SECRETARIA DE CIÊNCIA, TECNOLOGIA E
INOVAÇÃO DA MARINHA
Revista Pesquisa Naval
Número 22 – Ano 2009
Brasília – 2009
ISSN 1414-8595
REVISTA PESQUISA NAVAL
COMISSÃO EDITORIAL (“Referees”)
PATROCÍNIO
SECRETARIA DE CIÊNCIA, TECNOLOGIA E
INOVAÇÃO DA MARINHA – SecCTM
Dr. Alex Cardoso Bastos - UFES
Dr. Alexandre Ricardo Soares Romariz - UnB
Dra. Andrea Lago da Silva - UFSCar
Dr. Armando de Azevedo Caldeira Pires - UnB
Dr. Artur de Jesus Motheo - USP
Dr. Benjamín René Callejas Bedregal - UFRN
Dr. Carlos Barros Montez - UFSC
Dr. Davies William de Lima Monteiro - UFMG
Dr. Edmo José Dias Campos - USP
Dr. Eduardo Augusto Bezerra - UFSC
Dr. Elcio Hideiti Shiguemori - IEAv
Dr. Ettore Apolônio de Barros - EPUSP
Dr. Fabiano Passuelo Hessel - PUCRS
Dra. Graçaliz Pereira Dimuro - FURG
Dr. José Antonio Malmonge - UNESP
Dr. Luiz Flávio Autran Monteiro Gomes - IBMEC/RJ
Dr. Márcio Luiz de Andrade Netto - UNICAMP
Dr. Marco Antonio Grivet Mattoso Maia - PUC-RIO
Dr. Marco Aurélio Amaral Henriques - UNICAMP
Dr. Marco Aurélio Spohn - UFCG
Dr. Marco Túlio Carvalho de Andrade - EPUSP
Dr. Marcos do Couto Bezerra Cavalcanti - UFRJ
Dra. Maria Augusta Soares Machado - IBMEC
Dr. Mehran Misaghi - SOCIESC
Dr. Newton Cesario Frateschi - UNICAMP
Dr. Orlando José Tobias - FURB
Dr. Roberto Koji Onmori - EPUSP
Dra. Silmara das Neves - USF
Dr. Victor Dmitriev - UFPA
Dr. Vinícius Medina Kern - UFSC/IS
EDITOR-CHEFE
V Alte NEY ZANELLA DOS SANTOS
Secretário de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha
EDITORES ADJUNTOS
C Alte (EN) MAURILLO EUCLIDES FERREIRA DA SILVA
Diretor do Instituto de Pesquisas da Marinha – IPqM
C Alte MARCOS NUNES DE MIRANDA
Diretor do Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo
Moreira – IEAPM
C Alte LISEO ZAMPRONIO
Diretor do Centro de Análises de Sistemas Navais – CASNAV
CONSELHO EDITORIAL
CMG ODILON LEITE DE ANDRADE NETO
CF (EN) CARLOS MAX MARTINS PIMENTEL
CF (EN) EMILSON GONÇALVES PAULO
CF (T) SÉRGIO ALEXANDRE C. DE LIMA CASTRO
2º SG-ED SUED DE SOUZA LIMA EVANGELISTA
EDIÇÃO
SECRETARIA DE CIÊNCIA, TECNOLOGIA E
INOVAÇÃO DA MARINHA – SecCTM
REVISÃO ORTOGRÁFICA E NORMALIZAÇÃO DE
REFERÊNCIAS
Profª VALÉRIA F. DE NEGRI – FGV/RJ
Profª Mª ALICE COELHO – SME/RJ
CAPA
Logomarca do Núcleo de Inovação Tecnológica da Marinha – NIT-MB.
A Revista Pesquisa Naval tem como missão proporcionar à comunidade científica um canal formal de comunicação e de disseminação da
produção técnico-científica nacional, por meio da publicação de artigos
originais que sejam resultados de pesquisas científicas e que contribuam
para o avanço do conhecimento nas áreas de interesse da MB.
Os artigos aqui publicados não refletem a posição ou a doutrina da
Marinha e são da responsabilidade dos seus autores.
Revista Pesquisa Naval / Serviço de Documentação da Marinha
v. 1, n. 1, 1988 – Rio de Janeiro – RJ – Brasil – Marinha do Brasil
Anual
Título Abreviado: Pesq. Nav.
ISSN 1414-8595
1. Marinha – Periódico – Pesquisa Científica. Serviço de Documentação
da Marinha
CDU 001.891.623/.9
CDD 623.807.2
Revista Pesquisa Naval
SUMÁRIO
Apresentação
Vice-Almirante NEY ZANELLA DOS SANTOS
Secretário de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha .......................................................................................... 7
AMBIENTE OPERACIONAL
Estudo das massas de água no Oceano Austral durante o verão de 2008
Carina Novak Laprea, Marcia Helena Moreira Valente, Nathália Oliveira de Castro ............................................. 9
Investigações geoacústicas do fundo marinho ao largo de Arraial do Cabo – RJ
Capitão-de-Corveta (T) Isabel Cristina Vendrameto Peres Simões, Alberto Garcia de Figueiredo Jr................ 17
ENERGIA
A vibração torcional como ferramenta de diagnóstico de defeitos na combustão dos cilindros de motores diesel geradores
Capitão-de-Fragata (RM1) João do Espírito Santo Lima, Carlos Rodrigues Pereira Belchior ............................. 24
MATERIAIS ESPECIAIS
Efeito do emprego de diferentes técnicas de dopagem na absorção de microondas de compósitos de
PAni-DBSA com policloropreno
Magali Silveira Pinho, Roberto da Costa Lima, Ana Paula Santiago De Falco, Bluma Guenther Soares,
Regina Celia Reis Nunes ................................................................................................................................................. 32
PROCESSOS DECISÓRIOS
O emprego da tabela de decisão Fuzzy na estruturação do conhecimento no processo de classificação de alvos
Capitão-de-Fragata Cleber Almeida de Oliveira, Karl Heinz Kienitz, Mischel Carmen N. Belderrain.............. 38
SENSORES, GUERRA ELETRÔNICA E GUERRA ACÚSTICA
Acompanhamento de alvos-radar utilizando filtragem de Kalman e vetor de estados com dimensão variável
José Ricardo Potier de Oliveira ...................................................................................................................................... 49
Filtros optoeletrônicos de microondas não-recursivos para aplicações em radar e em guerra eletrônica
Capitão-de-Corveta (EN) Carla de Sousa Martins, Capitão Olympio Lucchini Coutinho,
William dos Santos Fegadolli, Prof. José Edimar Barbosa Oliveira ......................................................................... 56
CIBERNÉTICA (TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO) E COMUNICAÇÕES
Sistemas de telecomunicações MC DS CDMA com estimação cega de canal baseada no
método de subespaço e na técnica de potência
Deolinda Fontes Cardoso, Fabian David Backx, Raimundo Sampaio Neto .......................................................... 66
CONTRIBUIÇÕES ESPECIAIS
Criação e implantação do Núcleo de Inovação Tecnológica da Marinha (NIT-MB)
Capitão-de-Mar-e-Guerra (RM1) João de Amorim Litaiff Júnior, Capitão-de-Fragata (RM1-T) Wismiley
Oliveira Franco, Suboficial (RM1-MT) Paulo Roberto dos Santos Nascimento ................................................... 75
Apresentação
Ao apresentar esta 22ª edição da Revista Pesquisa Naval (RPN), dirijo-me aos leitores para expressar
minha satisfação em levar à comunidade científica mais uma coletânea de artigos, que confere ao
periódico a importante função de disseminar o conhecimento científico multidisciplinar nas áreas de
interesse da Marinha do Brasil.
Alinhada ao novo Plano de Desenvolvimento Científico-Tecnológico e de Inovação da Marinha, a
RPN, além de adotar uma nova dinâmica nos processos editoriais e de controle da qualidade dos
artigos publicados, utiliza o Sistema Eletrônico de Editoração de Revistas (SEER) para elevar o nível
de avaliação no Sistema QUALIS.
Esta edição apresenta uma contribuição especial ao abordar a criação e a implantação do Núcleo de
Inovação Tecnológica da Marinha (NIT-MB), responsável pela gestão da inovação na Marinha.
A Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha agradece aos nossos colaboradores
ad hoc pelo trabalho desenvolvido no processo de avaliação dos artigos submetidos a esta revista. Tais
esforços contribuem para a melhoria da qualidade da produção científica. Boa leitura!
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 7
7
AMBIENTE OPERACIONAL
Estudo das Massas de Água no Oceano Austral
durante o Verão de 2008
Carina Novak Laprea, B.Sc.
Centro de Hidrografia da Marinha
E-mail: [email protected]
Marcia Helena Moreira Valente, M.Sc.
Centro de Hidrografia da Marinha
E-mail: [email protected]
Nathália Oliveira de Castro
Universidade Estadual do Rio de Janeiro
E-mail: [email protected]
Resumo
Este artigo apresenta os resultados obtidos de dados de CTD
coletados durante a OPERANTAR XXVI, abrangendo a área
localizada entre as latitudes de 42°S e 61°S, com o objetivo de
acompanhar a trajetória das massas d’água que contribuem para
a circulação das águas em terras brasileiras. Nas estações oceanográficas próximas à Passagem do Drake, nota-se a presença
da Antarctic Surface Water (ASW), restrita aos primeiros 200m
e o predomínio da Circumpolar Deep Water (CDW) em quase
toda a coluna d’água. Na região da Bacia Argentina, observa-se
a Subantartic Surface Water (SASW), com o núcleo de salinidade
34.1 localizado a 300m; a Antarctic Intermediate Water (AAIW),
fluindo abaixo da SASW até a profundidade máxima de 1000m e a
North Atlantic Deep Water (NADW) observada com um máximo de
oxigênio abaixo de 2000m. Foi possível determinar a localização
da PF, SACCF e SBACC na região de estudo.
Palavras-chave
CTD. Antártica. Frente Polar. Massas D’água.
Study of water masses in the southern ocean
during summer of 2008
Abstract
This article presents results of CTD data collected during
OPERANTAR XXVI, covering the area located between latitudes
of 42°S and 61°S, in oreder to monitor the pass of water masses
that contribute to the movement of water on Brazilian soil. In
oceanographic stations near Drake Passage, the presence of
Antartic Surface Water (ASW is noted, , restricted to the first
200m, and the predominance of Circumpolar Deep Water (CDW)
in almost the entire water column. In the Argentine Basin region,
the Subantartic Surface Water (SASW), with 34.1 salinity core
located 300m; the Antartic Intermediate Water (AAIW), flowing
down from the SASW until the maximum depth of 1000m; and
the North Atlantic Deep Water (NADW), observed with maximum
oxygen below 2000m. it was possible to determine the location
of PF, SACCF and SBACC in the area of study.
Keywords
CTD. Antarctic. Polar Front. Water Masses.
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1 INTRODUÇÃO
Devido à intensa e constante troca de propriedades
físicas, químicas e biológicas entre as três
maiores bacias oceânicas, o Oceano Austral
tem papel crucial no sistema climático global.
A repercussão dos fenômenos e dos processos
meteo-oceanográficos que ocorrem no Oceano
Austral, fazem dessa região objeto de grande
interesse para a comunidade científica. À Marinha
do Brasil, em especial, interessa a coleta de
dados ambientais que permitam a melhoria do
conhecimento das propriedades físico-químicas
da água do mar e das previsões de parâmetros
oceanográficos e meteorológicos no Atlântico Sul.
O Oceano Austral é limitado ao sul pelo continente
Antártico e ao norte pelo limite sul da Zona
de Convergência Subtropical (ZCS) ou Frente
Subtropical (STF – Subtropical Front), local de
encontro da Corrente do Brasil e da Corrente das
Malvinas, região essa responsável pela formação
e dispersão de frentes atmosféricas e de correntes
oceânicas que interferem no padrão de ventos e
na circulação das regiões sul e sudeste brasileiras.
A circulação regional do Oceano Austral é dominada
por um fluxo oriental induzido topograficamente,
denominado Corrente Circumpolar Antártica
(ACC - Antartic Circumpolar Water) (Orsi et al.,
1995). A ACC penetra no Oceano Atlântico por
meio da Passagem do Drake e devido a fortes
jatos de correntes que se encontram dentro da
ACC, fazem com que ela se apresente em quatro
frentes oceanográficas distintas que circundam o
Oceano Austral. De norte a sul são elas: Frente
Subantártica (SAF - Subantartic Front), Frente
Polar (PF - Polar Front), Frente Sul da Corrente
Circumpolar Antártica (SACCF - Southern Antartic
Circumpolar Current Front) e Limite Sul da Corrente
Circumpolar Antártica (SBACC - Southern Boundary
Antartic Circumpolar Current) (Orsi et al., 1995).
9
CARINA NOVAK LAPREA / MARCIA HELENA MOREIRA VALENTE / NATHÁLIA OLIVEIRA DE CASTRO
A interação das frentes da ACC com a batimetria
de fundo e com o fluxo para norte das águas que
saem do Mar de Weddell fazem com que a SAF e
a PF atravessem o Platô das Falklands (Peterson
& Withworth, 1989), atingindo a Bacia Argentina.
Essa interação torna a região um local de forte
mistura e intensa modificação de massas d’água
(Heywood et al., 2002).
FIGURA 1
Localização das estações oceanográficas
realizadas durante as Operações Antárticas
XXIV, XXV e XXVI. Os círculos sólidos
(vermelho) representam as estações utilizadas
para análise no presente trabalho.
O presente estudo dá continuidade à pesquisa
efetuada durante as OPERANTAR XXIV e XXV
(Valente et al., 2006) na busca pela caracterização e
pela localização das massas d’água que contribuem
para a circulação das águas na porção oeste do
Atlântico Sul e na identificação de fenômenos
de interface como a Frente Polar e a Zona de
Convergência Subtropical.
2 METODOLOGIA
A presente comissão, realizada pelo Navio de
Apoio Oceanográfico Ary Rongel, apresentou
duas fases de trabalho distintas: a primeira realizada
em dezembro de 2007 e a segunda em março de
2008. Durante a primeira fase foram realizadas sete
estações oceanográficas em uma radial transversal,
a Leste da Ilha Elefante, compreendida entre os
paralelos de 56°S e 61°S. Na segunda fase, oito
estações foram realizadas, compreendidas em
duas radiais a Leste das Ilhas Falklands: uma longitudinal a Ilha, entre 050°W e 058°W e a outra
transversal, entre 42°S e 47°S (Figura 1, a seguir).
As coletas foram conduzidas pelo Centro de Hidrografia da Marinha (CHM) em cooperação com
o Instituto Oceanográfico da Universidade de São
Paulo (IOUSP) e a Universidade do Estado do Rio
de Janeiro (UERJ).
Para cada estação foi utilizado o equipamento
CTD-O Seabird modelo 911 plus e acoplado a
ele uma Rosette com 12 níveis de amostragem.
Das amostras coletadas foram determinados os
parâmetros salinidade (utilizando o salinômetro
Guildline AUTOSAL) e oxigênio dissolvido (por
meio do método de Winkler). Foram armazenadas
amostras filtradas para análise de nutrientes dissol10
vidos (nitrito, nitrato, fosfato e silicato) e os filtros
reservados para análise de clorofila-a.
A interpretação dos dados adquiridos pelo CTD
seguiu as etapas de processamento, filtragem e
validação sugeridos pelo fabricante, descritos
na Instrução Técnica L-18 (DHN, 1998). Os
dados estão apresentados em perfis verticais de
temperatura, salinidade e oxigênio e em diagramas T-S e S-O2, a fim de identificar as águas em
duas porções: superfície e sub-superfície e região
profunda bem como de evidenciar os limites de
profundidades das massas d’água e os respectivos
índices termohalinos. Os diagramas S-O2 deram
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 9-16
AMBIENTE OPERACIONAL
uma boa ilustração das características das massas
d’água visto que a salinidade varia muito pouco ao
longo do diagrama T-S.
Os resultados são apresentados em duas subseções deste trabalho:3.1.1 e 3.1.2, em virtude das
variações de temperatura, salinidade e oxigênio
caracterizarem duas regiões distintas: uma próximo
a Passagem do Drake (radial 1) e outra no platô
das Falklands - Bacia Argentina (radiais 2 e 3).
As massas de água foram identificadas de acordo
com as análises de Orsi et al. (1995) e comparadas
com o diagrama T-S representado no WOCE
Atlas, Volume 1 – Southest Ocean, editado pela
Universidade do Texas (Orsi & Whitworth III,
2005). Posteriormente, é discutida na seção 3.2
a localização das frentes observadas no presente
trabalho.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1.
Massas de Água
3.1.1. Radial 1 (Passagem do Drake)
As estações mais ao sul da presente comissão
(estações 1 e 2) apresentaram similaridade àquelas
localizadas na região da Passagem do Drake coletadas durante as comissões OPERANTAR XXIV
e XXV (Valente et al., 2006). As temperaturas
apresentaram-se inferiores a 0°C até aproximadamente 500m de profundidade, com o valor mínimo
de -0.9°C à 150m. Diferentemente das comissões
anteriores, esta água com temperatura negativa
não aparece como uma língua contínua em torno
de 150m, voltando a ser observada nos primeiros
130m das estações 5 e 6 (Figura 2A).
Em relação à salinidade, assim como nas estações
realizadas nas duas últimas comissões, os menores valores foram encontrados na superfície nas
estações mais ao norte da primeira radial (33.85),
com um aumento gradativo em direção ao sul
(34.25). Em profundidade a salinidade aumenta
gradativamente, com o valor de 34.65 estabilizado
à aproximadamente 750m em todas as estações.
O valor máximo de salinidade encontrado (34.7)
é observado a partir da estação 3 em direção ao
norte, entre 1000m e 2300m, aprofundando-se até
3000m nas estações 6 e 7 (Figura 2B).
Na Figura 3, a seguir, verifica-se que os máximos
de oxigênio estão em superfície e há um forte
gradiente iniciando-se à profundidade de 150m,
estendendo-se até os 850m, com um mínimo
de oxigênio (3.64 mL/L) a 840m. A partir dessa
profundidade os valores de oxigênio aumentam
ligeiramente, não ultrapassando o volume
de 4.8 mL/L à profundidade de cerca de 3000m
FIGURA 2
Variação da temperatura potencial (A) e da salinidade (B) na radial 1 (seção 1-7). As linhas
brancas tracejadas correspondem aos limites de 0ºC e salinidade 34.7.
A
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 9-16
B
11
CARINA NOVAK LAPREA / MARCIA HELENA MOREIRA VALENTE / NATHÁLIA OLIVEIRA DE CASTRO
(Figura 3), corroborando com a descrição de
Valente et al. (2006) observada nas comissões
anteriores.
No diagrama T-S da radial 1 (Figura 4A), verifica-se
que as temperaturas superficiais diminuem com o
aumento da latitude, enquanto a salinidade varia
entre 33.75 e 34.4. A água superficial, conhecida
como ASW (Antartic Surface Water), apresentou
temperaturas entre 3 e -0.9ºC e salinidade aproximada de 34.0. A água com o valor mínimo,
localizada a aproximadamente 150m de profundidade, é conhecida como WW (Winter Water) e
apresenta uma grande variação sazonal em suas
características como resultado da convecção ocorrida durante o inverno, induzida pela formação do
gelo marinho.
Abaixo da WW é observada em todas as estações
a CDW (Circumpolar Deep Water). Comumente dividida em UCDW (Upper Circumpolar Deep Water)
e LCDW (Low Circumpolar Deep Water), sua fração
menos densa, a UCDW é marcada por um mínimo
local de oxigênio dissolvido visualizado no diagrama S-O2 (Figura 4B).
A UCDW situa-se abaixo dos 150m, com um
máximo de 2.5°C diminuindo até 1.5°C com o
FIGURA 3
Variação do oxigênio dissolvido na radial 1
(seção 1-7).
aumento da latitude. Apesar de sua profundidade variar, (Brandon et al., 2004), próximo a PF a
UCDW é centrada em torno dos 800db. Com o
aumento da profundidade nota-se um decréscimo
da temperatura (1.6 a 1.2°C), ao mesmo tempo em
que a salinidade apresenta uma estreita variação
(34.71 a 34.73) até o núcleo da LCDW. Assim, para
fins didáticos, o limite entre essas duas porções é
demarcado através da isohalina de 34.7 (linha pontilhada nas seções verticais de salinidade). Abaixo
da CDW nota-se a presença da WDW, considerada
FIGURA 4
Diagrama T-S (A) e S-O2 (B) da radial 1 (estações 1 a 7).
12
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 9-16
AMBIENTE OPERACIONAL
uma forma modificada da LCDW, decrescendo até
alcançarem o limite de 0°C e 34.68.
3.1.2. Radiais 2 e 3 (Platô das Falklands)
Nas radiais 2 e 3, devido a proximidade da STF,
observa-se o aumento dos valores de temperatura
em toda a coluna d’água (Tomczak & Godfrey,
2005). As águas superficiais se mantêm acima de
7ºC com a máxima temperatura encontrada na estação 15 (15.49°C), diminuindo em profundidade
a um mínimo de 1.0°C, a 3000m de profundidade
(Figura 5).
Os perfis de salinidade são bastante semelhantes
em distribuição de valores, com o mínimo na estação 11 (33.94), junto à superfície (Figura 6) e o
máximo valor (34.79) encontrado na estação 15,
próximo ao fundo.
No diagrama T-S das radiais 2 e 3 (Figura 7A, a
seguir), é possível identificar a SASW (Subantartic
Surface Water), também chamada de Água das Malvinas (MW - Malvinas Water), restrita aos 200m de
profundidade (Figura 6), com temperaturas entre
2.5 e 16ºC e salinidade de 34.1. Segundo (Pickard
FIGURA 5
Variação da temperatura potencial na radial 2 (estações 11-8) (A) e na radial 3 (estações 12-15)
(B).
FIGURA 6
Variação da salinidade na radial 2 (estações 11-8) (A) e na radial 3 (estações 12-15) (B). As linhas
brancas tracejadas correspondem aos limites de 0ºC e salinidade 34.7.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 9-16
13
CARINA NOVAK LAPREA / MARCIA HELENA MOREIRA VALENTE / NATHÁLIA OLIVEIRA DE CASTRO
& Emery, 1982), a SASW é mais quente que a
ASW, variando de 4º a 10°C, no inverno a até 14°C
no verão. O retângulo limitado entre 33.6 e 34 de
salinidade e temperaturas entre 4º e 16ºC são resultado da mistura entre a MW e a SW (Slope Water)
(Gordon, 1981 apud Provost et al., 1990). A SW é
uma estreita camada de salinidades inferiores a 34.
A AAIW (Antartic Intermediate Water), formada próxima a PF afunda e flui para norte abaixo da SASW
(Piola & Gordon, 1989 apud Provost et al., 1990).
As características T-S da AAIW são próximas da
SASW, apresentando temperaturas entre 2,5º a 5°C
e salinidades de 34.1 a 34.3 (Provost et al., 1990).
A separação entre a AAIW e a SASW pode ser
vista no diagrama S-O2, com valores mais altos
para a SASW (Figura 7B). A AAIW é identificada
em todas as estações até a profundidade máxima
de 1000m.
Abaixo da AAIW são observadas novamente a
UCDW e a LCDW. Esta última presente a partir
da profundidade de 1500m, aprofundando-se para
2000m nas estações 8 e 9 (mais a leste) e na estação
12 (mais ao sul). A LCDW na região do Platô das
Falklands é visualizada em menor porção na coluna
d’água que na região da Passagem do Drake.
A NADW (North Atlantic Deep Water), com valores
de temperaturas entre 3º e 4°C e salinidades entre
34.6 e 35, fluindo entre 1000 e 4000m de profundidade na Zona Subantártica, é identificada principalmente pelo máximo de oxigênio no diagrama
S-O2 (Figura 7B). A NADW se apresenta como
um fluxo organizado fluindo para sul ao longo do
contorno oeste do Oceano Atlântico até cerca de
42°S (Reid, 1989) e que, eventualmente, penetra
na porção sudoeste da Bacia Argentina (Provost
et al., 1990). O leve acréscimo na salinidade observada nas águas profundas no Platô das Falklands,
em relação às observadas na Passagem do Drake,
indica mistura entre a NADW e da CDW.
3.2. Frentes
No presente trabalho, não foi observada a Frente
Subtropical (STF), caracterizada como uma estreita
faixa, onde as águas próximas à superfície mudam
rapidamente de salinidade, 35.0 a 34.5 de norte a sul
e a temperatura decresce rapidamente (Tomczak
& Godfrey, 2005). De acordo com Pickard &
Emery (1982), a partir da STF o Oceano Austral
é comumente dividido em duas regiões distintas:
Zona Subantártica, com águas superficiais variando
entre 4°C a 10°C no inverno, até 14°C no verão e
FIGURA 7
Diagrama T-S (A) e S-O2 (B) das radiais 2 e 3 (estações 8 a 15).
14
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 9-16
AMBIENTE OPERACIONAL
a Zona Antártica, com temperaturas da superfície
do mar variando entre -1,9 a 1°C no inverno e 4°C
no verão. Assim, somente se pode inferir que as
radiais 2 e 3 encontram-se na Zona Subantártica.
As frentes que caracterizam a zonação da Corrente
Circumpolar Antártica - ACC (SAF, PF, SACCF
e SBACC) podem ser traçadas a partir do campo
de temperatura potencial (Figura 2). A localização
da SAF pode ser deduzida por um salto de 3º
para 5ºC nas isotermas, na qual é máxima na
frente da Corrente Circumpolar Antártica e
pelo afundamento de um mínimo de salinidade
associado à (AAIW) (Whitworth & Nowlin, 1987).
Segundo Orsi et al. (1995), o núcleo da SAF está
localizado na latitude onde a isoterma de 4ºC é
encontrada a 400m de profundidade, o que não
foi observado no presente trabalho.
De acordo com o critério proposto por Deacon
(1933) e posteriormente sistematizado por Orsi
et al. (1995), a PF é localizada pelo limite máximo de alcance norte da ASW, caracterizada por
temperaturas mínimas que se afundam até aproximadamente 200m de profundidade. No presente
trabalho a PF está localizada entre as estações 5 e
6, a aproximadamente 56.90ºS.
A posição da SACCF pode ser identificada na latitude onde a temperatura potencial excede 1.8ºC em
direção norte, à profundidades inferiores a 500m
(Orsi et al., 1995). Durante a presente comissão,
a SACCF se fez presente próxima à estação 3, ao
sul de 58.83ºS. Já a SBACC, onde a UCDW, com
o aumento da latitude, atinge a camada de mistura
e desaparece, é traçada no campo de temperatura
por um decréscimo na temperatura potencial para
valores abaixo de 0ºC e densidade potencial de 27.6
kg/m3, o que pode ser observado na aproximação
da estação 1 (~60.96 ºS).
