Войти
Измерение океанских волн с помощью морских радаров. Волновой радар это тип радара для измерения ветрового волнения. Доступно несколько инструментов, основанных на множестве различных концепций и методов, и все они часто называются. В этой статье (см. Также Grønlie 2004) дается краткое описание наиболее распространенных методов наземного радара дистанционного зондирования.
Инструменты, основанные на методах радиолокационного дистанционного зондирования, вызывают особый интерес в приложениях, где важно избегать прямого контакта с поверхностью воды и избегать структурных помех. Типичный случай - это измерения волн с морской платформы на большой глубине, где быстрые течения могут чрезвычайно затруднить швартовку волнового буя. Другой интересный случай - это судно на ходу, где инструменты в море крайне непрактичны, и необходимо избегать помех от корпуса корабля.
В основном существует два разных класса удаленных радарных датчиков для океанских волн.
Микроволновые радары могут использоваться в двух различных режимах;
. Зона действия радара (размер площади поверхности, которая освещается радаром) должна быть небольшой в сравнение со всеми представляющими интерес длинами волн океана. Пространственное разрешение радара определяется шириной полосы сигнала радара (см. характеристики сигнала радара ) и шириной луча антенны радара.
Луч микроволновой антенны расходится. Следовательно, разрешение уменьшается с увеличением дальности. Для всех практических целей луч радара ИК (лазер ) не расходится. Следовательно, его разрешение не зависит от диапазона.
HF радары используют механизм брэгговского рассеяния и всегда работают при очень малых углах скольжения. Из-за низкой частоты работы радарные волны отражаются обратно непосредственно от гравитационных волн, и поверхностная рябь может отсутствовать.
Радиолокационные приемопередатчики могут быть когерентными или некогерентными. Когерентные радары измеряют доплеровскую -модуляцию, а также амплитудную модуляцию, в то время 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 обратного рассеяния от морской поверхности как функция угла. Форма волны передатчика радара может быть либо немодулированной непрерывной волной, либо модулированной, либо импульсной. Немодулированный радар непрерывного действия не имеет разрешения по дальности, но может обнаруживать цели на основе разной скорости, в то время как модулированный или импульсный радар может разрешать эхо-сигналы с разных диапазонов. Форма сигнала радара играет очень важную роль в теории радаров (Плант и Шулер, 1980).
Прекрасный обзор различных методов радара для дистанционного зондирования волн дан Tucker (1991).
Микроволновые дальномеры также работают в вертикальном режиме на частотах ГГц и не так подвержены воздействию тумана и водяных брызг, как лазерный дальномер. Непрерывный сигнал с частотной модуляцией (CWFM) или импульсный сигнал радара обычно используется для обеспечения разрешения по дальности. Поскольку луч расходится, линейный размер следа прямо пропорционален дальности, в то время как площадь пятна пропорциональна квадрату дальности.
Примером микроволнового дальномера является Miros SM-094, предназначенный для измерения волн и уровня воды, включая приливы. Этот датчик используется в качестве датчика воздушного зазора (зазора моста) в системе PORTS NOAA. Другой пример - WaveRadar REX, который является производным от танкового радара Rosemount.
Оцифрованное изображение морских помех. Из данных о высоте поверхности воды в трех или более точках можно вычислить направленный спектр высоты волны. Алгоритм аналогичен алгоритму, который генерирует направленный спектр на основе данных о вертикальном движении, крене и крене в одном месте, как это обеспечивает дисковый волновой буй. Набор из трех вертикальных радаров, имеющих следы в вершинах горизонтального равностороннего треугольника, может предоставить необходимые данные о высоте поверхности воды. «Directional WaveGuide» - коммерческая радиолокационная система, основанная на этой методике. Его можно приобрести у голландских компаний Enraf и Radac.
Морские навигационные радары (диапазон X ) для получения изображений морских помех, которые содержат рисунок, напоминающий морскую волну. шаблон. Путем оцифровки видеосигнала радара он может обрабатываться цифровым компьютером. Параметры морской поверхности могут быть рассчитаны на основе этих оцифрованных изображений. Морской навигационный радар работает в режиме малого угла скольжения, и на поверхности должна присутствовать создаваемая ветром рябь. Морской навигационный радар не является когерентным и является типичным примером датчика непрямых волн, 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 - отличные инструменты для измерения направления волн. Морской навигационный радар также может быть инструментом для измерения поверхностных течений. Могут быть предоставлены точечные измерения вектора течения, а также карты течения на расстоянии до нескольких км (Gangeskar, 2002). Основная область применения Miros WAVEX - измерение направленных волн с движущихся судов. Другой пример системы на основе морского радара - OceanWaves WaMoS II.
