Un recorrido por 45 años de historia, pasantías internacionales y lecciones clave sobre el procesamiento de señales en radares meteorológicos. Incluye compendio teórico y práctico.
Desde que escribo este blog Radares Mirando al Sur he escrito cosas sobre el procesamiento de las señales en los radares meteorológicos. Es curioso que justamente a esta asignatura fue a la que no presté mucha atención en mi carrera, a pesar de que me las «ingenié» para sacar la máxima calificación sin estudiar y muy contento yo de «mi proeza» para que luego la Vida se encargara de demostarme que fue una estupidez y para castigarme, me ha hecho dedicarme a ella toda la vida (y al momento que escribo esto ya van ¡45 años!).
Sin embargo, para nivelar las cosas, también me concedió el beneficio de haber visitado los radares más avanzados del mundo y los grupos de investigación que marcaron la punta en este campo. Nada, síganme y les cuento esta historia extraordinaria para un nacido en este pequeña isla asediada por un poderoso depredador.
Orlando El Viajero: Pasantías como científico visitante
A lo largo de mi carrera como ingeniero, he tenido la fortuna de formarme a través de estancias y pasantías que moldearon por completo mi quehacer profesional. Esta es la crónica de ese viaje de aprendizaje, que comenzó en casa y terminó recorriendo los centros de investigación más importantes del mundo
In situ: desde la raíz
Mi primera pasantía ocurrió en mi propio puesto de trabajo, sí, en el radar meteorológico MRL-5, ubicado en el Centro Meteorológico de Camagüey. Tuve tres magníficos asesores soviéticos, Ingenieros, así, con «I» mayúscula, de lo mejor que había en la Unión Soviética en el campo de los radares meteorológicos. Ellos fueron: Román Tychina, Vylori Kravtchenko y Vladímir Kazakov. Ellos me convirtieron en ingeniero de radar. En particular, Kravtchenko me empujó al adictivo asunto de los procesadores de señales (plato fuerte de este post y de mi quehacer como ingeniero toda la vida). Seguidamente tuve a Boris Koloskov que me introdujo e impulsó al procesamiento de los datos de radar.
Si bien aquella primera experiencia ocurrió in situ, en mi propio laboratorio y sobre mi radar del día a día, el camino de la ciencia me llevaría pronto a expandir los horizontes. Las siguientes etapas de mi vida no solo fueron aprendizajes, sino verdaderas pasantías como científico visitante —unas físicas, otras virtuales o epistolares— en los templos de la meteorología mundial.
El Cáucaso majestuoso y multiétnico
Por poco no voy, yo quería que fueran mis colegas; pero finalmente tuve que cubrir una de las dos plazas y fue decisivo en mi vida. Cuatro meses de entrenamiento intensivo en el Centro Antigranizo del Instituto Geofísico de la Alta Montaña, en Nalchik, República Kabardino-Balkaria. La interacción con el Profesor Magomet Tajírovich Abshaev y sus colaboradores cambió toda mi vida laboral. En especial, referente al procesamiento de señales, el Dr. Lev Grigorevich Kaplan fue un gran impulso. Volví convertido en experto en radares MRL-5 y con «cuerda» para todo lo que hice el resto de mi vida. No tengo palabras para describir el beneficio de esta pasantía y mi agradecimiento al Profesor Abshaev.
La bohemia Montreal, mon amour
Mi interacción con los sucesores del Stormy Weather Group moldeó todo mi quehacer. He estado siete veces en McGill University y en el J. S. Marshall Radar Observatory. El Profesor Isztar Zawadzki se convirtió en mi mentor para numerosos aspectos relacionados con los radares. Frederic Fabry, Alamelu Kilambi y Aldo Bellon fueron de inestimable ayuda, especialmente en lo referente al procesamiento de la información en general y al procesamiento de señales en particular, sin mencionar la herencia de Marshall y Hitschfeld a través de sus artículos seminales sobre la estadística de las señales que sirvieron de base teórica a mi tesis.
Las Rocosas, imponentes y macizas
Una breve pasantía en NCAR, en Boulder, Colorado, apenas un par de meses, se convirtió en un muy fructífero impulso. Intercambiar con Jeff Keeler, Charlie Frush, Jon Lutz, Mitch Randall, Eric Loew, Katy Kessinger, Joe VanAndel, Jim Wilson, Rita Roberts, Richard Oye, Rit Carbone, por solo mencionar a los más relevantes para el procesamiento de señales, fue indescriptible. Visité el radar S-Pol en funcionamiento y además el radar CSU-CHILL donde interactué con V. Bringi y Joshua Wurman. La estancia me permitió además visitar el radar WSR-88D de Goodland e intercambiar con el personal de explotación y servicio técnico de esa Oficina Regional. Gracias a mi estancia en Boulder, conocí al Dr. Ronald E. Rinehart y eso dio lugar a una larga muy fructífera «pasantía virtual» que se materializó en mi traducción de su libro Radar for Meteorologists al español. Indudablemente toda una escuela que me graduó de Meteorólogo de Radar y en la que tratamos numerosos aspectos del procesamiento de señales.