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 9-16
4 CONCLUSÕES
As estações realizadas durante a Comissão OPERANTAR XXVI deram continuidade ao estudo
das massas de água no Oceano Austral iniciada
durante as Comissões OPERANTAR XXIV e
OPERANTAR XXV (Valente et al, 2006). Além
da identificação das principais porções de água,
tornou-se possível determinar a localização da PF,
SACCF e SBACC na região de estudo.
As estações realizadas em latitudes menores e
mais próximas à Zona de Convergência Subtropical, permitiram a observação de massas não
reconhecidas anteriormente e que, igualmente,
pertencem à complexa circulação austral e exercem grande influência no padrão de circulação
oceânico-atmosférico brasileiro. As massas de água
são: a SASW, introduzida pela Corrente das Malvinas, com o núcleo de salinidade 34.1 localizado
a 300m na região da Bacia Argentina; a AAIW,
formada próxima a PF, fluindo abaixo da SASW
até a profundidade máxima de 1000m e a NADW,
observada como um máximo de oxigênio abaixo
de 2000m de profundidade.
A limitação no espaçamento entre as estações
oceanográficas realizadas e os limites das latitudes máximas e mínimas de coleta não permitiu
observar o limite entre importantes feições como
a SAF e a STF, bem como da Água Central do
Atlântico (SACW - South Atlantic Central Water).
A continuidade deste estudo de identificação de
massas d’água no Oceano Austral pretende partir
para a identificação das propriedades iniciais das
massas, principalmente da AIAW e da SACW,
que interferem na circulação oceânica, na distribuição de calor na interface oceano-atmosfera e
na produtividade primária da porção sudoeste do
Atlântico Sul.
15
CARINA NOVAK LAPREA / MARCIA HELENA MOREIRA VALENTE / NATHÁLIA OLIVEIRA DE CASTRO
REFERÊNCIAS
BRANDON, M. A.; NAGANOBU, M.; DEMER, D.
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REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 9-16
AMBIENTE OPERACIONAL
Investigações Geoacústicas do Fundo Marinho ao
Largo de Arraial do Cabo – RJ
Capitão-de-Corveta (T) Isabel Cristina Vendrameto
Peres Simões
Instituto de Estudos do Mar Alte. Paulo Moreira (IEAPM) - MB
Rua Kioto 253 – Praia dos Anjos – Arraial do Cabo – RJ – CEP: 28930-000
E-mail: [email protected]
Alberto Garcia de Figueiredo Jr.
Departamento de Geologia - LAGEMAR - UFF
Av. Litorânea, s/n – 4º andar – Niterói, RJ.
E-mail: [email protected]
Resumo
Esta pesquisa, realizada ao largo da laguna de Araruama e Arraial
do Cabo entre as profundidades de 45 e 100 metros, combina
dados batimétricos, de tipo de fundo e de retroespalhamento
(backscatter) para obter a morfologia do fundo marinho e o
comportamento acústico do recobrimento sedimentar.
Os dados de batimetria foram coletados por ecobatímetros,
convencional e multifeixe, sendo que este gravou também os
dados de retroespalhamento. As informações de tipo de fundo
foram obtidas junto ao BNDO (Banco Nacional de Dados
Oceanográficos – Centro de Hidrografia da Marinha).
Os resultados permitiram detalhar a morfologia do fundo,
identificar feições que foram relacionadas às estabilizações do
nível do mar descritas na literatura e analisar o comportamento
acústico dos tipos de sedimentos encontrados, a fim de contribuir
para o entendimento da evolução sedimentar da região.
Palavras-chave
Batimetria. Geomorfologia Submarina. Geologia. Cabo Frio.
Sea floor geoacustics investigations offshore
Arraial do Cabo – RJ
Abstract
This study was carried out on the continental shelf offshore
Araruama lagoon and Arraial do Cabo town, between 45 and 100
meters water depth. It combines bathymetric,type and backscatter
data to obtain bottom morphology and bottom acoustic behavior
of sediment covering.
Bathymetric data were collected by conventional and multibeam
echo sounders; backscatter strength data were collected by
multibeam. Bottom sediment information was obtained at BNDO
(Brazilian Data Bank for Oceanographic Information).
The results allowed to detail the morphology of the fund identify
features related to the stabilization of sea level described in
literature, and analyse the acoustic behaviour of the types
of sediments found to contribute to the understanding of the
sedimentary evolution of the region.
Keywords
Bathymetry. Undersea Geomorphology. Geology. Cabo Frio.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 17-23
1. INTRODUÇÃO
Para obter a modelagem acústica do fundo e do
subfundo marinho é necessário conhecer as propriedades acústicas dos sedimentos e das rochas
bem como a morfologia detalhada da área em estudo. A fim de atender a necessidade de identificar
estas propriedades acústicas e em cumprimento ao
Plano de Desenvolvimento Científico e Tecnológico da Marinha (PDCTM), o IEAPM desenvolveu
uma pesquisa em parceria com o Laboratório de
Geologia Marinha (LAGEMAR) da UFF, que tem
como meta principal o estabelecimento da relação
entre os parâmetros geoacústicos do fundo marinho e a propagação do som.
A pesquisa foi dividida em quatro etapas, sendo
que as duas primeiras, relativas à obtenção de
informações geológicas/geomorfológicas (Artusi
& Figueiredo Jr., 2003; Artusi, 2004; Artusi et al.,
2005) e à caracterização das propriedades acústicas
de sedimentos (Macedo et al., 2005; Macedo, 2006),
já foram concluídas. A terceira etapa obteve a morfologia detalhada do fundo marinho de parte da
área teste considerada pela pesquisa. A morfologia
foi obtida por meio da integração das informações
fornecidas pelos ecobatímetros mono e multifeixe
com o tipo de sedimento de fundo (Simões et al.,
2005; Simões & Figueiredo, 2005; Simões, 2006;
Simões et al., 2006; Simões, 2007). A análise dos
dados de retroespalhamento obtidos pelo ecobatímetro multifeixe e sua correlação com os tipos
de sedimentos encontrados no fundo marinho são
discutidas neste trabalho. A quarta etapa realizou
um experimento acústico na área de interesse e
seus resultados preliminares serão apresentados
em um artigo específico.
1.1. Características da área estudada
A terceira etapa da pesquisa foi concentrada na
área situada na plataforma continental, ao largo da
17
ISABEL CRISTINA VENDRAMETO PERES SIMÕES, ALBERTO GARCIA DE FIGUEIREDO JR.
laguna de Araruama e Arraial do Cabo - RJ entre
as profundidades de 45 e 100 metros, como mostrado na Figura 1.
Nessa região, o regime de ventos é predominantemente de NE, principalmente nas estações de
primavera e de verão. As intensidades dos ventos juntamente com a morfologia submarina da
região, favorecem a ocorrência do fenômeno da
ressurgência.
O relevo da plataforma continental é suave, sem
formas de grande amplitude, sujeita às variações
do nível do mar e a processos deposicionais e
erosivos. Como a área continental costeira é bordejada por serras e por elevações associadas aos
cordões arenosos, a carga sedimentar vinda do
Maciço Costeiro é impedida de atingir a plataforma
continental.
A morfologia do fundo distingue dois domínios
distintos entre as isobatimétricas de 30 e 100 m.
No primeiro domínio, até cerca de 60 m de profundidade, as isóbatas são paralelas e a inclinação
média é de 0,39º (1:145). No segundo domínio,
entre 60 e 100 m de profundidade, à exceção da
concavidade apresentada pelas isobatimétricas ao
sul da ilha de Cabo Frio, o relevo é homogêneo e
a inclinação diminui (0,15º / 1:370) (Artusi, 2004).
O mapa de tipos de fundo elaborado com informações cadastradas no Banco Nacional de Dados
Oceanográficos (BNDO) da Diretoria de Hidrografia e Navegação (DHN) (Artusi, 2004; Simões,
2007) mostra o predomínio dos sedimentos arenosos em quase toda a área da pesquisa. No trecho
detalhado na terceira etapa, um grande corpo de
areia lamosa ocupa as profundidades entre 80 e
FIGURA 1
Localização da área estudada na terceira etapa da pesquisa com contorno batimétrico a cada
5 metros.
18
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 17-23
AMBIENTE OPERACIONAL
100m, estendendo-se um pouco além desta profundidade na direção leste. Corpos menos extensos
deste mesmo tipo ocorrem ao sul e a leste da ilha
de Cabo Frio. Entre 70 e 110 m de profundidade,
ao sul da ilha de Cabo Frio, predominam lamas
arenosas (Figura 2).
2. METODOLOGIA
Após a aquisição e o processamento dos dados
batimétricos obtidos com o multifeixe foi feita sua
integração com os dados batimétricos convencionais arquivados no BNDO. Nesta integração foi
FIGURA 2
Mapa de tipos de sedimentos do fundo na área da pesquisa. O quadro assinala a área estudada
na terceira etapa.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 17-23
19
ISABEL CRISTINA VENDRAMETO PERES SIMÕES, ALBERTO GARCIA DE FIGUEIREDO JR.
preciso considerar que o levantamento multifeixe
fornece um volume de informações extremamente
maior do que o obtido com o monofeixe, pois enquanto os pontos da sondagem convencional, na
escala de 1:100.000, distam em média 600 m entre
si, a distância lateral entre pontos de sondagem
multifeixe é de cerca de 5 metros, na profundidade
considerada neste estudo. O conjunto dos dados
integrados gerou um mapa de contorno batimétrico e sua expressão tridimensional, o modelo digital
do terreno (MDT) (Figura 3).
O MDT mostra o comportamento da batimetria
e, consequentemente, da morfologia submarina.
O relevo observado é suave com paralelismo das
isobatimétricas entre 40 e 110 m de profundidade
em quase toda a área de estudo, apresentando uma
inclinação ligeiramente maior na parte leste. A
feição de maior destaque no MDT é a concavidade voltada para sul ao largo da ilha de Cabo Frio,
onde a profundidade cai rapidamente até aproximadamente 80 metros (Figura 3 – quadro A). Sua
borda leste corresponde ao limite entre dois tipos
de sedimentos de fundo: areias e areias lamosas.
Outras feições morfológicas, de dimensões menores, são notadas na área: ao norte da ilha de Cabo
Frio há um leque de dejeção (Figura 3 – quadro
B) composto por areias finas; a leste da ilha, uma
canalização (Figura 3 – quadro C) cujo fundo é
recoberto por areias e areias lamosas; na porção
oeste da área destaca-se um alto-fundo alongado
(Figura 3 – quadro D) no domínio das areias e,
no limite sul, a partir de 100 m de profundidade,
as isobatimétricas tornam-se sinuosas desenhando feições que se assemelham a bancos e cavas
(Figura 3 – quadro E). Nessa área predominam
FIGURA 3
Modelo digital do terreno baseado em informações batimétricas mono e multifeixe. Os quadros
A a E assinalam a localização das feições encontradas.
20
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 17-23
AMBIENTE OPERACIONAL
areias lamosas que passam a lamas arenosas na
direção leste.
Os dados de backscattering ou retroespalhamento
(informação que corresponde ao valor médio de
cada feixe) foram plotados e geraram o mapa da
Figura 4. A intensidade do retroespalhamento
é a medida da quantidade de reflexão do pulso
acústico pelo fundo. O retroespalhamento, ou a
intensidade do sinal de retorno, é gravado como
som em decibéis (dB) e pode dar “pistas” sobre a
natureza do fundo.
De forma quase unânime, a literatura salienta
a forte relação existente entre a intensidade do
retroespalhamento e o tamanho do grão (Jackson
et al., 1986; Hughes Clark et al., 1993 e 1997 e
Knebel et al., 1999), de modo que essa pode
ser entendida como uma medida da textura do
sedimento superficial e da rugosidade do fundo.
Apesar de necessitar ser validado pela amostragem
sedimentar, o comportamento acústico de tipos
sedimentares é razoavelmente uniforme. Em
geral, as intensidades mais altas estão associadas
com rochas ou com sedimentos grossos e as
baixas intensidades caracterizam sedimentos mais
finos. Sedimentos lamosos de bacias apresentam
valores de retroespalhamento entre –30 e –40 dB;
enquanto areias grossas e cascalhos localizadas em
bancos variam de –15 a –25 dB (Hughes Clarke
et al., 1997).
Como o sistema visual humano tem uma percepção limitada dos tons de cinza, na Figura 4 foi
aumentado o contraste expandindo o intervalo de
intensidades de forma a ocupar todo o intervalo
de 256 valores de cinza obtido numa imagem de 8
bits. Para realçar ainda mais o contraste, foi adotada
uma escala colorida com seis subdivisões, onde
as maiores intensidades estão associadas aos tons
verdes e azuis e as menores aos brancos e rosados.
FIGURA 4
Campos de intensidades de retroespalhamento.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 17-23
21
ISABEL CRISTINA VENDRAMETO PERES SIMÕES, ALBERTO GARCIA DE FIGUEIREDO JR.
A análise visual do mapa distinguiu cinco campos
distintos. Dentro dos limites de cada campo, a
informação da amplitude do retroespalhamento,
em dB, foi analisada quantitativamente obtendo-se
a média aritmética.
3. DISCUSSÃO
Os campos de intensidade do retroespalhamento
foram analisados em ordem decrescente de intensidades:
– o campo 1, de mais alta intensidade, está localizado nas bordas leste e sul da ilha de Cabo Frio.
A média das amplitudes de -29 dB é compatível
com as areias indicadas pelo mapa de tipo de fundo
(Figura 2). A reflexão mais intensa também pode
estar relacionada à inclinação do fundo, causada
pela canalização (Figura 3 – quadro C), à sua rugosidade e/ou à ocorrência de sedimentos mais
reflexivos sob a cobertura superficial;
– o campo 2, ocorre a leste da ilha de Cabo Frio
e na porção norte da área de estudo entre as profundidades de 40 e 60 m. A média das amplitudes
encontrada (-34 dB) está na faixa indicada pela
literatura para sedimentos lamosos. A Figura 2
indica que nesta cota batimétrica, o fundo é recoberto por sedimentos arenosos, provavelmente
mais finos que os do campo 1, mas ainda bastante
reflexivos. No lado leste da ilha de Cabo Frio, o
recobrimento sedimentar é de areias e areias lamosas, mais compatíveis com a amplitude encontrada;
– o campo 3, aparece no sul da área, a partir de
90 m de profundidade e ao longo da borda oeste
da ilha de Cabo Frio. Na área abrangida por este
campo, a média das amplitudes diminuiu para
-38 dB, indicando a presença de sedimentos mais
finos, o que é confirmado pela presença do corpo
de areias lamosas no mapa de tipos de sedimentos
(Figura 2). No entanto, na profundidade de 90 m, a
literatura indica a presença de sedimentos carbonáticos eventualmente endurecidos (Dias et al., 1982;
Artusi, 2004) que podem alterar o comportamento
do sinal acústico;
22
– o campo 4 é o campo de maior abrangência na
área de estudo. Na parte central (profundidades
maiores que 60 m), a média das amplitudes é de -38
dB, enquanto na parte leste (profundidades menores que 60 m), a média é ligeiramente maior (-37
dB). No interior da enseada dos Anjos, a média
aumenta para -35 dB, indicando um aumento do
tamanho do grão. O mapa de tipos de sedimentos
(Figura 2) mostra que, no centro e no leste da área,
o fundo é de areias, areias lamosas e lamas arenosas. No interior da enseada dos Anjos, o aumento
da amplitude corresponde a área recoberta pelo
leque de espraiamento (Figura 3 – quadro B), onde
os sedimentos são do tamanho areia e
– o campo 5, que está localizado na parte sudeste
da área em profundidades maiores que 60 m. A
média das amplitudes é de -40 dB, compatível com
sedimentos lamosos. Este campo está localizado
na borda leste da feição côncava (parte do quadro
A – Figura 3), onde o fundo de lamas arenosas
confirma as baixas intensidades de reflexão associadas aos sedimentos finos. O valor de amplitude
média e a observação do mosaico de intensidades
sugerem que os limites do corpo de lama arenosa
se estendam mais para norte ou que haja uma
gradação para areia lamosa de forma que a área
seja recoberta por sedimentos de granulometria
fina. O comportamento menos intenso deste
campo pode estar relacionado também à fluidez
do material comprovada pela presença de camadas
de lama fluida ao longo de testemunho coletado
na área (Macedo, 2006).
4. CONCLUSÕES
A terceira etapa desta pesquisa revelou feições
morfológicas inéditas, bem como maiores detalhes
de feições já citadas anteriormente na literatura
(Costa et al., 1988; Muehe & Carvalho, 1993)
devido ao detalhamento alcançado pelo levantamento batimétrico. Estas feições podem ser correlacionadas à dinâmica sedimentar e aos eventos
eustáticos conhecidos de modo a contribuir para
o entendimento da evolução sedimentar da região.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 17-23
AMBIENTE OPERACIONAL
A análise quantitativa dos dados de retroespalhamento apresentada neste trabalho obteve resultados preliminares que concordam com dados
relatados na literatura. A continuação do estudo
pretende definir faixas de intensidade associadas
aos tipos sedimentares a fim de estabelecer valores
padrões para a área teste da pesquisa.
Complementarmente, os dados de batimetria e
retroespalhamento serão inseridos no MODPRES
(Modelo de Previsão de Alcance Sonar) para cálculo do índice de reverberação do som em função
da morfologia e do tipo da cobertura sedimentar
do fundo. Em vista do refinamento alcançado no
levantamento batimétrico é esperado um aumento
da precisão do cálculo do alcance sonar.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à tripulação do NHo Taurus, que realizou a coleta de dados batimétricos, e
ao IEAPM e LAGEMAR-UFF pelo apoio.
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para definição da morfologia detalhada ao largo da laguna de
Araruama e Arraial do Cabo LAGEMAR. Niterói, Universidade
Federal Fluminense: Dissertação de Mestrado: 112 p.
23
ENERGIA
A Vibração Torcional como Ferramenta de
Diagnóstico de Defeitos na Combustão dos
Cilindros de Motores Diesel Geradores
Capitão-de-Fragata (RM1) João do Espírito Santo
Lima, M.Sc.
Centro de Instrução Almirante Wandenkolk, Instrutor
E-mail: [email protected]
Carlos Rodrigues Pereira Belchior, D.Sc.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Professor
E-mail: [email protected]
Resumo
O presente trabalho apresenta uma avaliação sobre a predição
de vibrações torcionais no eixo de um motor Diesel-Gerador. Um
Procedimento de Cálculo da vibração torcional é sistematizado
no Programa Excel e utilizado para a análise operacional de
um motor Diesel-Gerador de cinco cilindros em linha - 5T23HH,
Burmeinster and Wain, 600 BHP, 720 RPM, quando este é
submetido a dois tipos comuns de falhas simuladas na combustão
dos cilindros: falha parcial e falha total na queima de somente um
cilindro. Adicionalmente, é apresentada uma fórmula convencional
empírica para o cálculo estimativo do amortecimento do motor e da
resposta em tensão na ressonância. O Procedimento de Cálculo é
empregado como ferramenta de diagnóstico das referidas falhas
em cada cilindro, por meio da análise harmônica dos sinais de
vibração torcional no eixo de manivelas do motor.
Palavras-chave
Vibração torcional. Diesel-Gerador. Procedimento de cálculo.
Resposta em tensão e diagnóstico.
Torsional vibration as a tool for fault diagnosis in
combustion engine cylinders of Generating Sets
Abstract
This work presents an evaluation of the prediction of torsional
vibration on the shaft of a Diesel Generator engine. A procedure of
calculation of torsional vibration is programmed in Excel program
and is used for operational analysis of a diesel-generator-five
cylinder 5T23HH, “Burmeinster and Wain”, 600 BHP, 720 RPM,
when it is subjected to two usual failure types simulated in the
combustion of cylinders: partial and total failure in the burning
of only one cylinder. Furthermore, an empirical conventional
formula is presented to calculate the empirical estimation of the
engine damping factor and the stress response in resonance.
Calculation procedure is used as diagnosis tool for those failures
in each engine cylinder, by means of harmonic analysis of torsional
vibration signals in engine crankshaft.
Keywords
Torsional Vibration. Diesel Generator. Calculus Proceeding. Stress
Response and Diagnosis.
24
1. INTRODUÇÃO
O sistema dinâmico em funcionamento, composto por uma Instalação Diesel Geradora
Elétrica, que possui como máquina acionadora principal o motor diesel, está exposto à
vibração torcional induzida por um espectro
complexo de forças de excitação, de diferentes amplitudes, frequências e ângulos de fase,
que agem sobre o eixo de manivelas do motor.
De acordo com [6], uma vez que os diferentes
cilindros operem com consideráveis desvios das
condições de projeto, em determinada velocidade, as vibrações torcionais no sistema podem
ser fortemente influenciadas, de forma que o
espectro de forças de excitação, induzido pelas
forças de pressão do gás e pelas forças de aceleração das massas (êmbolos, conectora e eixo
de manivelas do motor), seja diferente daquele
correspondente ao padrão normal de operação.
Em alguns casos, a operação não uniforme dos
cilindros pode induzir tensões torcionais severas e ocasionar, até, a avaria do eixo do motor.
Nesse sentido, há de se pensar em um método
de cálculo da vibração torcional que permita
monitorar, analisar e prognosticar este tipo de
comportamento do sistema.
Assim, este trabalho apresenta, inicialmente,
uma análise da excitação no sistema e, posteriormente, utiliza um procedimento de cálculo
para a análise e predição da vibração torcional
no eixo de um motor diesel gerador de cinco
cilindros - 5T23HH, “Burmeinster and Wain”,
600 BHP, 720 RPM, empregando fórmulas
empíricas de amortecimento do motor [6,9].
Em seguida, o mesmo procedimento de cálculo é aplicado como ferramenta de análise e
predição do espectro de tensões induzidas em
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 24-31
ENERGIA
partes críticas do eixo do motor, quando este é
submetido a condições simuladas de defeitos e
falhas na combustão dos seus cilindros, como,
por exemplo, uma perda total (falha total) ou
uma perda parcial (falha parcial) na combustão
de um determinado cilindro [6].
2. METODOLOGIA
2.1. Análise da excitação do motor
A resultante das forças tangenciais que agem sobre
o eixo de manivelas do motor é devida às forças de
pressão dos gases de combustão e às forças geradas
pela aceleração das massas alternativas e rotativas do conjunto conectora-manivela do motor.
A força tangencial gerada pela pressão dos gases,
que interage sobre o pino do eixo de manivelas do
motor, pode ser obtida pela pressão dos gases da
combustão (p), que é estimada e expressa como
uma pressão tangencial, normal ao tope do êmbolo
do cilindro (pt) [9]. Assim, pode-se mostrar que o
conjugado (Mt) sobre o eixo, gerado pela pressão
dos gases, é [6, 9]:
01
Uma vez que ambas as funções, pressão ou conjugado, são periódicas, elas podem ser aproximadas
por uma série de Fourier. Assim, a função pressão
tangencial pode ser expressa por:
02
A força tangencial devida à aceleração das massas
alternativas e rotativas do conjunto conectoramanivela do motor (FI) pode ser calculada em
função da pressão tangencial correspondente
(pI). A expressão para pI em função da posição
da manivela φ é dada por 03 [9]:
03
Caso as componentes da pressão tangencial devido à aceleração das massas alternativas e rotativas
sejam levadas em consideração, as componentes
da pressão tangencial resultante podem ser obtidas
como a seguir [5, 6, 7, 9]:
04
Na maioria das aplicações da expressão 04, somente os três primeiros componentes do conjugado
de inércia são considerados e, para harmônicos de
ordens superiores a 3, somente a resultante devido
à pressão do gás é usada.
2.2. Efeito da pressão do gás e da aceleração
das massas sobre o motor multicilindrico
O conjugado que atua em cada cilindro ocasiona
uma deflexão angular em todos os outros cilindros
do motor. Assim, considere, por exemplo, a curva
elástica do primeiro modo de vibração do sistema
motor de n cilindros, representado na Figura 1.
Para este modo de vibração, o conjugado em
qualquer dos cilindros causa uma amplitude de
deflexão em todas as massas do sistema que é
proporcional às deflexões desta mesma curva
elástica. Tem-se, então, conforme mostrado na
FIGURA 1
Curva elástica do 1° modo de vibração
torcional do sistema de n cilindros.
Fonte: Lima (2003).
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 24-31
25
JOÃO DO ESPÍRITO SANTO LIMA, CARLOS RODRIGUES PEREIRA BELCHIOR
Figura 2, para a condição de ressonância, as amplitudes θ1/1, θ2/1, . . ., θn/1, que ocorrem nas massas
1, 2, . . ., n devido ao conjugado do cilindro 1.
Desenvolvendo-se uma análise semelhante para
os conjugados que atuam nos outros cilindros
do motor, conclui-se que em cada cilindro atuará
uma série de harmônicos superpostos e variáveis.
Desta forma, resulta que a energia introduzida pelo
harmônico de ordem m nos n cilindros é dada pela
expressão 05 [1, 5, 6, 9]:
05
Para fins de computação, ao invés da construção
do diagrama de vetores, recorre-se a um método
tabular para cálculo do somatório dos vetores de
fase do motor, por meio da expressão 06 [1, 6]:
06
alternativos, consiste em substituir o sistema original por outro simplificado e composto de massas
concentradas em determinados pontos, ligadas
por seções de eixos sem massa e com apropriada
rigidez torcional. A modelagem deve ser feita de
modo que no sistema equivalente as massas se
situem o mais próximo possível das regiões onde
isto ocorre no sistema real, como por exemplo,
os êmbolos e volante do motor são representados
por massas situadas em seus respectivos centros
de massa. Com este procedimento o sistema equivalente poderá apresentar características as mais
próximas possíveis do original [1, 6].
A modelagem da Figura 4 considera que as inércias I1, I2,... Is, das massas discretizadas, estejam
conectadas às seções de eixo adjacentes, de massas
desprezíveis e valores de rigidez torcional K1, K2,...
Ks. O amortecimento viscoso do sistema é definido
pelos correspondentes torques de amortecimento
viscoso externo C1, C2,... Cs por unidade de velocidade. Um amortecimento interno D1, D2,... Ds está
presente caso algum elemento de acoplamento de
borracha exista no sistema. As forças de excitação
Φ1, Φ2,... Φs estão agindo sobre as massas discretas, sendo indicadas por seus respectivos ângulos
de fase apropriados.
A equação diferencial de movimento do sistema
torcional da Figura 3, é dada pela expressão 07.
FIGURA 2
Deflexões angulares no sistema de n cilindros
devido ao conjugado do cilindro 1.
Fonte: Belchior (1982); Lima (2003).
2.3. A modelagem da vibração torcional
A tática normalmente utilizada, que permita calcular as características dinâmicas da vibração torcional em eixos de sistemas acionados por motores
26
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. O motor Diesel Gerador
O Sistema equivalente e os dados de entrada do
fabricante referentes ao motor diesel gerador de
cinco cilindros em estudo são os apresentados na
Figura 4 e na Tabela 1, a seguir [6].
