Este trabalho envolve dois diferentes aspectos da estimação de espectros direcionais de onda a partir de movimentos de 1a ordem da embarcação. Sendo a estimação do espectro de ondas feita por meio de um método Bayesiano, existe a necessidade da calibração dos hiperparâmetros derivados da modelagem Bayesiana. O primeiro assunto abordado é a determinação de uma metodologia de calibração dos hiperparâmetros necessários à estimação do espectro direcional de ondas. Desenvolve-se ao longo deste uma primeira análise de um método aplicável a qualquer embarcação do tipo FPSO para a determinação a priori de valores de dois hiperparâmetros de controle da suavização da estimativa. Obtém-se resultados indicativos de que é possível definir valores destes hiperparâmetros dependentes de quantidades observáveis como calado da embarcação e período das ondas, de modo que os erros de estimação ainda se mantém muito próximos aos encontrados por valores ótimos dos hiperparâmetros. Isto leva à conclusão de que na abordagem atual, com valores fixos a cada calado, erros excessivos e desnecessários podem ocorrer no processo de estimação. O segundo tema trata da estimação paramétrica de espectros, utilizando modelos paramétricos de descrição de espectros como forma de obtenção de estatísticas de mar. Abordam-se também os assuntos de mares cruzados, donde se faz necessária a identificação da bimodalidade dos espectros para a estimação correta das estatísticas de mar. / In this work, two differents aspects of directional wave spectra estimation from 1st order ship motions are presented. As the estimation of wave spectrum is made by means of a Bayesian method, it is necessary to calibrate the hyperparameters derived from Bayesian modeling. The first addressed subject is the determination of a calibration methodology of the hyperparameters needed for the directional wave spectrum estimation. It is developed through this work a first analysis of an applicable method to any vessel of FPSO type for the prior determination of values for this two hyperparameters depending on observable quantities, such as draft of the vessel and wave period, in such a way that the estimation errors are still very close to those found by optimum values of the hyperparameters. This leads to the conclusion that in the current approach excessive and unnecessary errors can occur on the estimation process. The second subject addresses the parametric estimation of spectra, using parametric models of spectrum description to acquire the sea statistics. For this purpose, it became necessary the study of crossed-sea states, which was employed in the bimodal spectrum identification for the correct estimation of sea statistics.

Estudos de condições oceanográficas tornam-se imperativos a cada dia, tanto no fornecimento de dados para fins de pesquisa quanto para aplicações de engenharia. Tais usos variam desde a validação de modelos de previsão de ondas até a determinação de forças em estruturas offshore, bem como em condições de navegabilidade e operações logísticas. O uso dos movimentos do navio para determinar qual condição de mar os induziu, adotando a embarcação como um sensor, em analogia às boias oceanográficas, é uma das tecnologias disponíveis para a medição das condições oceanográficas. Esta destaca-se pela simplicidade na implementação, além de atender às necessidades da indústria petrolífera, uma vez que o interesse é voltado para eventos de ondas extremas, os quais são bem representados pela tecnologia considerada, como verificado nesta tese. A facilidade de obtenção de dados através da tecnologia mencionada, sem a necessidade de equipamentos adicionais { especialmente no caso de plataformas de petróleo devido à disponibilidade de bases inerciais em muitas embarcações deste tipo { foi essencial para garantir ao presente trabalho um conjunto de dados de campo composto por registros ininterruptos dos movimentos de uma plataforma FPSO durante dois anos, através do qual foi possível realizar estimativas das ondas em intervalos de trinta minutos. Esta rica base de dados, inédita na literatura especializada, aliada às estimativas fornecidas simultaneamente por um sistema de radar de ondas, permitiu um estudo detalhado das características e padrões dos espectros direcionais de onda e uma importante validação da aplicação da tecnologia em campo. Face às incertezas inerentes ao processo, no entanto, observa-se que, para um mesmo registro de movimentos, muitas soluções diferentes e quase equiprováveis podem ser obtidas, uma característica que favorece a aplicação de um método de inferência Bayesiana, afim de fornecer alguma informação a priori sobre as variáveis de estimação. Na presente abordagem, esta informação corresponde a uma suposição de suavidade dos espectros direcionais de onda a serem estimados, cujo grau é controlado pelos chamados hiperparâmetros do processo de inferência - parâmetros dentro do método que controlam a influência da informação a priori sobre a solução. Estudos prévios realizados na EPUSP demonstraram que o uso de hiperparâmetros fixos ou pré-calibrados é vantajoso para tornar o método de estimação operacionalmente aplicável, proporcionando um tempo de execução compatível com aplicações em tempo real. Dada a importância do papel desempenhado pela informação a priori na determinação de soluções viáveis no intervalo de incertezas do método, torna-se patente a necessidade de se definir valores apropriados para estes hiperparâmetros. Assim, neste trabalho, é apresentada uma metodologia de calibração para os hiperparâmetros baseada na dependência destes no período médio de onda e no parâmetro espectral de largura de banda. Esta nova abordagem traz dois aspectos inovadores para a pesquisa: O primeiro é o desenvolvimento de um método iterativo e autossuficiente capaz de identificar erros de estimação causados por incertezas no modelo de previsão de movimentos do navio. O segundo ponto é a capacidade do método de mitigar os erros encontrados, forçando a suavidade espectral ao longo do intervalo de frequências de onda. / Studies of oceanographic conditions become imperative every day, both in the provision of data for research purposes and for engineering applications. Such uses range from the validation of wave prediction models to the determination of forces in offshore structures, as well as navigability and logistical operations. The use of vessel movements to determine which is the condition induced by them, adopting the vessel as a sensor, in analogy to oceanographic buoys, is one of the available technologies for the measurement of oceanographic conditions. It stands out for the simplicity of the implementation, in addition it meets the needs of the oil industry, since the interest is focused on extreme wave events, which are well represented by the technology considered, as verified in this thesis. Ease of data attainment through the mentioned technology, without the need for additional equipment - especially in the case of oil platforms due to the availability of inertial bases in many vessels of this type - was essential to guarantee the present work the data set of field the FPSO platform for two years, through which it was possible to make estimates of the waves in intervals of thirty minutes. This rich database, unprecedented in the specialized literature, together with the estimates provided by a wave radar system, allowed a detailed study of the characteristics and patterns of the directional wave spectra and an important validation of the application of the technology in the field. Given the uncertainties inherent in the process, however, it can be observed that, for the same record of movements, many different and almost equiprobable solutions can be obtained, a feature that favors the application of a Bayesian inference method, in order to provide some information on the variables of estimation. In the present approach, this information corresponds to an assumption of smoothness of the directional wave spectra to be estimated, the degree of which is controlled by so-called hyperparameters of the inference process - parameters within the method that control the influence of a priori information on the solution. Previous studies conducted at EPUSP have demonstrated that the use of fixed or precalibrated hyperparameters is advantageous to make the estimation method operationally applicable, providing a runtime compatible with real-time applications. Given the importance of the role played by a priori information in determining viable solutions in the uncertainty range of the method, it becomes clear that it is necessary to define appropriate values for these hyperparameters. Thus, in this work, the calibration methodology for the hyperparameters is presented, based on the dependency of these on wave mean period and on bandwidth spectral parameter. The _rst is the development of an iterative, self-sufficient method, capable of identifying estimations errors caused by uncertainties on the ship\'s motions prediction model. The second is the ability of the method to mitigate the errors found, forcing spectral smoothness throughout the range of wave frequencies.