Волновой радар — это тип радара для измерения ветровых волн . Существует несколько приборов, основанных на различных концепциях и методах, и все они часто называются. В этой статье (см. также Grønlie 2004) дается краткое описание наиболее распространенных наземных методов дистанционного зондирования с помощью радаров .
Инструменты, основанные на методах дистанционного зондирования с помощью радаров, стали особенно интересны в приложениях, где важно избегать прямого контакта с поверхностью воды и избегать структурных помех. Типичный случай — измерения волн с морской платформы в глубокой воде, где быстрые течения могут чрезвычайно затруднить швартовку волнового буя. Другой интересный случай — судно на ходу, где размещение инструментов в море крайне непрактично, а помех от корпуса судна необходимо избегать.
По сути, существует два различных класса радиолокационных дистанционных датчиков для измерения морских волн.
Микроволновые радары могут использоваться в двух различных режимах :
Радарный след (размер поверхности, которая освещается радаром) должен быть небольшим по сравнению со всеми интересующими длинами волн океана. Пространственное разрешение радара определяется шириной полосы радиолокационного сигнала (см. Характеристики радиолокационного сигнала ) и шириной луча радиолокационной антенны.
Луч микроволновой антенны расходится. Следовательно, разрешение уменьшается с увеличением дальности. Для всех практических целей луч ИК- радара ( лазера ) не расходится. Поэтому его разрешение не зависит от дальности.
Высокочастотные радары используют механизм рассеяния Брэгга и всегда работают при очень малых углах скольжения. Благодаря низкой рабочей частоте радиолокационные волны рассеиваются обратно непосредственно от гравитационных волн , и поверхностная рябь не обязательно должна присутствовать.
Радиолокационные приемопередатчики могут быть когерентными или некогерентными. Когерентные радары измеряют как доплеровскую , так и 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.
Форма волны передатчика радара может быть либо немодулированной непрерывной волной, либо модулированной или импульсной. Немодулированная непрерывная волна радара не имеет разрешения по дальности, но может различать цели на основе разной скорости, в то время как модулированная или импульсная радар может различать эхо-сигналы с разных расстояний. Форма волны радара играет очень важную роль в теории радаров (Plant and Shuler, 1980).
Превосходный обзор различных радиолокационных методов дистанционного зондирования волн представлен Такером (1991).
Микроволновые дальномеры также работают в вертикальном режиме на частотах ГГц и не так подвержены влиянию тумана и водяных брызг, как лазерные дальномеры . Для обеспечения разрешения по дальности обычно используется непрерывная частота модуляции волны (CWFM) или импульсная форма волны радара. Поскольку луч расходится, линейный размер зоны покрытия прямо пропорционален дальности, в то время как площадь зоны покрытия 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 системе PORTS NOAA . Другим примером является WaveRadar REX, который является производной от танкового радара Rosemount.
Из данных о возвышении поверхности воды в трех или более местах можно вычислить направленный спектр высоты волны. Алгоритм похож на тот, который генерирует направленный спектр из данных о вертикальной качке (движении по вертикали), килевой и бортовой качке в одном месте, как это обеспечивается дискообразным волновым буем. Массив из трех вертикальных радаров, имеющих следы в вершинах горизонтального равностороннего треугольника, может предоставить необходимые данные о возвышении поверхности воды. «Directional WaveGuide» — это коммерческая радиолокационная система, основанная на этой технологии. Она доступна у голландских компаний Enraf и Radac.
Морские навигационные радары ( диапазон X ) предоставляют изображения помех от моря, которые содержат рисунок, напоминающий рисунок морских волн. Оцифровав видеосигнал радара, его можно обработать с помощью цифрового компьютера. Параметры морской поверхности могут быть рассчитаны на основе этих оцифрованных изображений. Морской навигационный радар работает в режиме малого угла скольжения, и должна присутствовать поверхностная рябь, создаваемая ветром. Морской навигационный радар является некогерентным и является типичным примером датчика косвенных волн, поскольку нет прямой связи между высотой волны и амплитудой модуляции обратного рассеяния радара. Обычно используется эмпирический метод масштабирования спектра волн. Датчики волн на основе морских навигационных радаров являются отличными инструментами 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 течений на расстоянии до нескольких км (Gangeskar, 2002). Miros WAVEX имеет свою основную область применения в качестве направленных измерений волн от движущихся судов. Другим примером системы на основе морских радаров является OceanWaves WaMoS II.