3.2. Cálculo das frequências naturais e modos
de vibração
A partir dos valores das constantes de rigidez
torcional (k), para cada trecho do eixo e dos valores das inércias (I), de cada massa do sistema,
fornecidos como dados de entrada na planilha
Excel, foram calculados as frequências naturais e
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 24-31
ENERGIA
07
FIGURA 3
Vibrações torcionais forçadas e amortecidas. Sistema modelado de massas concentradas para
um motor de s cilindros.
Fonte: Margaronis (1992); Lima (2003).
FIGURA 4
Sistema equivalente do diesel gerador de cinco
cilindros.
Fonte: Lima (2003).
TABELA 1
Dados de entrada fornecidos pelo fabricante
para o cálculo da vibração torcional no eixo
do diesel gerador de cinco cilindros.
os modos de vibração [6]. O método tabular de
Holzer é utilizado como ferramenta para o cálculo
das frequências naturais e respectivos modos de
vibrar [1, 3, 5, 6, 9]. Na Tabela 2 são mostrados os
resultados obtidos pelo método de Holzer e pelo
fabricante no cálculo da frequência natural.
TABELA 2
Comparação entre resultados – Frequências
naturais do sistema diesel gerador de cinco
cilindros.
Fonte: Lima (2003).
3.3. Cálculo das respostas em tensão na condição de ressonância
Fonte: Lima (2003).
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 24-31
Para o cálculo das respostas do sistema, sob a
ação do conjugado de excitação, foram consideradas, inicialmente, para cada modo de vibrar, as
diversas velocidades críticas. Admitindo-se, em
cada uma destas velocidades, a ressonância entre
os harmônicos de ordem m e o modo de vibração
i, os seguintes passos de cálculo foram efetuados
para obter a resposta em tensão na ressonância [6]:
27
JOÃO DO ESPÍRITO SANTO LIMA, CARLOS RODRIGUES PEREIRA BELCHIOR
1° Passo - Para cada seção do eixo do sistema
equivalente, esquematizado na tabela de Holzer,
calcula-se o valor da tensão de referência q*, por
grau da amplitude do cilindro 1. O valor da tensão
de referência é calculado pela expressão [1, 5, 6, 9]:
08
5° Passo: Calcula-se a tensão na ressonância qres,
para o harmônico de ordem m e modo de vibrar
i [6, 9]. Esta tensão será obtida pela expressão:
12
6° Passo: Calculam-se as tensões de flanco para as
diversas velocidades do motor, fora da condição
de ressonância q(N), com base nas expressões 13
e 14 [6, 9]:
2° Passo - Determina-se a seção em que q* apresente valor máximo q*N (tensão no nó por grau
de amplitude do cilindro 1), retirado da tabela de
Holzer.
3° Passo - Calcula-se, na seção onde ocorre
q*N, a amplitude estática equivalente θs (resposta
estática), dada pela expressão 09 [5, 6, 9]. Nesta
expressão, a amplitude do componente da pressão
tangencial |Tm| é obtida em função da pressão
média indicada Pmi, correspondente a uma determinada velocidade crítica. Os valores dos componentes da pressão tangencial |Tm| são retirados
das Curvas de Esforços Tangenciais [7].
09
13
14
3.4. Cálculo da resposta total em tensão
Na Figura 5, a seguir, para cada velocidade de operação do motor, a resposta total foi calculada pela
soma aritmética dos três maiores valores de respostas devidas aos harmônicos dos conjugados de
excitação em cada modo significativo de vibração
[1, 5, 6, 9]. A resposta total também foi calculada
pela raiz quadrada da soma dos quadrados das
respostas (RMS – Root Mean Square) devidas a
todos os harmônicos do modo significativo de
vibração [1, 6].
3.5. Análise da condição de falha total na combustão do cilindro 1 do motor
4° Passo: Calcula-se o amplificador dinâmico M
e a resposta dinâmica θ1res, na condição de ressonância, pelas expressões 10 e 11, respectivamente
[5, 6, 9]. Nestas expressões, é considerado que o
amortecimento do sistema seja gerado principalmente pelo motor.
10
11
28
Ao simular que 0% do valor da Pmi, no cilindro
1, corresponda a um vetor de fase cujo módulo
seja nulo (∆1 = 0), o espectro de vibração torcional no eixo do motor, em operação normal, sofre
alterações significativas, as quais podem oferecer
indicações importantes sobre a causa da referida
falha. Nesta linha de raciocínio, ao analisar a Figura
6, a seguir, a condição de falha do cilindro 1 pode
ser diagnosticada pela variação dos componentes
de ordens 7 ½, 8 ½ e 9, por registrarem desvios
significativos em relação à operação normal do
motor.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 24-31
ENERGIA
FIGURA 5
Resposta Total em Tensão - Valores Medidos e Calculados – Diesel Gerador de cinco cilindros
(1 e 2 Modos). Velocidade de serviço: 720 RPM.
Fonte: Lima (2003).
3.6. Análise da condição de falha parcial na
combustão do cilindro 1 do motor
A redução da Pmi pode estar relacionada a determinados defeitos e modificações de parâmetros
inerentes à combustão do motor, tais como: I)
início da injeção com regulagem atrasada; II)
pressão máxima de combustão reduzida; III) anéis
de segmento do êmbolo desgastados; IV) bicos
injetores entupidos ou desgastados; V) alteração
das propriedades de ignição do combustível; VI)
válvula de injeção defeituosa; VII) defeito no duto
de passagem da água de resfriamento do ar de
admissão; VIII) temperatura de pré-aquecimento
do combustível elevada; IX) desgaste nas paredes
dos cilindros; X) desgaste das válvulas de admisREVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 24-31
são e descarga e XI) filtro de ar sujo [2, 4, 6, 9].
Assim, torna-se importante detectar, previamente,
o cilindro onde ocorre a falha na combustão para
que o operador tenha uma idéia clara do ponto
onde se deve iniciar a investigação e diagnóstico do
defeito. A análise da condição de falha parcial na
combustão de um cilindro do motor foi motivada
por esta necessidade.
A fonte principal da vibração torcional nos eixos
do motor é originada pelo conjugado devido à
pressão do gás da combustão nos cilindros. Esse
conjugado produz uma deflexão angular, ∆n,
em relação ao cilindro 1, sobre cada cilindro do
motor (Figura 3). Dentro dessa linha de raciocínio, na simulação da falha parcial, foi ajustado o
29
JOÃO DO ESPÍRITO SANTO LIMA, CARLOS RODRIGUES PEREIRA BELCHIOR
FIGURA 6
Condição de falha total na combustão do cilindro 1 , na velocidade de serviço: 720 r.p.m. –
Resposta total em tensão.
Fonte: Lima (2003).
módulo (valor) do vetor de fase (∆n), de acordo
com o percentual da Pmi exigido pela condição
de falha simulada. É perfeitamente aceitável pelas
Sociedades Classificadoras e/ou fabricantes um
desvio operacional de -10% da Pmi para o modelo
de motor em análise [10, 11]. Assim, será analisado,
a seguir, o efeito que uma falha parcial de -20%
da Pmi (∆n= 0,8), na combustão de um cilindro,
proporcionará na vibração do eixo do motor.
Nesse tipo de falha, para apuração adequada do
diagnóstico, é recomendável efetuar uma análise
harmônica da resposta total na velocidade de serviço (720 r.p.m.), a fim de identificar uma variação
mais significativa do sinal em relação à operação
normal do motor. Nota-se, então, na Figura 7, que o
diagnóstico da falha parcial da combustão do cilindro
1 do motor é melhor evidenciado pela variação da
resposta em tensão dos harmônicos de ordens 6 ½
e 9 em relação à operação normal do motor.
30
As condições de falha total e parcial na combustão dos cilindros 2, 3, 4 e 5 do motor de cinco
cilindros seguem uma linha de análise similar às
comentadas para o cilindro 1 [6].
4. CONCLUSÕES
O procedimento de cálculo apresentado pode
estabelecer diferenças importantes entre cada tipo
de falha gerada na combustão dos cilindros, por
meio da análise das características específicas do
sinal de vibração, indicadas pelas intensidades dos
componentes harmônicos em tensão. O percentual
de variação da intensidade de cada harmônico em
relação à operação normal do motor é essencial
para identificar o diagnóstico da falha gerada e
torna-se também uma ferramenta importante
para analisar a necessidade de adotar medidas de
contenção de avarias no eixo motor.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 24-31
ENERGIA
FIGURA 7
Componentes harmônicas – condição de falha parcial e funcionamento normal do cilindro 1.
Fonte: Lima (2003).
Pelo estudo efetuado verifica-se que a condição
de falha total na combustão de alguns cilindros
pode causar amplitudes de vibração elevadas no
eixo e consequentemente valores de tensão acima
do limite recomendável de operação do motor.
5. KER WILSON, W., Practical Solution of Torsional Vibration Problems.
John Wiley & Sons Inc., New York, v. 2, 1963.
6. LIMA, João do E. Santo, Um Estudo sobre Método de Cálculo de
Vibração Torcional em Geradores Diesel e sua Aplicação como Ferramenta de
Diagnóstico de Defeitos na Combustão dos Cilindros do Motor. Dissertação
(Mestrado em Engenharia Oceânica) – Universidade Federal do
Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2003.
REFERÊNCIAS
7. LLOYD’S REGISTER OF SHIPPING, Guidance notes on Torsional
Vibration characteristics of main and auxiliary oil engines. 32 p., 1987.
1. BELCHIOR, C. R. P., Um Estudo sobre Vibrações Torcionais em
Instalações Propulsoras e Auxiliares Marítimas. Tese (Doutorado em
Engenharia Naval) – Escola Politécnica da Universidade de São
Paulo, São Paulo, 1982.
8. MARGARONIS, Ioannis E., The Torsional Vibrations of Marine
Diesel Engines under fault operation of its cylinders. Engineering Research
Bd. 58, paper, n. 1 e 2, 1992.
2. CHANDROTH, G., Diagnostic Classifier Ensembles: Enforcing Diversity for reliability in the Combination. Tese (Doutorado em Engenharia
Mecânica) – University of Sheffield, 1999.
3. DEN HARTOG, J. P., Vibração nos Sistemas Mecânicos. Edgard
Blucher, Ed. U.S.P., 1972.
4. GRIMMELIUS, Hugo T.; MEILER Peter P.; MAAS Hans
L.M.M. et al., Three State-of-the-art Methods for Condition Monitoring.
I.E.E. Transaction on Industrial Electronics, paper, v. 46, n. 2,
Apr. 1999.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 24-31
9. NESTORIDES, E. J., A Handbook on Torsional Vibration. British
Internal Combustion Engine Research Laboratory, 1958.
10. VINCENT, M. R.; TURNBULL, A.T., Onboard Combustion
Monitoring. Trans. I Mar. E, paper 7, v. 98, 1986.
11. WARKMAN, D. C., BP’s Performance-Monitoring System for Marine
Diesel Engines. Trans. I Mar. E. (TM), paper 40, v. 95, 1983.
31
MATERIAIS ESPECIAIS
Efeito do emprego de diferentes técnicas
de dopagem na absorção de microondas de
compósitos de PAni-DBSA com policloropreno
Magali Silveira Pinho, D.Sc.
Instituto de Pesquisas da Marinha (IPqM).
E-mail: [email protected]
Roberto da Costa Lima, D.Sc.
Instituto de Pesquisas da Marinha (IPqM).
E-mail: [email protected]
Ana Paula Santiago De Falco, M.Sc.
Instituto de Pesquisas da Marinha (IPqM). Instituto de Macromoléculas
(IMA) da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), RJ, Brasil.
E-mail: [email protected]
Bluma Guenther Soares, D.Sc.
Instituto de Macromoléculas (IMA) da Universidade Federal do Rio de
Janeiro (UFRJ), RJ, Brasil.
E-mail: [email protected]
Regina Celia Reis Nunes, D.Sc.
Instituto de Macromoléculas (IMA) da Universidade Federal do Rio de
Janeiro (UFRJ), RJ, Brasil
E-mail: [email protected]
Resumo
Este trabalho teve por objetivo avaliar o efeito decorrente da utilização
de diferentes processos de obtenção de polianilina dopada com o ácido
dodecilbenzeno sulfônico (PAni-DBSA) sobre as propriedades absorvedoras
de microondas de compósitos de PAni-DBSA com o policloropreno (CR). O
desempenho destes compósitos como materiais absorvedores de ondas
eletromagnéticas (RAM) foi avaliado pelo emprego de um guia de ondas
retangular, para a faixa de frequência 8,0-16,0 GHz. O método utilizado
nas medidas de refletividade (dB), baseou-se na determinação dos valores,
relativos ao vácuo, de permeabilidade complexa (µr*) e de permissividade
complexa (εr*), a partir de dados de espalhamento, sendo conhecido como
método de Transmissão/Reflexão (T/R).O emprego da técnica de maceração
propiciou uma redução do limiar de percolação, onde o compósito 50:50
com 1,0 mm de espessura apresentou uma absorção de microondas de
aproximadamente 99,90 % (refletividade ≅ -30 dB).
Palavras-chave
Polianilina. Ácido Dodecilbenzeno Sulfônico. Compósitos com
Policloropreno. Guia de Ondas. RAM.
Effect of different doping techniques on the
microwave absorption of PAni-DBSA composites
with polychloroprene
Abstract
This study aimed to evaluate the effect of the use of different procedures for
obtaining polyaniline doped with dodecylbenzenesulfonic acid (PAni-DBSA)
to be used as radar absorbing materials (RAM) with polychloroprene (CR).
The performance of these composites as RAM was assessed by the use of
a waveguide medium for the frequency range 8.0-16.0 GHz. The method
adopted to measure the complex permeability (µr*) and complex permittivity
(εr*) related to free-space from scattering parameters, was the transmission
line technique known as the Transmission/Reflection method (T/R). The
maceration technique allowed the percolation threshold reduction, where
the 50:50 composite 1.0 mm thick had a microwave absorption of about
99.90 % (reflectivity ≅ - 30 dB).
Keywords
Polyaniline. Dodecylbenzenesulfonic Acid. Polychloroprene Composites.
Waveguide. RAM.
32
1. INTRODUÇÃO
De modo a dificultar ou a minimizar a reflexão
detectada pelo radar (eco), produzida pelas
estruturas metálicas de plataformas militares, têm
sido desenvolvidas tecnologias apropriadas para a
redução da seção reta radar (RCS, radar cross section),
onde RCS de uma plataforma pode ser definida, de
forma simplificada, como uma medida da potência
refletida em uma direção específica [1].
Com base em programas específicos, estas
tecnologias envolvem a construção de embarcações
com seção reta reduzida e/ou o emprego de
material absorvedor de radiação eletromagnética
na frequência de radar (RAM, radar absorbing
material) [1].
O emprego de diferentes materiais destinados a
absorver a radiação eletromagnética, na faixa de
frequência de microondas (radar), tem recebido a
atenção de centros de pesquisa envolvidos com esta
área estratégica. Recentes desenvolvimentos em
Química e em Ciência dos materiais têm propiciado
o emprego de materiais que, efetivamente,
reduzem a RCS ou atuam na blindagem contra a
interferência eletromagnética (EMI, electromagnetic
interference) [1, 2].
A utilização de materiais absorvedores de
microndas (RAM) constitui uma das linhas de
pesquisa mais fascinantes da Engenharia de
materiais. Por meio do emprego de um RAM,
ocorre a conversão da energia de microondas,
gerada pelo radar, em calor. Desta forma, um
RAM deve ser constituído por compostos, com
elevada perda de energia, que absorvam a radiação
incidente em frequências sintonizadas e dissipem a
energia absorvida sob a forma de calor, inibindo a
energia necessária para o sinal de eco de detecção
por radar. Estes materiais podem ser constituídos
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 32-37
MATERIAIS ESPECIAIS
por carbono, compostos ferrimagnéticos e
ferromagnéticos e, mais recentemente, por
polímeros condutores [3 - 6].
A vantagem na utilização de polímeros condutores,
tais como as polianilinas, baseia-se na menor
densidade desses materiais em comparação com
os ferromagnéticos e ferrimagnéticos [7, 8]. As
polianilinas não se encontram disponíveis no
mercado nacional e apresentam alto valor agregado,
pois podem ser utilizadas em inúmeras aplicações,
tais como na área biomédica no desenvolvimento
de músculos artificiais, na liberação controlada
de drogas e como estímulo para a regeneração de
nervos; em membranas trocadoras de prótons para
células a combustível e como RAM; dentre outras
aplicações [9 - 13].
A mudança nos valores de condutividade elétrica
de polímeros isolantes decorrente da adição de
polímeros condutores tem sido explicada pela
teoria da percolação. Quando a concentração do
polímero condutor é pequena, a condutividade
é essencialmente a do meio dielétrico. Com o
aumento da concentração um limite inferior
é observado sendo conhecido como limiar
de percolação. A região caracterizada por um
aumento acentuado nos valores de condutividade
é conhecida como faixa de percolação [5].
O policloropreno (CR) é um elastômero que,
por apresentar elevada resis-tência à atmosfera
marítima, torna-se adequado para inúmeras
aplicações navais [1].
Para as medidas realizadas em guia de ondas,
Nicolson e Ross desenvolveram um método
para a determinação dos valores, relativos ao
vácuo, de permeabilidade complexa (µr *) e de
permissividade complexa (ε r *), a partir dos
parâmetros de espalhamento (S11 e S21) [14].
O presente trabalho teve por objetivo estudar o
efeito de diferentes processos de obtenção de
polianilinas dopadas com o ácido dodecilbenzeno
sulfônico (PAni-DBSA) na absorção de
microondas.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 32-37
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
2.1. Materiais
Um dos métodos empregados, neste trabalho,
consistiu na síntese de PAni, por via química,
objetivando a obtenção de polímeros com boas
propriedades elétricas e em maior quantidade,
quando comparada à síntese eletroquímica, a qual
apresenta como fator limitante a área do eletrodo
empregado.
Os polímeros sintetizados, sob a denominação
de cloridrato de esmeraldina (PAni-HCl), foram
resultantes do acoplamento oxidativo do tipo 1,4de moléculas monoméricas de anilina, iniciado
pelo uso do forte agente de oxidação, perssulfato
de amônio, em meio de ácido clorídrico (pH
0,0-1,0) [1, 15]. A razão molar anilina/oxidante
correspondeu a 0,83. Esses materiais foram
obtidos sob a forma de um pó com coloração
verde esmeralda.
A PAni-HCl obtida foi submetida ao processo
de neutralização (NH4OH; 0,1 M), resultando
na obtenção de PAni desdopada (EB) com
posterior redopagem com solução 1,0 M do ácido
dodecilbenzeno sulfônico por 24 h sob agitação
magnética, dando origem à PAni- DBSA (1,0 M),
após secagem a vácuo à temperatura ambiente até
peso constante.
O outro método de obtenção de PAni-DBSA
(1:3) ocorreu pela mistura mecânica em almofariz
(técnica de maceração), utilizando a razão
ponderal 1:3 de EB:DBSA. Nesse caso, foi obtido
um material pastoso, de coloração azul escura
brilhosa, que após dopagem térmica, por meio
de aquecimento em estufa a 100 °C, por 1 hora,
resultou na formação de um complexo muito
viscoso, opaco, de cor verde escuro, que foi seco
a vácuo à temperatura ambiente até a obtenção de
peso constante [16 - 21]. Foi utilizado um excesso
do dopante DBSA, para evitar a presença de EB.
Todos os reagentes foram grau PA e utilizados
como recebidos, com exceção da anilina que foi
bidestilada a vácuo.
33
MAGALI S. PINHO, ROBERTO DA C. LIMA, ANA PAULA S. DE FALCO, BLUMA G. SOARES, REGINA CELIA R. NUNES
2.2. Obtenção dos Compósitos com o
Policloropreno
As amostras de polianilinas foram misturadas, em
adição aos agentes de vulcanização, com o CR
resultando nas composições percentuais em massa
50:50 e 60:40 de PAni-DBSA:CR (% em massa) [1].
As misturas físicas (blendas) foram realizadas
em um misturador de cilindros Berstoff à
temperatura ambiente e com velocidades de 22 e
25 rpm (anterior e posterior), de acordo com os
procedimentos clássicos empregados pela indústria
de borracha. As blendas foram moldadas por
compressão a 150 °C e 6,7 MPa. Os corpos de
prova foram obtidos em triplicata sob a forma de
tapetes vulcanizados, com dimensões de 4,0 x 4,0
cm e espessuras de 0,10 e 0,15 cm [1].
Foram obtidas três amostras para cada compósito.
2.3. Técnicas de Caracterização
2.3.1. Medidas de Condutividade
Para avaliação das propriedades elétricas foram
realizadas medidas de condutividade superficial
pelo método padrão de 4 pontas, utilizando-se o
eletrômetro Keithley 617 com fonte de corrente
Keithley 224 [1]. Essas medidas foram feitas em
triplicata.
2.3.2. Microscopia Eletrônica de Varredura
(SEM)
A observação micromorfológica das amostras de
PAni-DBSA, sob a forma de pós, obtidas pelas
diferentes técnicas de dopagem foi realizada
pelo emprego de um microscópio eletrônico de
varredura Leica Mod S440, utilizando o detector
de elétrons secundários.
que determina as perdas de inserção e retorno em
magnitude e fase de amostras submetidas a teste
(SUT, Sample Under Test), por meio da comparação
entre o sinal transmitido pela SUT e o refletido na
sua entrada [14, 16]. Estas medidas foram feitas
em triplicata.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
De forma diferente da obtenção de PAni-DBSA
por meio do emprego de solução de DBSA
1,0 M, a utilização da técnica de maceração
resultou na formação do complexo condutor de
PAni-DBSA indicada pela visível alteração da
consistência pastosa para uma forma mais sólida.
Este método de dopagem térmica propiciou uma
maior penetração dos grupos alquídicos de cadeia
longa no esqueleto polimérico, sem a utilização
de solventes.
O efeito do emprego das diferentes técnicas de
obtenção de PAni-DBSA sobre os valores de
condutividade superficial para os compósitos com
o CR é ilustrado na Figura 1.
Observam-se, na Figura 1, as respectivas faixas
de percolação para os compósitos, ilustradas
pelo aumento acentuado nos valores de
condutividade superfi cial. Para a amostra de
PAni-DBSA(1:3) este aumento de 5 ordens de
grandeza (10-10 para 10-5 S/cm) ocorreu para
uma menor concentração (50 % em massa), em
relação à técnica em solução.
FIGURA 1
Avaliação do emprego das técnicas de dopagem por
maceração (1:3) e solução (1,0 M) sobre os valores de
condutividade superficial dos compósitos.
2.3.3. Método de Transmissão/Reflexão
(T/R)
A permeabilidade e permissividade complexas (µr*
e εr*, respectivamente) foram determinadas a partir
de dados de espalhamento, por intermédio do
analisador vetorial de redes HP 8510, equipamento
34
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 32-37
MATERIAIS ESPECIAIS
O emprego da técnica de maceração foi, deste
modo, responsável pela redução da concentração
de percolação. Tal comportamento pode ser
atribuído à melhor dispersão de PAni-DBSA (1:3)
na matriz de CR em relação à PAni-DBSA (1,0 M),
devido ao excesso de DBSA empregado, que atua
como plastificante [1, 17]. Além disso, o excesso
de DBSA pode estar promovendo uma possível
dopagem adicional durante o processo de mistura
(dopagem mecânica).
FIGURA 2
Imagens de SEM para as amostras de PAni-DBSA sob
a forma de pós.
A Figura 2 ilustra as imagens obtidas por SEM
para as amostras dos pós de PAni-DBSA obtidas
(a) pelo emprego de solução 1,0 M de DBSA e (b)
pela técnica de maceração.
Pelas imagens de SEM, na Figura 2, pode ser
observado que a técnica de maceração utilizando
a razão ponderal 1:3 de EB:DBSA propiciou
a obtenção de grãos poliméricos bem maiores
para o complexo condutor de PAni-DBSA. Tal
comportamento pode ser atribuído à dopagem
térmica empregada pela técnica de maceração,
que propicia uma maior mobilidade de DBSA,
facilitando sua penetração e resultando em um
aumento de tamanho.
A avaliação do desempenho dos compósitos de
PAni-DBSA (1,0 M):CR como RAM é ilustrada pela
Figura 3, para as composições percentuais em massa
(a) 50:50 e (b) 60:40, com espessuras de 1,5 mm.
FIGURA 3
Medidas de refletividade para os compósitos de PAniDBSA (1,0M):CR com composições percentuais em
massa (a) 50:50 e (b) 60:40 e espessuras de 1,5 mm.
Pelos resultados apresentados, o compósito 60:40
apresentou o melhor desempenho como RAM,
com absorção de microondas superior a 99,00 %
para a frequência de 12,0 GHz.
Um outro parâmetro, além do dopante, responsável
pela variação da absorção de microondas é
a espessura. Deste modo, esta foi variada de
forma que a absorção máxima de microondas
permanecesse em 12,0 GHz, para viabilizar um
estudo comparativo com os compósitos à base de
PAni-DBSA(1,0M).
A avaliação do desempenho dos compósitos de
PAni-DBSA(1:3):CR como RAM é ilustrada pela
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 32-37
35
MAGALI S. PINHO, ROBERTO DA C. LIMA, ANA PAULA S. DE FALCO, BLUMA G. SOARES, REGINA CELIA R. NUNES
Figura 4, para as composições percentuais em massa
(a) 50:50 e (b) 60:40, com espessuras de 1,0 mm.
O uso da técnica de maceração utilizando a razão
ponderal 1:3 de EB:DBSA possibilitou a obtenção
de um eficiente RAM, empregando-se uma menor
composição percentual em massa em relação à
técnica em solução (1,0 M). Tal comportamento
pode ser atribuído à dopagem térmica empregada
pela técnica de maceração, que aumenta a
mobilidade de DBSA, facilitando sua participação
no processo contínuo de transferência de carga
do complexo de PAni-DBSA e resultando em um
aumento acentuado dos valores de condutividade
(Figura 1). Além disso, pode estar ocorrendo uma
dopagem mecânica durante o processamento,
pelo excesso de DBSA empregado, que, também,
promove uma maior dispersão das partículas de
PAni-DBSA (efeito plastificante). Como resultado,
um bom desempenho como RAM com a absorção
máxima de microondas em 12,0 GHz foi observado
para o compósito 50:50 de PAni-DBSA(1:3):CR, com
redução de 0,5 mm na espessura.
FIGURA 4
Medidas de refletividade para os compósitos de PAniDBSA (1:3):CR com composições percentuais em massa
(a) 50:50 e (b) 60:40 e espessuras de 1,0 mm.
Os compósitos obtidos apresentam como vantagem
a utilização de menores concentrações em relação aos
materiais ferrimagnéticos (ferritas) e ferromagnéticos
(ferrocarbonila) para os quais concentrações de
80% em massa são necessárias para a obtenção de
um bom desempenho como RAM [1, 7, 8, 22].
5. AGRADECIMENTOS
4. CONCLUSÃO
Os autores agradecem ao Centro de Tecnologia
Mineral (CETEM) pelas análises de SEM.
A obtenção de PAni-DBSA pela técnica de
maceração com razão ponderal 1:3, possibilitou
o emprego de uma menor composição percentual
em massa (50:50) como um eficiente RAM para
a frequência de 12,0 GHz (absorção máxima
de microondas de aproximadamente 99,90 %
e refletividade ≅ −30 dB), utilizando-se uma
menor espessura (1,0 mm). Este resultado pode
ser atribuído ao aumento acentuado no valor de
condutividade, ilustrado pela faixa de percolação.
O emprego da técnica de maceração foi deste
modo, responsável pela redução da concentração
de percolação para 50 % em massa, decorrente da
dopagem térmica e mecânica.
36
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measurements for X and Ku-band frequencies”.
37
PROCESSOS DECISÓRIOS
O Emprego da Tabela de Decisão Fuzzy
na Estruturação do Conhecimento no
Processo de Classificação de Alvos
Capitão-de-Fragata Cleber Almeida de Oliveira
Centro de Análises de Sistemas Navais e Instituto Tecnológico de
Aeronáutica – CASNAV / ITA, Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 - Vila
das Acácias - São José dos Campos - SP - Brasil
E-mail: [email protected]
Karl Heinz Kienitz, D.Sc.
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA, Praça Marechal Eduardo
Gomes, 50 - Vila das Acácias - São José dos Campos - SP - Brasil
E-mail: [email protected]
Mischel Carmen N. Belderrain, D.Sc.
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA, Praça Marechal Eduardo
Gomes, 50 - Vila das Acácias - São José dos Campos - SP - Brasil
E-mail: [email protected]
Resumo
Este estudo propõe a utilização das tabelas de decisão fuzzy
(TDF), como uma estrutura para a construção das regras de um
sistema, a base de conhecimento, para apoiar a classificação
e identificação de alvos de superfície durante o processo de
fusão de dados. Esta abordagem visa a otimizar a compilação
do quadro tático marítimo com a atribuição do grau de confiança
na declaração de classificação e identificação do contato. Além
disso, proporciona uma estrutura simples e adequada para
modificação e validação da base de regras, de acordo com os
objetivos políticos e militares da missão. Observou-se uma melhor
interpretação das informações por meio da estrutura da TDF e
a atribuição do grau de confiança na declaração de identidade
do contato aprimorou a definição de prioridade para o envio de
helicóptero para a identificação visual.
Palavras-chave
Fusão de Dados. Tabela de Decisão Fuzzy. Quadro Tático.
Using Fuzzy Decision Table to Structure
Knowledge in Target Classification Process
Abstract
This study proposes the use o fuzzy decision tables (FDT), as a
structure to construct knowledge based system rules, to support
identification and classification of surface targets, during the data
fusion process. This approach aims to optimize the construction
of a maritime tactical picture by applying a grade of trust to the
target’s identity and classification declaration. It also proportionates
a simple structure suitable for modification and validation of rules,
according to the mission’s political and military objectives. It was
observed a better interpretation of the information with the FDT
structure and the application of a grade of trust to the target’s
identity declaration improved the priority definition to send a
helicopter for visual identification.
Keywords
Data fusion. Fuzzy Decision Table. Tactical Picture.
38
1. INTRODUÇÃO
Nas operações navais, a detecção, a classificação e
a identificação antecipada das forças hostis e das
possíveis ameaças impostas são decisivas para a
avaliação da situação tática de uma Força Naval.
Esta avaliação, segundo Ly et al. (2003), é um
processo de interpretação da situação utilizando
informações incompletas, haja vista que há
um espaço considerável entre as informações
disponíveis e as informações necessárias para
a obtenção de uma avaliação da situação tática
confiável. O processo decisório, neste contexto,
é uma atividade complexa e influenciada pela
incerteza da detecção, do acompanhamento,
da classificação e da identificação dos contatos
existentes no cenário marítimo. A classificação
de um contato de superfície consiste em designar
o tipo da embarcação (pesqueiro, mercante ou
militar) e a identificação traduz se a embarcação
é amiga, inimiga ou neutra, de acordo com
Heuvelink e Both (2007).
Conforme a complexidade e a incerteza aumentam
devido à presença de múltiplos contatos, o
emprego de um sistema especialista que apoie à
decisão de associação, classificação e identificação
dos contatos provenientes de múltiplos sensores
é cada vez mais necessário, visando a minimizar o
impacto das limitações humanas neste processo,
no entender de Oliveira e Belderrain (2008).
As limitações humanas decorrem da incapacidade
de considerar muitas interpretações possíveis em
paralelo dos contatos, bem como a resistência
em alterar a classificação de um contato avaliado
anteriormente.
A configuração mínima requerida de um sistema
especialista consiste de uma base de conhecimento,
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 38-48
PROCESSOS DECISÓRIOS
um procedimento de inferência e uma base de
dados, segundo Francioni e Kandel (1988). A base
de conhecimento contém os fatos e heurísticas
que representam o conhecimento humano. O
procedimento de inferência são estruturas de
controle que utilizam a base de conhecimento
para a solução dos problemas impostos ao
sistema especialista que pode ser representada
por regras no formato IF-THEN. A base de
dados representa a memória do sistema referente
ao acompanhamento do status do problema. No
cenário marítimo, o desafio consiste em projetar
ou estruturar uma base de conhecimento de modo
a facilitar a modificação e a validação das regras
de acordo com os objetivos políticos e militares
da missão.
Atualmente na Marinha do Brasil (MB), as
respostas pré-planejadas (PREPLAN) e as
regras de engajamento, que compõem algumas
diretivas, servem como base de conhecimento
para facilitar o processo decisório em todos os
níveis, do comandante do navio ao vigia, de modo
que, para cada possível situação específica, haja
um procedimento claro e simples que possa ser
adotado. Contudo, estas regras não estão inseridas
em uma estrutura que possibilite a aplicação em um
sistema especialista de apoio à decisão. O emprego
destas regras esbarram na limitação humana
para o processamento de múltiplas hipóteses
considerando múltiplos contatos.
Este estudo propõe a utilização das tabelas de
decisão fuzzy (TDF), como uma estrutura para
a construção das regras de um sistema a base
de conhecimento, para apoiar a classificação e
identificação de alvos de superfície, durante o
processo de fusão de dados. Esta abordagem
visa a otimizar a compilação do quadro tático
marítimo com a atribuição do grau de confiança
na declaração de classificação e identificação do
contato. Além disso, proporciona uma estrutura
simples e adequada para modificação e validação
da base de regras de acordo com os objetivos
políticos e militares da missão.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 38-48
2. METODOLOGIA
2.1. Fusão de Dados
No cenário marítimo, o processo de fusão visa a
transformar os acompanhamentos de um mesmo
contato observado e reportado para o sistema por
diferentes dispositivos de entrada (RADAR e outras
fontes/sensores) em um único acompanhamento
resultante. Além disso, ele possibilita a realização
de inferências e a obtenção de mais informações
sobre o contato em comparação à análise
dos acompanhamentos do mesmo reportado
pelas fontes ou sensores isoladamente. Este
acompanhamento resultante pode ser associado
a uma plataforma e representado no sistema por
um único número de acompanhamento e por
uma única marca de acompanhamento referente
à classificação e à identificação daquela plataforma
associada.
Nashman (1993) classificou as interações
estabelecidas entre os dados provenientes das
múltiplas fontes em três categorias: interações
competitivas, complementares e cooperativas.
A interação competitiva é definida como a relação
entre as fontes que observam o mesmo objeto
adquirindo informações redundantes que não
contribuem com qualquer conhecimento adicional
para o sistema. A integração das fontes competitivas
resulta em um incremento da confiança na validade
da informação extraída quando existe uma
relação entre os dados adquiridos e na redução da
confiança quando nenhuma relação existe.
A interação complementar ocorre quando duas ou
mais fontes obtêm informação do mesmo contato,
contudo as características dos dados adquiridos
por cada sensor são complementares. Nesse
caso, cada sensor fornece informação parcial de
determinadas características do ambiente.
A interação cooperativa ocorre quando as
observações de uma ou de mais fontes guiam os
processos de uma outra fonte.
39
CLEBER ALMEIDA DE OLIVEIRA, KARL HEINZ KIENITZ, MISCHEL CARMEN N. BELDERRAIN
A Figura 1, adaptada de Hall e McMullen (2004),
descreve a arquitetura de um sistema de fusão de
dados.
O bloco de alinhamento consiste na orientação
dos dados de modo que as informações de cada
sensor sejam traduzidas e convertidas por meio
dos respectivos protocolos para métricas comuns
e alinhadas de acordo com a definição da janela
de tempo dos dados a serem considerados. A
definição da janela de tempo aplicada ao banco
de dados de acompanhamento depende da taxa de
atualização dos dados dos sensores e da mudança
relativa da posição do contato entre as atualizações.
Como a velocidade de cruzeiro das plataformas
marítimas são baixas e o valor modal gira em torno
de 8 nós, pode-se afirmar que se for utilizada uma
taxa alta de 1 minuto praticamente não haverá
mudanças na posição das unidades móveis.
O bloco de gating visa a eliminar a comparação par
a par de observações inapropriadas, criando uma
janela em torno das variáveis de posição do objeto
a ser comparado, segundo Blackman (1986).
O bloco de associação de dados consiste na
aplicação do algoritmo de associação, considerando
os registros dos dados dos sensores acessíveis
no bloco de ar mazenamento (banco de
dados).
O vetor de estado final pode ser dividido em dois
segmentos: vetor de estado de posição e vetor de
estado de classificação e estimação da identidade
do contato. Na figura 1 estes segmentos são
ilustrados pelos blocos vetor de estado e estimação
de identidade, respectivamente.
Hall e McMullen (2004), Blackman (1986), BarShalom e Blair (2000) descrevem diversas maneiras
para a estimação do vetor de estado de posição.
Entretanto, como este problema não se insere
no escopo deste trabalho, as observações do
sensor com a menor incerteza serão escolhidas
para a estimação do vetor de estado de posição.
A vantagem deste procedimento de estimação
do vetor de estado de posição é que nenhuma
composição de dados é efetuada, reduzindo, assim,
o tempo de processamento.
FIGURA 1
Arquitetura de um sistema de fusão de dados.
40
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 38-48
PROCESSOS DECISÓRIOS
O vetor de estado de classificação e estimação da
identidade do contato envolve o conceito de fusão
de declaração de identidade. Este conceito visa a
transformar os atributos observados de um mesmo
contato por múltiplos sensores em um rótulo ou
marca de acompanhamento que descreva ou nomeie
a classificação e identificação daquele contato.
No contexto deste estudo, os atributos representam
os dados que podem ser úteis no processo de
classificação e identificação do contato. Por
exemplo, os seres humanos podem reconhecer
seus pares por meio de um processo de abstração,
que pode evidenciar atributos distintos como
movimentos característicos (visão), tonalidade da
voz (audição), características faciais (tato e visão)
etc. A composição destes atributos distintos
corrobora para a identificação do indivíduo.
Na prática, a fusão de posição e a fusão das
declarações de identidade podem ocorrer
simultaneamente. Obviamente, a forma de
compor esta fusão depende do tipo dos sensores
envolvidos no processo. Conceitualmente, a fusão
das declarações de identidade poderia ser realizada
da mesma forma que a fusão de posição, contudo,
existem algumas dificuldades neste processo, tais
como: a) os modelos físicos para a declaração de
identidade, de uma forma geral, não existem ou são
muito difíceis de serem desenvolvidos (ex: modelar
o retorno da seção reta radar de um navio versus
ângulo de aspecto do mesmo); b) a identidade
possui um aspecto hierárquico.
Assim, em um nível de inferência baixo, os objetos
a serem identificados podem incluir emissores
individuais (RADAR, rádios etc) ou entidades
físicas (motor, engrenagem redutora ou número
de pás de hélice). Em um nível de inferência alto, a
identidade de uma força naval pode ser declarada,
embora esta identificação não se estenda a cada
navio componente.
Em face destas dificuldades, sistemas baseados
em conhecimento são utilizados para processar as
observações dos sensores, considerando uma base
de regras construída a priori de modo a possibilitar
a declaração da classificação e da identidade
de um contato. Diversas estruturas podem ser
empregadas visando a alcançar uma conclusão
válida de classificação, tais como lógica booleana,
árvore de decisão, tabela de decisão, lógica fuzzy etc.
A Figura 2 ilustra o conceito de declaração de
identidade baseado em conhecimento.
FIGURA 2
Conceito de declaração de identidade baseado em conhecimento
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 38-48
41
CLEBER ALMEIDA DE OLIVEIRA, KARL HEINZ KIENITZ, MISCHEL CARMEN N. BELDERRAIN
Heuvelink e Both (2007), no estudo de simulação
de compilação cognitiva de quadro tático,
elucidaram algumas das heurísticas dos especialistas
que facilitam a declaração de classificação e
de identidade dos contatos na compilação
do quadro tático marítimo. Estas heurísticas
foram transformadas nas seguintes tarefas a
serem cumpridas pelo decisor: a) observar
comportamentos que definam a classificação
do contato (ex: velocidade do contato e se o
contato abriu fogo); b) relacionar a observação
do comportamento com as informações do
setor de inteligência e do ambiente (ex: rumo e
velocidade condizentes com a rota de navegação
daquele trecho, distância e setor da detecção do
contato coerentes com o tamanho e direção da
ameaça esperada e, ainda, expectativa de rumo e
velocidade do tráfego mercante informada pelo
setor de inteligência; c) observar todos os atributos
no tempo (ex: padrão de navegação e variação
de velocidade) e d) verificar se as informações
coletadas são suficientes para identificar um
contato como inimigo. Além dessas tarefas, deve,
ainda, o decisor selecionar a melhor ação (ex:
priorizar o esclarecimento aéreo para reduzir a
incerteza de ameaça ao máximo).
Na MB, tarefas semelhantes são enunciadas nas
respostas pré-planejadas (PREPLAN) e nas regras
de engajamento inseridas em algumas diretivas.
Essas regras são elaboradas para facilitar o processo
decisório em todos os níveis, do comandante do
navio ao vigia, de modo que, para cada possível
situação específica, haja um procedimento claro
e simples que possa ser adotado. Além disso,
essas regras visam a harmonizar as ações com os
objetivos políticos e militares da missão.
de regras que podem ser utilizadas como subsídios
para a implementação de um sistema especialista
de apoio à classificação e identificação de contatos.
Neste contexto será apresentada a extensão
fuzzy da tabela de decisão como ferramenta de
estruturação lógica do conhecimento.
2.2. Tabela de Decisão Fuzzy
A tabela de decisão (TD) é uma ferramenta de
estruturação lógica, desenvolvida nos anos 60
(Cantrell et al., 1961), que utiliza uma representação
tabular para descrever e analisar decisões
situacionais de uma forma simples, por meio do
estabelecimento de um conjunto de condições que
direciona a execução de um conjunto de ações
(Tabela 1). Assume-se que a tabela de decisão seja
caracterizada por n condições Ci (i = 1, 2, ..., n)
e m ações Aj (j = 1, ..., m). Cada TD é composta
de quatro quadrantes: conjunto de condições [Ci],
conjunto de ações [Aj], espaço de condições (CSi)
e espaço de ações (ASj). O conjunto de condições
consiste de todas as condições ou atributos
relevantes que influenciam o processo decisório. O
espaço de condições especifica todas as possíveis
combinações de estado de uma condição. O
conjunto de ações contém todas as ações que o
decisor pode tomar e, por fim, o espaço de ações
que contém a categorização de todos os possíveis
estados de uma ação.
A relação vertical entre o espaço de condições
e o espaço de ação produz as regras de decisão.
TABELA 1
Estrutura de uma tabela de decisão
Em resumo, o conceito de fusão das declarações
de identidade é fundamental para a avaliação tática
de uma força naval. Entretanto, em virtude de
dificuldades na modelagem dos modelos físicos
para o processo de declaração de identidade,
observa-se uma tendência na utilização de sistemas
baseados em conhecimento. As PREPLAN e as
regras de engajamento da MB constituem uma base
42
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 38-48
PROCESSOS DECISÓRIOS
Pode-se interpretar uma regra como “IF (CS1 and
CS2 and ... and CSn) THEN (AS1 and AS2 and ...
and ASm)”.
“A tabela de decisão fuzzy (TDF) é uma extensão
da TD de modo a considerar situações em que a
decisão é baseada em condições e ações incertas,
vagas e imprecisas na estruturação de modelos
de raciocínio aproximado” (Francioni e Kandel,
1988). A extensão compreende a introdução de
conjuntos fuzzy nos espaços das condições e ações
de uma TD. A nebulosidade das informações nas
condições aparece em expressões como “variação
grande de velocidade no tempo” e nas ações em
expressões como “atribuir alta possibilidade de
ser um alvo hostil”. Os termos destacados, em
negrito, ressaltam os aspectos nebulosos de tais
assertivas.
Chen et al. (1995) definiram a atribuição de uma
medida de valor de pertinência em uma tabela de
decisão da seguinte forma:
Seja Ci uma condição pertencente ao conjunto de
condições (i = 1, ..., n), CSi seja um conjunto de
estados de condições Sik (k = 1, ..., si; i = 1, ...,n),
onde Sik é uma expressão lógica nebulosa, Aj seja
uma ação pertencente ao conjunto de ações (j
= 1, ..., m) incorporando termos linguísticos e
conjuntos fuzzy, e ASj = {Verdadeiro (x), Falso (-),
nulo (.)} seja um estado de ação. Então, uma TDF
é uma função de CS1 x CS2 x ... x CSn para AS1
x AS2 x ... x ASm de modo que cada combinação
de condições possíveis seja mapeada para a
configuração de uma ação.
Todas as decisões situacionais são apresentadas
por meio das colunas da tabela, facilitando a
verificação de requisitos importantes tais como
a consistência e a completitude. Uma TDF é
dita completa se para qualquer combinação de
condições existir pelo menos uma coluna na qual
a combinação seja um valor maior do que zero.
A propriedade de exclusividade é relaxada em
uma TDF podendo haver mais de coluna ativada.
“Todas as interpretações de uma TDF devem
ser realizadas no nível de cada regra de decisão”
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 38-48
(Wets et. al., 1996). Uma TD é um caso especial
de uma TDF.
Originalmente uma TD era utilizada para construir
lógica de programas. Na última década, entretanto,
a ênfase na utilização de uma TD passou a ser
a forma simples de representar as situações de
decisão complexas, a facilidade de verificação
da completitude, exclusividade e correção na
geração do conhecimento. Neste contexto, na
próxima seção, deste estudo serão apresentados os
resultados da aplicação de TDF para a classificação
de contatos, baseado em um estudo ilustrativo no
cenário marítimo.
3. RESULTADOS
O cenário ilustrado na Figura 3 representa os
contatos obtidos, em um determinado intervalo de
tempo (Tn), pelas fontes A, B, C e D de um navio
de guerra. A camada de informação produzida por
meio das varreduras de cada sensor constitui o
grau de percepção do ambiente monitorado pelos
sensores. Considera-se que a fonte A seja os dados
de um sensor ativo (RADAR); a fonte B seja os
contatos obtidos pelo Automatic Identification System
(AIS); a fonte C seja os relatórios de inteligência
(INFOPE etc) do tráfego de embarcações neutras
na área e a fonte D seja o sensor passivo de Medida
de Apoio a Guerra Eletrônica (MAGE).
O AIS é um sistema de identificação automática,
especificado pela International Maritime Organization
(IMO), de emprego obrigatório por todos
os navios com arqueação bruta acima de 300
toneladas envolvidos em viagens internacionais,
navios de passageiros e navios de carga com mais
de 500 toneladas. Este sistema opera na faixa da
banda VHF (Very High Frequency) com protocolo
aberto e sua finalidade é disseminar informações
do navio como posição GPS (Global Positioning
System), rumo, velocidade, nome da embarcação,
indicativo internacional etc., automaticamente
sem a interferência da tripulação e com uma taxa
de envio dos dados em torno de 2s. Entretanto,
esse sistema possui algumas desvantagens e
43
CLEBER ALMEIDA DE OLIVEIRA, KARL HEINZ KIENITZ, MISCHEL CARMEN N. BELDERRAIN
limitações tais como: grande dependência do
sistema GPS, possibilidade de transmissão de
dados corrompidos ou incorretos e possibilidade
de uso das informações AIS para confusão ou
pirataria marítima.
O MAGE realiza ações para buscar, interceptar,
monitorar, localizar, gravar/registrar, avaliar e
analisar a energia eletromagnética irradiada, para
reconhecer, rapidamente, a fonte de emissão,
explorando-a para proveito das operações táticas.
Observa-se, na Figura 3, que há redundância
de informações de determinados contatos e
que existem contatos só observáveis por um
determinado sensor. Na situação ilustrada, o
contato 1 é reportado pelas fontes B, C e D; o
contato 4 e 5 são reportados pelas quatro fontes;
o contato 6 é reportado apenas pela fonte A; os
contatos 2, 3, e 7 embora tenham sido reportados
pela fonte B, não foram assinalados pelo setor
de inteligência e os contatos 2 e 6 não tiveram
suas emissões radar observadas pela fonte D. As
fontes A, B e C possuem determinado grau de
incerteza referente às informações de posição
dos seus contatos que podem ser representados
por elipses. A resultante do processo de fusão de
dados considerando as camadas de informações
competitivas produzidas por meio das varreduras
de cada sensor é mostrada na parte direita da
Figura 3, denominada de estado Tn.
Uma vez efetuada a estimação do vetor de posição,
minimizando a redundância de informações,
o foco do problema de decisão passa a ser a
declaração de identidade a ser atribuída a cada um
dos contatos físicos observados e determinar qual
a prioridade de esclarecimento necessária para o
referido contato.
As tarefas descritas por Heuvelink e Both (2007),
as PREPLAN e as regras de engajamento da
MB constituem heurísticas a serem utilizadas
como subsídios para a estruturação da base de
conhecimento, por meio da TDF, que represente
as regras de decisão de situações complexas
observadas no cenário marítimo.
A estruturação do conhecimento está dividida em
duas fases: a primeira consiste em construir uma
FIGURA 3
Representação de contatos nas camadas dos sensores
44
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 38-48
PROCESSOS DECISÓRIOS
TDF que possibilite efetuar alguma inferência
quanto à classificação primária dos contatos com
base no processo de fusão de dados das fontes
envolvidas e a segunda, em compor um TDF que
expresse condições e ações descritas nas heurísticas
de especialistas que facilitem a declaração de
identidade.
A Figura 4 ilustra a ontologia do processo
modelado para a declaração de identidade.
A Tabela 2 apresenta a TDF construída na
primeira fase. Esta estrutura visa à obtenção do
grau de confiança em classificar o contato como
mercante baseado no processo de fusão das fontes
envolvidas. Observa-se que as condições nesta fase
são do tipo binária (booleana) e que a associação
do contato com as informações de inteligência
(fonte C) e de dados do AIS (fonte B) favorecem a
elevação de confiança na classificação do contato,
conforme pode ser observado nas regras 1 a 6. A
pertinência a ser atribuída nas ações envolvendo
tais associações deve refletir o nível de serviço dos
disseminadores das informações de inteligência.
Considerando X como o espaço de combinações
das condições descritas na Tabela 2, podem-se
definir os conjuntos nebulosos Mercante Alta (MA),
Mercante Média (MM) e Mercante Baixa (MB)
como os conjuntos de pares ordenados discretos
MA={(x, µMA(x))|xεX}, MM={(x, µMM(x))|xεX}
e MB={(x, µMB(x))|xεX}, respectivamente. Onde
µMA(x), µMM(x) e µMB(x) são os graus de pertinência,
com valores entre 0 e 1, definido para cada
elemento de x pertencente ao conjunto X. Estas
funções de pertinência poderiam ser expressas da
seguinte forma:
µMA(x)={([1 1 1], 1); [1 1 0], 0,9); [1 0 1], 0,8); [0 1 1], 0,9)} (1)
µMM(x) ={([1 0 0], 0,5); [0 1 0], 0,6)}
(2)
µMB(x) ={([0 0 1], 0,2); [0 0 0], 0,1)}
(3)
A Tabela 3, a seguir, apresenta a TDF construída
na segunda fase. Esta estrutura visa à obtenção
do grau de confiança na classificação do contato
baseado nas heurísticas representadas pelas
condições e ações enunciadas. Observa-se que as
condições são representadas por conjuntos fuzzy.
FIGURA 4
Ontologia do processo modelado
Podem-se definir os conjuntos nebulosos
velocidade no tempo (VT), rumo no tempo
(RT) e distância (D) como os conjuntos de
pares ordenados VT={(x, µ VT (x))|xεX},
RT={(x, µRT(x))|xεX} e D={(x, µD(x))|xεX},
respectivamente. Onde, µVT(x), µRT(x) e µD(x) são
os graus de pertinência, com valores entre 0 e 1,
definido para cada elemento de x pertencente
ao conjunto X. Estas funções de pertinência
poderiam ser expressas da seguinte forma:
TABELA 2
Tabela de decisão fuzzy 1ª fase
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 38-48
45
CLEBER ALMEIDA DE OLIVEIRA, KARL HEINZ KIENITZ, MISCHEL CARMEN N. BELDERRAIN
µVT(x) = (1+0,045(x)2)-1
(4)
µRT(x) = (1+0,0009(x)2)-1
(5)
µD(x) = 0,4 *(x/20)
(6)
A partir da TDF apresentada na Tabela 3, podemse extrair algumas inferências que possibilitem
reduzir o número de regras. O simples fato de um
contato possuir alta variação de velocidade ou de
rumo no tempo pode traduzir um comportamento
suspeito da embarcação que associado a outras
condicionantes pode identificá-lo como provável
hostil. A diferença entre provável hostil e possível
hostil no cenário naval é semântica sendo o
primeiro sempre mais perigoso que o segundo.
A Tabela 4, a seguir, consolida as regras de decisão,
conforme o conjunto de condições observadas, e
enuncia o processo de inferência realizado.
A aplicação dessas regras no cenário ilustrado na
Figura 3, considerando as funções de pertinência
descritas nas equações 1 a 6, permite a declaração
de identidade dos contatos observados com
a atribuição do grau de confiança, conforme
apresentado na Figura 5, a seguir.
Observou-se uma melhor interpretação das
informações por meio da estrutura da TDF e a
atribuição do grau de confiança na declaração
de identidade do contato aprimorou a definição
de prioridade para o envio de helicóptero para a
identificação visual.
4. CONCLUSÕES
Os benefícios operacionais obtidos com a
estruturação do conhecimento por meio da TDF,
no contexto do processo de apoio à decisão,
são significativos. Os resultados alcançados
com a aplicação do algoritmo atendem aos
objetivos propostos de otimizar o processo
de classificação e identificação de contatos na
compilação de quadro tático marítimo. Além disso,
a estruturação do conhecimento de forma tabular
facilita a modificação e a validação das regras
de acordo com os objetivos políticos e militares
da missão. A atribuição do grau de confiança
na declaração de identidade e a priorização do
esclarecimento permitem uma melhor visualização
das informações pelo decisor, otimizando, assim,
o processo decisório de uma maneira global.