Norman, la ventosa y esquiva
No pude ir a la ciudad de Norman, a pesar de que estaba entre mis planes en la visita a EE.UU. Sin embargo, sí tuve una larga, fructífera y muy generosa interacción con Dick Doviak y Dušan S. Zrnić, aún desde las cartas de papel-estampilla-sobre, y nos vimos en vivo en un par de conferencias. Ellos, sin proponérselo tuvieron un papel destacadísimo en el desarrollo de los procesadores cubanos (y en mi tesis de doctorado en particular). Numerosos artículos de personalidades relacionadas con el NSSL y la Universidad de Oklahoma me fueron suministrados en distintos momentos por los autores: Edwin Kessler, Kenneth Wilk, Dale Sirmans, Ramesh Srivastava y otros. En especial deseo destacar mi relación con Roger Lhermitte, que cuando interactuamos ya no estaba en NSSL, pero los temas que me interesaban sí se referían a su etapa allí. Roger terminó haciéndome llegar, gentilmente, una copia de su importante libro. Pudiera decirse que fui visitante científico «epistolar» del NSSL (hoy se diría virtual; pero fue en una época que no había internet y las cartas demoraban 3 meses en ir y 3 en regresar). Lo cierto es que eso fue muy productivo para mí, especialmente en lo que a procesamiento de señales se refiere.
Roma, città aperta y aeterna
Tuve una larga pasantía en Roma, en el que entonces se llamaba Istituto per la Fisica dell’Atmosfera, siendo científico visitante del Dr. Eugenio Gorgucci. Ya yo llevaba años de cartas con Eugenio y con Gianfranco Scarchilli, sobre todo en lo relativo a sus destacadas innovaciones en el procesamiento de señales. Los tres meses (debió haber sido un año, pero mis responsabilidades familiares no me permitieron ausentarme de casa tanto tiempo) me facilitaron trabajar con el radar Doppler y Polarimétrico POLAR 55C. Incluso hice un aporte de programación que me permitió procesar sus datos y les quedó como una aplicación útil. Mi interés era procesar los datos y explorar el procesamiento de señales en un radar experimental que estaba a mi disposición totalmente. Fue un gran aprendizaje en lo que se refiere a señales Doppler y polarimétricas. Por supuesto, que los conocimientos aquí adquiridos fueron de fundamental importancia para el desarrollo de nuestros procesadores (el radar Doppler cubano aún no existía; faltaban más de 10 años para su desarrolloestaba). Debo mencionar que esta fructífera pasantía fue financiada por el International Center for Theoretical Physics de Trieste. Mi experiencia romana fue de cardinal importancia, Gorgucci fue un anfitrión exquisito en todos los órdenes.
Neuss, la ancestral y apacible
Tres veces he estado en la fábrica de Gematronik-Selex-Leonardo en Neuss. En cada una de las visitas tuve oportunidad de conocer de cerca diferentes aspectos de sus magníficos radares y de sus talentosos ingenieros. En mi última visita en el 2015 serví como asesor técnico para la firma de un contrato de compraventa entre el fabricante y el INAC de Nicaragua. Asesoré y medié tanto a favor de tirios como de troyanos y logré lo mejor para ambas partes y revisamos hasta el más mínimo detalle todos los aspectos del radar. En especial mi asesoría fue muy útil en el entendimiento por parte del comprador de las opciones de procesamiento de la información (señales y datos), para lograr la mejor solución técnica y todos quedaron satisfechos. Evité que el cliente pidiera que midieran todos los parámetros de su antena en un campo de pruebas en fábrica (que es un riesgo innecesario de estropear la antena con un montaje y desmontaje adicional) ofreciéndonos para medírselo nosotros en el sitio (como hicimos después de montado en Las Nubes. A la vez alerté al cliente del riesgo de no procesar en el propio radar por la posible pérdida de datos en una falla de canal de comunicación. Todo eso gracias a un estudio exhaustivo con los expertos de todo el sistema de procesamiento. En las tres ocasiones fueron varios escalones hacia arriba en el procesamiento de las señales.
Exeter, la florida y gótica
En el año 2008 recibimos una importante transferencia tecnológica de parte del servicio meteorológico del Reino Unido (Met Office). Ellos nos explicaron todo lo relacionado con su sistema Cyclops-D (hardware y software, FPGA incluido). Nosotros conocíamos muy bien toda la teoría de los demoduladores sincrónicos digitales, la digitalización en la frecuencia intermedia; pero aquí obtuvimos una experiencia práctica invaluable. Un modelo funcionando para tomar de ejemplo y hacer el nuestro. Esto fue un impulso que nos catapultó varios años adelante en el complicado mundo de los procesadores de señales y que redondeaba nuestros esfuerzos de muchos años. La interacción con Malcolm Kitchen, Tim Darlington y Mike Edwards fue de extraordinaria importancia. Visitamos además, el radar de Cobbacombe Cross. He estado tres veces en Exeter, en la sede de Met Office y mis conocimientos sobre procesamiento de señales han tenido incrementos a saltos en cada una de las visitas.
Mi legado: lo que he escrito al respecto
A lo largo de los años he intentado dejar por escrito buena parte de los conocimientos, experiencias, reflexiones e innovaciones acumulados durante más de cuatro décadas dedicadas a los radares meteorológicos. Esta selección de artículos no pretende ser un tratado académico exhaustivo, sino un recorrido accesible que lleva al lector desde las preguntas más básicas, como qué mide realmente un radar o qué representa cada punto en su pantalla, hasta aspectos más avanzados relacionados con la naturaleza estadística de las señales, el procesamiento digital, la arquitectura de los receptores modernos y el uso de tecnologías como las FPGA. También incluye temas vinculados al filtrado de ecos indeseados, el análisis espectral y las herramientas matemáticas que sustentan los radares contemporáneos. El recorrido culmina con la historia de los procesadores de señal desarrollados en Cuba, una trayectoria tecnológica de la que tuve el privilegio de formar parte y que refleja décadas de creatividad, perseverancia e innovación. En conjunto, estos trabajos constituyen no solo una explicación de cómo funcionan los radares meteorológicos, sino también el testimonio de una vida profesional dedicada a comprenderlos, diseñarlos y hacerlos evolucionar.
1. ¿Qué mide realmente un radar meteorológico?
¿Qué miden los radares meteorológicos?
Más allá de detectar lluvia, los radares modernos estiman velocidad, turbulencia, tipo de hidrometeoro y muchas otras variables fundamentales para la meteorología.
La ecuación de radiolocalización meteorológica
Desmenuza la ecuación fundamental que vincula potencia transmitida, distancia, tamaño de los blancos y sensibilidad del radar: el corazón matemático de toda observación radar.
¿Qué representa cada punto en la pantalla del radar?
Una explicación de qué hay realmente detrás de cada píxel mostrado por el radar y cómo se relaciona con un volumen concreto de la atmósfera.
2. La señal meteorológica: una materia prima sorprendentemente compleja
Señales en los radares meteorológicos
Una introducción a la naturaleza de las señales radar y a la forma en que la información atmosférica queda codificada en ellas.
¿Por qué es tan fluctuante la señal retornada proveniente de un objeto meteorológico?
Explica por qué las señales reflejadas por lluvia, nieve o granizo parecen tan erráticas y qué mecanismos físicos generan esas fluctuaciones.
El espectro: el fantasma de la ópera de los radares
Un recorrido por el dominio espectral de las señales radar y por la enorme cantidad de información que se esconde detrás de una simple distribución de frecuencias.
3. Del eco bruto a la información meteorológica
Demodulación en radares analógicos: cuando la naturaleza es el modulador
Muestra cómo la propia atmósfera modifica la señal transmitida y cómo los radares extraen de ella información útil mediante la demodulación.
Supresión de ecos de origen no meteorológico
Describe las técnicas utilizadas para distinguir la precipitación real de interferencias, ecos de terreno, aves, insectos y otros blancos indeseados.
Whitening Transform: de la decorrelación estadística al radar meteorológico
Explora cómo una poderosa herramienta estadística puede mejorar el análisis de señales radar complejas y facilitar la extracción de información.
4. La revolución digital
El receptor digital: un asalto a la frecuencia intermedia
La historia del salto tecnológico que permitió trasladar funciones tradicionalmente analógicas al mundo digital, transformando el diseño de los radares modernos.
Convirtiendo radares analógicos en digitales
Analiza los desafíos y oportunidades que surgen al modernizar radares clásicos mediante técnicas de procesamiento digital de señales.
FPGAs: el arte de dibujar tu propio procesador (y por qué tu radar te lo agradecerá)
Una introducción a las FPGAs, dispositivos que permiten construir hardware especializado capaz de procesar enormes volúmenes de datos radar en tiempo real.
5. Cuatro décadas de innovación cubana
Seis generaciones de ingenio: la evolución de los procesadores de señal en los radares cubanos
LAMULA™ DRx-DSP: La Definición de Independencia Tecnológica en Radares
Un recorrido por más de cuarenta años de creatividad e innovación tecnológica, desde los primeros procesadores desarrollados en Cuba hasta las plataformas digitales más avanzadas de la actualidad. Estoy satisfecho de que todo lo que aprendí está aplicado en los radares cubanos, no me guardé nada y todo lo dejé funcionando.
En fin, esta no es solo una historia de radares. Es la historia de cómo una asignatura que no estudié terminó enseñándome casi todo. Si estos artículos sirven para que alguien entienda mejor qué hay detrás de una señal de radar, el viaje habrá valido la pena. A mí, entender todo esto, me tomó mucho tiempo y mucho esfuerzo, no, no se me dio fácil, yo hubiese agradecido una guía como esta que les dejo aquí.
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