Epopeya del Doppler Cubano-1. Cuando era solo un deseo etéreo

«Epopeya del Doppler-1» narra el fascinante viaje de un ingeniero cubano hacia la creación de un radar Doppler en condiciones de aislamiento tecnológico. Desde los años 80 hasta mediados de los 90, esta historia real combina la ingeniería de radares meteorológicos, la teoría estadística de señales y la tenacidad personal. Descubra cómo un ingeniero autodidacta, asesorado por soviéticos y alimentado por artículos científicos occidentales, sentó las bases del primer radar Doppler cubano, culminando en el diseño de un sistema completamente automatizado que desafió las limitaciones técnicas de su época.

«Cuando era solo un deseo etéreo» es el relato en primera persona de un viaje intelectual y profesional de más de una década, que transformó a un joven ingeniero de radar convencional en el artífice teórico del primer radar Doppler cubano. Este primer capítulo abarca desde su llegada al Centro Meteorológico de Camagüey en 1981 hasta la culminación del Sistema ARGOS en 1993, un período donde el autor se aproximó al Doppler a través de dos caminos paralelos: el práctico, impulsado por un dispositivo analógico soviético de detección de turbulencia, y el teórico, forjado en una pasantía en Nalchik y en el estudio obsesivo de la teoría estadística de señales y los artículos científicos de vanguardia. Este texto es un testimonio de cómo la curiosidad, el intercambio con asesores soviéticos y colegas cubanos, y la capacidad de aprender de fuentes de ambos bloques geopolíticos, permitieron consolidar los conocimientos necesarios para, a pesar de las limitaciones tecnológicas, tener ya «la bala del Doppler en la recámara» cuando en 1994 comenzó el diseño del radar meteorológico cubano.

El sueño visto a través de un caleidoscopio

No recuerdo con certeza cuándo tuve conciencia de que haría un radar Doppler. Cuando empecé a trabajar, ante mí se abría un mundo nuevo. Tenía que asimilar toda la circuitería de un radar convencional, pero complejo (el MRL-5). Contaba con asesores soviéticos que me conducían para convertirme en un buen ingeniero de radar.

En este capítulo narraré las cosas que me empujaron camino al Doppler en el periodo entre mi llegada al Centro Meteorológico de Camagüey en 1981 y la culminación del Sistema ARGOS, hacia finales de 1993, cuando ya el radar MRL-5 de Camagüey simultaneaba observaciones manuales y ejecutaba totalmente, sin control humano, observaciones completas de la atmósfera. En esos años me acerqué a los radares Doppler en dos direcciones diferentes: una práctica y otra teórica.

El Dispositivo Indicador de Turbulencia y su empuje práctico

En 1983, los soviéticos del Observatorio Aerológico Central de Moscú —los mismos que habían adquirido el radar MRL-5 y hecho que los fabricantes de Electromash lo montaran en Camagüey— trajeron e implantaron un equipo denominado Dispositivo Indicador de Turbulencia (DIT; en ruso, Устройство индикации турбулентности), diseñado para radares no-Doppler. Este equipo había sido montado con éxito en varios radares MRL-5 en la Unión Soviética para dar un mejor servicio a la aviación. Dado que en Cuba se desarrollaban desde 1982 experimentos de incremento artificial de las precipitaciones, quisieron probarlo en condiciones tropicales.

El DIT medía la diferencia de fase entre dos muestras de la señal recibida dentro de una misma realización —es decir, en un mismo periodo de sondeo entre un pulso transmitido y el siguiente. No se tomaba muestra de la fase transmitida (como se hace en los radares Doppler), así que no había una referencia absoluta, solo relativa (un demodulador de fase, pero no sincrónico). Eso significaba que no se medía la velocidad real del viento, sino la fluctuación de la señal, pero era un paso adelante. Las muestras estaban espaciadas unos 300 metros (2 microsegundos), y los soviéticos me explicaron que esa escala de turbulencia era la más dañina para los aviones.

Las diferencias de fase se comparaban de un periodo al siguiente mediante un filtro IIR de paso alto de primer orden, que daba una idea de la fluctuación de la diferencia de fase; esto a su vez se correlacionaba con la turbulencia. Era un dispositivo analógico. Para poder restar las diferencias había que “memorizar” la muestra del periodo anterior. En esa época la única forma era hacer pasar la señal por una línea de retardo —una línea larga— de un milisegundo, y hacer que esa línea dictara el periodo de repetición de los pulsos del transmisor.

Nuestro gran científico Mario Carnesoltas, a la sazón trabajador de la DAAFAR, solía venir frecuentemente al Centro Meteorológico de Camagüey. Obligadamente hablábamos de nuestros radares aerológicos, que era su interés primordial por su trabajo, pero siempre sosteníamos largas charlas de todo tipo de cosas. Al enterarse del DIT, en un viaje posterior me trajo al teniente coronel Boffil, también de la DAAFAR. Este estaba vivamente interesado en la detección de fenómenos del viento con radar meteorológico. Hablamos del DIT y caímos en el tema de los radares Doppler. Fue como prender una chispa. A partir de ahí me interesé por aprender todo sobre los fenómenos del viento, la turbulencia, la cizalladura y, por supuesto, los radares Doppler, que aún no eran una realidad operativa ni en los Estados Unidos.

Desde el punto de vista instrumental, el DIT me hizo estudiar con ahínco la estabilidad de los osciladores locales (oscilador heterodino) y entender la esencia del Doppler-en-la-recepción y de los llamados STALO (Stable Local Oscillator). También, como colateral, me llevó a estudiar la estabilidad de fase de los magnetrones (convencionales y coaxiales) y de los klistrones como amplificadores de salida de los transmisores —muy poco usados en radares entonces, pues reinaba el magnetrón como dispositivo de salida en los radares meteorológicos.

El curso en Nalchik y la teoría estadística de las señales

En 1985 asistí a una pasantía de cuatro meses en “la mata” de los MRL-5, en Nalchik, con el profesor Magomet Tajírovich Abshaev. Allí aprendí todo lo que se puede aprender de transmisor, receptor, accionamiento de antena y la antena misma, desde el punto de vista ingenieril. Con respecto al Doppler, lo relevante fue el receptor.

También —¿cómo si no?— me deslicé gustosamente por la física de la atmósfera para entender la detección del granizo, y logré consolidar no solo la ecuación del radar, sino también la física de la propagación de las ondas, sobre todo la dispersión en diferentes longitudes de onda, base del método de detección de granizo empleado por ellos y sustento teórico de la ingeniería de los MRL-5. El tema de la dispersión también resultaría relevante para el futuro radar Doppler.

Y por último, un bonus: Lev Grigorievich Kaplan, doctor en Ciencias Fisicomatemáticas pero ingeniero de radar. Kaplan había sido jefe del Departamento de Transmisores en el instituto de Leningrado que diseñó los radares MRL-1, MRL-2 y finalmente el MRL-5. A él le exprimí el zumo con respecto al transmisor, pero lo más importante que me aportó fue una buena zambullida en la Teoría de la Comunicación Estadística, que a la postre resultó fundamental para mi tesis de doctorado y también para el Doppler. La estimación de los momentos del espectro de potencias Doppler es netamente un asunto estadístico; sin esa comprensión no habría podido avanzar en la práctica de un procesador Doppler.

La teoría del Radar Doppler

Tenía, por otro lado, a mi amigo y compañero de trabajo Juan Carlos Antuña, que se apertrechaba de artículos científicos “occidentales” —es decir, no soviéticos— sobre el uso del radar. Gracias a él conocí la obra de los líderes del procesamiento de señales en Estados Unidos. Eso no me resultaba contradictorio, porque mi segundo asesor (ya lo he contado con lujo de detalles aquí) me tiraba hacia los procesadores de señales.