TABELA 3
Tabela de decisão fuzzy 2ª fase
46
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 38-48
PROCESSOS DECISÓRIOS
TABELA 4
Consolidação das regras de decisão
FIGURA 5
Plotagem com declaração de Identidade
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 38-48
47
CLEBER ALMEIDA DE OLIVEIRA, KARL HEINZ KIENITZ, MISCHEL CARMEN N. BELDERRAIN
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– 1610.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 38-48
SENSORES, GUERRA ELETRÔNICA E GUERRA ACÚSTICA
Acompanhamento de Alvos-Radar utilizando
filtragem de Kalman e vetor de estados com
dimensão variável
José Ricardo Potier de Oliveira, M.Sc.
Grupo de Sistemas Digitais
Instituto de Pesquisas da Marinha (IPqM), Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
E-mail: [email protected]
Resumo
Este trabalho consiste em um estudo comparativo entre o
desempenho de dois sistemas de acompanhamento de alvos
detectados por radar baseados em filtros de Kalman. Um
deles é atualmente utilizado em navios da Marinha do Brasil.
A modelagem matemática deste sistema de acompanhamento
foi revista e é aqui utilizada como referência para a comparação
com uma modelagem alternativa. Esta segunda modelagem
possui, como principal característica, vetor de estados com
dimensão variável, em função da ausência ou da presença
de aceleração no movimento do alvo. Resultados de análises
realizadas com dados simulados demonstram a viabilidade e as
vantagens de utilização deste modelo.
Palavras-chave
Filtro de Kalman. Filtro de Acompanhamento. Acompanhamento
de Alvos.
Target-Tracking Radar Using Kalman Filtering
and Vector States with Variable Size
Abstract
This work presents a comparative study between the
performance of two systems for monitoring targets detected by
radar-based Kalman filters. On of them is currently being used
on several ships in the Brazilian Navy. Mathematical modeling
of this monitoring system has been revised and is used here
as a reference for a comparison with an alternative model. This
second model has, as its main characteristic, state vector with
variable dimension, depending on the presence or absence of
acceleration in the movement of the target. Results of tests with
simulated data demonstrate the viability and advantages of
using this model.
Keywords
Kalman Filter. Tracking Filter. Target Tracking.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 49-55
1. INTRODUÇÃO
O objetivo deste trabalho é contribuir com a
pesquisa e com o desenvolvimento de filtros de
acompanhamento de alvos, presentes em qualquer
sistema de acompanhamento de alvos-radar.
A determinação dos parâmetros cinemáticos de
um alvo e a predição de sua posição, em uma
próxima varredura do radar, são informações
importantes para o auxílio à navegação, para a
vigilância, para o controle tático e para o controle
de armamentos.
A t u a l m e n t e, o s m o d e r n o s s i s t e m a s d e
acompanhamento de alvos, tanto os de uso
civil quanto os de uso militar, são comumente
baseados em filtros de Kalman, que atuam como
estimadores de posição e velocidade do alvo.
No entanto, detalhes de implementação destes
filtros não são divulgados por motivos de ordem
econômica e estratégica.
O presente estudo tem por objetivo comparar
dois modelos de filtros de acompanhamento.
O primeiro modelo, chamado, aqui, de modelo
convencional, é empregado no sistema de
acompanhamento desenvolvido pelo IPqM em
parceria com empresas e atualmente é usado em
diversos navios da Marinha do Brasil. O outro
modelo, também objeto deste estudo, é chamado,
aqui, de modelo combinado.
A diferença básica entre os dois modelos reside
no vetor de estados do filtro de Kalman. O
modelo convencional utiliza as informações de
posição e velocidade, esta decomposta segundo
os eixos cartesianos, em todo o tempo do
acompanhamento. Este modelo aposta em poucas
mudanças na cinemática do alvo e na capacidade
49
JOSÉ RICARDO POTIER DE OLIVEIRA
do filtro de Kalman em recuperar-se diante de uma
eventual mudança nesta cinemática [1], como uma
manobra de guinada.
O modelo combinado leva em consideração a
mudança da cinemática do alvo acompanhado e,
para tal, incorpora duas representações internas
desta cinemática, uma para alvos em movimento
retilíneo uniforme (MRU), para a qual o vetor
de estados do filtro é o mesmo do modelo
convencional. A outra é para alvos manobrantes,
onde o vetor de estados inclui a informação de
aceleração (além da posição e velocidade) [2, 11].
Além disso, o desenvolvimento matemático do
modelo combinado também preenche alguns
pontos de incongruência detectados na modelagem
matemática do modelo convencional. Tais
características conferem ao modelo combinado um
maior rigor matemático na descrição da cinemática
do alvo acompanhado.
Tanto o modelo convencional quanto o combinado
utilizam técnicas de detecção de manobra para
se adaptarem à mudança na dinâmica do alvo
acompanhado. A diferença é que o modelo
convencional reinicializa o filtro ou partes dele,
ao detectar a manobra do alvo [1], e o modelo
combinado realiza o chaveamento interno entre
os dois filtros de Kalman [2].
2. FORMULAÇÃO DO PROBLEMA
2.1. Modelagem do sistema de acompanhamento
Sistemas de acompanhamento são, em geral,
baseados no filtro de Kalman, cuja teoria pode
ser amplamente acessada em publicações diversas
e pela Internet [3, 4, 5]. Um filtro de Kalman é
um estimador linear do estado de um sistema,
que busca minimizar uma função custo (erro
médio quadrático da estimação) por meio de uma
solução recursiva. A técnica considera um sistema
dinâmico linear e discreto no tempo (intervalo de
tempo T entre amostras), perturbado por adição de
ruído branco (η) com distribuição de probabilidade
Gaussiana e representado pela equação vetorial,
denominada equação do processo:
50
(1)
onde
s(n) é o vetor de estados de dimensão N×1;
A(n) é a matriz de transição de estados de dimensão
N×N;
η(n) é o vetor (N×1) de ruído de processo.
A equação (1) define a dinâmica do sistema, onde
N é o número de variáveis de estado e é aplicável
tanto no caso do modelo convencional quanto
no caso do modelo combinado. Neste último,
estamos interessados em modelar a dinâmica do
alvo acompanhado em duas situações distintas:
alvo em movimento retilíneo uniforme (MRU)
ou alvo em manobra. A diferença entre as
duas situações é a ausência ou a presença de
aceleração.
Este trabalho se limitará a apresentar algumas
características fundamentais do modelo combinado,
não detalhando a implementação do modelo
convencional. Maiores detalhes da implementação
dos modelos combinado e convencional podem
ser vistos em [6].
Definindo posição, velocidade e aceleração como
os estados do sistema, decompostos segundo
os eixos cartesianos, definem-se as equações do
processo, em forma matricial são:
Caso 1 :
(2)
A equação (2) considera que, no MRU, o ruído
de processo é visto como uma perturbação
da velocidade, que deveria ser constante,
caracterizando a presença de uma aceleração,
representada pela segunda parcela da soma.
Caso 2 com manobra:
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 49-55
SENSORES, GUERRA ELETRÔNICA E GUERRA ACÚSTICA
ter seus parâmetros ajustados visando controlar o
desempenho do filtro.
(3)
A equação (3) considera que, neste caso, o ruído de
processo está representando uma perturbação na
própria aceleração, que já faz parte da dinâmica do
alvo acompanhado, já presente no vetor de estados.
Para ambos os casos (alvo em MRU e alvo em
manobra) a equação do processo é dada por:
(4)
que é uma variante da equação (1).
Uma integrante do processo recursivo do filtro de
Kalman é a chamada matriz de covariância do ruído
de processo, calculada como
onde E{.} é o operador Valor Esperado.
, que fornece parâmetros que
podem ser ajustados permitindo controlar o
desempenho do filtro. Teremos, portanto, também
duas matrizes de covariância do ruído de processo,
uma para cada caso considerado.
Voltando ao sistema dinâmico linear, discreto no
tempo e descrito pela equação de processo (4), este
tem alguns de seus estados medidos, o que nos leva
a chamada equação das medidas (ou observações),
assim definida:
(5)
onde
z(n) é o vetor das medidas (ou observações) de
dimensão P×1;
H(n) é a matriz (P×N) de observação;
ω(n) é o vetor (P×1) de ruído de medida.
, é denominada matriz de
covariância do ruído de medida, que também pode
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 49-55
Uma questão que logo surge é a possibilidade
de se usar somente o modelo aumentado para
realizar a estimação, independentemente da
natureza do movimento do alvo, já que o modelo
convencional é um caso particular do modelo
aumentado. As matrizes de covariância dos ruídos
de processo e medida (Q e R respectivamente)
são usadas para atuar no desempenho do filtro
de estimação, especializando cada filtro em um
tipo de dinâmica. Assim, o modelo para alvos em
manobra não tem um bom desempenho quando
usado para estimação das variáveis de estado de
alvos em MRU.
As medidas que podemos realizar dos alvos em
movimento são por meio do radar, que fornece
apenas a posição do alvo em coordenadas polares
(distância e marcação). Como o vetor de estados
s é definido com posição dada em coordenadas
cartesianas, a equação das medidas torna-se não
linear, uma vez que a relação entre coordenadas
polares e cartesianas envolve o uso da equação (6):
(6)
são a distância e a marcação
onde
(acrescidas de ruído de medida) respectivamente.
ωD e ωθ são os ruídos de medida envolvendo
distância e marcação. E px e py são as coordenadas
cartesianas da posição.
O filtro de Kalman empregado, tanto no modelo
convencional quanto no combinado, é o filtro
de Kalman Estendido [7]. Este filtro é uma
das técnicas mais conhecidas, mas não a única,
empregada nos casos em que se trabalha com
equações não lineares, como é o caso da equação
(6), que pode ser escrita como:
(7)
51
JOSÉ RICARDO POTIER DE OLIVEIRA
onde fH[.] é uma função não linear das variáveis
de estado.
A técnica consiste em fazer uma linearização
da função no entorno da estimativa corrente,
utilizando uma expansão de 1ª ordem da série de
Taylor da função fH.
2.2. Detecção de manobra
Em ambos os modelos, a detecção de manobra
se faz necessária para que o sistema tome uma
decisão. No caso do modelo convencional a
detecção de manobra faz com que o filtro seja
reinicializado, em parte ou ao todo, buscando
adequar as suas estimativas à realidade da dinâmica
do alvo. Já o modelo combinado precisa detectar
o início e o fim de uma manobra, a fim de realizar
o chaveamento entre os dois filtros que tratam os
casos de MRU e de movimento com aceleração e,
em ambos os modelos, a detecção de manobra é
feita por meio de um critério estatístico que valida
ou não a estimação feita pelo filtro.
O melhor método é analisar a evolução do erro
de estimação segundo algum critério, que pode
ser o critério do Erro Médio Quadrático. Em um
ambiente real as medidas e as suas estimativas
são os únicos dados que temos disponíveis para
certificar a consistência do estimador (não temos
acesso à todas as variáveis de estado). Portanto,
sendo z(n) o vetor de medidas (distância e
a sua estimativa feita pelo
marcação) e
filtro, define-se a inovação ζ(n) como sendo a
diferença entre o valor medido e a sua estimativa:
. Desta forma, como critério
para validação de um filtro estimador de estado em
um ambiente real, devemos realizar uma análise no
comportamento da inovação.
Pode-se construir uma variável aleatória (VA) a
partir da inovação ζ admitindo-se que a inovação
ζ possua distribuição Gaussiana com média zero
(condição de não polarização) e uma matriz de
covariâncias S, ou seja, ζ~N(0, S). Seja
uma VA escalar. Ela pode ser reescrita como
.
52
Fazendo-se
, demonstra-se [5, 6] que
u é um vetor de VAs Gaussianas padronizadas e,
consequentemente, é uma VA com distribuição
Qui-quadrado, que pode ser usada no seguinte
teste de validação do filtro: se o filtro passa a
estimar o estado com erro crescente, x tende a
aumentar. Um teste de hipóteses pode ser usado
para se estabelecer um limiar de até quanto a
estimação do filtro é confiável. Então. este teste
é usado para determinar quando um alvo passa a
executar uma manobra, pois, nesse caso, ocorre
um crescente erro na estimação. Um teste de
natureza semelhante é usado para determinar o
fim da manobra.
3. METODOLOGIA EMPREGADA
Para a realização dos testes foram utilizados
dados simulados produzidos por um gerador de
trajetórias, escrito em MatLab®. Neste gerador o
usuário pode determinar a trajetória do alvo, sua
velocidade e o ângulo da manobra, permitindo
a simulação de diversos tipos de situações de
manobras.
O estudo comparativo entre o modelo
convencional e o modelo combinado foi
realizado com base na utilização de dois
simuladores, também escritos em MatLab1. Um
deles, que representa o modelo convencional,
é capaz de reproduzir os mesmos resultados
obtidos do equipamento real, se ambos forem
alimentados com os mesmos dados gerados
pelo gerador de trajetórias descrito no parágrafo
anterior. O outro, representando o modelo
combinado, gera os resultados a partir desta
modelagem que queremos estudar.
Na Seção 4, deste estudo, são apresentados alguns
gráficos mostrando o resultado das simulações
feitas a partir dos dois modelos.
1
The MathWorks, Inc.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 49-55
SENSORES, GUERRA ELETRÔNICA E GUERRA ACÚSTICA
4. RESULTADOS
Alguns resultados de testes de laboratório,
realizados com dados simulados e com alguns
poucos dados reais disponíveis, comparando
os dois modelos, evidenciam que o modelo
combinado responde mais rapidamente à mudança
de dinâmica do alvo, com melhores estimativas de
posição.
A Figura 1 mostra um alvo simulado com
velocidade de 15 nós, realizando manobra de 90°.
A Figura 2 compara os erros de estimação da
posição para ambos os modelos.
Uma filtragem pode ser feita em cima da estimação
de velocidade realizada pelo modelo combinado,
para amenizar a instabilidade.
A Figura 4, a seguir, mostra a simulação de um
alvo a 23 nós, realizando uma manobra de 200°.
Nesta figura podemos observar, além da demora
na percepção da manobra por parte do modelo
convencional, a polarização que permanece nas
estimativas de posição após a manobra. O modelo
combinado responde mais rapidamente à manobra
FIGURA 2
Erro de estimação de posição
A velocidade estimada pelos dois modelos pode
ser vista na Figura 3. Nota-se que, nesse caso, a
velocidade estimada pelo modelo convencional
é mais estável do que a estimada pelo modelo
combinado. Isto se deve ao fato de o modelo
convencional estar ajustado com valores de
covariâncias de ruído de medida que lhe conferem
um maior peso as suas próprias estimativas do que
às medidas, garantindo a maior estabilidade na
estimação de velocidade, porém, causando uma
maior demora no reconhecimento da manobra.
FIGURA 1
Trajetória de alvo a 15 nós.
FIGURA 3
Velocidade estimada
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 49-55
53
JOSÉ RICARDO POTIER DE OLIVEIRA
do alvo e permanece com boas estimativas de
posição após a manobra.
FIGURA 4
Trajetória de alvo a 23 nós.
Também, nesse caso, a velocidade estimada pelo
modelo convencional é mais estável do que a
estimada pelo modelo combinado, sugerindo
a necessidade de se buscar uma solução mais
adequada para esta estimativa.
Não havia disponibilidade de dados reais com
manobras para a realização de testes. No entanto,
um artifício matemático foi utilizado para simular
manobras nos poucos dados reais, de trajetórias
retilíneas, disponíveis. O artifício foi realizar uma
rotação em parte dos dados, em relação a um
ponto arbitrário da trajetória. Nesses testes, com
dados reais e simulação de manobra, o modelo
combinado permaneceu desempenhando as
suas estimativas com as mesmas características
constatadas nas simulações.
5. CONCLUSÃO
Este trabalho foi pautado na comparação de
desempenho entre dois modelos de filtro de
acompanhamento de alvos adquiridos por radar.
O primeiro, o modelo convencional, atualmente
utilizado em vários navios da Marinha do Brasil, é
aqui tomado como referência. Possui modelagem
matemática baseada em um filtro de Kalman
estendido, responsável pela estimação de posição
e velocidade do alvo em acompanhamento.
Nesse modelo, o engajamento do alvo em uma
manobra é detectado por um teste estatístico que
identifica um distanciamento entre as estimativas
realizadas pelo filtro e as medidas recebidas do
radar. Como resultado, o filtro passa a corrigir as
suas estimativas por meio de reinicializações nas
suas estimações. Em síntese, esse modelo não
reconhece a mudança na dinâmica do alvo, mas
sim a mudança na qualidade da sua estimação.
O segundo modelo, o combinado, apresentado
neste trabalho como alternativa ao anterior,
possui como principal característica a capacidade
de alternar dois modelos dinâmicos, um para
alvos em MRU e outro para alvos engajados
54
em uma manobra, caracterizando a existência
de aceleração na sua dinâmica. Esta abordagem
considera a manobra como parte integrante da
dinâmica do alvo, embora nem sempre presente.
Para essa modelagem, o vetor de estados possui
componentes referentes à estimação de posição e
velocidade, quando o alvo não está manobrando
e passa a ter componentes adicionais referentes
à estimação da aceleração quando o alvo passa
executar uma manobra. Um teste estatístico de
mesma natureza do usado no modelo convencional
é usado aqui para a detecção de manobra.
Adicionalmente, outro teste estatístico é realizado
durante o período de manobra a fim de determinarse o fim desta.
Nas diversas simulações realizadas, foi constatado
um melhor desempenho do modelo combinado
em relação ao modelo convencional no que diz
respeito, principalmente, à estimação de posição.
A estimação de velocidade sofre maiores oscilações
de valor do que o modelo convencional e deve ser
filtrada antes de ser apresentada ao operador do
sistema.
Pelo exposto até aqui, é possível afirmar que a
adoção do modelo combinado em substituição
ao modelo convencional constitui um passo na
direção do aprimoramento tecnológico deste
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 49-55
SENSORES, GUERRA ELETRÔNICA E GUERRA ACÚSTICA
tipo de sistema. A limitação encontrada até agora
para fortalecer definitivamente essa afirmação é
a falta de massa de dados reais que caracterize
completamente o problema em estudo.
É importante ressaltar que várias técnicas e
modelagens sobre o problema de acompanhamento
de alvos vêm sendo desenvolvidas há vários anos
[5, 9, 10, 11, 13].
Modernamente uma das técnicas mais utilizadas é a
do IMM (interacting multiple model) [13], que obtém a
estimação do vetor de estados do sistema por meio
da combinação de múltiplos módulos de filtros
de estimação, cada um ajustado para um modelo
dinâmico específico.
Este trabalho buscou investigar uma destas
abordagens, o filtro de dimensão variável,
levando-o para o campo de aplicação, com a
finalidade específica de contribuir na evolução de
um sistema real atualmente em uso pela Marinha
do Brasil.
REFERÊNCIAS
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[2] BAR-SHALOM, Yaakov, BIRMIWAL, K. Variable
Dimension Filter for Maneuvering Target tracking. IEEE
Trans. on Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-18, NO.5,
pp. 621-628, 1982.
[3] KALMAN, R. E. A New Approach to Linear Filtering and
Prediction Problems. Trans. ASME (J. Basic Eng.), Vol. 82D, pp.
34-45, 1960.
[4] WELCH, Greg., BISHOP, Gary., (2004). An Introduction to
the Kalman Filter. http://www.cs.unc.edu/~welch/media/pdf/
kalman_intro.pdf. Acesso em: 16 fev. 2005.
[5] BAR-SHALOM, Yaakov, RONG LI, Xiao. Estimation and
Tracking: Principles, Techniques, and Software. 1ª ed.,
Norwood, Artech House, Inc., 1998.
[6] OLIVEIRA, J. R. P. Acompanhamento de Alvos-Radar
Utilizando Filtragem de Kalman e Vetor de Estados com
Dimensão Variável. Dissertação de Mestrado COPPE/UFRJ,
Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2005.
[7] KAY, Steven M. Fundamentals of Statistical Signal
Processing: Estimation Theory. 1ª ed., New Jersey, Prentice-Hall,
1993.
[8] PAPOULIS, Athanasios. Probability, Random Variables,
and Stochastic Processes. 3ª ed., Singapura, McGraw Hill, 1981.
[9] RONG LI, X., JILKOV, P. Vesselin. A Survey of Maneuvering
Target Tracking – Part IV: Decision Based Methods. In:
Proceedings of SPIE Conference on Signal and Data Processing
of Small Targets, 4728-60, Orlando, FL, USA, abr. 2002.
[10] BLACKMAN, Samuel S. Multiple-Target Tracking with
Radar Applications. 1ª ed., Dedham, Artech House, Inc., 1986.
[11] BAR-SHALOM, Yaakov, RONG LI, Xiao, KIRUBARAJAN,
Thiagalingam. Estimation with Applications to Tracking and
Navigation. 1ª ed., Wiley-Intercience, 2001.
[12] BAR-SHALOM, Yaakov, RONG LI, Xiao. MultitargetMultisensor Tracking: Principles and Techniques. 1ª ed., YBS
Publishing, 1995.
[13] BLACKMAN, Samuel S.,POPOLI, Robert. Design and
Analysis of Modern Tracking Systems. 1ª ed., London, Artech
House, 1999.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 49-55
55
SENSORES, GUERRA ELETRÔNICA E GUERRA ACÚSTICA
Filtros Optoeletrônicos de Microondas
não-Recursivos para Aplicações em
Radar e em Guerra Eletrônica
Capitão-de-Corveta (EN) Carla de Sousa Martins
Instituto de Pesquisas da Marinha – IPqM
E-mail: [email protected]
Capitão Olympio Lucchini Coutinho, M.Sc
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA
E-mail: [email protected]
William dos Santos Fegadolli, M.Sc
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA
E-mail: [email protected]
Prof. José Edimar Barbosa Oliveira, Ph.D
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA
E-mail: [email protected]
Resumo
Neste estudo, são apresentadas duas arquiteturas de filtros
optoeletrônicos na faixa de microondas, que utilizam dispositivos
dispersivos como unidades de atraso dependentes do comprimento de
onda. Os filtros são modelados como sistemas ópticos de microondas
de três estágios, a saber: uma unidade de entrada consistindo de
um modulador eletroóptico, um bloco de processamento totalmente
óptico e, finalmente, um módulo de conversão óptico-elétrico.
Ambas as arquiteturas exibem características de sintonização
e reconfigurabilidade que as tornam de especial interesse para
áreas de radar e de guerra eletrônica. A análise teórica dos
filtros bem como os resultados obtidos por meio de simulações
numéricas são, também, aqui, apresentados.
Palavras-chave
Filtro Optoeletrônico de Microondas. Processamento Óptico de
Sinais. Processamento Óptico de Microondas. Radar. Guerra
Eletrônica.
Non-Recursive Optoeletronic Microwave
Photonic Filters for Radar and Electronic Warfare
Applications
Abstract
This study presents two optoeletronic filter architectures in the
range of microwave devices which use dispersive delay units
as dependent on wavelength . Filters are modeled as three-stage
microwave photonic systems, namely: an input unit consisting of an
electrooptic modulator, an all-optical processing block, and finally
an optical-electrical conversion module. Both architectures exhibit
tuning and reconfiguring characteristics which are of special
interest for radar and electronic warfare applications. Theoretical
analysis of the filters as well as numerical simulations results are
also presented herein.
Keywords
Microwave Photonic Filter. Optical Signal Processing. Microwave
Optical Processing. Radar. Electronic Warfare.
56
1. INTRODUÇÃO
Processamento óptico de sinais de radiofrequência
(RF) e microondas constitui um tópico que, nos
últimos anos, tem despertado grande interesse
nas áreas de radar e de guerra eletrônica. Isto
se deve não apenas às vantagens amplamente
conhecidas dos sistemas ópticos, tais como baixa
sensibilidade a interferências eletromagnéticas (EMI),
capacidade de banda larga, baixas perdas, tamanho
e peso reduzidos, mas também pelos avanços
tecnológicos obtidos no projeto e na fabricação de
moduladores optoeletrônicos, na de fibras ópticas,
bem como de outros componentes ópticos [1].
Graças a esses avanços, o processamento óptico de
sinais analógicos tornou-se realidade notável, com
índices de desempenho cada vez melhores. Vários
grupos de pesquisa têm demonstrado a aplicação
de processamento óptico de sinais em links ópticos
de RF à fibra óptica (radio-over-fiber), controle de
antenas remotas, apontamento de feixe em antenas
phased array, etc [4,6,9]. Além disso, as vantagens
anteriormente mencionadas têm atraído também a
atenção de indústrias na área da Defesa, a tal ponto
que estas têm financiado pesquisas visando à
aplicação de tecnologia fotônica ma transmissão
de sinais de RF em sistemas radar [4].
Este artigo apresenta a modelagem de duas
arquiteturas de filtros optoeletrônicos de
microondas transversais, baseadas na utilização
de dispositivos dispersivos como linhas de retardo
dependentes do comprimento de onda. Ambas
demonstram elevado potencial para realização de
respostas em frequência arbitrárias, ressalvadas
algumas limitações que serão expostas no decorrer
do presente trabalho, graças à variação dos
coeficientes do filtro e de suas unidades de retardo
(ou período), tornando-as assim próprias para a
aplicação em sistemas radar e de guerra eletrônica.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 56-65
SENSORES, GUERRA ELETRÔNICA E GUERRA ACÚSTICA
2. CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE
FILTROS OPTOELETRÔNICOS DE
MICROONDAS
Um filtro optoeletrônico de microondas pode ser
visto como um caso particular de processador
óptico de sinais que desempenha a filtragem
de sinais ópticos modulados por um sinal de
microondas. Considerando, a princípio, que as
estruturas de processamento óptico são sistemas
discretos lineares e invariantes no tempo [3,6], a
resposta impulsiva de um filtro pode ser expressa
por
,
(1)
onde N é a ordem do filtro,
representa a
amplitude complexa da resposta ao impulso no
tempo t = nT (também chamado de coeficiente
do filtro), δ (·) representa a função delta de Dirac
(ou impulso) e T é a unidade básica de atraso entre
derivações adjacentes.
De acordo com o número de amostras da resposta
ao impulso N, o filtro pode ser classificado
como não-recursivo ou de resposta ao impulso
finita (FIR), se N < ∞, ou como recursivo ou de
resposta ao impulso infinita (IIR), se N → ∞. Para
filtros não-recursivos e amplitudes reais de , os
coeficientes do filtro são dados diretamente pelas
amplitudes da resposta ao impulso.
Como pode ser visto na Figura 1, um sinal de
é modulado pela
RF de entrada hipotético
portadora óptica no modulador eletroóptico e
em seguida passa por um circuito fotônico que
amostra o sinal no domínio do tempo, atribui
pesos às amostras, combina-as usando linhas de
retardo ópticas e outros elementos, e, após isto, o
sinal passa por um fotodetector e, finalmente, o
sinal de RF recuperado e filtrado é obtido.
