رادار الموجة

يوجد أساساً نوعان مختلفان من أجهزة الاستشعار الرادارية عن بعد لأمواج المحيط.

• يقيس المستشعر المباشر بشكل مباشر بعض المعلمات ذات الصلة بنظام الأمواج (مثل ارتفاع السطح أو سرعة جزيئات الماء ).
• تقوم أجهزة الاستشعار غير المباشرة برصد الأمواج السطحية من خلال التفاعل مع بعض العمليات الفيزيائية الأخرى، مثل المقطع العرضي الراداري لسطح البحر.

يمكن استخدام رادارات الميكروويف في وضعين مختلفين ؛

• الوضع شبه العمودي . يتم توليد صدى الرادار عن طريق الانعكاسات المرآوية من سطح البحر.
• نمط زاوية الرسو المنخفضة . يتولد صدى الرادار بفعل تشتت براغ ، لذا لا بد من وجود تموجات سطحية ناتجة عن الرياح ( موجات شعرية ). تُعدَّل الإشارة المرتدة بفعل موجات الجاذبية السطحية الكبيرة، وتُستمد معلومات موجات الجاذبية من تعديل الإشارة المرتدة. يقدم بلانت وشولر (1980) عرضًا ممتازًا لنظريات الاستشعار عن بُعد بالموجات الميكروية لسطح البحر .

يجب أن تكون مساحة تغطية الرادار (حجم المنطقة السطحية التي يغطيها) صغيرة مقارنةً بجميع أطوال موجات المحيط ذات الأهمية. وتُحدد الدقة المكانية للرادار من خلال عرض نطاق إشارة الرادار (انظر خصائص إشارة الرادار ) وعرض حزمة هوائي الرادار.

يتشتت شعاع هوائي الميكروويف ، وبالتالي تقل دقته مع ازدياد المدى. أما شعاع رادار الأشعة تحت الحمراء ( الليزر ) فلا يتشتت عملياً، لذا فإن دقته لا تتأثر بالمدى.

تستخدم رادارات التردد العالي آلية تشتت براغ، وتعمل دائمًا بزوايا سقوط منخفضة جدًا. وبسبب انخفاض تردد التشغيل، تنعكس موجات الرادار مباشرةً من موجات الجاذبية ، ولا يشترط وجود تموجات سطحية.

قد تكون أجهزة إرسال واستقبال الرادار متماسكة أو غير متماسكة. تقيس الرادارات المتماسكة كلاً من تعديل دوبلر وتعديل السعة، بينما تقيس الرادارات غير المتماسكة تعديل السعة فقط. ونتيجة لذلك، يحتوي صدى الرادار غير المتماسك على معلومات أقل حول خصائص سطح البحر. ومن أمثلة الرادارات غير المتماسكة رادارات الملاحة البحرية التقليدية.

قد تكون موجة إرسال الرادار إما موجة مستمرة غير معدلة، أو معدلة، أو نبضية. لا يمتلك رادار الموجة المستمرة غير المعدلة دقة في تحديد المدى، ولكنه قادر على تمييز الأهداف بناءً على اختلاف السرعات، بينما يستطيع الرادار المعدل أو النبضي تمييز الصدى من نطاقات مختلفة. تلعب موجة الرادار دورًا بالغ الأهمية في نظرية الرادار (بلانت وشولر، 1980) .

• طريقة التشغيل أو هندسة القياس (رأسية أو مائلة)
• نوع النظام (مباشر أو غير مباشر)
• تواتر العمليات
• شكل موجة الرادار (موجة مستمرة غير معدلة أو موجة معدلة/نبضية)
• نوع جهاز الإرسال والاستقبال (متماسك أو غير متماسك)
• خصائص هوائي الرادار

تعمل أجهزة قياس المسافة بالموجات الميكروية أيضًا في الوضع الرأسي بترددات جيجاهرتز، وهي أقل تأثرًا بالضباب ورذاذ الماء مقارنةً بأجهزة قياس المسافة بالليزر . ويُستخدم عادةً شكل موجة رادار مُعدَّل التردد بموجة مستمرة (CWFM) أو نبضية لتوفير دقة قياس المسافة. ونظرًا لتشتت الشعاع، فإن الحجم الخطي لمنطقة القياس يتناسب طرديًا مع المسافة، بينما تتناسب مساحة منطقة القياس طرديًا مع مربع المسافة.

من الأمثلة على أجهزة قياس المسافة بالموجات الدقيقة جهاز Miros SM-094، المصمم لقياس الأمواج ومستوى المياه، بما في ذلك المد والجزر . يُستخدم هذا المستشعر كمستشعر للفجوة الهوائية (ارتفاع الجسر) في نظام PORTS التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA ). مثال آخر هو جهاز WaveRadar REX، وهو مشتق من رادار خزان روزماونت.

انطلاقًا من بيانات ارتفاع سطح الماء في ثلاثة مواقع أو أكثر، يُمكن حساب طيف اتجاهي لارتفاع الموجة. تشبه الخوارزمية المستخدمة تلك التي تُولّد طيفًا اتجاهيًا من بيانات الحركة الرأسية (الارتفاع) والميلان والتدحرج في موقع واحد، كما هو الحال في عوامة الأمواج القرصية الشكل. يُمكن لمصفوفة من ثلاثة رادارات رأسية، تغطي رؤوس مثلث أفقي متساوي الأضلاع، توفير البيانات اللازمة حول ارتفاع سطح الماء. "دليل الموجة الاتجاهي" هو نظام رادار تجاري يعتمد على هذه التقنية، وهو متوفر لدى شركتي Enraf ​​وRadac الهولنديتين.

توفر رادارات الملاحة البحرية ( النطاق X ) صورًا لتشويش البحر تحتوي على نمط يُشبه نمط أمواج البحر. وبتحويل إشارة فيديو الرادار إلى بيانات رقمية، يُمكن معالجتها بواسطة حاسوب رقمي. ويمكن حساب معايير سطح البحر بناءً على هذه الصور الرقمية. يعمل رادار الملاحة البحرية بزاوية سقوط منخفضة، ويجب أن يكون هناك تموج سطحي ناتج عن الرياح. رادار الملاحة البحرية غير متماسك، وهو مثال نموذجي على مستشعر الأمواج غير المباشر، لعدم وجود علاقة مباشرة بين ارتفاع الموجة وسعة تعديل التشتت العكسي للرادار. وعادةً ما تُستخدم طريقة تجريبية لتوسيع نطاق طيف الموجة. تُعد مستشعرات الأمواج القائمة على رادار الملاحة البحرية أدوات ممتازة لقياس اتجاه الأمواج. كما يُمكن استخدام رادار الملاحة البحرية لقياس تيارات السطح. ويمكن توفير قياسات نقطية لمتجه التيار، بالإضافة إلى خرائط التيار حتى مسافة بضعة كيلومترات (جانجيسكار، 2002) . يُستخدم جهاز Miros WAVEX بشكل أساسي في قياسات اتجاه الأمواج من السفن المتحركة. ومن الأمثلة الأخرى على الأنظمة القائمة على الرادار البحري نظام OceanWaves WaMoS II.

يعمل رادار الموجات الميكروية النبضي ذو البوابة المدىية بتقنية دوبلر في وضع زاوية السقوط المنخفضة. وباستخدام عدة هوائيات، يمكن استخدامه كمستشعر للموجات الاتجاهية، حيث يقيس بشكل أساسي الطيف الاتجاهي لسرعة جزيئات الماء الأفقية. يرتبط طيف السرعة ارتباطًا مباشرًا بطيف ارتفاع الموجة من خلال نموذج رياضي قائم على نظرية الموجات الخطية، ويمكن توفير قياسات دقيقة لطيف الموجة في معظم الظروف. ونظرًا لأن القياسات تُجرى على مسافة من المنصة التي يُركّب عليها، فإن مجال الموجة يتأثر بدرجة طفيفة بتداخلات من هيكل المنصة.

يُعد رادار ميروس للأمواج والتيارات جهاز الاستشعار الوحيد المتاح للأمواج الذي يعتمد على تقنية رادار دوبلر النبضي ذي البوابة المدىية. كما يستخدم هذا الرادار تقنية التردد المزدوج (انظر أدناه) لإجراء قياسات نقطية لمتجه التيار السطحي.

يبث رادار الميكروويف ثنائي التردد ترددين ميكروويفيين في آن واحد. ويتم اختيار الفاصل بين الترددين للحصول على طول "التداخل المكاني" الذي يقع ضمن نطاق أمواج الماء المراد قياسها. ويمكن اعتبار رادار الميكروويف ثنائي التردد مكافئًا لرادار التردد العالي (انظر أدناه). وهو مناسب لقياس التيارات السطحية. أما فيما يتعلق بقياسات الأمواج، فإن عمليات التشتت العكسي معقدة للغاية (وغير مفهومة جيدًا) بحيث لا تسمح بتحقيق دقة قياس كافية.

يُعدّ رادار HF من طراز CODAR SeaSonde وHelzel WERA أداةً فعّالة لقياس تيارات البحر حتى مدى 300  كيلومتر. يعمل هذا الرادار ضمن نطاق الترددات العالية (HF) والترددات العالية جدًا (VHF) المنخفضة، ما يُقابل طول موجة رادار يتراوح بين 10 و300 متر. يُستخدم انزياح دوبلر لخطوط براغ من الدرجة الأولى لصدى الرادار لاستخلاص تقديرات تيارات البحر، تمامًا كما هو الحال في رادار الميكروويف ثنائي التردد. يتطلب الأمر عادةً تركيب رادارَين، بحيث يُغطي كل منهما نفس رقعة سطح البحر من زاويتين مختلفتين. ^{[ 1 ]} يصل الجيل الأحدث من رادارات المحيطات الساحلية إلى مدى يزيد عن 200  كيلومتر لرسم خرائط تيارات المحيط ، وأكثر من 100  كيلومتر لقياس الأمواج (Helzel WERA). تتميز جميع رادارات المحيطات بدقة قياس مدى ممتازة، وتزداد دقة قياس المدى مع تقصير المدى. أما الدقة الزاوية، فتعتمد على تكوين مصفوفة الهوائيات المستخدمة والخوارزميات المُطبقة ( تحديد الاتجاه أو تشكيل الحزمة). يوفر نظام WERA خيار استخدام كلا التقنيتين؛ النسخة المدمجة مع تحديد الاتجاه أو نظام الهوائي من نوع المصفوفة مع طرق تشكيل الحزمة.

طُوّرت تقنية FutureWaves في الأصل كنظام للتنبؤ البيئي بحركة السفن (ESMF) لصالح مكتب البحوث البحرية (ONR ) التابع للبحرية الأمريكية، وذلك بواسطة شركة جنرال دايناميكس للعلوم الفيزيائية التطبيقية. وتم تكييف هذه التقنية لطرحها في السوق التجارية، وظهرت لأول مرة علنًا في مؤتمر تكنولوجيا المنصات البحرية لعام 2017 في هيوستن، تكساس.

تختلف هذه التقنية عن أنظمة التنبؤ بالأمواج الحالية باستخدامها رادارًا مُصممًا خصيصًا لاستشعار الأمواج، قادرًا على قياس ارتداد دوبلر حتى مدى يصل إلى 5  كيلومترات تقريبًا. يُستقطب هوائي الرادار رأسيًا لتعزيز إشارة ارتداد سطح البحر. كما تستخدم هذه التقنية نظامًا مبتكرًا لمعالجة إشارات الرادار، يُعالج التشويش المتأصل في إشارات الارتداد من خلال عملية رياضية تُسمى عكس المربعات الصغرى . يُطبق هذا النهج مُرشِّحًا عالي التحديد على بيانات الرادار، ويرفض عمليات المسح الراداري التي لا ترصد الأمواج القادمة. والنتيجة هي تمثيل دقيق لحقل الموجة الساقطة المنتشرة، والذي سيؤثر على حركة السفن خلال فترة تتراوح بين دقيقتين وثلاث دقائق. كما تُمكّن خوارزميات معالجة الأمواج من حساب طيف القدرة ثنائي الأبعاد لحقل الموجة وارتفاع الموجة الكبير في الوقت الفعلي، على غرار ما توفره عوامة الأمواج.

كما تستخدم هذه الطريقة عملية تنبؤ بحركة السفينة تعتمد على قاعدة بيانات مُحسوبة مسبقًا للقوة والاستجابة. ويتم تمثيل درجات حرية الحركة الديناميكية كنظام ميكانيكي مُجمّع، حيث تُتنبأ حركاته المستقبلية من خلال حل عددي لمعادلة تفاضلية مُقترنة متعددة درجات الحرية، مع حالة قصور ذاتي ابتدائية مُستمدة من مُخرجات مُستشعرات حركة السفينة. ويتيح حل المجال الزمني إمكانية تضمين آليات الإجبار غير الخطية، مثل التخميد التربيعي للدوران وأنظمة التحكم في الدوران، في عملية التنبؤ.

وأخيرًا، يستخدم النظام حل Gravity للبرمجيات الوسيطة مفتوحة المصدر لدمج بيانات المستشعرات، ووحدات المعالجة الفرعية، وشاشات العرض الخاصة بالمستخدم. يتيح هذا النهج مفتوح المصدر إمكانية دمج شاشات عرض مخصصة للمشغل، بالإضافة إلى نماذج فيزيائية لسفن وآلات محددة (مثل الرافعات) في النظام.