Radar de ondas - Wave radar

Medir as ondas do oceano por meio de radares marinhos.

O radar de ondas é um tipo de radar para medir ondas de vento . Vários instrumentos baseados em uma variedade de conceitos e técnicas diferentes estão disponíveis e são frequentemente chamados. Este artigo (ver também Grønlie 2004 ), dá uma breve descrição das técnicas mais comuns de sensoriamento remoto por radar baseado em solo .

Instrumentos baseados em técnicas de sensoriamento remoto por radar tornaram-se de particular interesse em aplicações onde é importante evitar o contato direto com a superfície da água e evitar interferência estrutural. Um caso típico são as medições de ondas de uma plataforma offshore em águas profundas, onde correntes rápidas podem tornar a atracação de uma bóia de ondas enormemente difícil. Outro caso interessante é o de um navio em andamento, onde ter instrumentos no mar é pouco prático e a interferência do casco do navio deve ser evitada.

Sensoriamento remoto por radar

Termos e definições

Basicamente, existem duas classes diferentes de sensores remotos de radar para ondas do mar.

O sensor direto mede diretamente algum parâmetro relevante do sistema de ondas (como elevação da superfície ou velocidade das partículas de água).
Os sensores indiretos observam as ondas de superfície por meio da interação com algum outro processo físico como, por exemplo, a seção transversal do radar da superfície do mar.

Os radares de micro-ondas podem ser usados em dois modos diferentes ;

O modo quase vertical . O eco do radar é gerado por reflexos especulares da superfície do mar.
O modo de ângulo rasante baixo . O eco do radar é gerado pelo espalhamento de Bragg , portanto, a ondulação da superfície gerada pelo vento ( ondas capilares ) deve estar presente. O sinal retroespalhado será modulado pelas grandes ondas de gravidade de superfície e a informação da onda de gravidade é derivada da modulação do sinal retroespalhado. Uma excelente apresentação das teorias de sensoriamento remoto por microondas da superfície do mar é dada por Plant e Shuler (1980) .

A pegada do radar (o tamanho da área de superfície iluminada pelo radar) deve ser pequena em comparação com todos os comprimentos de onda do oceano de interesse. A resolução espacial do radar é determinada pela largura de banda do sinal do radar (consulte as características do sinal do radar ) e a largura do feixe da antena do radar.

O feixe de uma antena de microondas diverge. Consequentemente, a resolução diminui com o aumento do alcance. Para todos os efeitos práticos, o feixe de um radar infravermelho ( laser ) não diverge. Portanto, sua resolução é independente do intervalo.

Os radares HF utilizam o mecanismo de espalhamento Bragg e sempre operam em ângulos de pastagem muito baixos. Devido à baixa frequência de operação, as ondas do radar são retroespalhadas diretamente das ondas gravitacionais e a ondulação da superfície não precisa estar presente.

Os transceptores de radar podem ser coerentes ou não coerentes. Os radares coerentes medem a modulação Doppler , bem como a modulação de amplitude, enquanto os radares não coerentes medem apenas a modulação de amplitude. Consequentemente, um eco de radar não coerente contém menos informações sobre as propriedades da superfície do mar. Exemplos de radares não coerentes são os radares de navegação marítima convencionais.

Energia retroespalhada da superfície do mar em função do ângulo.

A forma de onda do transmissor de radar pode ser onda contínua não modulada, modulada ou pulsada. Um radar de onda contínua não modulada não tem resolução de alcance, mas pode resolver alvos com base em velocidades diferentes, enquanto um radar modulado ou pulsado pode resolver ecos de diferentes alcances. A forma de onda do radar desempenha um papel muito importante na teoria do radar (Plant e Shuler, 1980) .

Fatores que influenciam o desempenho

Modo de operação ou geometria de medição (vertical ou rasante)
Classe de sistema (direto ou indireto)
Freqüência de operação
Forma de onda de radar (CW não modulado ou modulado / pulsado)
Tipo de transceptor (coerente ou não coerente)
Propriedades da antena de radar

Técnicas de sensoriamento remoto

Um excelente levantamento de diferentes técnicas de radar para sensoriamento remoto de ondas é fornecido por Tucker (1991) .

Telêmetros de micro-ondas

Os telêmetros de micro-ondas também operam no modo vertical nas frequências GHz e não são tão afetados por névoa e borrifos de água quanto o telêmetro a laser . Uma frequência de onda modulada contínua (CWFM) ou forma de onda de radar pulsada é normalmente usada para fornecer resolução de alcance. Como o feixe diverge, o tamanho linear da pegada é diretamente proporcional ao alcance, enquanto a área da pegada é proporcional ao quadrado do alcance.

Um exemplo de telêmetro por micro-ondas é o Miros SM-094, projetado para medir ondas e o nível da água, incluindo as marés . Este sensor é usado como um (depuração da ponte) sensor de abertura de ar no NOAA 's PORTOS sistema. Outro exemplo é o WaveRadar REX , que é um derivado de um radar de tanque Rosemount.

Imagem digitalizada da desordem do mar.

A partir de dados sobre a elevação da superfície da água em três ou mais locais, um espectro direcional de altura de onda pode ser calculado. O algoritmo é semelhante ao que gera um espectro direcional a partir de dados de levantamento (movimento vertical), inclinação e rotação em um único local, fornecidos por uma bóia de onda em forma de disco. Uma matriz de três radares verticais, tendo pegadas nos vértices de um triângulo eqüilátero horizontal, pode fornecer os dados necessários sobre a elevação da superfície da água. “Directional WaveGuide” é um sistema de radar comercial baseado nesta técnica. Ele está disponível nas empresas holandesas Enraf e Radac .

Radares de navegação marítima

Os radares de navegação marítima ( banda X ) fornecem imagens da interferência do mar que contêm um padrão semelhante a um padrão de ondas do mar. Ao digitalizar o sinal de vídeo do radar, ele pode ser processado por um computador digital. Os parâmetros da superfície do mar podem ser calculados com base nessas imagens digitalizadas. O radar de navegação marítima opera no modo de baixo ângulo rasante e a ondulação da superfície gerada pelo vento deve estar presente. O radar de navegação marítima não é coerente e é um exemplo típico de sensor de onda indireta, pois não há relação direta entre a altura da onda e a amplitude da modulação de retroespalhamento do radar. Um método empírico de escala do espectro de onda é normalmente empregado. Sensores de onda baseados em radar de navegação marítima são excelentes ferramentas para medições de direção de onda. Um radar de navegação marítima também pode ser uma ferramenta para medições de corrente de superfície. Medições pontuais do vetor atual, bem como mapas atuais até uma distância de alguns km, podem ser fornecidas (Gangeskar, 2002) . Miros WAVEX tem sua principal área de aplicação como medições de ondas direcionais de navios em movimento. Outro exemplo de sistema baseado em radar marítimo é o OceanWaves WaMoS II.

Geometria de medição de onda Doppler pulsada e radar atual.

O radar de microondas Doppler pulsado com controle de alcance

O radar de microondas Doppler pulsado com alcance controlado opera no modo de baixo ângulo rasante. Ao usar várias antenas, ele pode ser usado como um sensor de onda direcional, basicamente medindo o espectro direcional da velocidade da partícula de água horizontal. O espectro de velocidade está diretamente relacionado ao espectro de altura de onda por um modelo matemático baseado na teoria de onda linear e medições precisas do espectro de onda podem ser fornecidas na maioria das condições. Como as medições são feitas à distância da plataforma em que está montada, o campo de ondas é um pouco perturbado pela interferência da estrutura da plataforma.

O radar de onda e corrente de Miros é o único sensor de onda disponível com base na técnica de radar Doppler pulsado com alcance controlado. Este radar também usa a técnica de dupla frequência (veja abaixo) para realizar medições pontuais do vetor de corrente de superfície

O radar de micro-ondas de dupla frequência

O radar de micro-ondas de dupla frequência transmite duas frequências de micro-ondas simultaneamente. A separação de frequência é escolhida para dar um comprimento de “batimento espacial” que está na faixa das ondas de água de interesse. O radar de dupla frequência pode ser considerado um equivalente de micro-ondas do radar de alta frequência (HF) (veja abaixo). O radar de dupla frequência é adequado para a medição da corrente de superfície. No que diz respeito às medições de ondas, os processos de retroespalhamento são muito complicados (e não bem compreendidos) para permitir que uma precisão de medição útil seja alcançada.