Estritamente falando, a linearidade do filtro
somente é garantida no domínio óptico, devido
à linearidade das equações de Maxwell, por causa
das não-linearidades envolvidas nos processos
FIGURA1
Diagrama de fluxo de sinais de um filtro incoerente de ordem N com uma única fonte laser [3].
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 56-65
57
CARLA DE SOUSA MARTINS, OLYMPIO LUCCHINI COUTINHO, WILLIAM DOS SANTOS FEGADOLLI, JOSÉ EDIMAR B. OLIVEIRA
de modulação e fotodetecção. Mas sob certas
condições, uma relação linear entre os sinais de RF
de entrada e saída pode ser escrita como
. (2)
A largura de banda de 3-dB, também conhecida por
FWHM (Full Width Half Maximum), é denotada
por
. Assim, para filtro passa-banda, a
seletividade do filtro é dada pelo seu fator de
qualidade ou fator Q.
Aplicando a transformada de Fourier em (1), a
resposta em frequência elétrica é obtida.
(3)
A partir de (3) pode-se observar que a resposta
em frequência do filtro é periódica com período
(em unidades de frequência angular) ou
(em unidades de frequência), esta última correspondendo à faixa espectral livre FSR (Free Spectral
Range), conforme mostra a Figura 2.
(4)
(5)
Outro parâmetro importante é a razão entre a
potência do lóbulo principal e o lóbulo secundário,
MSSR (Main to Secondary Sidelobe Ratio), que mede a
rejeição do filtro com relação aos canais adjacentes.
Além disso, outras características devem ser
consideradas a fim de escolher a arquitetura de
filtro apropriada para uma aplicação específica. Por
exemplo, dependendo do número de fontes ópticas
e do arranjo dessas fontes, alguns filtros operarão
em regime coerente ou incoerente e poderão ser,
ou não, sintonizáveis e reconfiguráveis.
FIGURA 2
Espectro periódico típico de um filtro fotônico de microondas [3].
58
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 56-65
SENSORES, GUERRA ELETRÔNICA E GUERRA ACÚSTICA
3. TEORIA E MODELAGEM DOS FILTROS
As duas arquiteturas de filtros optoeletrônicos
de microondas, abordadas neste artigo, são
modeladas como sistemas ópticos de três estágios,
a saber: uma unidade de entrada consistindo
de um modulador eletroóptico, um bloco de
processamento totalmente óptico e, finalmente,
um módulo de conversão do domínio óptico para
o domínio elétrico. O módulo de processamento
totalmente óptico é realizado por meio de um
dispositivo dispersivo, que pode ser um trecho
de fibra óptica dispersiva ou um conjunto de
grades de Bragg a fibra óptica (FBG), combinado
a moduladores eletroópticos e fotodetectores,
desempenhando, assim, a função de uma unidade
de retardo dependente do comprimento de onda.
Nesta seção do artigo, apresentamos a teoria por
trás dessas arquiteturas de filtros optoeletrônicos
de microondas não-recursivos, que foram
recentemente propostas por vários autores [8,10].
3.1. Filtro Baseado em Modulador de Fase
A estrutura deste filtro consiste de N fontes laser,
um modulador eletroóptico de fase (PM), um
dispositivo dispersivo e um fotodetector (PD) [10].
O diagrama em blocos deste filtro é mostrado na
Figura 3, onde as fontes laser CW são combinadas
e então acopladas ao PM, que é alimentado
por um sinal de RF senoidal, de frequência
única. O sinal óptico modulado em fase é então
aplicado ao dispositivo dispersivo e a saída deste
é detectada pelo PD. O período de amostragem
T é determinado pela característica intrínseca
do dispositivo dispersivo, que desempenha o
papel de uma unidade de retardo dependente do
comprimento de onda, conforme será visto mais
adiante.
Inicialmente, consideremos apenas uma única
fonte laser. A amplitude normalizada do campo
pode ser expressa
óptico modulado em fase
por
,
(6)
onde ωc é a frequência angular da portadora, ωm é a
frequência angular do sinal de RF modulante, V é
a amplitude do sinal modulante, ∆φ(t) é a mudança
de fase da portadora e
é o índice de
modulação de fase.
FIGURA 3
Diagrama em blocos do filtro com modulação de fase e detecção de intensidade. LD: Diodo
laser; PC: controlador de polarização; PM: modulador de fase; PD: fotodetector.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 56-65
59
CARLA DE SOUSA MARTINS, OLYMPIO LUCCHINI COUTINHO, WILLIAM DOS SANTOS FEGADOLLI, JOSÉ EDIMAR B. OLIVEIRA
Expandindo (6) em funções de Bessel de primeiro
tipo, sob condições de baixo sinal (mpV<<1),
apenas o primeiro harmônico superior e inferior
podem ser considerados e os harmônicos de ordem
superior podem ser desprezados. Assim, o processo
de modulação de fase pode ser considerado como
um processo de modulação linear. Com estas
simplificações, pode-se reescrever (6) como
, (7)
denota a função de Bessel de primeiro
onde
tipo de ordem n. A partir de (7) nota-se que as
duas bandas laterais estão defasadas entre si de
π rad e se este sinal for diretamente detectado
por um fotodetector de lei quadrática, não será
possível recuperar o sinal de RF pois o batimento
entre a portadora e a banda lateral superior cancela
exatamente o batimento entre a portadora e a
banda lateral inferior. Entretanto, quando o sinal
óptico modulado em fase passa por um dispositivo
dispersivo, sua dispersão cromática inerente induz
atrasos de fase adicionais a cada componente
espectral e o campo óptico pode ser expresso por
, 8)
onde φ 0, φ 1 e φ 2 são os desvios de fase das
componentes espectrais ω c, ω c+ω m e ω c–ω m,
respectivamente. Uma vez que os desvios de fase
são diferentes para cada uma das três componentes
espectrais, estas passarão a estar parcial ou
completamente em fase, e o sinal de RF modulante
pode ser recuperado quando este sinal óptico for
aplicado ao fotodetector.
Após expandir a constante de propagação β(ω)
em série de Taylor [5,9] e lembrando que a
60
corrente gerada pelo fotodetector é proporcional
ao quadrado do campo óptico, pode-se tomar o
sinal de RF centrado na frequência ωm (ignorando
corrente dc e harmônicos de ordem superior) e
obter uma expressão para o sinal de RF recuperado.
Considere agora um arranjo de N fontes
laser sintonizáveis e descorrelacionadas. Os
comprimentos de onda centrais de cada uma das
e as potências de saída
fontes são
são
. Pode-se demonstrar que com
um espaçamento de comprimento de onda
( ) pequeno e idêntico entre quaisquer fontes
laser adjacentes obtém-se a seguinte resposta em
frequência
, (9)
onde: c é a velocidade de propagação da onda
óptica no espaço livre;
e
denotam a
dispersão acumulada média e o valor médio de
comprimento de onda das portadoras ópticas,
respectivamente; f m é a frequência do sinal
modulante;
é a unidade básica de
atraso entre duas derivações adjacentes; H1(Ω)
representa a resposta em frequência induzida pela
dispersão e, uma vez que todos os coeficientes são
positivos, H2(Ω) pode ser facilmente identificado
como um típico filtro passa-baixas não-recursivo.
A resposta em frequência desse processo de
modulação de fase banda estreita com detecção
de intensidade é mostrada na Figura 4.
Observa-se, a partir de (9), que a resposta em
frequência induzida pela dispersão H1(Ω) apresenta
o primeiro nulo em dc, o primeiro pico e o
e π,
segundo nulo quando
respectivamente. Esta curva é mostrada na Figura
4a. O segundo termo de (9), H2(Ω), responde por
um filtro passa-baixas, cuja resposta em frequência
típica é mostrada na Figura 4b. A resposta em
frequência efetiva do filtro é mostrada na Figura
4c, que pode ser vista como uma resposta de um
filtro passa-baixas convencional H2(Ω), com FSR
de 1/T, sendo modificada em sua forma pela
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 56-65
SENSORES, GUERRA ELETRÔNICA E GUERRA ACÚSTICA
FIGURA 4
(a) Resposta em frequência induzida pela dispersão H1(Ω); (b) Resposta típica de um filtro
passa-baixas não-recursivo H2(Ω); (c) Resposta em frequência do filtro resultante H(Ω).
resposta em frequência induzida pela dispersão
H1(Ω), assim eliminando a ressonância em dc de
um típico filtro passa-baixas. A melhor sintonia do
filtro é alcançada quando o primeiro pico de H1(Ω)
coincide com o segundo pico de H2(Ω).
3.2. Filtro Baseado em Modulador de
Polarização
A estrutura deste filtro baseado em Modulador
de Polarização [8] é mostrada, a seguir, na
Figura 5.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 56-65
O modulador eletroóptico de polarização (PolM)
funciona como um dispositivo de retardo de onda
controlado eletronicamente, podendo modificar
um sinal óptico de entrada linearmente polarizado
para um sinal óptico de saída, também linearmente
polarizado, mas ortogonal ao sinal de entrada [2].
Quando um sinal de RF é aplicado à porta de
RF do PolM, graças ao efeito eletroóptico são
gerados dois modos de propagação, ortogonais
entre si, que experimentam desvios de fase
diferentes, produzindo uma mudança do estado
61
CARLA DE SOUSA MARTINS, OLYMPIO LUCCHINI COUTINHO, WILLIAM DOS SANTOS FEGADOLLI, JOSÉ EDIMAR B. OLIVEIRA
FIGURA 5
Diagrama em blocos do filtro com modulação de polarização e detecção de intensidade. LD:
Diodo laser; PC: controlador de polarização; PolM: modulador de polarização; PD: fotodetector.
de polarização da onda óptica. Considerando uma
onda óptica incidente linearmente polarizada, o
estado de polarização da onda óptica de saída
poderá ser linear e idêntico ao da onda incidente
(quando a tensão aplicada é igual a zero) ou linear
e ortogonal ao da onda incidente (quando a tensão
aplicada é igual a Vπ ), passando pelos estados de
polarização elíptica e circular.
Nesta arquitetura de filtro, as portadoras ópticas
podem ser ajustadas independentemente tanto
em potência como em direção de polarização.
Ajustando suas direções de polarização a 45° ou
a 135°, em relação a um dos eixos principais do
modulador, um sinal de RF modulado invertido
ou não invertido é obtido, ou, equivalentemente,
coeficientes negativos ou positivos do filtro são
obtidos. O polarizador colocado após o PolM tem
seu eixo de transmissão alinhado a 45° em relação
ao mesmo eixo principal do PolM. Quando isto
ocorre, a modulação de polarização é convertida
em modulação de intensidade. O dispositivo
dispersivo desempenha, também, o papel de
unidade de retardo dependente do comprimento
62
de onda, de forma semelhante à arquitetura
apresentada anteriormente.
Considera-se que as N fontes laser sintonizáveis
são descorrelacionadas entre si e que possuem
e
comprimentos de onda centrais
potências de saída
. Considerando
uma fibra óptica como dispositivo dispersivo, a
unidade básica de atraso T entre duas derivações
adjacentes é dada por
, onde
é
a dispersão acumulada média da fibra (ps/nm)
e
é o espaçamento de comprimento de
onda idêntico entre quaisquer fontes laser
adjacentes. A resposta ao impulso para um filtro
de microondas de ordem N é dada por
,
(10)
onde Pk é a potência de saída da k-ésima portadora
óptica e
é determinado pelo estado
de polarização da k-ésima portadora óptica. Se
esta for alinhada a um ângulo de 45° em relação
a um dos eixos principais do PolM, o sinal óptico
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 56-65
SENSORES, GUERRA ELETRÔNICA E GUERRA ACÚSTICA
modulado na saída do polarizador é invertido se
comparado ao sinal de RF modulante e, dessa
forma,
; se, ao contrário, a portadora
óptica for alinhada a 135o em relação ao mesmo
.
eixo principal do PolM, tem-se
Aplicando a transformada de Fourier em ambos
os lados de (10), obtém-se a correspondente
resposta em frequência
. (11)
Assim, ajustando as potências das portadoras
ópticas bem como suas direções de polarização,
pode-se ajustar de forma independente a magnitude
e o sinal dos coeficientes do filtro.
4. RESULTADOS DE SIMULAÇÕES
NUMÉRICAS
As simulações foram realizadas utilizando o
software Matlab®, tendo sido estipulado um
filtro de quarta ordem (N = 4), com FSR = 12.5
GHz. A primeira arquitetura simulada refere-se
ao filtro optoeletrônico de microondas baseado
em modulador de fase. Uma atenção especial
que resultará em
deve ser dada à escolha de
um determinado valor de
, pois a posição
do primeiro pico de H1(Ω) depende destes dois
parâmetros. Deve-se ressaltar que a melhor sintonia
do filtro é obtida quando o primeiro pico de H1(Ω)
e o segundo pico de H2(Ω) coincidem. Além disso,
o segundo pico de H2(Ω) é determinado pelo
valor da unidade básica de atraso T que depende
de
e
.
com FSR de 12.5 GHz, o valor de conveniente
é 1540 nm, produzindo, de acordo com (12), uma
dispersão acumulada de aproximadamente 408.1
ps/nm. O espaçamento
necessário para
produzir a FSR desejada é de 0,196 nm, resultando
em uma unidade de atraso T de 80 ps. Com estes
parâmetros, o primeiro pico de H1(Ω) e o segundo
pico de H2(Ω) coincidem.
A fim de aumentar a MSSR do filtro, uma janela de
Kaiser é aplicada, sendo esta projetada para uma
atenuação mínima de 30 dB [7]. Os coeficientes da
janela são {0.44, 1, 1, 0.44}. A MSSR e a largura de
banda de 3-dB obtidas com janela retangular são,
respectivamente, 12.17 dB e 2.84 GHz, enquanto
que com a janela de Kaiser são 30.76 dB e 3.02
GHz, respectivamente, mostrando uma atenuação
adicional de 18.59 dB e um ligeiro aumento da
largura de banda de 3-dB. A resposta em frequência
para estas simulações são, a seguir, apresentadas na
Figura 6. Pode-se mostrar que a resposta em fase
dentro da banda passante deste filtro não é linear.
Entretanto, o atraso de grupo dentro da banda
passante é linear.
FIGURA 6
Resposta em frequência normalizada para um
filtro de quarta ordem baseado em modulador de
fase. Linha ponto-tracejada: H2(Ω) obtido com
janela retangular {1, 1, 1, 1}; linha pontilhada:
H2(Ω) obtido com janela de Kaiser {0.44, 1, 1,
0.44}; linha tracejada: H1(Ω); e linha sólida:
H(Ω) obtido a partir da janela de Kaiser.
O dispositivo dispersivo foi simulado como um
trecho de 25 km de fibra óptica monomodal SMF28, cujo padrão de dispersão é dado por [6]
,
(12)
é o coeficiente de
onde
dispersão nula e λ0 é o comprimento de onda de
dispersão nula. Para um filtro de quarta ordem
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 56-65
63
CARLA DE SOUSA MARTINS, OLYMPIO LUCCHINI COUTINHO, WILLIAM DOS SANTOS FEGADOLLI, JOSÉ EDIMAR B. OLIVEIRA
A segunda simulação refere-se à arquitetura de
filtro optoeletrônico de microondas baseado em
modulador de polarização. O dispositivo dispersivo
considerado é novamente simulado como um
trecho de 25 km de fibra óptica monomodal
SMF-28. Para um filtro de quarta ordem com
foi escolhido
FSR de 12.5 GHz, o valor de
como 1540 nm, a fim de manter o mesmo valor da
simulação anterior, com dispersão acumulada de
aproximadamente 408.1 ps/nm. O espaçamento
necessário para produzir a FSR desejada é de
0,196 nm, resultando em uma unidade de atraso
T de 80 ps. A mesma janela de Kaiser {0.44, 1, 1,
0.44} foi aplicada.
A MSSR e a largura de banda de 3-dB obtidas
com janela retangular são, respectivamente, 11.30
dB e 2.84 GHz, enquanto que com a janela de
Kaiser são 28.82 dB e 3.10 GHz, respectivamente,
mostrando uma atenuação adicional de 17.52 dB e
um ligeiro aumento da largura de banda.
As respostas em frequência para estas simulações
são apresentadas na Figura 7. Pode-se mostrar que
a resposta em fase dentro da banda passante deste
filtro é linear.
5. DISCUSSÕES
Baseado nos resultados obtidos com as simulações
feitas para um filtro optoeletrônico de microondas
de quarta ordem, com FSR de 12.5 GHz,
observa-se que o uso de várias fontes ópticas
possibilita obter larguras de banda tão estreitas
quanto o desejado, para isso, bastando aumentar
o número de fontes ópticas que está diretamente
relacionada à ordem do filtro. Além disso, as
potências de saída das fontes podem ser ajustadas
independentemente, possibilitando assim o uso da
técnica de janelamento a fim de aumentar a MSSR
do filtro, ao preço de um ligeiro aumento da largura
de banda de 3-dB.
Uma grande vantagem do uso de várias fontes
ópticas é que, por serem fontes independentes,
estas também são descorrelacionadas entre si
e, desta forma, diz-se que os filtros operam em
regime incoerente, o que garante a existência de
uma relação linear entre a corrente detectada pelo
fotodetector, que corresponde ao sinal de RF
recuperado, com o sinal de RF modulante. Além
disso, o processamento paralelo obtido com as
múltiplas fontes faz com que o tempo de resposta
FIGURA 7
Resposta em frequência normalizada para um filtro de quarta ordem baseado em modulador de
polarização. (a) Linha sólida: filtro passa-baixas com coeficientes {1, 1, 1, 1}; linha tracejada: filtro
passa-banda com coeficientes {1, -1, 1, -1}. (b) Aplicação de janela de Kaiser {0.44, 1, 1, 0.44}.
64
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 56-65
SENSORES, GUERRA ELETRÔNICA E GUERRA ACÚSTICA
dos filtros seja reduzido. Este tempo pode ser ainda
menor diminuindo-se o tempo de propagação
do sinal óptico na fibra óptica, mediante o uso
de fibras ópticas mais dispersivas do que as
monomodais simuladas neste trabalho, ou ainda
com o uso de grades de Bragg a fibra óptica.
Em relação à resposta de fase dos filtros, a
arquitetura baseada em modulação de polarização
possui resposta linear. Já a arquitetura baseada
em modulação de fase não possui resposta linear,
muito embora o atraso de grupo seja linear o
que, dependendo da aplicação, pode se tornar um
aspecto restritivo.
Quanto à reconfigurabilidade, que se refere à
capacidade que tem o filtro de modificar a forma
de sua resposta em frequência, conclui-se que
as duas arquiteturas de filtros optoeletrônicos
apresentadas neste artigo são reconfiguráveis.
A arquitetura de filtro que utiliza modulador de
polarização possui liberdade adicional de produzir
coeficientes negativos, podendo, dessa forma,
variar desde uma configuração passa-baixas a uma
configuração passa-banda.
A sintonização do filtro refere-se à capacidade de
modificar sua FSR. Em ambas as arquiteturas, este
parâmetro depende da dispersão total acumulada
e do espaçamento entre os comprimentos de
onda das fontes ópticas (Δλ). A arquitetura
baseada em modulador de fase, cuja ressonância
em dc foi eliminada pelo efeito da dispersão,
correspondendo, por isso, a um filtro passa-banda,
possui capacidade de sintonia limitada. Isto se
deve ao fato de que, para modificar a FSR, deve-se
ajustar o espaçamento Δλ, visto que a dispersão
acumulada não é um parâmetro de ajuste livre,
mas sim, dependente da característica de dispersão
intrínseca da fibra. Uma vez modificado Δλ,
modifica-se a FSR, mas o pico da resposta em
frequência induzida pela dispersão se mantém
praticamente inalterado, distorcendo a forma da
resposta em frequência do filtro. Já a arquitetura
de filtro que utiliza modulador de polarização é
completamente sintonizável.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 56-65
6. CONCLUSÕES
Neste trabalho, foram simuladas numericamente duas
arquiteturas de filtros optoeletrônicos de microondas
que mostraram ser sintonizáveis e reconfiguráveis,
tornando-se apropriados para o uso em sistemas
dinâmicos tais como radar e de guerra eletrônica, sem
mencionar as vantagens inerentes de sistemas ópticos
já mencionadas anteriormente, as quais inclui tempo
de processamento reduzido, característica essencial a
sistemas que operam em tempo real. Os resultados
obtidos com as simulações estão perfeitamente
coerentes com aqueles publicados por diversos
pesquisadores.
REFERÊNCIAS
[1] ACKERMAN, E. e COX, C. H.. RF Fiber-Optic Link
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65
CIBERNÉTICA (TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO) E COMUNICAÇÕES
Sistemas de Telecomunicações Mc Ds Cdma com
Estimação Cega de Canal baseada no Método de
Subespaço e na Técnica de Potência
Deolinda Fontes Cardoso
Doutora em Engenharia Elétrica - PUC - Rio
Centro de Análises de Sistemas Navais - CASNAV - MB
Praça Barão de Ladário s/ nº, Ilha das Cobras, Edifício, 3º andar - Centro
E-mail: [email protected]
Fabian David Backx
Doutor em Engenharia Elétrica - PUC - Rio
Centro de Estudos em Telecomunicações da PUC-Rio - CETUC
Rua Marques de São Vicente nº 225 - Gávea
E-mail: [email protected]
Raimundo Sampaio Neto
PhD em Engenharia Elétrica - Professor Orientador - PUC - Rio
Centro de Estudos em Telecomunicações da PUC-Rio - CETUC
Rua Marques de São Vicente nº 225 - Gávea
E-mail: [email protected]
Resumo
Neste trabalho, investigamos a aplicação do método de decomposição
por valor singular e da técnica de potência para identificar a informação
do estado do canal de transmissão (Channel State Information - CSI)
em redes de comunicações sem fio baseadas no sistema MC DS
CDMA (Multi Carrier Direct Sequence Code Division Multiple Access).A
abordagem permite obter estimativas eficientes do subespaço do
ruído por meio da matriz autocorrelação, do sinal de dados recebidos,
elevada a uma potência finita e, assim, a estimativa da CSI é,
diretamente, obtida por decomposição por valor singular (SVD) com
dimensões da ordem do canal. Análises de desempenho de Erro
Médio Quadrático e Taxa de Erro de Bits demonstraram que o método
proposto apresenta desempenho comparável às técnicas existentes
de SVD, porém, com menor magnitude computacional.
Palavras-chave
Decomposição por Valor Singular. Método das Potências. Estimação
Cega de Canal. Sistemas de Comunicação sem Fio.
Mc Ds Cdma Telecommunication Systems with
Blind Channel Estimation based on Subspace
Method and Technique of Power
Abstract
This work investigates the application of the singular value
decomposition method and the power to identify the status information
channel (Channel State Inforamtion-CSI) networks for wireless
communication systems based on Multi Carrier Direct Sequence Code
Division Multiple Access (MC DS CDMA ZP). The approach allows
obtaining efficient estimates of the noise subspace by means of the
autocorrelation matrix of received data signal, and this the estimate
of the CSI is directly obtained by singular value decomposition (SVD)
with channel order dimension. Mean square error rate performance
and Bit Error analysis have demonstrated that the proposed method
presents a performance comparable to SDV existing techniques, but
with less computational magnitude.
Keywords
Singular Value Decomposition. Power Methods. Blind Channel
Estimation. Wireless Communication Systems.
66
1. INTRODUÇÃO
O fantástico crescimento das Redes de Área Local
sem fio - WLAN (Wireless Local Area Network) e a
crescente demanda por altas taxas de transmissão
de dados incentivam as pesquisas na busca de
sistemas de comunicação com desempenhos cada
vez melhores em conjunto com alta eficiência
espectral e, principalmente, capazes de suportar
os múltiplos usuários ativos do sistema [12].
Dentre os sistemas de transmissão em blocos com
múltiplas portadoras e multiusuários, destacamse aqueles que empregam a técnica de acesso ao
meio por divisão de código CDMA (Code Division
Multiple Access) [9], [6]. Um desses sistemas é
o MC DS CDMA (Multi Carrier Direct Sequence
CDMA) foco deste estudo, no qual os símbolos
de dados são espalhados no tempo e os chips do
código de espalhamento são todos transmitidos,
em cada uma das múltiplas subportadoras, por
meio de um esquema OFDM (Orthogonal Frequence
Division Multiplexing) [13]. Esse sistema permite
transmissões livres de Interferência Entre Blocos
(IEB), por meio da utilização de um intervalo
de guarda, e robustez contra os efeitos de
desvanecimento do canal.
Na estação receptora é realizada a demodulação
dos dados recebidos. No caso de detecção coerente
faz-se necessário estimar a resposta ao impulso
do canal de propagação. Um dos modos de realizar a estimação do canal é por meio do envio de
símbolos piloto; outro modo é a estimação cega,
na qual, é necessário um conhecimento mínimo a cerca,
por exemplo, das estatísticas do sinal transmitido.
A estimação cega é abordada neste trabalho propondo, para o sistema MC DS CDMA, um método
de estimação que explora a ortogonalidade dos
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 66-74
CIBERNÉTICA (TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO) E COMUNICAÇÕES
subespaços do sinal e do ruído em conjunto com
técnicas de potência.
Estimativas cegas de canal empregando a técnica
de potência foram, inicialmente, propostas para
CDMA por Tsatsanis [10] e Xu [11]. Todavia,
foi somente com a publicação dos trabalhos
de Doukopoulos e Moustakides [2, 3] que uma
explicação formal justificando o uso desse
método foi apresentada, bem como, a explicação
matemática do fato de que estimativas obtidas por
meio do método de potências são, na verdade, uma
aproximação das estimativas obtidas por meio de
métodos de subespaço. Ademais, as técnicas de
estimação cega baseadas em subespaço apresentam
um desempenho bastante próximo das abordagens
que minimizam o Erro Médio Quadrático sem a
necessidade de sequências de treinamento e por
isso foram escolhidas neste trabalho.
Dessa for ma, partindo dos trabalhos de
Doukopoulos [2, 3] propostos para CDMA e
do trabalho de Backx [1] para OFDM o presente
estudo estende a metodologia para a estimação
cega de canal no sistema MC DS CDMA e
avalia o seu desempenho em canais seletivos em
frequência.
Na metodologia proposta, uma estimativa da
informação do estado do canal, de cada usuário
ativo do sistema, é obtida por meio de um método
padrão de decomposição por valor singular
(Singular Value Decomposition), denotada por ‘svd
padrão’. Essa estimativa é comparada com outras
estimativas obtidas por um procedimento de ‘svd
simplificado’, no qual se utilizam operações de
produto ponto-a-ponto e uma matriz de potência
para aproximar o produto do subespaço do ruído.
O desempenho simulado do sistema empregando
as estimativas obtidas é avaliado em ambientes de
baixa, média e alta razão sinal ruído e as análises
de Erro Médio Quadrático e Taxa de Erro de Bit
dos estimadores comprovaram que para moderada
razão sinal ruído o método ‘svd simplificado’
proposto permite um desempenho comparável
aos tradicionais métodos ‘padrão’ de subespaço,
porém com menor complexidade computacional.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 66-74
Na Seção 2, deste trabalho, descreve-se o modelo
vetorial dos sinais; na Seção 3, apresentam-se
as análises de estimação cega, de equalização e
detecção dos sinais; na Seção 4, descrevem-se os
resultados experimentais e, finalmente, na Seção
5, apresentamos as conclusões do trabalho.
Notação adotada: caracteres maiúsculos em negrito
denotam matrizes; caracteres minúsculos em
negrito denotam vetores. Os operadores (.)T, (.)H
e (.)* indicam transposto, hermitiano (transposto
conjugado) de um vetor e conjugado de um
escalar complexo; ||A||F representa a norma
de Frobenius da matriz A e A-1 representa a matriz
inversa de A, o operador indica o produto de
Hadamard (Ponto-a-Ponto) e diag (v) expressa
uma matriz diagonal cujos componentes são os
elementos do vetor v. A matriz FP,P implementa
a Transformada Direta Discreta de Fourier (DFT)
e a matriz FHP,P (matriz Hermitiana) implementa
a Transformada Inversa Discreta de Fourier
(IDFT), de dimensões P x P, ambas normalizadas
de forma que FP,PHFP,P = FP,PFP,PH = IP onde a
matriz IP representa a matriz identidade.
2. O MODELO VETORIAL DOS SINAIS
São consideradas transmissões síncronas em
M subportadoras, no enlace reverso, em uma
célula com K usuários ativos. As sequências de
espalhamento são códigos curtos de WalshHadamard de comprimento N; os símbolos
transmitidos são descorrelacionados com energia
unitária e oriundos de constelações BPSK (Binary
Phase Shif Keying).
No sistema MC DS CDMA inicialmente ocorre
a conversão série-paralelo de cada símbolo de
informação a ser transmitido, que resulta na
formação de blocos de comprimento M. A seguir,
os símbolos em cada bloco são multiplicados pela
mesma sequência de espalhamento, formada por
N chips de espalhamento.
Antes da transmissão chip a chip do bloco, é
aplicada uma operação de Transformada Inversa
Discreta de Fourier de M pontos e, a seguir, um
67
DEOLINDA FONTES CARDOSO, FABIAN DAVID BACKX, RAIMUNDO SAMPAIO NETO
intervalo de guarda do tipo ZP (Zero Padding) [7]
de comprimento G, no mínimo igual ao comprimento L da resposta ao impulso do equivalente
discreto do canal, é adicionado ao final de cada
bloco para garantir a eliminação da IEB. Esse
bloco OFDM resultante, de dimensão P=M+G é,
então, transmitido pelo canal multipercurso cujo
equivalente discreto é modelado por uma matriz
de convolução Toeplitz P x P triangular inferior
na qual a primeira coluna é a resposta ao impulso
(do equivalente discreto) do canal hm est estendida
com zeros.
No receptor, o sinal sofre a adição de ruído
gaussiano branco, o intervalo de guarda não
é removido e é computada a operação da
Transformada Direta Discreta de Fourier. Após
o processamento por um banco de filtros casados
às sequências de espalhamento dos usuários
ativos no sistema, não há mais interferência de
múltiplo acesso (IMA) (devido à preservação da
ortogonalidade dos códigos empregados) e o vetor
de sinal resultante, correspondente ao m-ésimo
usuário de interesse, pode ser expresso por:
ym (i) = Hm V bm (i) + n (i)
(1)
onde V = FP,P FP,MH é uma matriz de dimensão
P x M, e FP,M é uma matriz P x M contendo as
primeiras M colunas da matriz FP,P; n (i) é um vetor
de ruído gaussiano branco complexo com média
nula e matriz covariância E [n (i) nH (i)] = σ2I, onde σ2
é a potência do ruído. A matriz Hm é diagonal de
dimensões P x P onde os elementos da diagonal
são as componentes da resposta em frequência do
equivalente discreto do canal do m-ésimo usuário:
(2)
o vetor transposto
é a resposta ao impulso no tempo estendida com
zeros.
Note que a resposta em frequência do canal em (2)
pode, também, ser expressa em função da resposta
ao impulso no tempo sem a extensão com zeros:
68
(3)
onde a matriz FP,L tem dimensões P x L contém
as L primeiras colunas da matriz FP,P e o vetor
transposto
é composto pelos L coeficientes do canal.
3. ESTIMAÇÃO CEGA DE CANAL,
EQUALIZAÇÃO E DETECÇÃO
A matriz autocorrelação do sinal recebido, dado
na equação (12), é expressa por:
(4)
Empregando o método de decomposição por valor
singular (Singular Value Decomposition) [5], tem-se:
(5)
onde Ss representa uma matriz de dimensões P x
M cujas colunas formam uma base ortonormal
para o subespaço dos sinais, a matriz Sn representa uma matriz de dimensões P x G cujas colunas
formam uma base ortonormal para o subespaço
do ruído. A matriz Λs expressa uma matriz diagonal contendo os M valores singulares associados
aos M vetores singulares da matriz do subespaço
dos sinais, isso sugere que o subespaço dos sinais
tem posto M e, sendo o subespaço do ruído o seu
complemento ortogonal, a matriz do subespaço
do ruído tem posto G.
Em decorrência da propriedade de ortogonalidade
entre os subespaços é válido aplicar as seguintes
igualdades:
(6)
As igualdades em (6) decorrem do fato de que as
de dimensões P x M estão
colunas da matriz
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 66-74
CIBERNÉTICA (TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO) E COMUNICAÇÕES
contidas no subespaço dos sinais e, portanto, são
ortogonais ao subespaço do ruído. Assim, conforme descrito em [1], desenvolvendo o quadrado da
norma de Frobenius é possível chegar a seguinte
expressão:
(7)
onde o vetor vj com j = 1,..., M corresponde a
j-ésima coluna da matriz V.
Uma estimativa do vetor dos coeficientes do
pode ser obtida como o vetor singular
canal
associado ao menor valor singular (que é zero), da
matriz
de dimensões
P x P. Convém frisar que a estimativa resultante
é da forma
contendo, portanto, uma
ambiguidade de fase modelada por um escalar
complexo β.
Assim, a expressão (7) é simplificada para:
(10)
3.1.2. Aproximação em Potência para a Matriz
SnSnH (Produto dos Subespaços)
Baseado no método das potências, o produto das
matrizes SnSnH pode ser aproximado pela inversa
da matriz autocorrelação elevada a uma potência
finita p. Para isso, utilizamos o seguinte Lema
descrito por Doukopoulos [4].
Lema 1 – Seja a matriz autocorrelação Rym decomposta em SVD como em (10). Sejam λ1 ≥ λ2
. . . λM ≥ 0 os valores singulares e elementos
componentes da diagonal da matriz Λs; assim
podemos escrever:
3.1. A Ideia Chave
Conforme visto, para obter uma estimativa
da
resposta em frequência do canal é preciso determinar o vetor singular associado ao menor valor
singular da matriz
de dimensões P x P, o que pode ser conseguido
aplicando-se, por exemplo, a operação de decomposição por valor singular (SVD). Contudo, a
seguir são explorados alguns fatos que permitem
amenizar a complexidade computacional do procedimento, bem como melhorar a qualidade da
estimativa.
(11)
A partir da expressão acima é possível observar
depende da potência
que a matriz
p, desde que é uma matriz diagonal com elemenpara j=1,...,M pode ser
tos da forma
deduzido que:
(12)
3.1.1. Aplicação de Produto Ponto-a-Ponto
Na expressão
a complexidade do cálculo do somatório pode
ser diminuída substituindo-o por uma operação
mais simples por meio da utilização do produto
de Hadamard (ponto-a-ponto):
(8)
(9)
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 66-74
Finalmente, combinando as expressões (11) e (12)
verificamos a igualdade abaixo, que é uma variação
do método das potências:
(13)
É possível observar que a velocidade da convergência da aproximação, por meio da matriz de
potência para obter o produto dos subespaços do
ruído, é exponencial.
69
DEOLINDA FONTES CARDOSO, FABIAN DAVID BACKX, RAIMUNDO SAMPAIO NETO
Assim, pode ser usada a inversa da matriz autocorrelação (Rym)-p elevada a uma potência p para
aproximar, com menor complexidade, o produto
entre as matrizes do subespaço do ruído SnSnH.
Quando a potencia p tende para o infinito o valor
da aproximação converge para o produto das
matrizes SnSnH.
Neste trabalho, a matriz autocorrelação em (4) é
estimada, no i-ésimo intervalo de transmissão de
bloco, como uma média temporal dada por:
(14)
Sob as observações feitas, o vetor da estimativa
da resposta em frequência do equivalente discreto
do canal pode ser obtido de forma a minimizar a
forma quadrática dada por:
(15)
3.1.3. Obtenção da estimativa do canal no tempo
É possível diminuir a complexidade do estimador
dado em (15) e melhorar a sua qualidade. A partir
de (3) sabe-se que o vetor da resposta em frequência do canal pertence ao subespaço gerado pelas L
primeiras colunas da matriz de Fourier FP,P. Como
o valor correto do comprimento L do canal pode
não ser conhecido a priori, assume-se o intervalo
de guarda G, que é conhecido, como no mínimo
igual ao comprimento do canal.
Assim, a forma quadrática a ser minimizada em
(15) de dimensões P x P pode ser escrita no domínio do tempo na seguinte forma:
(16)
Na expressão (16) a matriz associada a forma
quadrática a ser minimizada possui menores
dimensões G x G, onde G << P.
Sendo assim, a formulação adotada permite uma
abordagem de menor complexidade computacional
devido a não ser mais necessário computar o so;
matório de vetores e o produto de matrizes
especialmente quando este produto é constantemente recalculado para a obtenção de estimativas do
subespaço do ruído a cada atualização da estimativa
da matriz autocorrelação. O termo do somatório foi
substituído por uma simples operação de produto
ponto-a-ponto entre um produto de matrizes V,
que pode ser pré-computado (V = FP,P FP,MH envolve
apenas matrizes de Fourier) e por uma matriz de
potência (Rym)-p onde a inversa da matriz autocorrelação Rym-1 pode ser, recursivamente, calculada
aplicando o Lema de Inversão de Matrizes.
Além disso, a obtenção da estimativa do canal,
no domínio do tempo, dada em (16) consiste em
determinar o vetor singular associado ao menor
valor singular de uma matriz de dimensões da
ordem do canal.
3.2. Equalização e Detecção
Uma vez realizada a estimação da informação do
estado do canal a equalização do sinal dado em (1)
para desfazer a distorção do sinal provocada pelo
canal, pode ser realizada no domínio da frequência
aplicando o equalizador ZF (Zero Forcing):
G = (Hm V) [( Hm V)H (Hm V) ] -1
Onde Hm = diag ( ) é a matriz diagonal contendo a estimativa da resposta em frequência do
equivalente discreto do canal obtida.
Após a equalização, uma estimativa do bloco de
dados bm(i) transmitido pelo m-ésimo usuário pode
ser obtida
bm(i) = sgn {Real [GH ym (i) ] }
resultando na estimativa da resposta em frequência
do equivalente discreto do canal dada por
.
70
(17)
(18)
Onde sgn (.) representa a função sinal, e o operador sgn{Real[.]} é aplicado a cada componente
do vetor GHym (i) de dimensão P x 1.
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CIBERNÉTICA (TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO) E COMUNICAÇÕES
4. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO
Nesta seção, estão apresentados os resultados,
obtidos por simulação, do desempenho do sistema
MC DS CDMA com intervalo de guarda o tipo ZP.
Os experimentos objetivam comparar o método
de decomposição por valor singular SVD, descrito
em [7], com a abordagem descrita neste estudo.
O canal de comunicações é modelado por um filtro
FIR de ordem 5. O comprimento do intervalo de
guarda vale G = 8. Uma vez que o intervalo de
guarda é maior que a ordem do canal, fica garantido
que não haverá interferência entre blocos (IEB) na
recepção. Os ganhos são normalizados de forma
que || h ||2 = 1, o vetor dos coeficientes da resposta ao impulso do canal simulado é dado por h
= [0.74; -0.42; 0.083; 0.49; -0.12; 0.01] conforme
descrito em [8]. A ambiguidade de fase inerente
da estimação cega é eliminada adotando a fase
do primeiro coeficiente (0,74) do vetor do canal
como uma referência e nas simulações usou-se o
algoritmo de equalização Zero-Forcing.
O estimador SVD trabalha em dois passos: o primeiro consiste em aplicar a operação de SVD na
matriz autocorrelação de P x P pontos, a fim de
obter a o subespaço do ruído. No segundo passo
é aplicada outra operação de SVD na equação (16)
para obter a estimativa ao impulso do canal.
O cenário considerado consiste de K = 16 usuários ativos no sistema, número de subportadoras
igual ao ganho de processamento M = N = 32.
Os resultados ilustrados são a média de 100 experimentos independentes e NB = 2500 blocos
de símbolos foram considerados para a avaliação
das estimativas da resposta ao impulso do canal.
Nas Figuras 1 e 2 estão traçadas as curvas de desempenho do erro médio quadrático da estimativa
FIGURA 1
Desempenho de Erro Médio Quadrático versus Número de Blocos de Símbolos Transmitidos MC DS CDMA ZP - Eb/N0=15 dB
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 66-74
71
DEOLINDA FONTES CARDOSO, FABIAN DAVID BACKX, RAIMUNDO SAMPAIO NETO
FIGURA 2
Desempenho de Erro Médio Quadrático versus Número de Blocos de Símbolos Transmitidos MC DS CDMA ZP - Eb/N0=25 dB
de canal do m-ésimo usuário versus o número de
blocos de símbolos transmitidos NB. Em cada
figura utilizou-se, respectivamente, o valor de 15
decibéis e 25 decibéis para a Razão Sinal Ruído. Na
legenda ‘svd’ corresponde a estimativa da resposta
ao impulso do canal obtida pelo método padrão
de decomposição por valor singular e os termos
‘p=1’, ‘p=2’ e ‘p=3’ representam as potências utilizadas para obter as 3 estimativas empregando o
método proposto utilizando a aproximação pelo
método das potências e o operador de produto
ponto-a-ponto.
Em ambientes com alta razão sinal ruído, 25 dB,
com pequenos valores da potência p o desempenho
de Erro Médio Quadrático das estimativas obtidas
pelo método proposto converge para a curva de
72
desempenho da estimativa obtida pelo método
de ‘svd’ (padrão); e em tais ambientes a potência
p = 2 é suficiente para obter uma aproximação
consistente.
Na Figura 3, estão ilustradas as curvas de desempenho da Taxa de Erro de Bits versus Razão Sinal
Ruído (dB). Pode ser observado, pela distribuição
das curvas, que é suficiente considerar a potências
p < 3 para obter estimativas de canal por meio do
método proposto. Além disso, para razão sinal ruído,
da ordem de 18 dB, o estimador com aproximação
por potência p = 2 encontra desempenho bastante
próximo ao desempenho do estimador ‘svd’ padrão,
esse atinge nível de BER de 10-3 em 18 dB e os estimadores com potência p = 2 e p = 3, praticamente,
atingem o mesmo patamar em 18.5 dB.
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 66-74
CIBERNÉTICA (TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO) E COMUNICAÇÕES
FIGURA 3
Desempenho da Taxa de Erro de Bit (BER) versus Razão Sinal Ruído Eb/N0 (dB) - MC DS
CDMA ZP
5. CONCLUSÕES
Este trabalho investigou o problema de obtenção
de estimativas da informação do estado do
canal, baseadas em métodos de identificação de
subespaço em conjunto com aproximação em
potência. A metodologia proposta foi aplicada ao
sistema MC DS CDMA ZP empregado em redes
de comunicação sem fio e permitiu uma formulação
simplificada de menor complexidade computacional,
para isso foi utilizado o operador de produto pontoa-ponto e o método das potências para aproximar o
subespaço do ruído nas operações de decomposição
por valor singular (SVD).
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 66-74
Os resultados de desempenho, em ambientes
de moderada razão sinal ruído, mostraram que
o método proposto permite obter estimativas
de canal com desempenho bastante próximo
ao das abordagens de SVD tradicionais, sendo
que pequenos valores da potência p (p < 3) são
suficientes para obter bons resultados com menor
complexidade computacional. Mais ainda, para
quaisquer dois valores da potência p quando
o número de blocos de símbolos aumenta a
maior potência prevalece apresentando melhor
convergência.
73
DEOLINDA FONTES CARDOSO, FABIAN DAVID BACKX, RAIMUNDO SAMPAIO NETO
6. AGRADECIMENTO
Os autores agradecem ao, então, Contra-Almirante
Bernardo José Pierantoni Gambôa, quando Diretor
do Centro de Análises de Sistemas Navais – CASNAV–MB, pelo valioso incentivo e parcial financiamento para o desenvolvimento desta pesquisa
realizada em conjunto com o Centro de Estudos
em Telecomunicações da Pontifícia Universidade
Católica do Rio de Janeiro, CETUC / PUC-Rio.
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REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 66-74
CONTRIBUIÇÕES ESPECIAIS
Criação e implantação do Núcleo de Inovação
Tecnológica da Marinha (NIT-MB)
Capitão-de-Mar-e-Guerra (RM1) João de Amorim
Litaiff Júnior
Gerente do NIT-MB.
E-mail: [email protected]
Capitão-de-Fragata (RM1-T) Wismiley Oliveira
Franco
Coordenador de Propriedade Intelectual do NIT-MB.
E-mail: [email protected]
Suboficial (RM1-MT) Paulo Roberto dos Santos
Nascimento
Coordenador de Prospecção Tecnológica do NIT-MB.
E-mail: [email protected]
Resumo
Este artigo apresenta as linhas da estruturação e do
funcionamento do Núcleo de Inovação Tecnológica da Marinha
(NIT-MB), implantado para atender às exigências da Lei no
10.973, de 2 de dezembro de 2004, que dispõe sobre incentivos
à Inovação e à Pesquisa Científica e Tecnológica no ambiente
produtivo da Marinha do Brasil – MB – .
O NIT-MB foi criado por Portaria do Estado-Maior da Armada e
tem como atribuições, entre outras, as de estimular a proteção
intelectual dos produtos desenvolvidos por pesquisadores da
Marinha, assessorar as parcerias para realização de pesquisas
científicas e tecnológicas, interagir com instituições públicas,
privadas e com outros núcleos na geração de conhecimentos
de Ciência, Tecnologia e Inovação (CT&I), além de acompanhar
e de orientar a implementação das Diretrizes de Propriedade
Intelectual da MB.
O NIT-MB é composto por uma Gerência de Inovação
Tecnológica (GIT), que funciona na Secretaria de Ciência,
Tecnologia e Inovação da Marinha e por Células de Inovação
Tecnológica (CIT) sediadas em cada Instituição Científica e
Tecnológica (ICT) da MB.
1. INTRODUÇÃO
Nos últimos anos, a Marinha do Brasil (MB)
reformulou seu Sistema de Ciência, Tecnologia e
Inovação (SCTMB) com a adoção de iniciativas
voltadas para o fortalecimento e a integrarção
das ações de CT&I. Uma dessas iniciativas foi
a criação, em março de 2008, da Secretaria de
Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha
(SecCTM)1, como órgão central executivo do
SCTMB. Dessa forma, a Secretaria tem entre os
seus objetivos: o do compromisso de otimizar
as atividades de pesquisa e desenvolvimento das
instituições de ciência e tecnologia da Marinha,
bem como o de acompanhar os avanços e as
tendências do conhecimento em CT&I.
A criação da SecCTM foi fundamentada e
efetuada em estreito alinhamento às disposições
da Lei de Inovação Tecnológica (LIT) – Lei
10.973/2004–2. Essa mesma Lei, no seu Artigo
17, estipula que toda “Instituição Científica e
Tecnológica deverá dispor de um Núcleo de
Inovação Tecnológica (NIT), próprio ou em
associação com outras ICT, com a finalidade de
gerir sua política de inovação”. Nessa perspectiva,
a SecCTM coordenou um Grupo de Trabalho
(GT), em 2008, para elaborar as Diretrizes de
Propriedade Intelectual (PI) da Marinha e para
apresentar proposta de estruturação do NIT.
Com base na proposta apresentada pelo GT, que
em sua fase final contou com a participação de
representantes dos Órgãos de Direção Geral e
Setorial da Marinha, o Chefe do Estado-Maior da
Armada constituiu, em julho de 2009, o Núcleo
de Inovação Tecnológica da Marinha (NIT-MB)3
Portaria no115 de 31 de março de 2008, do Comandante da Marinha.
Lei nº 10.973, de 02 de dezembro de 2004, conhecida como Lei de
Inovação Tecnológica (LIT), regulamentada pelo Decreto nº 5.563, de 11
de outubro de 2005, que dispõe sobre incentivos à inovação e à pesquisa
científica e tecnológica no ambiente produtivo e dá outras providências.
3
Portaria nº 179 de 31 de julho de 2009, do Estado Maior da Armada.
1
2
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75
JOÃO DE AMORIM LITAIFF JÚNIOR, WISMILEY OLIVEIRA FRANCO, PAULO ROBERTO DOS SANTOS NASCIMENTO
para atuar de forma integrada com as Instituições
de C&T da MB.
Outra importante mudança relacionada à gestão
de CT&I na MB, com a criação da Secretaria
de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha,
foi a estruturação das instituições de pesquisa
e desenvolvimento. Foram consideradas ICT,
à luz da LIT, as quatro Organizações Militares
Prestadoras de Serviços de Ciência e Tecnologia
(OMPS-C) e o Centro de Hidrografia da Marinha
(CHM).
Três das quatro OMPS-C passaram a ser
diretamente subordinadas àquela Secretaria:
o Instituto de Pesquisas da Marinha (IPqM),
localizado na Ilha do Governador; o Centro
de Análises de Sistemas Navais (CASNAV),
localizado na Ilha das Cobras, ambos na cidade
do Rio de Janeiro e o Instituto de Estudos do Mar
Almirante Paulo Moreira (IEAPM), localizado na
cidade de Arraial do Cabo, no Estado do Rio de
Janeiro. Cabe ressaltar que o Centro Tecnológico
da Marinha em São Paulo (CTMSP), mesmo
sendo uma OMPS-C, continuou subordinado
diretamente à Diretoria-Geral de Material da
Marinha (DGMM), em função das peculiaridades
inerentes às atividades da área nuclear.
Consoante com a nova estruturação do Sistema de
Ciência, Tecnologia e Inovação, o presente artigo
enfoca as atribuições e a estrutura organizacional
do NIT-MB bem como sinaliza as próximas
ações a serem realizadas pela administração naval
visando consolidar, cada vez mais, a gestão da
inovação no âmbito da Marinha.
2. PROPRIEDADE INTELECTUAL
Propriedade Intelectual (PI) é o ramo do
Direito que trata da proteção concedida a todas
as criações resultantes do espírito humano, sejam
de caráter científico, industrial, literário, sejam de
caráter artístico. A PI compreende, para o fim
de proteção de direitos, os seguintes segmentos:
Propriedade Industrial, Direito Autoral e
Proteção Sui Generes.
76
A Propriedade Industrial, com aplicações
de produtos, de processos e de serviços na
indústria e no comércio, engloba as Patentes, as
Marcas, o Desenho Industrial, a Indicação
Geográfica, o Segredo Industrial e a Repressão
à Concorrência Desleal.
O Direito Autoral, de origem científica, artística
e literária, por sua vez, trata dos Direitos de Autor,
dos Direitos Conexos, referentes aos cantores
e aos apresentadores e, ainda, dos Programas de
Computador.
A Proteção Sui Generes refere-se aos direitos
que não se enquadram nos conceitos anteriores e
aborda a Topografia de Circuitos Integrados, os
Cultivares e os Conhecimentos Tradicionais.
3. NIT-MB: CRIAÇÃO E ATRIBUIÇÕES
Inovação é um conceito que, usualmente,
tem sido associado às atividades de C&T,
aqui entendidas como esforço sistemático,
diretamente relacionado com a geração, o avanço,
a disseminação e a aplicação do conhecimento
científico e técnico em todos os campos da
atividade humana (Manual Frascati – OECD,
2002)4. Embora atividades de C&T sejam
componentes importantes do processo inovativo,
a geração de inovações demanda, também, outros
tipos de atividades, podendo-se citar aquelas
relacionadas à articulação de parcerias; à proteção
dos direitos de propriedade; à comercialização e
transferência das tecnologias e aos conhecimentos
aplicados ao processo produtivo.
Com a perspectiva de organizar e de gerenciar
atividades de proteção da propriedade intelectual
no processo de desenvolvimento científico,
tecnológico e de inovação, o NIT-MB foi criado
e assumiu como sua principal responsabilidade
a gestão da Política de Propriedade Intelectual
do Ministério da Defesa (MD), no âmbito da
Marinha do Brasil.
OECD. Frascati Manual 2002: Proposed Standard Practice for Surveys
on Research and Experimental Development, 6th ed., 2002.
4
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 75-82
CONTRIBUIÇÕES ESPECIAIS
Visando centralizar as decisões e facilitar a gestão
administrativa, a Marinha optou por criar um único
NIT, modelo que congrega as cinco ICT existentes
atualmente no Sistema de Ciência Tecnologia
e Inovação da MB: o Instituto de Pesquisas da
Marinha ( IPqM); o Centro Tecnológico da Marinha
em São Paulo (CTMSP); o Instituto de Estudos do
Mar Almirante Paulo Moreira (IEAPM); o Centro
de Análises de Sistemas Navais (CASNAV) e o
Centro de Hidrografia da Marinha (CHM).
Em consonância com o parágrafo único, do artigo
16, da Lei de Inovação, o NIT-MB passou a ter as
seguintes atribuições, estabelecidas na Portaria nº
179/2009, do Estado-Maior da Armada (EMA):
I - zelar pela manutenção das diretrizes da MB de
estímulo à proteção das criações, licenciamento,
inovação e outras formas de transferência de
tecnologia;
II - avaliar e classificar os resultados decorrentes
de atividades e projetos de pesquisa da MB
para o atendimento das disposições da Lei nº
10.973/2004;
III - avaliar solicitação de inventor independente
para adoção de invenção na forma do art. 22, da
Lei nº 10.973/2004 e do art. 23, do Decreto nº
5.563/2005;
IV - opinar pela conveniência e promover a
proteção das criações desenvolvidas nas ICT e
demais Organizações Militares (OM) da MB;
V - opinar quanto à conveniência de divulgação
das criações desenvolvidas nas ICT e demais OM
da MB, passíveis de proteção intelectual;
VI - acompanhar o processamento dos pedidos
e a manutenção dos títulos de propriedade
intelectual das ICT e demais OM da MB;
VII - assessorar as IC, e demais OM da MB,
quando aplicável, nos acordos de parceria para
realização de atividades conjuntas de pesquisa
científica e tecnológica e desenvolvimento de
tecnologia, produto ou processo, bem como nos
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 75-82
contratos de transferência de tecnologia e de
licenciamento para outorga de direito de uso ou
de exploração de criação por elas desenvolvida;
VIII - assessorar as ICT, e demais OM da MB,
quando aplicável, nos processos de cessão de
seus direitos sobre criação, a título não oneroso,
para que o respectivo criador os exerça em seu
próprio nome e sob sua inteira responsabilidade,
na forma do art. 11 da Lei nº 10.973/2004 e do
art. 12 do Decreto nº 5.563/2005;
IX - interagir com instituições públicas e privadas,
e demais NIT, na geração de conhecimentos de
CT&I em áreas de interesse da MB, bem como
na realização de atividades conjuntas de pesquisa
científica e tecnológica e desenvolvimento de
tecnologia, produto ou processo, na forma do art.
9o da Lei nº 10.973/2004 e do art. 10 do Decreto
nº 5.563/2005.
Para realizar tal gama de atribuições, o NITMB precisa contar com uma adequada estrutura
do material e do pessoal. Torna-se, portanto,
fundamental a capacitação deste na área de
propriedade intelectual dos recursos humanos
dedicados à proteção do intangível.
4. NIT-MB: ESTRUTURA
ORGANIZACIONAL E MODELO DE
FUNCIONAMENTO
Por ocasião da sua criação, o NIT-MB
estava inserido na estrutura organizacional
da Subsecretaria de Relações Institucionais
(SecCTM-30) da SecCTM, contudo, seguindo a
tendência observada no Brasil5, que recomenda
vincular o núcleo de inovação o mais próximo
possível da direção das instituições, em 18
de março de 2010, o NIT-MB passou a ser
diretamente subordinado ao Secretário de
Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha.
5
TORKOMIAN, A.L.. Panorama dos Núcleos de Inovação Tecnológica
no Brasil; In: Transferência de Tecnologia: estratégias para a estruturação
e gestão de Núcleos de Inovação Tecnológica. Komedi: Campinas. Cap.
1, 21-37. 2009.
77
JOÃO DE AMORIM LITAIFF JÚNIOR, WISMILEY OLIVEIRA FRANCO, PAULO ROBERTO DOS SANTOS NASCIMENTO
FIGURA 1
O NIT-MB na estrutura organizacional da SecCTM.
O modelo de funcionamento estabelecido para
o NIT-MB foi definido de modo a promover
contínua interação com as ICT da Marinha.
Dessa forma, o NIT assessora tanto as OMPS-C
quanto o Centro de Hidrografia da Marinha,
ICT subordinada à Diretoria de Hidrografia e
Navegação.
Para possibilitar essa interação, conforme
ilustrado na Figura 2, o NIT-MB foi concebido
com o estabelecimento de uma Gerência de
Inovação Tecnológica (GIT) como órgão central,
localizado na SecCTM, tendo a ela vinculadas,
funcionalmente, as Células de Inovação
Tecnológica (CIT), sediadas em cada uma das
ICT da MB.
executar integral e continuamente as atividades
de CT&I, com suficiente qualificação técnica e
disponibilidade de recursos materiais e humanos.
FIGURA 2
Interação do NIT-MB com as ICT da
Marinha
Cumpre ressaltar que esse modelo tem como
objetivo aumentar a troca de informações entre
a GIT, as CIT, os pesquisadores e o mundo
empresarial, a fim de promover ações conjuntas,
uniformizar conceitos e procedimentos e
de compartilhar competências e recursos.
Entretanto, conforme disposto na publicação
“Capacitação das OMPS-C e demais ICT da
MB” (EMA-417), as ICT têm competência para
78
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 75-82
CONTRIBUIÇÕES ESPECIAIS
A estrutura do NIT-MB enfatiza o papel
fundamental das Células de Inovação Tecnológica,
existentes em cada ICT e responsáveis pela primeira
triagem dos assuntos que envolvem proteção da
propriedade intelectual. Decorre dessa atuação a
importância de posicionarmos a estrutura da CIT
próxima da Direção da ICT, assegurando, assim, a
participação do seu responsável, ou encarregado,
nas reuniões para definição de projetos de
pesquisa e desenvolvimento.
O Plano de Desenvolvimento CientíficoTecnológico e de Inovação da Marinha (PDCTM)
– EMA-410, estabelece atribuições específicas
para as CIT:
• manter atualizados, junto à GIT, os projetos e
atividades de CT&I realizados na sua ICT;
• assessorar a GIT quanto às avaliações de
inventores independentes;
• assessorar a GIT quanto à conveniência de
promover a proteção das criações desenvolvidas
na sua ICT;
• assessorar a GIT no processamento dos pedidos
e na manutenção dos títulos de propriedade
intelectual de sua ICT;
• assessorar a GIT nos acordos de parcerias para
realização de atividades conjuntas de pesquisa
científica e tecnológica e desenvolvimento de
tecnologia, produto ou processo, bem como nos
contratos de transferência de tecnologia e de
licenciamento para outorga de direito de uso ou
exploração de criação desenvolvida na sua ICT;
• assessorar a GIT nos processos de cessão de
seus direitos sobre criação a título não oneroso,
para que o respectivo criador os exerça em seu
próprio nome e sob sua inteira responsabilidade.
FIGURA 3
Atuação do NIT-MB
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JOÃO DE AMORIM LITAIFF JÚNIOR, WISMILEY OLIVEIRA FRANCO, PAULO ROBERTO DOS SANTOS NASCIMENTO
Importante mencionar que, desde o início de
estudos e de pesquisas, é fundamental estabelecer
mecanismos de proteção da PI nos contratos de
parcerias, contratos de confidencialidade, de cotitularidade de patente etc.
A estrutura da GIT, ligada diretamente ao
Secretário de Ciência, Tecnologia e Inovação
da Marinha é constituída por uma Gerência de
Inovação Tecnológica (GIT); uma Assessoria
Jurídica (AssJur); uma Secretaria (SecNIT) e
quatro Coordenações: Propriedade Intelectual
(CoordPI), Transferência de Tecnologia
(CoordTT), Prospecção Tecnológica (CoordPT)
e Comercial (CoordComl). Em linhas gerais, as
atribuições desses setores são as seguintes:
• Gerência de Inovação Tecnológica: responde
pela gestão da Política de Inovação da Instituição;
executa a articulação interna e externa do NITMB, sendo responsável pela representação do
NIT perante órgãos congêneres. Além disso,
coordena os processos de capacitação do pessoal
envolvido em PI e o relacionamento com órgãos
de comunicação social.
• Coordenação de Propriedade Intelectual
(PI): responde pela implantação das Diretrizes
de PI e pelo estímulo institucional à proteção
do conhecimento. Realiza a gestão de patentes e
registros da MB.
• Coordenação de Contratos, Licenciamento
e Transferência de Tecnologia (TT):
responsável pela assessoria às ICT na elaboração
e gestão de contratos e convênios e, também, por
emitir parecer quanto ao licenciamento e outras
formas de transferência de tecnologia.
• Coordenação de Prospecção Tecnológica
(TT): responsável por realizar buscas em
bancos de patentes, procurando identificar
as áreas do conhecimento protegidas por um
dado conjunto de empresas e instituições,
identificando seus titulares e inventores. Bem
como, mapear, em coordenação com outros
órgãos e setores, desenvolvimentos científicos e
tecnológicos existentes, capazes de influenciar de
80
forma significativa a indústria, a economia ou a
sociedade.
• Coordenação de Comercialização: responsável
por avaliar e classificar os resultados, produtos,
processos e serviços decorrentes de atividades e
projetos de pesquisa. Atua também na avaliação
de solicitações de inventor independente para
adoção de invenção, na divulgação das criações das
instituições e junto a incubadoras de empresas.
• Assistência Jurídica: responde pelo suporte
jurídico necessário aos processos de PD&I,
incluindo contratos de parcerias, de transferência
de tecnologia e negociação de propriedade
intelectual nos documentos enviados para análise
da Advocacia Geral da União.
• Secretaria: efetua o apoio administrativo,
incluindo informática e manutenção do sítio do
NIT.
5. NIT-MB: CAPACITAÇÃO DE PESSOAL
A Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da
Marinha e o Instituto Nacional de Propriedade
Industrial (INPI) assinaram um Acordo de Cooperação Técnica com o objetivo de capacitar o pessoal
da Marinha envolvido nas atividades de pesquisa e
desenvolvimento e de promover a disseminação da
cultura de Proteção Intelectual na MB.
O Acordo prevê a realização de três cursos,
todos com a duração de 40 horas e em níveis
de aprofundamento progressivo na matéria. O
Curso Básico de Capacitação em PI foi realizado
em novembro de 2009, no Rio de Janeiro, para 50
militares e servidores civis da Marinha. O Curso
Intermediário de Capacitação em PI, cujo prérequisito é o Curso Básico, acontecerá no período
de 17 a 21 de maio de 2010, nas dependências
da Escola de Guerra Naval, no Rio de Janeiro.
O Curso Avançado de Capacitação em PI, tendo
como pré-requisito o Curso Intermediário, tem
início previsto para setembro de 2010.
Algumas posições em matéria de propriedade
intelectual já estão firmadas, no âmbito do NITREVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 75-82
CONTRIBUIÇÕES ESPECIAIS
MB, para orientação de procedimentos no trato
das questões de proteção do intangível:
• Titular da patente. Será a ICT envolvida na
criação.
• Redação da patente. Preparada pela GIT, com
assessoria da CIT (ICT) e dos pesquisadores.
Para tal fim, poderá ser contratado um escritório
especializado na questão.
• Depósito da patente junto ao INPI. Será
executado pela GIT.
• Contratos de Transferência de Tecnologia e
parcerias. Assinados pela ICT com assessoria e
negociação conduzidas pela GIT.
6. NIT-MB: PRÓXIMOS PASSOS
Numa visão futura, o NIT-MB se estruturará para
prestar assessoria especializada que estimule a
proteção intelectual dos produtos desenvolvidos
pelos pesquisadores das ICT e que, ao mesmo
tempo, contribua para incrementar a quantidade
e a qualidade do desenvolvimento dos processos
científicos, tecnológicos e de inovação.
Para consolidar o papel do NIT-MB na gestão
da inovação, faz-se necessário realizar as seguinte
ações, sob coordenação da Estado-Maior da
Armada:
Curto e médio prazo:
• Aprovar as Diretrizes de Propriedade Intelectual
da MB;
• Promover a divulgação interna e externa da
estrutura e funcionamento do NIT-MB;
• Estabelecer normas relativas à operacionalização
do NIT-MB;
• Prover recursos humanos e materiais, inclusive
espaço físico, necessários para a implementação
do NIT-MB, considerando as necessidades da
GIT e das CIT;
• A GIT assumir a competência, no âmbito da
MB, pela gestão dos registros de Propriedade
Intelectual, incluindo os encargos financeiros
decorrentes, junto ao INPI;
• Estudar a viabilidade e conveniência de criação
de novas ICT na MB;
FIGURA 4
Estrutura organizacional da GIT
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 75-82
81
JOÃO DE AMORIM LITAIFF JÚNIOR, WISMILEY OLIVEIRA FRANCO, PAULO ROBERTO DOS SANTOS NASCIMENTO
• Promover cursos, simpósios, oficinas e
palestras com o propósito de disseminar a cultura
de proteção da Propriedade Intelectual nas
organizações da MB;
• Estabelecer normas relativas à gestão dos
ganhos econômicos previstos na LIT e
• Revisar as instruções normativas da MB a fim
de adequá-las à Lei de Inovação.
Longo prazo:
• Estudar a viabilidade e a conveniência de
utilização de incubadoras de empresas, visando
à geração de produtos, processos e serviços de
interesse da Marinha;
• Estabelecer normas relativas ao afastamento de
pesquisador público previsto na LIT e
• Estabelecer normas relativas à celebração de
acordos e atos administrativos com instituições
de apoio, agências de fomento e instituições
públicas e privadas.
O Núcleo de Inovação Tecnológica da Marinha,
em face das suas atribuições no contexto da
SecCTM, será responsável por incrementar
e possibilitar a abertura de novas frentes de
atuação, facilitando caminhos para investimentos
e alternativas de processos de produção e serviços
por meio da qualificação de seus integrantes na
gestão do conhecimento.
Essa atuação representa um importante passo para
o desenvolvimento tecnológico, possibilitando
o aumento de competitividade das ICT e o
enfrentamento de novos desafios na inovação
tecnológica.
Esses
desafios
devem
ser
analisados
conjuntamente, pois a interação entre o NIT-MB
e as ICT possibilita o desenvolvimento de projetos
capazes de propagar dinamismo, promovendo
eficazmente o desenvolvimento da MB frente
às transformações científicas e tecnológicas do
mundo moderno.
http://www.secctm.mar.mil.br/nit.php
Fale com o NIT-MB:
[email protected]
82
REVISTA PESQUISA NAVAL, BRASÍLIA, N. 22, P. 75-82
NORMAS PARA SUBMISSÃO DE ARTIGOS À REVISTA PESQUISA NAVAL
1 - OBJETIVO
A Revista Pesquisa Naval (RPN) é um periódico científico de
publicação anual que apresenta à comunidade científica uma
coletânea de estudos desenvolvidos por pesquisadores das áreas
científica, tecnológica e de inovação, cujos temas sejam pertinentes
às áreas de interesse da Marinha do Brasil.
O periódico é publicado pela Secretaria de Ciência, Tecnologia
e Inovação da Marinha (SecCTM) e avaliado pelo Sistema de
Classificação de Periódicos, Anais, Revistas e Jornais (QUALIS)
da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
(CAPES) nas seguintes categorias: “B Nacional”, na área de
avaliação Engenharia III; “C Nacional”, nas áreas de avaliação das
Engenharias II e IV, Geociências e Interdisciplinar; e “C Local”,
na área de avaliação Química.
2 - CORPO EDITORIAL
A administração da RPN será conduzida pelo Corpo Editorial
composto pelo Editor, Editores-Adjuntos, Conselho Editorial e
pela Comissão Editorial (“referees”), sendo:
Editor-Chefe:
Secretário de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha.
Editores-Adjuntos:
Diretor do Instituto de Pesquisa da Marinha – IPqM;
Diretor do Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo Moreira
– IEAPM e
Diretor do Centro de Análise e Sistemas Navais – CASNAV.
Conselho Editorial, com os seguintes elementos
organizacionais da SecCTM:
Presidente: Subsecretário de Relações Institucionais.
Membros:
Encarregado da Divisão de Parcerias Estratégicas;
Encarregado da Divisão de Tecnologia Industrial Básica;
Ajudante da Divisão de Parcerias Estratégicas e
Auxiliar da Divisão de Parcerias Estratégicas.
Comissão Editorial (“referees”)
Membros da comunidade científica requisitados “ad hoc”, que
farão a avaliação dos artigos em submissão, observados os critérios
de avaliação elaborados pelo Conselho Editorial e aprovados pelo
Editor da RPN.
3 - NORMAS EDITORIAIS
3.1 – Características Gerais
3.1.1 - A publicação de artigos é aberta a pesquisadores, pertencentes
ou não à Marinha, que apresentem trabalhos inéditos, isto é, não
publicados em quaisquer revistas ou periódicos nacionais, sobre os
seus estudos e cujos temas sejam, prioritariamente, pertinentes às
áreas de interesse da Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha,
a saber:
a) Sistemas de Armas e Munições;
b) Ambiente Operacional;
c) Processos Decisórios;
d) Sensores, Guerra Eletrônica e Guerra Acústica;
e) Desempenho Humano e Saúde;
f) Materiais Especiais;
g) Energia;
h) Arquitetura Naval e Plataformas;
i) Cibernética (Tecnologia da Informação) e Comunicações;
j) Nanotecnologia;
k) Nuclear.
3.1.2 - Poderão ser aceitos, em caráter excepcional, a critério do
Conselho Editorial da RPN, artigos que já tenham sido publicados
em periódicos estrangeiros, que visem áreas de interesse da Ciência,
Tecnologia e Inovação da Marinha, os quais serão submetidos
à mesma avaliação de originais inéditos, acompanhados de
autorização por escrito da revista estrangeira que o publicou
originalmente, bem como de uma cópia do artigo publicado.
3.1.3 - Os artigos em submissão serão encaminhados ao Conselho
Editorial da RPN em formato impresso, devidamente assinado(s)
pelo(s) autor(es), de acordo com o Modelo I e nos termos das
presentes Normas e, complementarmente, por e-mail endereçado
à caixa-postal [email protected].
3.1.4 - Os artigos em submissão não poderão ser submetidos para
a publicação em outras revistas, simultaneamente com a RPN.
3.1.5 - O número de artigos para publicação por edição será limitado
a um por autor.
3.1.6 - Os artigos originais serão submetidos à aprovação da
Comissão Editorial (“referees”), sem qualquer identificação de
autoria, garantindo que sejam preservados o critério de sigilo do
autor e a isenção na submissão para avaliação por pares.
3.1.7 - O processo de seleção dos artigos envolve a avaliação
prévia do Conselho Editorial da RPN, quanto ao cumprimento
das Normas para Submissão de Artigos Científicos à RPN e da
Comissão Editorial (“referees”), que deverão selecionar os artigos
a serem publicados.
3.1.8 - No caso de haver número de artigos maior do que o
comportado pela edição, os excedentes poderão ser reservados
para publicação nas edições subsequentes, mediante autorização
formal dos autores.
3.1.9 - Após aprovação do artigo em submissão, os autores serão
comunicados formalmente e encaminharão ao Conselho Editorial
a “Declaração de Responsabilidade e Transferência de Direitos
Autorais para Publicação de artigo na RPN”, conforme Modelo
II. No caso de autoria múltipla, a declaração será assinada por
todos os autores.
3.1.10 - Após a seleção e avaliação do artigo, o Conselho Editorial
da RPN poderá sugerir modificações ao autor, de modo a permitir
melhor enquadramento do tema ou adequação ao padrão de
formatação gráfico da revista.
3.1.11 - No intuito de zelar pelo padrão culto da língua portuguesa,
o Conselho Editorial da RPN se reserva ao direito de efetuar nos
originais, alterações de ordem normativa, ortográfica e gramatical,
respeitando, porém, o estilo dos autores. As provas finais serão
enviadas aos autores para a devida ratificação.
3.1.12 - Os autores dos artigos publicados não perceberão qualquer
tipo de remuneração ou pró-labore.
3.1.13 - Os trabalhos publicados passam a ser propriedade da RPN.
Fica estabelecido que a sua reimpressão, total ou parcial, estará
sujeita à autorização expressa da SecCTM. Os originais não serão
devolvidos aos autores.
83
3.2 – Características Técnicas
3.2.1 - Os artigos serão submetidos ao Conselho Editorial em
arquivo eletrônico compactado e com tamanho máximo de 2MB,
conforme item 3.1.3.
3.2.2 - A estrutura dos artigos conterá as seguintes seções, na
sequência indicada:
(1) Título (português e inglês);
(2) Nome dos Autores;
(3) Resumo (português e inglês);
(4) Palavras-chave (português e inglês);
(5) Introdução;
(6) Metodologia de Pesquisa;
(7) Resultados;
(8) Discussão;
(9) Conclusões e
(10) Referências.
Todos os itens e subitens serão numerados com algarismos arábicos.
Permite-se a omissão da Seção (6) e a fusão das Seções (7) e (8),
quando a natureza do trabalho assim o recomendar.
3.2.3 - O artigo possuirá até dez (10) páginas, incluindo os elementos
pré-textuais, texto e pós-textuais.
3.2.4 - O título do trabalho será breve e suficientemente específico e
descritivo, contendo as palavras-chave que representem o conteúdo
do texto, acompanhado de sua tradução para o idioma inglês, com
espaçamento entrelinhas simples, na fonte Times New Roman,
tamanho 14 em negrito, com efeito itálico para o título em inglês,
letras maiúsculas e minúsculas e parágrafo centralizado.
3.2.5 - O nome completo de cada autor virá seguido do título
profissional, nome da instituição onde exerce atividade científica e
o endereço eletrônico para contato, com espaçamento entre linhas
simples, fonte Times New Roman, tamanho 10 e, somente para
o nome do autor, com letras maiúsculas e minúsculas e parágrafo
justificado em negrito.
3.2.6 - O resumo elaborado será de caráter informativo, com o
máximo de 150 palavras, ressaltando o objetivo, o método, os
resultados e as conclusões, acompanhados da sua tradução integral
para o inglês - abstract, com espaçamento entre linhas simples, na
fonte Times New Roman, tamanho 10, com efeito itálico para o
Abstract e Keywords, letras maiúsculas e minúsculas com parágrafo
justificado.
3.2.7 - O texto obedecerá a seguinte formatação:
a) Arquivo eletrônico gravado com extensão “RTF” (Rich Text
Format);
b) Fonte Times New Roman, tamanho 12;
c) Espaçamento entre linhas de 1,5;
d) Alinhamento justificado;
e) Uma coluna;
f) Margens: superior e esquerda 3 cm; direita e inferior de 2 cm e
g) Papel formato A4 (21cm X 29,7cm).
3.2.8 - As figuras, tabelas ou ilustrações devem conter legendas,
créditos ou fonte de consulta. Caso haja figuras e tabelas importadas
de outros programas, como Excel e Power Point, serão enviados,
também, o arquivo de origem com resolução mínima de 200 DPI.
As legendas, créditos ou fonte de consulta estarão em fonte Times
New Roman - tamanho 10.
84
3.2.9 - A revisão gramatical e a obediência às normas de referência
deverão ser obrigatoriamente providenciadas pelo autor do trabalho,
antes de sua submissão.
3.2.10 - O Português é o idioma oficial da RPN. Em caráter
excepcional, por decisão do Editor-Chefe, poderão ser aceitos
trabalhos no idioma do autor. Esta situação deverá ser devidamente
justificada quanto à impossibilidade de se realizar a tradução do
texto para o idioma oficial da revista.
3.2.11 - Os agradecimentos, se for o caso, deverão ser mencionados
no final do trabalho, antecedendo as referências, com espaçamento
entre linhas 1,5, fonte Times New Roman, tamanho 12, letras
maiúsculas e minúsculas e parágrafo justificado.
3.2.12 - As notas explicativas não serão admitidas. Os textos com
essas características serão incorporados aos elementos textuais.
3.2.13 - As referências bibliográficas serão apresentadas em ordem
alfabética no final do artigo, de acordo com a norma da ABNT NBR-6023/2002. Todas as referências deverão ser citadas no texto
de acordo com o sistema alfabético (autor-data).
3.2.14 - A “Carta para submissão de artigo” (Modelo I) e a
“Declaração de responsabilidade e de transferência de direitos
autorais para publicação de artigo na Revista Pesquisa Naval”
(Modelo II), enviadas pelos autores, poderão ser utilizadas no caso
de listagens extensivas, estatísticas e outros elementos de suporte.
3.2.15 - Para aspectos gerais de apresentação, referências
bibliográficas, citações, notas e demais detalhes, serão observadas
as seguintes normas:
a) ABNT – NBR 6021/2003 – publicação periódica científica
impressa;
b) ABNT – NBR 6022/2003 – artigo em publicação periódica
científica impressa;
c) ABNT – NBR 6023/2002 – referências;
d) ABNT – NBR 6024/2003 – numeração progressiva;
e) ABNT – NBR 6027/2003 – sumário;
f) ABNT – NBR 6028/2003 – resumo;
g) ABNT – NBR 10520/2002 – citações e
h) Apresentação tabular do Instituto Brasileiro de Geografia e
Estatística – IBGE.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
4.1 - Os autores dos artigos em submissão ao respectivo processo de
seleção serão oportunamente informados sobre o seu andamento,
por e-mail, até a publicação da RPN.
4.2 - Os artigos publicados, bem como as opiniões emitidas nesses
artigos, são de exclusiva responsabilidade do(s) autor(es).
4.3 - É de direito do(s) autor(es) o recebimento de três revistas da
edição que consta a publicação de seus artigos. Caberá ao Conselho
Editorial da RPN a responsabilidade do envio das revistas aos
autores.
4.4 – Quaisquer solicitações de informações adicionais deverão
ser encaminhadas à:
Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha
Subsecretaria de Relações Institucionais
Conselho Editorial da Revista Pesquisa Naval
Esplanada dos Ministérios, Bloco “N”, 4º andar
CEP: 70055-900 – Brasília/DF
e-mail: [email protected]
Tel/Fax: (61) 3429-1948.
MODELO I
CARTA PARA SUBMISSÃO DE ARTIGO
Ao Presidente do Conselho Editorial da Revista Pesquisa Naval
Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha
Esplanada dos Ministérios - Bloco N – 4º andar
70055-900 - Brasília – DF
Assunto: Submissão de artigo à Revista Pesquisa Naval
Senhor Presidente,
Submeto(emos) para análise deste Conselho, o artigo intitulado “______________”, na área de interesse de Ciência e
Tecnologia da Marinha de “_________________”, de acordo com o subitem 3.1.1 das Normas Editoriais para publicação
na Revista Pesquisa Naval.
Identificação do(s) autor(es): nome completo, filiação, função, formação, endereço, telefones de contato, e-mail e resumo
do curriculum vitae anexo.
Declaro(amos) que aceito(amos) as normas para submissão de artigos à Revista Pesquisa Naval, nos temos da Portaria nº
____/SecCTM/2009.
Local, em _______de ______de 2___.
assinatura dos autores dos artigos
MODELO II
DECLARAÇÃO DE RESPONSABILIDADE E DE TRANSFERÊNCIA DE DIREITOS AUTORAIS PARA
PUBLICAÇÃO DE ARTIGO NA REVISTA PESQUISA NAVAL
Ao Presidente do Conselho Editorial da Revista Pesquisa Naval
Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha
Esplanada dos Ministérios - Bloco N – 4º andar
70055-900 - Brasília – DF
Assunto: Declaração de Responsabilidade e de Transferência de Direitos Autorais para publicação de artigo na Revista
Pesquisa Naval.
Declaro(amos) que o artigo intitulado “___________________________________”, enviado à Revista Pesquisa Naval,
periódico científico da Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha, é um artigo original e o seu conteúdo não
está sendo considerado para publicação em outras revistas, seja no formato impresso seja no eletrônico.
Certifico(amos) que participei(amos) suficientemente da elaboração do artigo para tornar pública minha (nossa)
responsabilidade pelo seu conteúdo.
Cedo(emos), com exclusividade, os direitos autorais do artigo supracitado à Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação
da Marinha, para publicação na Revista Pesquisa Naval.
Estou(amos) ciente(s) de que é vedada qualquer reprodução, total ou parcial, em qualquer outra parte ou meio de divulgação
impressa ou eletrônica, sem que seja obtida, por escrito, a prévia e necessária autorização do Conselho Editorial da Revista.
Aceito(amos) as condições deste termo. (todos os autores)
Local, em _______de ______de 2___.
Assinatura do(s) autor (es) do artigo
85
SECRETARIA DE CIÊNCIA, TECNOLOGIA E
INOVAÇÃO DA MARINHA