Волновой радар

Измерение океанских волн с помощью морских радаров.

Волновой радар — это тип радара для измерения ветровых волн . Доступно несколько инструментов, основанных на различных концепциях и методах, и все они часто называются . В этой статье (см. также Grønlie 2004 с помощью наземных радиолокаторов ) дается краткое описание наиболее распространенных методов дистанционного зондирования .

Приборы, основанные на методах радиолокационного дистанционного зондирования, представляют особый интерес в приложениях, где важно избегать прямого контакта с поверхностью воды и избегать структурных помех. Типичным случаем являются измерения волнения с морской платформы на глубокой воде, где быстрые течения могут чрезвычайно затруднить швартовку волнового буя. Еще один интересный случай — корабль на ходу, где иметь приборы в море крайне непрактично и необходимо избегать помех от корпуса корабля.

Радар дистанционного зондирования

Термины и определения

По сути, существует два разных класса радиолокационных дистанционных датчиков океанских волн.

Датчик прямого измерения напрямую измеряет некоторые важные параметры волновой системы (например, высоту поверхности или скорость частиц воды).
Косвенные датчики наблюдают за поверхностными волнами посредством взаимодействия с некоторыми другими физическими процессами, такими как, например, радиолокационное сечение морской поверхности.

Микроволновые радары могут использоваться в двух различных режимах ;

Почти вертикальный режим . Радиолокационное эхо создается зеркальными отражениями от морской поверхности.
Режим низкого угла выпаса . Радиолокационное эхо генерируется за счет брэгговского рассеяния ветровая поверхностная рябь ( капиллярные волны , следовательно, должна присутствовать ). Сигнал обратного рассеяния будет модулироваться большими поверхностными гравитационными волнами, а информация о гравитационных волнах получается в результате модуляции обратно рассеянного сигнала. Прекрасное изложение теории микроволнового дистанционного зондирования морской поверхности дано Плантом и Шулером (1980) .

Радарный след (размер площади поверхности, освещаемой радаром) должен быть небольшим по сравнению со всеми волнами интересующими океана. Пространственное разрешение радара определяется шириной полосы радиолокационного сигнала (см. характеристики радиолокационного сигнала ) и шириной луча антенны радара.

Луч микроволновой антенны расходится. Следовательно, разрешение уменьшается с увеличением дальности. Для всех практических целей луч ИК- радара ( лазера ) не расходится. Следовательно, его разрешение не зависит от дальности.

ВЧ- радары используют механизм рассеяния Брэгга и всегда работают при очень малых углах скольжения. Из-за низкой рабочей частоты радиолокационные волны рассеиваются непосредственно от гравитационных волн , и рябь на поверхности не требуется.

Радиолокационные приемопередатчики могут быть когерентными и некогерентными. Когерентные радары измеряют доплеровскую модуляцию, а также амплитудную модуляцию, тогда как некогерентные радары измеряют только амплитудную модуляцию. Следовательно, некогерентное радиолокационное эхо содержит меньше информации о свойствах морской поверхности. Примерами некогерентных радаров являются обычные морские навигационные радары.

Энергия, рассеянная обратно от морской поверхности, как функция угла.

Форма волны радиолокационного передатчика может быть немодулированной непрерывной, модулированной или импульсной. Немодулированный радар непрерывного действия не имеет разрешения по дальности, но может обнаруживать цели на основе разной скорости, тогда как модулированный или импульсный радар может различать отраженные сигналы от разных диапазонов. Форма радиолокационного сигнала играет очень важную роль в теории радиолокации (Плант и Шулер, 1980) .

Факторы, влияющие на производительность

Режим работы или геометрия измерения (вертикальный или скользящий)
Класс системы (прямой или косвенный)
Частота работы
Форма сигнала радара (немодулированная непрерывная или модулированная/импульсная)
Тип трансивера (когерентный или некогерентный)
Свойства антенны радара

Методы дистанционного зондирования

Отличный обзор различных радиолокационных методов дистанционного зондирования волн дан Такером (1991) .

Микроволновые дальномеры

Микроволновые дальномеры также работают в вертикальном режиме на частотах ГГц и не так подвержены влиянию тумана и водяных брызг, как лазерные дальномеры . радара . Для обеспечения разрешения по дальности обычно используется непрерывная частотно-модулированная волна (CWFM) или импульсная форма сигнала Поскольку луч расходится, линейный размер следа прямо пропорционален дальности, а площадь следа пропорциональна квадрату дальности.

Одним из примеров микроволнового дальномера является Miros SM-094, который предназначен для измерения волн и уровня воды, включая приливы . Этот датчик используется в качестве датчика воздушного зазора (просвета моста) в NOAA системе PORTS . Другой пример — WaveRadar REX , который является производной от танкового радара Rosemount.

На основе данных о высоте поверхности воды в трех или более местах можно рассчитать направленный спектр высоты волны. Алгоритм аналогичен тому, который генерирует направленный спектр на основе данных о качке (вертикальном движении), тангаже и крене в одном месте, предоставляемом волновым буем в форме диска. Группа из трех вертикальных радаров, охватывающих вершины горизонтального равностороннего треугольника, может предоставить необходимые данные о высоте водной поверхности. «Направленный волновод» — это коммерческая радиолокационная система, основанная на этой технологии. Его можно приобрести у голландских компаний Enraf и Radac .

Морские навигационные радары

Морские навигационные радары ( диапазон X ) предоставляют изображения морских помех, которые содержат рисунок, напоминающий рисунок морских волн. Оцифровав видеосигнал радара, его можно обработать на цифровом компьютере. Параметры морской поверхности можно рассчитать на основе этих оцифрованных изображений. Морской навигационный радар работает в режиме малого угла скольжения, и должна присутствовать рябь на поверхности, создаваемая ветром.Морской навигационный радар является некогерентным и является типичным примером датчика непрямого волнения, поскольку нет прямой зависимости между высотой волны и амплитудой модуляции обратного рассеяния радара. Обычно используется эмпирический метод масштабирования волнового спектра. Датчики волн на базе морских навигационных радаров являются отличным инструментом для измерения направления волн. Морской навигационный радар также может быть инструментом для измерения поверхностных течений. Могут быть предоставлены точечные измерения вектора тока, а также карты тока на расстоянии до нескольких километров. (Гангескар, 2002) . Основная область применения Miros WAVEX — измерения направленных волн на движущихся судах. Другим примером системы на базе морского радара является OceanWaves WaMoS II.

Геометрия измерений импульсной доплеровской волны и токовой радиолокации.

Импульсный доплеровский микроволновый радар со стробированием по дальности

Импульсный доплеровский микроволновый радар со стробированием по дальности работает в режиме малого угла скольжения. Используя несколько антенн, его можно использовать в качестве датчика направленных волн, в основном измеряя направленный спектр горизонтальной скорости частиц воды. Спектр скорости напрямую связан со спектром высоты волны с помощью математической модели, основанной на линейной теории волн, и точные измерения спектра волн могут быть обеспечены в большинстве условий. Поскольку измерения проводятся на расстоянии от платформы, на которой он установлен, волновое поле в небольшой степени нарушается помехами от конструкции платформы.

Miros Wave и современный радар. Архивировано 22 декабря 2007 г. на сайте Wayback Machine. Это единственный доступный волновой датчик, основанный на методе импульсного доплеровского радара со стробированием по дальности. Этот радар также использует двухчастотный метод (см. ниже) для точечных измерений вектора поверхностного тока.

Двухчастотный микроволновый радар

Двухчастотный микроволновый радар передает одновременно две микроволновые частоты. Разделение частот выбрано таким образом, чтобы обеспечить длину «пространственного биения», которая находится в диапазоне интересующих волн на воде. Двухчастотный радар можно считать микроволновым эквивалентом высокочастотного (ВЧ) радара (см. ниже). Двухчастотный радар подходит для измерения поверхностного течения. Что касается измерений волн, процессы обратного рассеяния слишком сложны (и недостаточно изучены), чтобы обеспечить полезную точность измерений.

КВ радар

ВЧ-радары CODAR SeaSonde и Helzel WERA хорошо зарекомендовали себя как мощный инструмент для измерения морских течений на расстоянии до 300 км. Он работает в диапазоне частот ВЧ и низких УКВ, соответствующем длине волны радара в диапазоне от 10 до 300 метров. Доплеровский сдвиг линий Брэгга первого порядка радиолокационного эха используется для получения оценок морского течения почти так же, как и для двухчастотного микроволнового радара. Обычно требуются две радиолокационные установки, которые наблюдают за одним и тем же участком морской поверхности под разными углами. ^[1] Береговые океанские радары последнего поколения могут достигать дальности более 200 км для картографирования океанских течений и более 100 км для измерения волн Helzel WERA . У всех океанских радаров точность по дальности отличная. При более коротких диапазонах разрешение по дальности становится лучше. Угловое разрешение и точность зависят от используемой конфигурации антенной решетки и применяемых алгоритмов (пеленгации или формирования луча). Система WERA предоставляет возможность использовать оба метода; компактная версия с пеленгацией или антенная система решетчатого типа с методами формирования луча.

Специализированный X-диапазон

Технология FutureWaves изначально была разработана корпорацией прикладных физических наук General Dynamics как система экологического прогнозирования кораблей и движения (ESMF) для ONR ВМФ (Управление военно-морских исследований). Технология была адаптирована для выпуска на коммерческий рынок и впервые была представлена публике на конференции по морским технологиям 2017 года в Хьюстоне, штат Техас.

Эта технология отличается от существующих систем прогнозирования волнения тем, что использует специальный радиолокатор волнового зондирования, способный измерять доплеровское обратное рассеяние на расстоянии примерно 5 км. Антенна радара имеет вертикальную поляризацию для усиления сигнала обратного рассеяния от морской поверхности. Он также использует инновационную схему обработки радиолокационных сигналов, которая устраняет зашумленные сигналы обратного рассеяния посредством математического процесса, называемого инверсией наименьших квадратов . Этот подход применяет сильно переопределенный фильтр к радиолокационным данным и отклоняет радиолокационные сканирования, которые не наблюдают входящие волны. Результатом является точное представление поля распространяющейся падающей волны, которая вызывает движение корабля в течение 2-3 минут. Алгоритмы обработки волн также позволяют в реальном времени рассчитывать двумерные спектры мощности волнового поля и значительную высоту волн, аналогичную той, которую обеспечивает волновой буй.

Он также использует процесс прогнозирования движения судна, основанный на предварительно рассчитанной базе данных сил/реакций. с множеством степеней свободы Динамические степени свободы движения затем представляются как сосредоточенная механическая система, будущие движения которой прогнозируются путем численного решения вынужденного связанного дифференциального уравнения и начальным инерционным состоянием, определяемым выходными сигналами датчика движения судна. Решение во временной области позволяет учитывать в прогнозировании нелинейные механизмы воздействия, такие как квадратичное демпфирование крена и системы управления креном.

Наконец, он использует промежуточное программное обеспечение с открытой архитектурой Gravity для интеграции сигналов датчиков, подпрограмм обработки и пользовательских дисплеев. Такой подход с открытой архитектурой позволяет внедрять в систему настраиваемые дисплеи оператора, а также физические модели конкретных судов и механизмов (например, кранов).

Ссылки

^ Датчики океана CODAR (COS)

Гангескар, Р., (2002), «Океанское течение, оцененное по изображениям морской поверхности, полученным с помощью радара X-диапазона», IEEE Transactions on Remote Sensing, vol. 40, нет. 4.
Грёнли, Ø (2004). «Волновые радары – сравнение различных концепций и методов», Hydro International, том 8, номер 5, июнь 2004 г.
Плант, У.Дж. и Д.Л. Шулер, (1980) «Дистанционное зондирование морской поверхности с использованием одно- и двухчастотных микроволновых методов», Radio Science, Vol. 15 № 3, страницы 605–615.
Такер, MJ, (1991) «Волны в океанической инженерии, анализ измерений, интерпретация», Ellis Horwood Limited, глава 8, страницы 231–266.
Вятт, (2009) «Измерение высоких и низких волн с помощью ВЧ-радара», Материалы конференции IEEE Oceans Conference, Бремен, 2009.
HYDRO International, (2010) «Океанская радиолокационная система WERA – характеристики, точность и надежность», HYDRO International, том 14, номер 3, 2010 г., страницы 22–23.

Внешние ссылки

Микроволновые дальномеры:

Импульсный доплеровский микроволновый радар по дальности действия:

Оценка системы MIROS во время исследования штормового ветра II; Ф.В. Добсон, Рыбное хозяйство и океаны Канады, Бедфордский институт океанографии, Дартмут, Северная Каролина, Канада; Э. Данлэп ASA Consulting Ltd, Галифакс, Северная Каролина, Канада. Архивировано 17 апреля 2008 г. в Wayback Machine.

Датчики волн на базе X-диапазона:

Системы мониторинга уровня, приливов и волн Radac
WaMoS II (OceanWaves GmbH). Архивировано 2 июня 2013 г. в Wayback Machine.
удаленный
Мирос АС. Архивировано 14 декабря 2007 г. в Wayback Machine.
БудущиеВолны

КВ-радар:

[1] Датчики океана CODAR (COS)

[1]