Возможность наблюдения волнения моря судовыми радиолокаторами и ионозондами

В настоящее время известно большое число радиолокационных средств, которые могут быть установлены на современных судах и эффективно использованы для измерения характеристик ветрового волнения морской поверхности. Примеры доработок стандартных радиолокационных средств и использования побочных эффектов в измерениях, показали дополнительные возможности повышения качества определения характеристик ветрового волнения в открытом море. Эти примеры могут быть экстраполированы на целые классы радиолокационных средств.
В качестве примера таких доработок для радаров СВЧ-диапазона можно привести результаты модификации навигационного радара FURUNO 1715.
Модификация радара FURUNO 1715 заключалась в следующем:
1. установлен дополнительный усилитель видеосигнала, связанный с увеличением длины кабелей, для обеспечения работы радара с удалением антенного блока от регистратора до 20 м;
2. добавлен канал усиления сигнала по промежуточной частоте, что повысило информативность радара и позволило регистрировать волнение при малых амплитудах волн;
3. установлен дополнительный АЦП с высокой тактовой частотой (200 МГц), работающего с сигналами на промежуточной несущей частоте (60 МГц).
4. Радар снабжен комплектом дополнительно экранированных сигнальных кабелей и кабелей электропитания, что позволяет обеспечить наилучшие условия электромагнитной совместимости на судне.
Проведенная модификация позволила с высокой точностью определять корреляционные характеристики ветрового волнения, что было подтверждено экспериментально при работе модифицированного радара, в том числе, в открытом море. При этом для случая размещения данного радара на судне были обнаружены следующие эффекты:
1. отраженный сигнал достигает абсолютного максимума или близок к нему, когда сигнал излучается навстречу ветру;
2. отраженный сигнал достигает абсолютного минимума или близок к нему, когда сигнал излучается перпендикулярно направлению скорости ветра;
3. отраженный сигнал достигает второго локального максимума, но меньшего по величине, когда направление излучения сигнала совпадает со скоростью ветра.
Данные эффекты позволили оценить преимущественное направление ветра относительно направления движения судна. В экспериментах, проведенных на Белом море в 2009 г., было установлено, что корреляция принятого радиолокационного сигнала и радиолокационной оценки динамики высоты волн, усредненная по азимуту и рабочему диапазону дальностей достигает величины порядка 0,9.
Приведенный пример имеет достаточно общий характер и в плане направлений модификации может быть перенесен на все СВЧ-радары мониторинга морской поверхности. Наблюдавшийся эффект корреляции также не зависит от типа СВЧ - радара мониторинга морской поверхности.
Для КВ-диапазона в качестве примера нештатного использования побочных эффектов можно привести результаты регистрации ветрового волнения с помощью судового ионозонда «АИС».
С 1967 по 1987 г. в СССР были проведены многочисленные геофизические экспедиции на судах Академии наук. При этом одновременно с измерением гидрофизических параметров в морях и океанах проводились наблюдения за состоянием ионосферы с помощью автоматической ионосферной станции АИС. Было отмечено, что с усилением ветрового волнения на ионограммах появлялись дополнительные отражения от взволнованной морской поверхности.
С увеличением балльности волнения наблюдалось усиление интенсивности отраженного сигнала. Такой эффект - наличие дополнительных отражений, связанный с наличием существенных боковых лепестков и большой шириной главного лепестка диаграммы направленности антенны радиолокатора, воспринимался как помеха.
В связи с широким применением современной КВ-радиолокации для мониторинга морской поверхности были проанализированы полученные ранее данные. При этом были произведены расчеты диаграммы направленности для ионосферной станции на НИС «Академик Королев». Было учтено, что антенное устройство станции состоит из двух вертикальных ромбов, работающих поочередно в диапазоне: 1-6 МГц, и 6-18 МГц. Расчет и численное моделирование показали эффективное излучение горизонтальной компоненты антенны в указанном диапазоне частот.
На основе учета данных результатов был разработан проект судового МРЛ «Вектор», который обеспечивает практически одновременное его использование, как ионозонда и как средства РЛ-мониторинга морской поверхности. Этот вариант МРЛ планировалось установить на НИС «Академик Трешников».

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №14-50-00095.