O radar HF

O radar HF CODAR SeaSonde e Helzel WERA estão bem estabelecidos como uma ferramenta poderosa para medições de correntes marítimas de até 300 km. Opera na banda de frequências HF e VHF baixas correspondendo a um comprimento de onda de radar na faixa de 10 a 300m. O deslocamento Doppler das linhas de Bragg de primeira ordem do eco do radar é usado para derivar as estimativas das correntes marítimas de maneira muito semelhante ao radar de micro-ondas de dupla frequência. Normalmente, são necessárias duas instalações de radar, observando o mesmo trecho da superfície do mar de ângulos diferentes. A última geração de radares oceânicos baseados na costa pode alcançar mais de 200 km para mapeamento de correntes oceânicas e mais de 100 km para medições de ondas Helzel WERA . Para todos os radares oceânicos, a precisão no alcance é excelente. Com intervalos mais curtos, a resolução do intervalo fica mais precisa. A resolução angular e a precisão dependem da configuração do conjunto de antenas usado e dos algoritmos aplicados (localização de direção ou formação de feixe). O sistema WERA oferece a opção de usar ambas as técnicas; a versão compacta com localização de direção ou o sistema de antena do tipo arranjo com métodos de formação de feixe.

X-Band especializado

A tecnologia FutureWaves foi originalmente desenvolvida como um sistema de previsão ambiental de navios e movimentos (ESMF) para o ONR (Office of Naval Research) da Marinha pela General Dynamics 'Applied Physical Sciences Corporation. A tecnologia foi adaptada para ser lançada no mercado comercial e fez sua primeira aparição pública na Offshore Technology Conference 2017, em Houston, Texas.

Essa tecnologia difere dos sistemas de previsão de ondas existentes por usar um radar de detecção de ondas personalizado, capaz de medir Doppler retroespalhado em distâncias de aproximadamente 5 km. A antena do radar é polarizada verticalmente para aumentar o sinal de retroespalhamento da superfície do mar. Ele também usa um esquema de processamento de sinal de radar inovador que aborda os sinais de retroespalhamento inerentemente ruidosos por meio de um processo matemático denominado inversão de mínimos quadrados . Esta abordagem aplica um filtro altamente sobredeterminado aos dados do radar e rejeita as varreduras de radar que não observam as ondas que chegam. O resultado é uma representação precisa do campo de ondas incidentes em propagação que forçará os movimentos do navio em uma janela de 2-3 minutos. Os algoritmos de processamento de onda também permitem o cálculo em tempo real do espectro de energia bidimensional do campo de onda e da altura de onda significativa semelhante àquela fornecida por uma bóia de onda.

Ele também usa um processo de previsão de movimento da embarcação que se baseia em um banco de dados de força / resposta pré-calculado. Os graus de liberdade de movimento dinâmico são então representados como um sistema mecânico concentrado cujos movimentos futuros são previstos resolvendo numericamente uma equação diferencial acoplada forçada de vários graus de liberdade com estado inercial inicial fornecido pelas saídas do sensor de movimento do vaso. A solução no domínio do tempo permite que mecanismos de forçantes não lineares, como amortecimento quadrático de rolagem e sistemas de controle de rolagem, sejam capturados na previsão.

Finalmente, ele usa a solução de middleware de arquitetura aberta Gravity para integrar os feeds do sensor, sub-rotinas de processamento e telas do usuário. Esta abordagem de arquitetura aberta permite a implementação de visores personalizados do operador junto com modelos baseados na física de embarcações e máquinas específicas (por exemplo, guindastes) no sistema.

Referências

Gangeskar, R., (2002), "Ocean Current Estimated from X-band Radar Sea Surface Images", IEEE Transactions on Remote Sensing, vol. 40, não. 4
Grønlie, Ø (2004). “Radares de ondas - Uma comparação de diferentes conceitos e técnicas”, Hydro International, volume 8, número 5, junho de 2004.
Plant, WJ e DL Shuler, (1980) “Sensoriamento remoto da superfície do mar usando técnicas de micro-ondas de uma e duas frequências”, Radio Science, Vol. 15 No. 3, páginas 605-615.
Tucker, MJ, (1991) "Waves in Ocean Engineering, medição analítica, interpretação", Ellis Horwood Limited, Capítulo 8, páginas 231-266.
Wyatt, (2009) "Measuring high and low waves with HF radar", Proceedings of IEEE Oceans Conference, Bremen, 2009.
HYDRO International, (2010) "WERA Ocean Radar System - Features, Accuracy and Reliability", HYDRO International, Volume 14, Número 3, 2010, páginas 22-23.

links externos

Telêmetros de microondas:

O radar de microondas Doppler pulsado com controle de alcance:

Avaliação do Sistema MIROS durante o Estudo de Tempestade de Vento II; FW Dobson, Fisheries and Oceans Canada, Instituto de Oceanografia de Bedford, Dartmouth, NS, Canadá; E. Dunlap ASA Consulting Ltd, Halifax, NS, Canadá

Sensores de onda baseados em banda X:

HF-Radar:

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