Tenga en cuenta mi lector que en Estados Unidos el radar Doppler era aún un deseo. Cuando yo comencé a trabajar, recién había terminado el proyecto JDOP para demostrar la factibilidad y la conveniencia de que el Servicio Meteorológico de Estados Unidos dispusiera de radar Doppler. A nosotros esos truenos nos llegaban muy de lejos.

Lo que sí puedo asegurar es que mi punto de partida fue el número GE-17 de la revista IEEE Transactions on Geoscience Electronics, donde R. J. Doviak fue el editor. En ese número aparecieron varios artículos sobre la estimación de los momentos Doppler, la ecuación del radar y otros muy interesantes para mí —tan interesantes que motivaron el tema de mi tesis de doctorado. Gentilmente, Dick Doviak me había enviado un ejemplar de esa edición especial.

Me aferré a ese número como a un amuleto hasta que creí haber entendido todas las ecuaciones de cómo se procesan las señales para extraer la información de reflectividad, velocidad y ancho espectral. Me costó mucho esfuerzo y horas robadas al sueño. No tenía a quién preguntar.

Así que allá por el año 1986 yo tenía una idea bastante clara de la teoría del procesamiento de señales en radares Doppler. Por otra parte, ya a esas alturas dominaba bastante bien también, la teoría de los transmisores y receptores de radar y las peculiaridades de los receptores Doppler. Los asesores soviéticos decían que yo era «el hombre» de los radares meteorológicos en Cuba. Los jefes del Instituto de Meteorología tardaron más de 10 años en darse cuenta.

No obstante, mis posibilidades prácticas no incluían fabricar un procesador Doppler. No tenía un conversor analógico-digital rápido de al menos 8 bits, ni disponía de memorias lo suficientemente rápidas para hacer operaciones de cálculo de los momentos del espectro de potencias Doppler en tiempo real. La posibilidad de un radar Doppler era muy lejana. Por tanto, me dediqué con ahínco a avanzar en lo que sí podía hacer: automatizar la adquisición de la información de la amplitud recibida (para el cálculo del espectro de orden cero: la reflectividad) y en la automatización del control del radar..

El Estudio de Posgrado: el crisol donde se forjó el Doppler

La famosa frase atribuida a Albert Einstein —«No entiendes realmente algo a menos que seas capaz de explicárselo a tu abuela»— resalta que la verdadera comprensión implica simplificar conceptos complejos. Eso me sucedió a mí. Llevaba ya doce años aprendiendo diferentes materias relacionadas con transmisores y receptores de radares meteorológicos, teoría estadística de las señales, física de la atmósfera y las distintas variantes de la electrónica (analógica, digital, de potencia). Para mí mismo había llegado la hora de acabar de organizar todo ese conocimiento para perfilar el Radar Meteorológico Cubano: sería completamente automático (sin mando humano), completamente computarizado, y también sería Doppler, aunque aún estábamos lejos de tener la base material para eso.

Así pues, en 1993, haciendo valer mi condición de Profesor Adjunto de Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Camagüey, organicé para mis compañeros un Estudio de Posgrado llamado Sistemas de Radar Meteorológico. Lo concebí con los siguientes cursos: Sistemas de Radar, Transmisores, Receptores, Antenas (incluyendo el accionamiento y la teoría de antenas), Procesamiento de las Señales (el pollo del arroz con pollo del Doppler), Procesamiento de los Datos (la presentación final del Doppler) y Sistemas de Suministro Eléctrico (con toda la novedad de las fuentes de pulsos). Yo aprendía y consolidaba mis conocimientos al exponérselos a una pléyade de ingenieros muy talentosos.

Al finalizar, ya estábamos nivelados. Ellos, más talentosos que yo, habían obtenido un atajo de diez años en el camino al Doppler. Para el mundo exterior se trataba solo de la automatización de un radar MRL-5, y así se llamó hasta que en 2004 salió a la luz pública la palabra Doppler. Pero en 1994 nosotros comenzábamos el diseño de la maqueta del Radar Meteorológico Cubano. La bala del Doppler ya estaba en la recámara. Solo que nadie lo sabía.