Океанология, 2021, T. 61, № 3, стр. 350-352

Северная Атлантика является регионом, в котором, помимо активного судоходства, происходят интенсивные процессы взаимодействия океана и атмосферы. Такие процессы, как теплообмен между океаном и атмосферой, ветровое взаимодействие океана и атмосферы, обмен аэрозолями, радиационные потоки и др., возможно качественно и количественно оценивать, имея современные методологии мониторинга состояния поверхности океана. В то время как разработка приборной и программной составляющих для мониторинга состояния поверхности океана активно ведется по всему миру, зачастую такие характеристики поверхности океана, как ветровые волны, течения, скорость ветра, поверхностные загрязнения и др., можно оценивать, используя имеющиеся средства судовой навигации, а именно судовой навигационный радар. В этой статье мы приводим пример использования судового навигационного радара Х-диапазона для мониторинга ветровых волн в Северной Атлантике. В августе–сентябре 2020 г. в рамках работ Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН на североатлантическом полигоне был проведен 50-й рейс НИС “Академик Сергей Вавилов”. В этой экспедиции впервые была выполнена методическая работа по изучению возможностей дистанционного измерения параметров волн в открытом океане с использованием оцифрованных данных судового навигационного радара одновременно с буем-волнографом “Spoondrift Spotter” (https://www. sofarocean.com/products/spotter). На рис. 1 приведена карта-схема маршрута экспедиции с разметкой, соответствующей точкам, в которых проводились радиолокационные измерения (треугольники) и радиолокационные наблюдения, дополненные волновыми наблюдениями (оранжевые точки).

Рис. 1.

Карта-схема станций, на которых выполнялись радиолокационные наблюдения за состоянием морской поверхности (треугольники), дополненные измерениями волномерным буем (оранжевые точки).

Для радиолокационных (РЛ) наблюдений волнения использовался штатный радар X-диапазона (длина радиоволны 3 см, частота излучения 9 ГГц) JRC JMA-9110-6XA с мощностью излучения в импульсе 10 кВт, антенной 6 футов и частотой оборота антенны 27 об/мин. Для мониторинга поверхности океана использовался режим дальности 3 nm с длиной импульса 0.08 мкс (импульс SP1 – short pulse, эквивалентно разрешению по дальности 12 м). Данные радара оцифровывались радарным процессором IсeVision (https:// ice.vision/), который через сплиттер подключался к радару, не влияя на работу судового оборудования. На процессор IсeVision также подавались данные судового гирокомпаса, судового GPS и лага. В результате на выходе процессора записывалось так называемое “азимутально стабилизированное” радиолокационное изображение, из которого с помощью гирокомпаса убирались изменения курса НИС и получалось стабилизированное по направлению (привязанное на север) РЛ-изображение каждого оборота антенны.

Радарный сигнал оцифровывался с частотой 80 МГц (что эквивалентно пространственному разрешению 1.875 м), разрешением 8 бит и количеством отсчетов 4096 по дальности, а также с количеством 4096 линеек на оборот антенны. Каждый оборот сохранялся в виде отдельного файла размером около 16 МБ, в котором также в заголовке содержится текущая информация судовых гирокомпаса, GPS и лага. В этих данных содержится информация об отражающей способности морской поверхности, что можно сконвертировать в высоту поверхности. Наблюдения проводились на всех гидрологических станциях в светлое время суток (с 8:00 до 21:00 UTC), а также на некоторых переходах между станциями (рис. 1).

На рис. 2а для одной из станций в центральной части Северной Атлантики (22 августа 2020 г., 15:38 UTC, 55°48.0′ с.ш., 34°28.4′ з.д.) показан пример РЛ-изображения поверхности моря. В этот момент наблюдалось смешанное волнение с ветром и ветровой волной с направления 140° и зыбью с длиной волны около 220 м с направления 45°. Видно, что РЛ-сигнал отчетливо модулируется зыбью и ветровой волной. На рисунке показана ориентация НИС в момент получения РЛ-изображения. НИС лежит в дрейфе (дрейфует со скоростью около 1 м/с), расположен лагом к ветру и под углом к набегающей зыби. Буй находится с наветренной стороны, т.е. с правого борта НИС, на расстоянии около 150 м от НИС, соединен с НИС системой пропиленового плавучего троса, поплавка и грузов; буй дрейфует вместе с НИС.

Рис. 2.

(а) – Фрагмент радиолокационного (РЛ) изображения на станции № 2833, север находится сверху, контуром в центре и линией показаны текущая ориентация судна, квадратом обозначена область обработки РЛ-сигнала. (б) – Сравнение частотного ненаправленного спектра E(f) по данным радара и буя для станции № 2833.

Для получения информации о волнении использовалась оцифрованная информация из области обработки в виде квадрата со стороной 720 м, состоящая из 384 точек с дискретностью 1.875 м по каждому направлению. Область обработки располагалась в направлении наиболее сильной волны и на удалении 300 м от НИС, чтобы избежать эффектов засветки в ближней зоне от радара. Таким образом, центр квадрата располагался на расстоянии 660 м от НИС. В этой области за 30 мин накапливалось около 810 последовательных изображений (оборотов антенны), для которых далее в трехмерной спектральной области, образованной двумя пространственными координатами и одной временной, применялся метод разделения сигнала, модулированного крупной волной (имеется в виду волна длиной от метра), от спекл-шума, вызванного интерференцией мелких гравитационно-каппилярной волн с длиной около 1.5 см [2]. Метод фильтрации сигнала, модулированного крупной волной, основывается на использовании дисперсионного соотношения для поверхностных гравитационных волн. Основные положения метода изложены в работах [1, 3, 4] и других, ссылки на которые приводятся в работе [1].

На рис. 2б для станции № 2833 приведено сравнение радарных и буйковых данных для спектра волнения (приведен частотный ненаправленный спектр). Радарные и буйковые данные с высокой точностью согласованы для этого случая. Совпадают как интегральные характеристики волнения (значимая высота волн и период энергонесущих волн), так и сама форма спектра.

Таким образом, мы показали, что имеющиеся навигационные средства (навигационные радиолокаторы), которыми оснащены все суда, могут быть применены не только для навигационных целей, но и для мониторинга состояния поверхности океана.

Источник финансирования. Исследования выполнены при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (соглашение № 05.604.21.0210, уникальный идентификатор RFMEFI60419X0210).