Геометрия измерения импульсной доплеровской волны и токового радара. Импульсный доплеровский микроволновый радар со стробированием по дальности работает в режиме малого скользящего угла. При использовании нескольких антенн его можно использовать в качестве датчика направленных волн, в основном измеряющих спектр направленности горизонтальной скорости частиц воды. Спектр скоростей напрямую связан со спектром высот волн с помощью математической модели, основанной на теории линейных 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 из-за помех со стороны конструкции платформы.
Miros Wave and current radar - единственный доступный датчик волн, основанный на методе импульсного доплеровского радара со стробированием по дальности. Этот радар также использует двухчастотную технику (см. Ниже) для выполнения точечных измерений вектора поверхностного тока
Двухчастотный микроволновый радар передает одновременно две микроволновые частоты. Частотное разделение выбрано таким образом, чтобы получить длину «пространственного биения», которая находится в диапазоне интересующих волн на воде. Двухчастотный радар можно рассматривать как микроволновый эквивалент высокочастотного (ВЧ) радара (см. Ниже). Двухчастотный радар подходит для измерения поверхностного тока. Что касается измерений волн, то процессы обратного рассеяния слишком сложны (и недостаточно понятны), чтобы можно было достичь полезной точности измерений.
ВЧ-радар CODAR SeaSonde и Helzel WERA хорошо зарекомендовали себя как мощный инструмент для измерения морских течений в диапазоне 300 км. Он работает в диапазоне HF и низких частот VHF, соответствующем длине волны радара в диапазоне от 10 до 300 м. Доплеровский сдвиг брэгговских линий первого порядка эхо-сигнала радара используется для получения оценок морских течений почти таким же образом, как и для двухчастотного микроволнового радара. Обычно требуются две радиолокационные установки, которые смотрят на один и тот же участок морской поверхности под разными углами. Береговые океанические радары последнего поколения могут достигать более 200 км для картографирования океанических течений и более 100 км для измерений волн Helzel WERA. Для всех океанских радаров точность по дальности отличная. С более короткими диапазонами разрешение по диапазону становится лучше. Угловое разрешение и точность зависят от используемой конфигурации антенной решетки и применяемых алгоритмов (пеленгования или формирования луча). Система WERA позволяет использовать оба метода; компактный вариант с пеленгатором или антенная система решетчатого типа с методами формирования луча.
Технология FutureWaves изначально была разработана как система экологического прогнозирования судов и движения (ESMF) для ONR (Управления военно-морских исследований) ВМФ компанией General Dynamics 'Applied Physical Sciences Корпорация. Технология была адаптирована для выпуска на коммерческий рынок и впервые была представлена публике на конференции Offshore Technology Conference в Хьюстоне, штат Техас, в 2017 году.
Эта технология отличается от существующих систем прогнозирования волнения тем, что использует настраиваемый радар обнаружения волн, способный измерять доплеровское отражение обратного рассеяния на дальностях примерно 5 км. Антенна радара имеет вертикальную поляризацию для усиления сигнала обратного рассеяния от поверхности моря. Он также использует инновационную схему обработки сигналов радара, которая устраняет изначально зашумленные сигналы обратного рассеяния с помощью математического процесса, называемого. Этот подход применяет сильно переопределенный фильтр к данным радара и отклоняет сканирование радара, которое не отслеживает приходящие волны. Результатом является точное представление поля распространяющейся падающей волны, которое заставит корабль двигаться в течение 2-3 минутного окна. Алгоритмы обработки волн также позволяют в реальном времени вычислять двумерные спектры мощности волнового поля и значительную высоту волны, аналогичную той, которая обеспечивается волновым буем.
Он также использует процесс прогнозирования движения судна, основанный на предварительно рассчитанной базе данных силы / реакции. Затем динамические подвижные степени свободы представлены в виде сосредоточенной механической системы, будущие движения которой предсказываются путем численного решения принудительного связанного дифференциального уравнения с несколькими степенями свободы с начальным инерционным состоянием, обеспечиваемым датчиком движения судна. выходы. Решение во временной области позволяет учитывать в прогнозировании нелинейные механизмы воздействия, такие как квадратичное демпфирование крена и системы управления креном.
Наконец, он использует решение промежуточного программного обеспечения с открытой архитектурой Gravity для интеграции сигналов датчиков, подпрограмм обработки и пользовательских дисплеев. Такой подход с открытой архитектурой позволит пользователям внедрять в систему настраиваемые дисплеи оператора вместе с физическими моделями конкретных судов и механизмов (например, кранов).
Микроволновые дальномеры:
Импульсный доплеровский микроволновый радар со стробируемым диапазоном:
Датчики волн на базе X-диапазона:
HF-Radar:
