Sistema controlador/procesador multi-DSP para el radar MST perfilador de vientos de la Estación Científica Antártica Machu-Picchu

Tesis Doctoral – Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones – Universidad Politécnica de Cataluña Director: José Adrián Rodríguez Fonollosa
Martin F. Sarango Aguila	Opción A	1997

RESUMEN
Para medir los procesos dinámicos que operan en la atmósfera antártica, así como observar la actividad de Ecos Mesosféricos Polares de Verano (PMSE) en el hemisferio Sur, a comienzos de 1992 se puso inició un trabajo conjunto, Perú-USA, para la instalación y operación de un radar perfilador de vientos -también conocido como MST por Mesosfera Estratosfera y Troposfera – en el continente Antártico. El radar se ubicó en la Estación Científica Peruana «Machu-Pichu», que se encuentra en la isla «Rey Jorge» en la Península Antártica. El radar debía ser capaz de tomar medidas continuas (por ejemplo cada 5 minutos) de las componentes del vector viento total -lo que supone el procesamiento simultáneo de varias direcciones de haz. Los perfiles verticales de viento se debían obtener en los rangos de altura de 1 a 18 Km. (Troposfera y baja Estratosfera) y de 75 a 95 Km. (Mesosfera). Las dificultades logísticas y las condiciones climáticas extremas propias de la Antártida sugerían la utilización de un instrumento fácil de transportar y operar, esencialmente automático y de mínimo y fácil mantenimiento. Los requisitos impuestos al radar en su conjunto y en especial a su sistema de control y procesamiento, así como los datos aportados por la bibliografía, revelaban la necesidad de desarrollar un nuevo instrumento que hiciera frente a todas las exigencias derivadas de esta aplicación. Los sistemas existentes no cumplían simultánea y satisfactoriamente los requisitos de resolución temporal, observación continua, procesamiento multi-beam, observación de varias regiones atmosféricas no adyacentes, transportabilidad, automatismo y mínimo mantenimiento. La tesis ha tenido como objetivo global establecer la viabilidad de aplicación de una arquitectura multiprocesadora a la resolución de problemas de procesamiento Doppler en tiempo real (específicamente el procesamiento de datos en un radar MST), empleando plataformas computacionales de bajo coste basadas en DSP. El trabajo comprende todos los aspectos relacionados con el desarrollo y aplicación del sistema de control y procesamiento de datos para el radar perfilador de vientos de la Estación Científica Antártica «Machu-Pichu». El objetivo principal era la observación de la dinámica atmosférica antártica. Sin embargo, se ha conseguido una herramienta de propósito general, con un importante rango de aplicaciones, tales como: radio-astronomía, interferometría, estudios de la inestabilidad del plasma en las regiones atmosféricas ecuatoriales E y F, etc. La plataforma de implementación está basada en un PC-AT compatible y en una arquitectura multi-DSP de memoria distribuida, constituida por dos tarjetas comerciales basadas en el microprocesador AT&T WE DSP32C.
ABSTRACT
No disponible
ÍNDICE
Cero Introducción y Objetivos 0.1 0.1 La técnica MST. Historia y principios de operación 0.5 0.1.1 Breve historia de la técnica MST 0.6 0.1.2 Principios básicos de operación del radar MST 0.7 0.2 Planteamiento del problema 0.14 0.2.1 Procesamiento de señales en MST 0.14 0.2.2 Requisitos impuestos por el proyecto de instalación de un radar MST en la Antártida 0.19 0.2.3 Antecedentes de procesamiento MST basado en PC-AT compatibles: Sistema desarrollado por AL-NOAA 0.21 0.2.4 Procesadores Digitales de Señales (DSP) 0.23 0.3 Descripción de objetivos 0.25 0.4 Estructura de la tesis 0.26 Uno El radar MST 1.29 1.1 Introducción 1.29 1.2 Sistemas MST y ST 1.31 1.3 Estructura típica de un radar MST 1.32 1.4 Algunas aplicaciones 1.33 1.4.1 Aplicaciones Meteorológicas 1.34 1.4.2 Aplicaciones aeroespaciales y en aviación 1.36 1.4.3 Aplicaciones en Medio Ambiente 1.37 1.4.4 Aplicaciones académicas 1.38 1.5 Ventajas y desventajas de los radares MST 1.39 Dos Técnicas de procesamiento digital utilizadas en radares MST 2.41 2.1 Introducción 2.41 2.2 Transformada Discreta de Fourier (DFT) y FFI’: Análisis del espectro de potencia 2.43 2.3 Integración coherente 2.46 2.4 Codificación de fase y Decodificación para mejorar la resolución en alturas 2.49 2.5 Integración incoherente 2.51 2.6 Parametrización de espectros: Remoción de «ground clutter» 2.52 2.7 Generación de reportes 2.53 2.7.1 Perfiles de potencia 2.54 2.7.2 Perfiles espectrales (PSD) 2.54 2.7.3 Planos de Altura-Tiempo-Intensidad (ATI) del momento cero 2.56 2.8 Ejemplos aclaratorios 2.57 2.8.1 Requisitos impuestos al sistema digital 2.57 2.8.2 DFT e Integración 2.60 Tres El radar MST de la Estación Científica Antártica Machu-Picchu (ECAMP) 3.63 3.1 El radar de la Estación Machu-Picchu 3.63 3.2 Sistema de antenas del radar de Machu-Picchu 3.65 3.2.1 Ubicación 3.66 3.2.2 Descripción del sistema de antenas 3.67 3.2.3 Cables de alimentación a las antenas 3.69 3.3 Sistemas de transmisión-recepción 3.70 3.4 Sistema Controlador de Radar 3.73 3.4.1 Generalidades 3.73 3.4.2 Electrónica del Controlador de Radar 3.75 3.4.3 Programas del Controlador de Radar 3.77 3.5 Sistema digital de control y procesamiento de datos 3.78 3.6 Recinto blindado contenedor de los equipos digitales 3.80 Cuatro Sistema digital multi-DSP de control y procesamiento de datos 4.83 4.1 Configuración PC – DSP único 4.84 4.2 Configuración del sistema multi-procesador del radar de Machu-Picchu 4.85 4.2.1 Objetivos de diseño 4.85 4.2.2 Descripción general y flujo de la información 4.88 4.3 Módulo de Digitalización 4.89 4.4 Pre-procesador de datos o Integrador Coherente (DSP #1) 4.91 4.4.1 Requerimientos 4.91 4.4.2 Características del Integrador Coherente 4.92 4.4.3 Programación del Integrador Coherente 4.94 4.5 Procesador de Señales (DSP #2) 4.97 4.5.1 Requerimientos 4.97 4.5.2 Características del Procesador de Señales 4.98 4.5.3 Programación del Procesador de Señales 4.101 4.6 Interfase con el usuario (Consola de Operación) 4.103 4.6.1 El programa principal «JOUPWP» 4.103 4.6.2 Panel General de Comando y ejecución del programa JOUPWP 4.104 4.7 Soportes de almacenamiento 4.106 4.8 Red de comunicaciones 4.107 Cinco Observaciones atmosféricas remotas con el controlador/procesador multi-DSP 5.109 5.1 Observaciones atmosféricas en la Antártida 5.110 5.1.1 Objetivos científicos del programa peruano de estudios atmosféricos en la Antártida 5.111 5.1.2 Observaciones típicas de Troposfera y baja Estratosfera en la Estación Científica Antártica Machu-Picchu (ECAMP) 5.113 5.1.3. Observación de Ecos Mesosféricos Polares de Verano (PMSE) 5.123 5.2. Observación de ondas atmosféricas y vientos en la Estación de Piura (Perú) 5.134 5.3 Observaciones atmosféricas en el Radio Observatorio de Jicamarca (Perú) 5.138 5.3.1 El proyecto JULIA 5.138 5.3.2 Observación de vientos en Jicamarca 5.139 5.3.3 Observación del Electrochorro Ecuatorial 5.141 5.4 Otras observaciones 5.148 5.4.1 Hacer Radio-astronomía pasiva con un sistema MST: Implementación de un algoritmo rápido para correlación cruzada 5.148 Seis Conclusiones 6.155 6.1 Resumen de desarrollos 6.157 A El programa JOUPWP. Manual del Usuario A.160 A.1 El programa principal JOUPWP A.160 A.2 El Panel General de Comando A.160 A.3 Secuencia de operación del sistema A.164 A.4 Modos de reporte gráfico «en línea» A.164 A.5 Comandos «en línea» A.165 A.6 Parada del programa A.167 B Algoritmos auxiliares y de procesamiento para la generación de reportes B.168 B.1 Estimación del perfil espectral B.168 B.1.1 Sustracción de la contribución de las componentes DC B.168 B.1.2 Estimación del nivel de ruido B.169 B.2 Estimación del perfil de potencia B.170 C Programas en lenguaje ensamblador C.171 C.1 Programa de integración coherente: INTEGRAS C.171 C.2 Programa de procesamiento de señales: CODEWP C.178 D Cálculos de carga computacional y de memoria D.184 D.1 Flujo de datos ingresando al DSP #1 D.184 D.2 Flujo de datos por la interface serial D.184 D.3 Carga computacional para el DSP #1 D.184 D.4 Carga computacional para el DSP #2 D.185
CONCLUSIONES