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A prototype of a graphical interface for SAR (Synthetic Aperture Radar) images has being developed and improved. In its current stage, the tool is able to extract the directional wave spectrum and the wind field of ERS 1&2 images. Among the various approaches used in developing the prototype, the evaluation of the currently used methodology in the image interpretation should be highlighted. In this work, synthetic SAR images are generated aiming to evaluate techniques to extract the directional wave spectrum. The coupling between the output of the SAR simulator and the input of the algorithm to generate the wave spectrum is pursued. Furthermore, a detailed comparison between the values used for simulation and the results drawn from the interface allows the identification of deficiencies and potential improvements to the current method. Thus, the present work presents development of the coupling and presents some of the features of the SAR. The results presented indicates that the coupling partially achieved their goal with good results in the wave direction interpretation. However, there are still some issues that should be evaluated to obtain more consistent results. / O protótipo de uma interface gráfica para análise de imagens SAR (radar de abertura sintética - da sigla em inglês (Synthetic Aperture Radar) vem sendo desenvolvido e aperfeiçoado. Em seu estágio atual, a ferramenta é capaz de extrair o espectro direcional de ondas e o campo de ventos de imagens ERS 1&2. Dentre as diversas abordagens empregadas no desenvolvimento do protótipo, pode-se citar a avaliação da metodologia atualmente utilizada na interpretação das imagens. Neste sentido, é apresentada uma proposta de geração de imagens SAR sintéticas, de forma a viabilizar a avaliação do método de extração de parâmetros meteo-oceanográficos a partir do acoplamento do simulador de imagens com o interpretador utilizado no protótipo. Uma comparação detalhada entre os valores empregados para simulação e os resultados sacados da interface torna possível identificar possíveis deficiências e indicar aperfeiçoamentos ao método. Desta forma, o presente trabalho, além de discutir o protótipo para análise de imagens SAR, apresenta o desenvolvimento do acoplamento do simulador de imagens. Os resultados obtidos indicam que o acoplamento atingiu parcialmente seu objetivo apresentando bons resultados na interpretação das direções. Porém, ainda há algumas questões a serem avaliadas para a obtenção de resultados mais consistentes.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / A prototype of a graphical interface for SAR (Synthetic Aperture Radar) images has being developed and improved. In its current stage, the tool is able to extract the directional wave spectrum and the wind field of ERS 1&2 images. Among the various approaches used in developing the prototype, the evaluation of the currently used methodology in the image interpretation should be highlighted. In this work, synthetic SAR images are generated aiming to evaluate techniques to extract the directional wave spectrum. The coupling between the output of the SAR simulator and the input of the algorithm to generate the wave spectrum is pursued. Furthermore, a detailed comparison between the values used for simulation and the results drawn from the interface allows the identification of deficiencies and potential improvements to the current method. Thus, the present work presents development of the coupling and presents some of the features of the SAR. The results presented indicates that the coupling partially achieved their goal with good results in the wave direction interpretation. However, there are still some issues that should be evaluated to obtain more consistent results. / O protótipo de uma interface gráfica para análise de imagens SAR (radar de abertura sintética - da sigla em inglês (Synthetic Aperture Radar) vem sendo desenvolvido e aperfeiçoado. Em seu estágio atual, a ferramenta é capaz de extrair o espectro direcional de ondas e o campo de ventos de imagens ERS 1&2. Dentre as diversas abordagens empregadas no desenvolvimento do protótipo, pode-se citar a avaliação da metodologia atualmente utilizada na interpretação das imagens. Neste sentido, é apresentada uma proposta de geração de imagens SAR sintéticas, de forma a viabilizar a avaliação do método de extração de parâmetros meteo-oceanográficos a partir do acoplamento do simulador de imagens com o interpretador utilizado no protótipo. Uma comparação detalhada entre os valores empregados para simulação e os resultados sacados da interface torna possível identificar possíveis deficiências e indicar aperfeiçoamentos ao método. Desta forma, o presente trabalho, além de discutir o protótipo para análise de imagens SAR, apresenta o desenvolvimento do acoplamento do simulador de imagens. Os resultados obtidos indicam que o acoplamento atingiu parcialmente seu objetivo apresentando bons resultados na interpretação das direções. Porém, ainda há algumas questões a serem avaliadas para a obtenção de resultados mais consistentes.

Estudos de condições oceanográficas tornam-se imperativos a cada dia, tanto no fornecimento de dados para fins de pesquisa quanto para aplicações de engenharia. Tais usos variam desde a validação de modelos de previsão de ondas até a determinação de forças em estruturas offshore, bem como em condições de navegabilidade e operações logísticas. O uso dos movimentos do navio para determinar qual condição de mar os induziu, adotando a embarcação como um sensor, em analogia às boias oceanográficas, é uma das tecnologias disponíveis para a medição das condições oceanográficas. Esta destaca-se pela simplicidade na implementação, além de atender às necessidades da indústria petrolífera, uma vez que o interesse é voltado para eventos de ondas extremas, os quais são bem representados pela tecnologia considerada, como verificado nesta tese. A facilidade de obtenção de dados através da tecnologia mencionada, sem a necessidade de equipamentos adicionais { especialmente no caso de plataformas de petróleo devido à disponibilidade de bases inerciais em muitas embarcações deste tipo { foi essencial para garantir ao presente trabalho um conjunto de dados de campo composto por registros ininterruptos dos movimentos de uma plataforma FPSO durante dois anos, através do qual foi possível realizar estimativas das ondas em intervalos de trinta minutos. Esta rica base de dados, inédita na literatura especializada, aliada às estimativas fornecidas simultaneamente por um sistema de radar de ondas, permitiu um estudo detalhado das características e padrões dos espectros direcionais de onda e uma importante validação da aplicação da tecnologia em campo. Face às incertezas inerentes ao processo, no entanto, observa-se que, para um mesmo registro de movimentos, muitas soluções diferentes e quase equiprováveis podem ser obtidas, uma característica que favorece a aplicação de um método de inferência Bayesiana, afim de fornecer alguma informação a priori sobre as variáveis de estimação. Na presente abordagem, esta informação corresponde a uma suposição de suavidade dos espectros direcionais de onda a serem estimados, cujo grau é controlado pelos chamados hiperparâmetros do processo de inferência - parâmetros dentro do método que controlam a influência da informação a priori sobre a solução. Estudos prévios realizados na EPUSP demonstraram que o uso de hiperparâmetros fixos ou pré-calibrados é vantajoso para tornar o método de estimação operacionalmente aplicável, proporcionando um tempo de execução compatível com aplicações em tempo real. Dada a importância do papel desempenhado pela informação a priori na determinação de soluções viáveis no intervalo de incertezas do método, torna-se patente a necessidade de se definir valores apropriados para estes hiperparâmetros. Assim, neste trabalho, é apresentada uma metodologia de calibração para os hiperparâmetros baseada na dependência destes no período médio de onda e no parâmetro espectral de largura de banda. Esta nova abordagem traz dois aspectos inovadores para a pesquisa: O primeiro é o desenvolvimento de um método iterativo e autossuficiente capaz de identificar erros de estimação causados por incertezas no modelo de previsão de movimentos do navio. O segundo ponto é a capacidade do método de mitigar os erros encontrados, forçando a suavidade espectral ao longo do intervalo de frequências de onda. / Studies of oceanographic conditions become imperative every day, both in the provision of data for research purposes and for engineering applications. Such uses range from the validation of wave prediction models to the determination of forces in offshore structures, as well as navigability and logistical operations. The use of vessel movements to determine which is the condition induced by them, adopting the vessel as a sensor, in analogy to oceanographic buoys, is one of the available technologies for the measurement of oceanographic conditions. It stands out for the simplicity of the implementation, in addition it meets the needs of the oil industry, since the interest is focused on extreme wave events, which are well represented by the technology considered, as verified in this thesis. Ease of data attainment through the mentioned technology, without the need for additional equipment - especially in the case of oil platforms due to the availability of inertial bases in many vessels of this type - was essential to guarantee the present work the data set of field the FPSO platform for two years, through which it was possible to make estimates of the waves in intervals of thirty minutes. This rich database, unprecedented in the specialized literature, together with the estimates provided by a wave radar system, allowed a detailed study of the characteristics and patterns of the directional wave spectra and an important validation of the application of the technology in the field. Given the uncertainties inherent in the process, however, it can be observed that, for the same record of movements, many different and almost equiprobable solutions can be obtained, a feature that favors the application of a Bayesian inference method, in order to provide some information on the variables of estimation. In the present approach, this information corresponds to an assumption of smoothness of the directional wave spectra to be estimated, the degree of which is controlled by so-called hyperparameters of the inference process - parameters within the method that control the influence of a priori information on the solution. Previous studies conducted at EPUSP have demonstrated that the use of fixed or precalibrated hyperparameters is advantageous to make the estimation method operationally applicable, providing a runtime compatible with real-time applications. Given the importance of the role played by a priori information in determining viable solutions in the uncertainty range of the method, it becomes clear that it is necessary to define appropriate values for these hyperparameters. Thus, in this work, the calibration methodology for the hyperparameters is presented, based on the dependency of these on wave mean period and on bandwidth spectral parameter. The _rst is the development of an iterative, self-sufficient method, capable of identifying estimations errors caused by uncertainties on the ship\'s motions prediction model. The second is the ability of the method to mitigate the errors found, forcing spectral smoothness throughout the range of wave frequencies.

Este trabalho envolve dois diferentes aspectos da estimação de espectros direcionais de onda a partir de movimentos de 1a ordem da embarcação. Sendo a estimação do espectro de ondas feita por meio de um método Bayesiano, existe a necessidade da calibração dos hiperparâmetros derivados da modelagem Bayesiana. O primeiro assunto abordado é a determinação de uma metodologia de calibração dos hiperparâmetros necessários à estimação do espectro direcional de ondas. Desenvolve-se ao longo deste uma primeira análise de um método aplicável a qualquer embarcação do tipo FPSO para a determinação a priori de valores de dois hiperparâmetros de controle da suavização da estimativa. Obtém-se resultados indicativos de que é possível definir valores destes hiperparâmetros dependentes de quantidades observáveis como calado da embarcação e período das ondas, de modo que os erros de estimação ainda se mantém muito próximos aos encontrados por valores ótimos dos hiperparâmetros. Isto leva à conclusão de que na abordagem atual, com valores fixos a cada calado, erros excessivos e desnecessários podem ocorrer no processo de estimação. O segundo tema trata da estimação paramétrica de espectros, utilizando modelos paramétricos de descrição de espectros como forma de obtenção de estatísticas de mar. Abordam-se também os assuntos de mares cruzados, donde se faz necessária a identificação da bimodalidade dos espectros para a estimação correta das estatísticas de mar. / In this work, two differents aspects of directional wave spectra estimation from 1st order ship motions are presented. As the estimation of wave spectrum is made by means of a Bayesian method, it is necessary to calibrate the hyperparameters derived from Bayesian modeling. The first addressed subject is the determination of a calibration methodology of the hyperparameters needed for the directional wave spectrum estimation. It is developed through this work a first analysis of an applicable method to any vessel of FPSO type for the prior determination of values for this two hyperparameters depending on observable quantities, such as draft of the vessel and wave period, in such a way that the estimation errors are still very close to those found by optimum values of the hyperparameters. This leads to the conclusion that in the current approach excessive and unnecessary errors can occur on the estimation process. The second subject addresses the parametric estimation of spectra, using parametric models of spectrum description to acquire the sea statistics. For this purpose, it became necessary the study of crossed-sea states, which was employed in the bimodal spectrum identification for the correct estimation of sea statistics.

Este texto trata da estimação de espectro direcional de ondas a partir de movimentos de primeira ordem de sistemas oceânicos estacionários utilizando um método de inferência bayesiano. Após descrição do método e discutidas suas principais fontes de incertezas, este foi validado experimentalmente através de ensaios com dois tipos de embarcações para ondas irregulares e mares bimodais, e verificado com dados de monitoração em escala real. Uma comparação preliminar com dados provenientes de um radar próximo ao sistema monitorado também foi feita. Com base nestes resultados, discute-se a eficiência do método e suas limitações. / This text is about estimating directional wave spectra based on first order motions of stationary systems by means of a bayesian inference method. After being described the method and its main sources of uncertainties discussed, an experimental validation was carried out with two different types of hulls for irregular waves and bimodal seas, with a posterior verification using data from a real scale monitoring campaign. Also, a preliminary comparison with data from a radar in the vicinities of the monitored system was made. Based on those results, the methods efficiency is discussed, along with its limitations.

Este texto trata da estimação de espectro direcional de ondas a partir de movimentos de primeira ordem de sistemas oceânicos estacionários utilizando um método de inferência bayesiano. Após descrição do método e discutidas suas principais fontes de incertezas, este foi validado experimentalmente através de ensaios com dois tipos de embarcações para ondas irregulares e mares bimodais, e verificado com dados de monitoração em escala real. Uma comparação preliminar com dados provenientes de um radar próximo ao sistema monitorado também foi feita. Com base nestes resultados, discute-se a eficiência do método e suas limitações. / This text is about estimating directional wave spectra based on first order motions of stationary systems by means of a bayesian inference method. After being described the method and its main sources of uncertainties discussed, an experimental validation was carried out with two different types of hulls for irregular waves and bimodal seas, with a posterior verification using data from a real scale monitoring campaign. Also, a preliminary comparison with data from a radar in the vicinities of the monitored system was made. Based on those results, the methods efficiency is discussed, along with its limitations.