Радар для применения в области динамики прибрежного океана

Источник CODAR, обнаруженный в Атланте, штат Джорджия , на частоте 14195 кГц, как видно на программно-определяемой радиостанции каскадном дисплее . Широкая диагональная линия — это сигнал CODAR.

Запись передач CONDAR на частоте 4,630 МГц.

Радар для применения в динамике прибрежного океана ( CODAR ) — это тип портативного наземного высокочастотного (ВЧ) радара, разработанного в период с 1973 по 1983 год в Лаборатории распространения волн NOAA в Боулдере, штат Колорадо. CODAR — это неинвазивная система, которая может измерять и отображать приповерхностные океанские течения в прибрежных водах. Он портативен и может создавать карты океанских течений на месте почти в реальном времени. Более того, с помощью CODAR можно измерить высоту волн и получить косвенную оценку местного направления ветра .

Оборудование

CODAR использует компактную антенную систему, состоящую из скрещенных контуров и штыря для приема и штыря для передачи радиоимпульсов. Система может транспортироваться на автомобиле и работать от портативного источника питания; для современных приборов рекомендуется минимальная мощность 1050 Вт. CODAR способен работать практически в любых погодных условиях (он выдерживает температуру от 0 °F (-18 °C) до 90 °F (32 °C)). ) и относительно небольшие размеры антенной системы позволяют развертывать CODAR даже в густонаселенных и скалистых прибрежных районах. Однако, поскольку сигнал быстро ослабляется на суше, антенну необходимо устанавливать как можно ближе к поверхности воды.

Современное оборудование может работать в диапазоне от 3 до 50 МГц и может быть запрограммировано на автоматическую работу на срок до двух недель.

Основное оборудование подключено к электронному сегменту, который расположен рядом в защищенном помещении и содержит системное оборудование, в котором хранится информация. Миникомпьютер управляет радаром и обрабатывает сигналы, а оператор может общаться с системой через портативный клавиатурный терминал.

Необработанные спектральные данные могут обрабатываться в режиме онлайн для получения выходных данных в режиме реального времени, а окончательные данные могут отображаться на графическом терминале или распечатываться на плоттере. Обработка в автономном режиме также может быть выполнена позднее.

Приложения

Основная цель CODAR — измерение поверхностного тока. Дальность действия и разрешение системы зависят от условий окружающей среды и расположения антенны. Однако в целом в режиме большой дальности современные CODAR могут измерять расстояние до 100–200 км от берега с разрешением 3–12 км. При увеличении частоты можно получить разрешение до 200–500 м, но дальность наблюдения сокращается до 15–20 км.

Однако фактическая дальность действия может быть ограничена радиопомехами, состоянием высокого океана и состоянием грунта вблизи антенн. Влажные и влажные песчаные почвы усиливают распространение земных волн, тогда как сухие и каменистые почвы ослабляют сигнал.

Одна система CODAR может измерять только компонент поверхностного тока, движущегося к радару или от него, поэтому для определения общих векторов поверхностного тока необходимо использовать как минимум установку из двух систем. Для обеспечения регионального покрытия можно использовать множество сайтов CODAR. В конфигурации с несколькими радарами расстояние между двумя радиолокационными системами должно составлять примерно от 15 до 40 км для режима открытого океана большой дальности и от 8 до 20 км в режиме ближнего действия.

Обычно данные CODAR усредняются за один час, чтобы уменьшить шумность морского эха. Таким образом, текущие карты могут создаваться каждый час. Этот период можно сократить примерно до 20 минут, однако данные, собранные за короткие периоды времени, могут быть зашумлены.

Измерения CODAR полезны как для военных, так и для гражданских целей. Основные области применения включают проекты береговой инженерии и общественной безопасности, планирование навигационных морских путей, уменьшение загрязнения океана , поисково-спасательные операции, смягчение последствий разливов нефти в режиме реального времени и оценку связи популяций личинок. Кроме того, данные, полученные из CODAR, используются в качестве входных данных для моделей глобального мониторинга ресурсов и прогнозирования погоды и особенно полезны для измерений приливов и штормовых нагонов. Кроме того, из измерений можно определить направление распространения волновой энергии и период наиболее энергичных волн, что важно для многих практических приложений при проектировании и эксплуатации береговых и морских сооружений.

Теория работы

CODAR работает, используя передачу волн по небу в высокочастотном (ВЧ) диапазоне (3–30 МГц), поскольку электромагнитные волны в этом диапазоне имеют длины волн, соизмеримые с ветровыми гравитационными волнами на поверхности океана. По желанию заказчика его можно использовать в одночастотном или многочастотном режиме. Поскольку поверхность океана неровная, когда высокочастотный сигнал достигает поверхности океана, часть падающей энергии рассеивается обратно к источнику, и приемник измеряет отраженный сигнал. Это обратное рассеяние (или отражение) создает энергетический спектр в приемнике, даже если источник энергии является одночастотным, из-за формы и движения морской поверхности. Интерпретация спектральных характеристик для различных частот передачи является ключом к извлечению информации об океане. и, в частности, для измерения поверхностных токов.

Вследствие закона рассеяния Брэгга самый сильный отраженный сигнал исходит от океанских волн, движущихся непосредственно к источнику радара или от него, физическая длина волны которых составляет ровно половину длины передаваемой радиолокационной волны. Обратный сигнал обрабатывается, и его спектральный анализ дает доплеровский спектр морского эха, в котором можно распознать два доминирующих пика на разных частотах.

Смещение этих пиков от известных частот называется «эхо-доплеровским сдвигом» и позволяет оценить радиальную скорость поверхностного течения. То есть; скорость разброса вдоль линии между поверхностью поражения и радаром. Фактически величина этой составляющей скорости пропорциональна степени сдвига сигнала. Таким образом, CODAR измеряет доплеровский сдвиг частоты (наряду с расстоянием от радара до сектора и дирекционным углом), чтобы дать оценку радиальной составляющей скорости волны в интересующем секторе морской поверхности.

Измерение поверхностных токов

Для измерения токов оборудование CODAR рассчитывает три компонента:

• скорость приходящих волн в радиальном направлении
• расстояние от радиолокационного оборудования до оцениваемого сектора океана
• угол, под которым волны движутся относительно станции CODAR

Расчет радиальной скорости течений

Сигнал, посылаемый антенной CODAR, имеет известную частоту и движется со скоростью света. Следовательно, длина волны сигнала известна (длина волны = скорость света/частота). Используя закон Брэгга, CODAR максимизирует рассеянный ВЧ-сигнал, учитывая, что резонанс будет возникать только для данной длины волны:

λ _s = λ _t / (2 * cos(φ))

где λ _s — длина волны поверхностной океанской волны, λ _t — длина волны передаваемого сигнала, а φ — угол падения сигнала на поверхность океана.

Поскольку антенны CODAR обычно размещаются на уровне моря, угол падения тета можно принять равным нулю. Следовательно, уравнение сводится к:

λ _s = λ _t /2

Это означает, что когда излучаемый сигнал попадает на волны с длиной волны, равной половине передаваемого сигнала, сигнал, который рассеивается обратно к антенне, будет синфазным. Следовательно, эти волны будут производить рассеянный сигнал, «более сильный» и, следовательно, легко идентифицируемый, который измеряется системой CODAR. Таким образом, текущая скорость извлекается путем определения доплеровского сдвига волн.

Однако приведенные выше уравнения представляют собой упрощенную модель, поскольку предполагают, что отражающиеся волны не движутся. Это, конечно, неверно, и из-за движения частота рассеянного сигнала (и, следовательно, его длина волны) не совпадает с частотой передаваемого сигнала. Фактически, «волны, движущиеся к приемнику, увеличивают частоту возврата, а удаляющиеся волны уменьшают частоту возврата».

Тогда наблюдается дальнейшее доплеровское смещение ( Δf ), и, измерив его, можно определить составляющую лучевой скорости ν _s поверхностного течения, используя формулу Доплера:

Δf = ν _s / λ _s

Расчет расстояния до цели

Дальность до цели рассчитывается, исходя из временной задержки, которая получается путем вычитания времени обратного сигнала из времени передаваемого сигнала.

Расчет углового направления на цель

CODAR — это « система пеленгации ». Сигнал принимается двумя рамочными антеннами и монополем. В то время как сигнал, принимаемый монополем, не зависит от направления входящего сигнала, сигнал, принимаемый двумя рамочными антеннами (расположенными под углом 90 °), меняется в зависимости от направления. Эта информация позволяет программному обеспечению определить направление сигнала.

