuestionarnos:
¿Hace falta suprimir los ecos no meteorológicos?
Remontemos en el tiempo hacia atrás, hacia la época en que los radares eran completamente analógicos y la información de veía en aquellos tubos de pantalla redondos, en blanco y negro que llamábamos PPI (del inglés Plan Position Indicator) y que los rusos llamaban IKO (de Индикатор Kругового Oбзора). En esos indicadores, prácticamente no se suprimían los ecos no meteorológicos, sin embargo, esto no representaba un problema para los operadores. Ellos podían identificar sin ninguna dificultad cuáles ecos eran de origen meteorológico y cuáles no. Entonces …
¿Por qué después de digitalizado surge esa urgencia por suprimirlos?
Básicamente, la respuesta es: porque aquellos indicadores los veían solo los operadores, personas muy entrenadas en ver esas imágenes. Sin embargo, hoy día, un radar culmina una observación y la imagen está disponible para el mundo entero en la Internet en cuestión de segundos. La verán, mayoritariamente, personas que no son expertas, o que aun siendo expertas en otros radares, no lo son en este radar. Les muestro a continuación una imagen que vale más que mil palabras mías. Se trata de una imagen del radar de Pico San Juan, de hoy 7 de octubre, que escribo este post, en la cual los ecos no meteorológicos (en rojo) no han sido suprimidos.
Sin embargo, si se busca otra fuente de imágenes de lluvia captadas por radar a la misma hora y día, se verá que no, que no está lloviendo a cántaros sobre las provincias centrales de Cuba y que ni siquiera hay lluvia ligera. Lo que se ve en la imagen que postea el Instituto de Meteorología son ecos no meteorológicos, originados por el relieve montañoso alrededor del radar de Pico San Juan, que en no pocos casos, las personas neófitas interpretan como lluvia sobre las provincias centrales.
Hay otro motivo más para querer suprimir los ecos no meteorológicos. Ya es muy común que todos los fabricantes suministran sus sistemas de procesamiento de datos con algoritmos de DETECCIÓN AUTOMÁTICA de fenómenos meteorológicos peligrosos, a semejanza del NEXRAD-ORPG. Estos sistemas se encargan de la detección de granizo, mesociclones, tornados, aeroavalanchas y otros fenómenos que causan gran daño. El procesamiento secundario se encarga de generar productos (CAPPI, PPI, RHI de las diferentes variables, lluvia, Reflectividad, Viento, etc., dependiendo de las capacidades tecnológicas del radar. El procesamiento terciario corre a partir de los productos y detecta los fenómenos, generando automáticamente alertas. Estos algoritmos corren bien solo si previamente los datos han sido «limpiados» de ecos no meteorológicos. De lo contrario, se genera un número importante de falsas alarmas y de fallos en la detección, porque los fenómenos se enmascararon por la presencia de los (a veces muy potentes) ecos que no son de origen meteorológico. Esta es la razón principal por la cual LADETEC asimiló e introdujo VESTA|ORPG y su visor VESTA|WebView2 en el procesamiento de la información de los radares meteorológicos cubanos.
Ah, las imperfecciones de la antena
El problema de los ecos fijos, esos que mencionamos que provienen de objetos locales (elevaciones del terreno, edificios, torres, aboles, etc.) es que provienen de las imperfecciones del patrón de radiación de la antena (los rusos le llama diagrama direccional). Si este patrón constara solamente de un lóbulo principal estrecho, bastaría colocar la antena del radar lo suficientemente alta como para que el lóbulo de radiación de la antena no interceptaría ninguno de estos objetos locales y listo, desaparecerían los ecos no meteorológicos provenientes de objetos locales.
Muy por el contrario, mientras más altos están los radares, mayor cantidad de ecos fijos tienen en sus imágenes. En Cuba esto es muy notorio en los radares de Gran Piedra, Pilón y el arriba mencionado de Pico San Juan, que son los más altos en Cuba. Esto se debe a las imperfecciones del patrón de radiación de una antena con reflector parabólico que tiene, además del lóbulo principal, otros lóbulos llamados laterales, que también chocan con objetos locales y ensombrecen aún más el panorama de los ecos fijos. Puede incluso estar libre el lóbulo principal que los lóbulos laterales se encargan de «suministrar» gran cantidad de ecos fijos. No importa cuánto eleves el ángulo de inclinación de la antena sobre la horizontal, los ecos fijos siguen apareciendo debido a los lóbulos laterales, vea el ejemplo del radar de Gran Piedra.
Y de contra, el vaivén de la propagación
Para acrecentar nuestros males estamos obligados a lidiar con los fenómenos de propagación de las ondas de radar en la tropósfera. Sabemos que las ondas electromagnéticas viajan en línea recta a la velocidad de la luz en el vacío. Sin embargo, en la tropósfera experimentan el fenómeno de la refracción. La explicación es complicada, yo les diré lo que más nos interesa con respecto a los ecos fijos. Bajo determinadas condiciones del perfil de temperatura y humedad en la troposfera se produce lo que se conoce como superrefracción, bajo la cual, el haz del radar se inclina más hacia la tierra, interceptando un número mayor de objetos locales y generando, por tanto, una mayor cantidad de ecos fijos que no aparecen en las condiciones «normales» de propagación. Esto entorpece aún más nuestros precarios esfuerzos por suprimir los ecos cuyo origen no es meteorológico. Indudablemente, hay que contar con esto y detectar automáticamente, a partir de la señal recibida, cuando ocurre la así llamada propagación anómala (superrefracción) y tomar medidas adicionales.
Instancias para la supresión de ecos no meteorológicos
Hay tres instancias en las que podemos actuar para suprimir los ecos no meteorológicos.
La primera instancia es el Procesamiento de las Señales. Esta instancia abarca la digitalización de la señal analógica, el filtrado en distancia y ángulo tiempo y la obtención de los parámetros primarios (Z, V y W). En esta instancia se pueden eliminar los ecos no meteorológicos aplicando un filtrado de paso alto en el dominio del tiempo o una supresión en el dominio de las frecuencias (solo para radares Doppler).
La segunda instancia es el Procesamiento de los Datos. Esta instancia recibe los parámetros básicos (Z, V y W) y genera los productos (PPI, RHI, CAPPI, VCUT, PSEUDO 3D, de las distintas variables). Los productos son matrices de datos, generalmente cartesianas (pero pueden ser polares también). A menos que generemos una imagen, un producto no puede ser visualizado sino como una matriz de números. En esta instancia se introducen mapas de ecos no deseados los cuales suprimen la información en cada cuadrícula. El algoritmo entonces intentan buscar un dato válido por encima y extrapolarlo, cuando los ecos fijos están cubiertos por ecos meteorológicos. Los mapas se crean usando datos de buen tiempo, promediando numerosas observaciones en las cuales no hay ecos meteorológicos. Pueden hacerse para diferentes épocas del año y también para diferentes horas del día. Los mapas de ecos fijos permiten reducir grandemente los ecos no meteorológicos.
La tercera instancia es la Generación y Visualización de Imágenes. Esta es la posibilidad final de suprimir los ecos no meteorológicos en las imágenes que se van a mostrar, ya sea en las imágenes que ve un analista en un sistema propietario o en las imágenes que se ven públicamente en la WEB.
Pueden mirar las imágenes de radar sobre Cuba que muestran los proveedores de información meteorológica (The Weather Channel, Accuweather, Weather Underground, Windy …y tantos otros).
Imagen de Accuweather:
Imagen de The Weather Channel:
Ninguno de ellos tiene acceso a los datos primarios de los radares cubanos, sino que toman (sin permiso) las IMÁGENES que muestra el Instituto de Meteorología en su sitio público (www.insmet.cu) como la del ejemplo que puse más arriba del radar de Pico San Juan. Obviamente, esos sitios no pueden aplicar supresión ni en las señales ni en los datos (porque no tienen acceso a ellos), pero, como pueden ver en la imagen de MSN que puse de segunda y en estas dos de Accuweather y The Weather Channel, ellos limpian la imagen de ecos no meteorológicos y lo hacen aplicando técnicas Inteligencia Artificial al procesamiento de las imágenes, para dar un producto de mayor calidad que el que muestra el Instituto de Meteorología.
Tranquilos, nosotros en LADETEC también sabemos desde hace mucho como capturar imágenes de radares foráneos e incorporarlas a una sola imagen con los radares nuestros por medio de la aplicación VESTA|Mosaico, programada por el ingeniero Wilfredo Pozas Pérez, he aquí la imagen para que conste (mire la fecha).
Técnicas de supresión de ecos no meteorológicos con radares convencionales (no Doppler, no Polarimétricos)
Afortunadamente, los radares de hoy en día son Doppler y Polarimétricos; pero quedan muchas radares en el mundo aún, que ni son Doppler ni son Polarimétricos. En Cuba tenemos tres radares con capacidad teórica Doppler, pero que en la práctica, actualmente, cuando escribo esto, ninguno de los tres funciona en modo Doppler, y otros cinco no disponen de esta capacidad. Ninguno de los ocho es polarimétrico y el de Camagüey, es, teóricamente, de doble longitud de onda; pero en la práctica solo ha funcionado en la banda S, como el resto de los siete.
Para los radares cubanos No Doppler, desarrollamos un supresor de ecos no meteorológicos basado en un filtro digital paso alto de segundo orden, llamado también cancelador de ecos no meteorológicos. El filtro lo programó el ingeniero Roberto Naranjo Ponce y está embebido en el propio código del sistema de adquisición VESTA|RDA. Cuando se seleccionan correctamente los coeficientes de este filtro de segundo orden, la supresión es bastante efectiva. El ajuste del filtro es engorroso y trabajoso, generalmente Roberto buscaba los coeficientes óptimos en una aplicación de MATLAB. El éxito de este filtrado radica en la perseverancia. Para que conste, les muestro, en el propio ejemplo del radar de Pico San Juan, cuan bien funciona y cómo en una radar con una respetable cantidad de ecos fijos se puede limpiar y dejar solamente la información meteorológica.
Y también en el radar de Gran Piedra funciona muy bien este filtrado.
En su momento llegamos a tenerlo funcionando y optimizado en los siete antiguos radares, una vez que fueron automatizados. Ahí tienen nuestro legado, basta reactivar el filtrado para la supresión de ecos fijos y optimizar los coeficientes del filtro de segundo orden programado en el VESTA|RDA.
En nuestros radares también tenemos implementado el método de supresión por mapa de ecos fijos. Este se ejecuta en el VESTA|Process (y por tanto, también en el VESTA|Distribuidor y en el VESTA|Mosaico), es decir, en el procesamiento de los datos. Funciona a partir de una plantilla de ecos fijos que se hace, como ya expliqué arriba, promediando numerosas observaciones de radar sin ecos meteorológicos. La propagación anómala hace bastante inefectivo este método; pero no así el cancelador en el procesamiento de señales. El método no es solo eliminar las cuadrículas marcadas como ecos fijos en la plantilla, se impone buscar a ver si hay datos en el nivel superior y entonces extrapolarlos a la celda donde se eliminó el eco fijo.
Técnicas de supresión de ecos no meteorológicos con radares Doppler (no Polarimétricos)
Con los radares Doppler las cosas son un poco más sencillas. En el procesamiento de las señales se puede implementar la supresión de los componentes con frecuencias cercanas a cero, que implica velocidad cero. Es decir, los ecos fijos, prácticamente, no tienen fluctuación, por tanto, sus componentes espectrales están cercanas a cero y se suprimen con filtro en el dominio de las frecuencias.
A veces hay ecos meteorológicos que se mueven muy poco, como lluvia estática ligera, que prácticamente no fluctua. En ese caso, el filtrado Doppler la va a suprimir. En el filtrado Doppler, se parametriza el ancho del filtro para definir qué componentes se dejan pasar y cuales no, y se parametriza la atenuación que introduce el filtro (30, 40, 50 dB). Mientras mayor es la atenuación, más agresivo es el filtrado, mejor suprime los ecos no meteorológicos; pero …más afecta a los ecos meteorológicos. Como en todo, hay que buscar un compromiso.
Al igual que el NEXRAD-ORPG, el VESTA-ORPG dispone del algoritmo de detección y supresión de ecos producidos por propagación anómala que hayan logrado «burlar» el filtro Doppler.
Técnicas de supresión de ecos no meteorológicos con radares Polarimétricos
Los radares modernos, prácticamente, ya todos son polarimétricos. Los radares polarimétricos disponen de un clasificador de partículas que determinan muy bien si se trata de agua, hielo, granizo, nieve …y claro, si el eco es de origen no meteorológico (sea fijo o no) le resulta más fácil detectarlo y suprimirlo que si el radar es solamente Doppler. Las variables polarimétricas (ZDR, PHIDP, KDP, RHOHV y otras) son aplicadas a un algoritmo de lógica Fuzzy que puede identificar cuando se trata de ecos, no solo fijos (árboles, edificios, torres, colinas) sino también clasifica a aves, insectos, aeronaves, cenizas volcánicas. Lo logra basándose en la diferencia de amplitud y la fase entre la polaridad horizontal y vertical. Si desea puede leer el post Doble polarización: ventajas y …¿desventajas?.
Variables Polarimétricas para la Supresión de Ecos No Meteorológicos
| Variable Polarimétrica | Valores Típicos para Precipitación | Valores Típicos para Ecos no Meteorológicos (ej: Eco Terrestre) | Utilidad para la Supresión |
|---|---|---|---|
| Coeficiente de Correlación Cruzada Copolar (ρHV) | Alto (≥ 0.95) | Bajo | Excelente discriminador; valores bajos indican blancos no uniformes y no meteorológicos. |
| Reflectividad Diferencial (ZDR) | Varía con el tamaño/forma de la gota (positivo para lluvia) | Puede ser errático o cercano a cero | Ayuda a identificar granizo (ZDR bajo) y a distinguirlo de gotas de lluvia grandes. |
| Tasa de Despolarización Lineal (LDR) | Baja (ej., hasta -40 dB para partículas esféricas) | Más Alto | Indica formas irregulares o fases mezcladas; útil para detectar hielo o granizo que gira. |
*****
A pesar de que como grupo de desarrollo LADETEC logró resultados científicos demostrados en la práctica en la supresión de ecos no meteorológicos, yo, como jefe del Servicio de Vigilancia Meteorológica por Radar en Cuba, no logré consolidar estos resultados de modo de lograr una supresión efectiva de ecos no meteorológicos de forma operativa en todos los radares todo el tiempo.
En mi descargo puedo decir que éramos solo cuatro (en nuestro mejor momento solo fuimos siete) ingenieros de radar desarrollando cosas e implementándolas en la práctica. El principio de que los ingenieros que desarrollaban también repararan, dieran mantenimiento y montaran radares fue muy bueno para elevar el nivel técnico del grupo; pero tiene el inconveniente de que no podíamos abarcar el cúmulo de tareas operativas que generaban nuestras propias innovaciones en el servicio. No obstante, hicimos y mantuvimos funcionando las herramientas y algoritmos para la supresión de ecos fijos en radar no Doppler y no Polarimétricos, con bastante efectividad.
Hicimos muchas cosas y otras muchas se quedaron sin hacer. A otros les tocará o bien recoger nuestro legado y llevarlo a niveles superiores o cargar con la derrota de dejar desaparecer los radares cubanos. El ministro del CITMA, doctor Armando Rodríguez Batista tiene la palabra y la encomienda. Le deseo éxitos.
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