El trabajo desarrollado en esta tesis fue motivado por el proyecto de establecimiento de un radar MST perfilador de vientos en la Antártida. Los objetivos de dicho proyecto, así como las dificultades logísticas y las condiciones climáticas extremas, propias de la Antártida, imponían una serie de requisitos al sistema de control y procesamiento de datos del radar. Los sistemas existentes no cumplían simultánea y satisfactoriamente dichos requisitos. Tanto los tiempos de resolución, como las posibilidades de observación no se acomodaban a las necesidades específicas de las investigaciones a realizar. El controlador/procesador multi-DSP desarrollado es, hasta el momento, el único sistema portátil, capaz de trabajar simultáneamente con varios canales de recepción, para observar múltiples regiones atmosféricas no adyacentes. Esto ha permitido, entre otras cosas, recoger información nunca antes obtenida, sobre las características dinámicas de la atmósfera antártica. La plataforma de implementación es innovadora, ya que ningún otro sistema utiliza múltiples tarjetas DSP. Esta característica lo convierte en el sistema basado en PC-DOS más potente que existe en la actualidad. Aunque algunos grupos de investigación se encuentran trabajando en sistemas basados en PC-UNIX, hasta el momento no ha aparecido ninguna comunicación relacionada. De acuerdo a los objetivos del trabajo de investigación, se han ejecutado múltiples experimentos de aplicación en diferentes estaciones de Sudamérica y la Antártida. Con esto se ha comprobado que el sistema no sólo cumple los requisitos impuestos por el proyecto en la Antártida, sino que puede ser utilizado para la ejecución de experimentos mucho más exigentes. El sistema está siendo utilizado por varios grupos de investigación del Perú y Estados Unidos, para el desarrollo de diversas tareas de investigación que requieren un sistema portátil, pero potente. El sistema controlador/procesador multi-DSP ha contribuido al desarrollo de tareas científicas que antes no era posible realizar por falta de una herramienta flexible, potente, portátil y de mínimo y fácil mantenimiento. Tal es el caso de la observación de ondas de montaña que se realiza actualmente en la parte occidental de los Andes, o las investigaciones de larga duración que se realizan con la gigantesca antena de Jicamarca (Perú). 6.1 RESUMEN DE DESARROLLOS • Plataforma de implementación Se ha estudiado y desarrollado un sistema controlador y procesador múltiple sobre PC que constituye el sistema portátil más potente que existe hasta el momento. La plataforma de implementación está basada en un PC-AT compatible y en una arquitectura multi-DSP de memoria distribuida, constituida por varias tarjetas comerciales basadas en el microprocesador AT&T WE DSP32C. El sistema controlador/procesador multi-DSP ofrece una gran versatilidad, igualando, e incluso superando, las prestaciones de varios de los sistemas basados en minicomputadores existentes. La concepción y desarrollo de la plataforma PC-multi-DSP es una importante contribución al área de instrumentación en Ciencias Atmosféricas. • Experimentos en la Antártida El desarrollo de este trabajo, ha contribuido considerablemente a la ejecución del proyecto de instalación del radar MST en la Antártida. Dicho proyecto es pionero en varios aspectos: El radar de Machu-Picchu es el primero de su género que se instala en la Antártida; además, las medidas realizadas con el instrumento han proporcionado información de primera mano, nunca antes obtenida. Con este sistema se han observado los primeros Ecos Mesosféricos Polares de Verano (PMSEs) en el Hemisferio Sur, que ha conducido al descubrimiento de una asimetría estacional pronunciada en la actividad PMSE Norte-Sur. • El sistema JULIA El potencial de la antena del Radio Observatorio de Jicamarca, la más grande del mundo, no podía ser explotado totalmente, hasta hace un tiempo, por la falta de un sistema de control y procesamiento con posibilidades de trabajar a baja potencia, esencialmente desatendido y con múltiples canales de recepción. Este problema ha sido resuelto gracias al desarrollo del controlador/procesador multi-DSP, como parte del sistema JULIA. Ahora, es posible realizar observaciones de larga duración, con la potencia de cálculo y versatilidad necesarias para ejecutar tareas de investigación mucho más exigentes que la sola perfilación de vientos, como por ejemplo los experimentos de rebote incoherente. Las pruebas realizadas y presentadas en esta tesis, no sólo han permitido comprobar las prestaciones del sistema, sino que han abierto nuevas líneas de investigación en el área.