Волновой радар - Wave radar

Измерение морских волн с помощью морских радаров.

Волновой радар это тип радар для измерения ветровые волны. Доступно несколько инструментов, основанных на множестве различных концепций и техник, и все они часто называются. Эта статья (см. Также Гронли 2004 ), дается краткое описание наиболее распространенных наземных радаров. дистанционное зондирование техники.

Инструменты, основанные на методах радиолокационного дистанционного зондирования, стали особенно интересными в приложениях, где важно избегать прямого контакта с поверхностью воды и избегать структурных помех. Типичный случай - 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.

Радиолокационное дистанционное зондирование

Понятия и определения

В основном есть два разных классы радарных дистанционных датчиков для океанских волн.

Прямой датчик непосредственно измеряет некоторые важные параметры волновой системы (например, высоту поверхности или скорость частиц воды).
Косвенные датчики наблюдать поверхностные волны через взаимодействие с каким-либо другим физическим процессом, например, радиолокационным поперечным сечением морской поверхности.

Микроволновые радары могут использоваться в двух разных режимы;

Ближайший вертикальный режим. Радиолокационное эхо создается зеркальными отражениями от морской поверхности.
В режим малого угла скольжения. Радиолокационное эхо генерируется Рассеяние Брэгга, следовательно, ветровая рябь на поверхности (капиллярные волны ) должен присутствовать. Сигнал обратного рассеяния будет модулироваться большими поверхностными гравитационными волнами, а информация о гравитационных волнах будет получена из модуляции сигнала обратного рассеяния. Прекрасное изложение теорий микроволнового дистанционного зондирования морской поверхности дает Плант и Шулер (1980).

Зона действия радара (размер площади поверхности, которая освещается радаром) должна быть небольшой по сравнению со всем океаном. длины волн представляет интерес. Пространственное разрешение радара определяется шириной полосы сигнала радара (см. характеристики радиолокационного сигнала ) и шириной луча антенны радара.

Луч СВЧ антенны расходится. Следовательно, разрешение уменьшается с увеличением дальности. Для всех практических целей луч ИК радар (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 гравитационные волны и поверхностная рябь не должна присутствовать.

Радиолокационные трансиверы могут быть последовательный или некогерентный. Когерентные радары измерения Допплер -модуляция, а также амплитудная модуляция, 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, рассеянная обратно от поверхности моря, как функция угла.

Форма волны передатчика радара может быть немодулированной непрерывной волной, модулированной или 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 волны радара играет очень важную роль в теории радаров. (Плант и Шулер, 1980).

Факторы, влияющие на производительность

Режим работы или геометрия измерения (вертикальный или скользящий)
Класс системы (прямая или косвенная)
Периодичность работы
Форма волны радара (немодулированный CW или модулированный / импульсный)
Тип трансивера (когерентный или некогерентный)
Свойства антенны радара

Методы дистанционного зондирования

Прекрасный обзор различных радиолокационных методов дистанционного зондирования волн дает Такер (1991).

СВЧ дальномеры

СВЧ дальномеры также работают в вертикальном режиме на частотах ГГц и не так подвержены воздействию тумана и водяных брызг, как лазерный дальномер. А непрерывная волна 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.

Одним из примеров микроволнового дальномера является Miros SM-094, который предназначен для измерения волн и уровня воды, в том числе приливы. Этот датчик используется в качестве датчика воздушного зазора (зазора моста) в NOAA с ПОРТЫ система. Другой пример - WaveRadar REX, который является производным от танкового радара Rosemount.

Оцифрованное изображение морских помех.

На основе данных о высоте поверхности воды в трех или более точках можно вычислить направленный спектр высоты волны. Алгоритм аналогичен алгоритму, который генерирует спектр направлений на основе данных о вертикальном движении, крене и крене в одном месте, что обеспечивается дискообразным волновым буем. 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 поставляют голландские компании Enraf и Radac.

Морские навигационные радары

Морские навигационные радары (Группа X ) предоставляют изображения морских помех, которые содержат рисунок, напоминающий рисунок морских волн. 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 является некогерентным и является типичным примером непрямого датчика волн, поскольку нет прямой зависимости между высотой волны и обратной стороной радара. - амплитуда модуляции рассеяния. 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 тока, а также карты тока на расстоянии до нескольких километров. (Гангескар, 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 радиолокатор дальнего действия

Импульсный доплеровский микроволновый радар со стробированием по дальности работает в режиме малого угла скольжения. При использовании нескольких антенн он может использоваться как датчик направленных волн, в основном измеряющий 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 и текущий радар является единственным доступным датчиком волн, основанным на методе импульсного доплеровского радара со стробированием по дальности. Этот радар также использует двухчастотную технику (см. Ниже) для точечных измерений вектора поверхностного тока.

Двухчастотный микроволновый радар

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

ВЧ радар CODAR SeaSonde и Helzel WERA хорошо зарекомендовали себя как мощный инструмент для измерения морских течений в диапазоне до 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 во многом 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.^[1] Береговые океанические радары последнего поколения могут достигать более 200 км для картографирования океанских течений и более 100 км для измерений волн. Helzel WERA. Для всех океанских радаров точность по дальности отличная. С более короткими диапазонами разрешение диапазона 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; компактная версия с пеленгатором или антенная система решетчатого типа с методами формирования луча.

Специализированный X-Band

Технология FutureWaves была первоначально разработана как система экологического прогнозирования судов и движения (ESMF) для ONR (Управления военно-морских исследований) ВМФ Корпорацией прикладных физических наук General Dynamics. 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 волн за счет использования настраиваемого радара с зондированием волн, способного измерять доплеровское рассеяние на расстояниях 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 инверсия методом наименьших квадратов. 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 представляются как сосредоточенная механическая система, будущие движения которой предсказываются путем численного решения задачи с несколькими степенями свободы, принудительной, связанной дифференциальное уравнение с исходным инерционным состоянием, обеспечиваемым выходами датчиков движения судна. Решение во временной области позволяет использовать нелинейные механизмы воздействия, такие как квадратичное демпфирование крена и системы управления креном, в прогнозировании.

Наконец, он использует открытую архитектуру Gravity. промежуточное ПО решение для интеграции сигналов датчиков, подпрограмм обработки и пользовательских дисплеев. Такой подход с открытой архитектурой позволяет внедрять в систему настраиваемые дисплеи оператора вместе с физическими моделями конкретных судов и механизмов (например, кранов).

внешняя ссылка

Дальномеры СВЧ:

Дальность стробируемого импульсного доплеровского РЛС СВЧ:

Оценка системы MIROS во время исследования штормового ветра II; Ф.В. Добсон, Отдел рыболовства и океанов Канады, Бедфордский институт океанографии, Дартмут, Северная Каролина, Канада; E. Dunlap ASA Consulting Ltd, Галифакс, NS, Канада

Датчики волн на основе X-диапазона:

ВЧ-радар:

[1] CODAR Ocean Sensors (COS)

[1]