После расчета радиальной скорости течений, расстояния до цели и углового направления до цели можно определить вектор тока и построить карты векторов тока. Фактически, для области, в которой векторные данные с двух сайтов CODAR перекрываются, можно рассчитать скорость и направление течения, а сравнения с поверхностными дрифтерами и анализ ошибок, проведенные в 1979 году, показывают, что CODAR измеряет поверхностные течения на расстоянии не менее 10 см. /с точность. В 2010 году розничные продавцы современного оборудования CODAR гарантируют точность обычно <7 см/с для общей скорости течения и 1–2 см для приливной составляющей в нормальных условиях окружающей среды. Однако точность системы зависит от нескольких факторов, таких как соотношение сигнал/шум, геометрия и ошибки наведения.

Ограничения

Существуют некоторые ограничения, присущие системе, которые не позволяют использовать определенные приложения. Здесь представлены основные практические ограничения:

• CODAR не может измерять течения и волны на расстоянии менее 2 км от своего местоположения. Эта непокрытая область возникает из-за того, что приемник выключается во время передачи импульса. За это время любой обратно рассеянный сигнал теряется.
• Размер ячейки разрешения CODAR обычно превышает 5 км. ² . Это не позволяет использовать эту систему для большинства заливов и входов в гавань.

Как обсуждалось ранее, для данного угла обзора одна станция CODAR может обнаружить только компонент потока, движущийся к ее местоположению или от него. Радиальные токи из двух или более мест следует объединить для получения оценок векторных поверхностных токов. Более того, при использовании двух станций CODAR на измерения может повлиять так называемая «проблема базовой линии». Это происходит, когда оба прибора измеряют одну и ту же составляющую скорости. Чтобы избежать этой проблемы и правильно определить вектор тока, обычно два радиала должны иметь угол от 30° до 150°.

См. также

• Волновой радар

Дальнейшее чтение

• IEEE Эванс, М.В. и Т.М. Джорджес (1979), Радар динамики прибрежного океана (CODAR): система картографирования поверхностных течений NOAA, IEEE Oceans '79, Протокол конференции, стр. 379–384.
• http://hfradar.msi.ucsb.edu/brian_emery/files/papers/Emery_etal_ROW1.pdf , Б.М. Эмери, Л. Уошберн, Дж.А. Харлан, Оценка измерений тока радиальной составляющей с помощью высокочастотных радаров CODAR и заякоренных измерителей тока на месте.
• http://www.codar.com/SeaSonde_Remote-Unit.shtml , Лист технических характеристик 2010 г., ДАТЧИКИ CODAR OCEAN SENSORS SeaSonde®, технические характеристики системы удаленного блока
• http://marine.rutgers.edu/mrs/codar/waves/projectmain.html , К. Андресен, С. Литвин - Использование высокочастотного радара CODAR для измерения высоты волн, Институт морских и прибрежных наук
• http://www.tos.org/oceanography/archive/10-2_fernandez.pdf , Д.М. Фернандес, Х.К. Грабер, Дж.Д. Падуан, Д.Э. Баррик, Картирование направления ветра с помощью ВЧ-радара, ОКЕАНОГРАФИЯ VoI. 10, № 2, 1997 г.
• http://www.annualreviews.org/doi/pdf/10.1146/annurev-marine-121211-172315 , Дж. Д. Падуан, Л. Уошберн, Высокочастотные радиолокационные наблюдения за поверхностными течениями океана, Ежегодный обзор морской науки, 2012 г.
• https://web.archive.org/web/20130221213735/http://chl.erdc.usace.army.mil/library/publications/chetn/pdf/cetn-i-41.pdf , Высокочастотные радиолокационные измерения прибрежных зон Параметры океана, CETN-I-41 6/86, Центр прибрежных инженерных исследований, Техническое примечание.
• https://web.archive.org/web/20040619110102/http://oceanworld.tamu.edu/resources/ocng_textbook/chapter16/chapter16_01.htm , Океанские волны, Р. Х. Стюарт, 2005 г.
• http://www.tos.org/oceanography/archive/10-2_paduan1.pdf , Дж. Д. Падуан, Х. К. Грабер, Введение в высокочастотный радар: реальность и миф, ОКЕАНОГРАФИЯ Том. 10, НЕТ. 2, 1997, стр. 38
• http://marine.rutgers.edu/mrs/codar/waves/project2.html , К. Андресен, С. Литвин - Использование высокочастотного радара CODAR для измерения высоты волн

Внешние ссылки

• НОАА ВЧ-радиолокационная океанография
• Центр военной технической информации - ВЧ-радиолокатор поверхностных волн для океанографии - обзор деятельности в Германии (PDF)