Импульсный доплеровский микроволновый радар с дальностью действия работает в режиме малого угла скольжения. Используя несколько антенн, его можно использовать в качестве направленного волнового датчика, в основном измеряя направленный спектр горизонтальной скорости частиц воды. Спектр скорости напрямую связан со спектром высоты волны с помощью математической модели, основанной на линейной волновой теории, и точные измерения волнового спектра могут быть предоставлены 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 Волновой и текущий радар Архивировано 2007-12-22 в Wayback Machine — единственный доступный волновой датчик, работающий на основе импульсного доплеровского радара с дальностью стробирования. Этот радар также использует двухчастотный метод (см. ниже) для выполнения точечных измерений вектора поверхностного тока
Двухчастотный микроволновый радар передает две микроволновые частоты одновременно. Разделение частот выбирается так, чтобы получить длину «пространственного биения», которая находится в диапазоне интересующих водных волн. Двухчастотный радар можно считать микроволновым эквивалентом высокочастотного (HF) радара (см. ниже). Двухчастотный радар подходит для измерения поверхностного течения. Что касается измерений волн, то процессы обратного рассеяния слишком сложны (и не очень хорошо поняты), чтобы обеспечить полезную точность измерений.
Высокочастотный радар CODAR SeaSonde и Helzel WERA хорошо зарекомендовали себя как мощный инструмент для измерения морских течений на расстоянии 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 линий Брэгга первого порядка эха радара используется для получения оценок морских течений почти так же, как и для двухчастотного микроволнового радара. Обычно требуются две радарные установки, просматривающие один и тот же участок морской поверхности под разными углами. [1] Последнее поколение береговых океанских радаров может достигать более 200 км для картирования океанских течений и более 100 км для измерений волн Helzel WERA. Для всех океанских радаров точность по дальности превосходна. При более коротких дальностях разрешение по дальности становится лучше. Угловое разрешение и точность зависят от используемой конфигурации антенной решетки и применяемых алгоритмов (пеленгация или формирование луча). Система WERA предоставляет возможность использовать оба метода; компактная версия с пеленгацией или антенная система решетчатого типа с методами формирования луча.
Технология FutureWaves изначально была разработана как система Environmental Ship and Motion Forecasting (ESMF) для ONR (Office of Naval Research) ВМС компанией General Dynamics' Applied Physical Sciences Corporation. Технология была адаптирована для выпуска на коммерческом рынке и впервые была представлена публике на конференции Offshore Technology Conference 2017 в Хьюстоне, Техас.
Эта технология отличается от существующих систем прогнозирования волн тем, что использует настраиваемый радар зондирования волн, способный измерять обратное рассеяние Доплера на расстоянии около 5 км. Антенна радара имеет вертикальную поляризацию для усиления сигнала обратного рассеяния морской поверхности. Она также использует инновационную схему обработки радиолокационного сигнала, которая устраняет изначально зашумленные сигналы обратного рассеяния с помощью математического процесса, называемого инверсией наименьших квадратов. Этот подход применяет к данным радара фильтр с высокой степенью переопределения и отклоняет радиолокационные сканирования, которые не наблюдают входящие волны. Результатом является точное представление распространяющегося поля падающей волны, которое заставит судно двигаться в течение 2-3 минутного окна. Алгоритмы обработки волн также позволяют в реальном времени рассчитывать двумерные спектры мощности волнового поля и значительную высоту волны, аналогичную той, которая обеспечивается волновым буем.
Он также использует процесс прогнозирования движения судна, который опирается на предварительно рассчитанную базу данных силы/реакции. Динамические степени свободы движения затем представляются как сосредоточенная механическая система, будущие движения которой прогнозируются путем численного решения многостепенного, принудительного, связанного дифференциального уравнения с начальным инерционным состоянием, предоставляемым выходными сигналами датчика движения судна. Решение во временной области позволяет учитывать нелинейные механизмы воздействия, такие как квадратичное демпфирование качки и системы управления качкой, в прогнозировании.
Наконец, он использует решение Gravity с открытой архитектурой middleware для интеграции сенсорных каналов, подпрограмм обработки и пользовательских дисплеев. Этот подход с открытой архитектурой позволяет внедрять в систему настраиваемые дисплеи оператора вместе с физическими моделями конкретных судов и машин (например, кранов).
Микроволновые дальномеры:
Импульсный доплеровский микроволновый радар с регулируемым диапазоном:
Датчики волн на базе X-диапазона:
КВ-радар: