波動レーダー

波動レーダーは、風波を測定するためのレーダーの一種です。さまざまな概念と技術に基づくいくつかの機器が利用可能であり、これらはすべてよく呼ばれています。この記事 (Grønlie 2004 も参照) では、最も一般的な地上ベースのレーダーリモート センシング技術について簡単に説明します。

レーダー リモート センシング技術に基づく機器は、水面との直接接触を避け、構造的な干渉を回避することが重要な用途で特に注目されています。典型的なケースは、急流により波ブイの係留が非常に困難になる可能性がある深海の沖合プラットフォームからの波測定です。もう 1 つの興味深いケースは、航行中の船舶です。海中に機器を設置することは非常に非現実的であり、船体からの干渉を回避する必要があります。

基本的に、海洋波用のレーダーリモートセンサーには 2 つの異なるクラスがあります。

• 直接センサーは、波動システムの関連パラメータ（表面標高や水粒子速度など）を直接測定します。
• 間接センサーは、海面のレーダー断面積など、他の物理プロセスとの相互作用を介して表面波を観測します。

マイクロ波レーダーは 2 つの異なるモードで使用できます。

• 近垂直モード。レーダーエコーは海面からの鏡面反射によって生成されます。
• 低グレージング角モード。レーダーエコーはブラッグ散乱によって生成されるため、風によって生成された表面の波紋 (毛細管波) が存在する必要があります。後方散乱信号は大きな表面重力波によって変調され、重力波情報は後方散乱信号の変調から得られます。海面のマイクロ波リモートセンシングの理論に関する優れたプレゼンテーションは、Plant と Shuler (1980) によって提供されています。

レーダーのフットプリント（レーダーによって照射される表面積の大きさ）は、対象となる海洋のすべての波長と比較して小さくなければなりません。レーダーの空間解像度は、レーダー信号の帯域幅（レーダー信号特性を参照）とレーダーアンテナのビーム幅 によって決まります。

マイクロ波アンテナのビームは発散します。その結果、距離が長くなるにつれて解像度が低下します。実際上、IRレーダー (レーザー) のビームは発散しません。したがって、解像度は距離とは無関係です。

HFレーダーはブラッグ散乱メカニズムを利用し、常に非常に低いグレージング角度で動作します。動作周波数が低いため、レーダー波は重力波から直接後方散乱され、表面の波紋が存在する必要がありません。

レーダー トランシーバーには、コヒーレントと非コヒーレントがあります。コヒーレント レーダーはドップラー変調と振幅変調を測定しますが、非コヒーレント レーダーは振幅変調のみを測定します。その結果、非コヒーレント レーダー エコーには海面特性に関する情報が少なくなります。非コヒーレント レーダーの例としては、従来の海洋航行レーダーがあります。

レーダー送信波形は、変調されていない連続波​​、変調された、またはパルス波のいずれかです。変調されていない連続波​​レーダーには距離分解能はありませんが、異なる速度に基づいてターゲットを分解できます。一方、変調されたまたはパルス波レーダーは、異なる距離からのエコーを分解できます。レーダー波形は、レーダー理論において非常に重要な役割を果たします (Plant および Shuler、1980)。

• 動作モードまたは測定形状（垂直または斜面）
• システムのクラス（直接または間接）
• 動作周波数
• レーダー波形（非変調CWまたは変調/パルス）
• トランシーバーの種類（コヒーレントまたは非コヒーレント）
• レーダーアンテナの特性

波のリモートセンシングのためのさまざまなレーダー技術に関する優れた調査が Tucker (1991) によって提供されています。

マイクロ波距離計も GHz 周波数の垂直モードで動作し、レーザー距離計ほど霧や水しぶきの影響を受けません。通常、距離分解能を提供するには、連続波周波数変調(CWFM) またはパルス レーダー波形が使用されます。ビームは発散するため、フットプリントの線形サイズは距離に正比例し、フットプリントの面積は距離の 2 乗に比例します。

マイクロ波距離計の一例として、波や水位、潮汐を測定するために設計された Miros SM-094 が挙げられます。このセンサーは、 NOAAの PORTS システムでエアギャップ (橋梁クリアランス) センサーとして使用されています。もう 1 つの例として、Rosemount タンク レーダーの派生製品である WaveRadar REX があります。

3 か所以上の水面高度データから、波高の方向スペクトルを計算できます。このアルゴリズムは、円盤型波ブイによって提供される、1 か所のヒーブ (垂直方向の動き)、ピッチ、ロールのデータから方向スペクトルを生成するアルゴリズムに似ています。水平な正三角形の頂点にフットプリントを持つ 3 つの垂直レーダーのアレイは、水面高度に関する必要なデータを提供します。「Directional WaveGuide」は、この技術に基づいた市販のレーダー システムです。オランダの Enraf 社と Radac 社から入手できます。

海洋航行レーダー ( X バンド) は、海の波模様に似たパターンを含む海面散乱画像を提供します。レーダー ビデオ信号をデジタル化することで、デジタル コンピューターで処理できます。海面パラメータは、これらのデジタル化された画像に基づいて計算できます。海洋航行レーダーは低グレージング角モードで動作し、風によって生成された表面波紋が存在する必要があります。海洋航行レーダーは非コヒーレントであり、波高とレーダー後方散乱変調振幅の間に直接的な関係がないため、間接波センサーの典型的な例です。通常は、経験的な波スペクトル スケーリング法が採用されています。海洋航行レーダー ベースの波センサーは、波の方向を測定するための優れたツールです。海洋航行レーダーは、表面流を測定するためのツールにもなります。流速ベクトルのポイント測定と、数 km までの距離までの流速マップを提供できます (Gangeskar、2002)。Miros WAVEX の主な用途は、移動中の船舶からの方向波測定です。海洋レーダー ベースのシステムの別の例としては、OceanWaves WaMoS II があります。

レンジゲートパルスドップラーマイクロ波レーダーは、低グレージング角モードで動作します。複数のアンテナを使用することで、方向性波センサーとして使用でき、基本的には水平方向の水粒子速度の方向性スペクトルを測定します。速度スペクトルは、線形波理論に基づく数学モデルによって波高スペクトルに直接関連しており、ほとんどの状況で波スペクトルの正確な測定が可能です。測定はレーダーが取り付けられているプラ​​ットフォームから離れた場所で行われるため、波場はプラットフォーム構造からの干渉によって多少乱されます。

Miros 波動・流速レーダーWebarchive テンプレートにエラーがあります: 空の URL。 は、レンジゲートパルスドップラーレーダー技術に基づく唯一の波動センサーです。 このレーダーは、表面流速ベクトルの点測定を実行するために、デュアル周波数技術 (下記参照) も使用します。

デュアル周波数マイクロ波レーダーは、2 つのマイクロ波周波数を同時に送信します。周波数間隔は、対象となる水波の範囲内の「空間ビート」長さになるように選択されます。デュアル周波数レーダーは、高周波 (HF) レーダーのマイクロ波版と見なすことができます (下記参照)。デュアル周波数レーダーは、表面流の測定に適しています。波の測定に関しては、後方散乱プロセスが複雑すぎるため (十分に理解されていないため)、有用な測定精度を得ることができません。

HF レーダー CODAR SeaSonde と Helzel WERA は、最大 300 km の範囲の海流測定に使用できる強力なツールとして定評があります。これらは、10 ～ 300 m の範囲のレーダー波長に対応する HF および低 VHF 周波数帯域で動作します。レーダーエコーの 1 次ブラッグ線のドップラーシフトを使用して、デュアル周波数マイクロ波レーダーとほぼ同じ方法で海流の推定値を導きます。通常、2 つのレーダーを設置して、海面の同じ部分を異なる角度から観測する必要があります。^[1]最新世代の陸上海洋レーダーは、海流マッピングで 200 km 以上、波浪測定で 100 km 以上を測定できます (Helzel WERA)。すべての海洋レーダーの範囲の精度は優れています。範囲が短くなると、範囲の解像度は細かくなります。角度の解像度と精度は、使用するアンテナアレイ構成と適用するアルゴリズム (方向探知またはビーム形成) によって異なります。WERA システムでは、両方の手法を使用するオプションが提供されています。方向探知機能を備えたコンパクトバージョン、またはビームフォーミング方式を備えたアレイ型アンテナシステム。

FutureWaves テクノロジーは、もともとジェネラル ダイナミクスの応用物理科学コーポレーションによって海軍の ONR (海軍研究局) 向けの環境船舶運動予測 (ESMF) システムとして開発されました。このテクノロジーは商業市場でリリースできるように改良され、テキサス州ヒューストンで開催された 2017 Offshore Technology Conference で初めて公開されました。

この技術は、約 5 km の範囲まで後方散乱ドップラーを測定できるカスタマイズされた波感知レーダーを使用する点で、既存の波浪予測システムとは異なります。レーダー アンテナは垂直偏波で、海面後方散乱信号を強化します。また、革新的なレーダー信号処理方式を使用して、最小二乗反転と呼ばれる数学的プロセスを通じて、本質的にノイズの多い後方散乱信号に対処します。このアプローチでは、レーダー データに非常に過剰決定されたフィルターを適用し、入射波を観測しないレーダー スキャンを拒否します。その結果、2 ～ 3 分間にわたって船舶の動きを強制する、伝播する入射波場の正確な表現が得られます。波処理アルゴリズムにより、波ブイによって提供されるものと同様の波場の 2 次元パワー スペクトルと有意波高をリアルタイムで計算することもできます。

また、事前に計算された力/応答データベースに依存する船舶運動予測プロセスも使用します。動的運動自由度は、集中機械システムとして表され、その将来の運動は、船舶運動センサー出力によって提供される初期慣性状態を使用して、多自由度の強制結合微分方程式を数値的に解くことによって予測されます。時間領域ソリューションにより、2 次ロール減衰やロール制御システムなどの非線形強制メカニズムを予測に取り込むことができます。

最後に、Gravity オープン アーキテクチャミドルウェアソリューションを使用して、センサー フィード、処理サブルーチン、およびユーザー ディスプレイを統合します。このオープン アーキテクチャ アプローチにより、カスタマイズされたオペレーター ディスプレイと、特定の船舶や機械 (クレーンなど) の物理ベース モデルをシステムに実装できます。

1. Gangeskar, R., (2002)、「Xバンドレーダー海面画像から推定した海流」、IEEE Transactions on Remote Sensing、vol. 40、no. 4。
2. Grønlie, Ø (2004)。「波動レーダー - さまざまな概念と技術の比較」、Hydro International、第8巻、第5号、2004年6月。
3. Plant, WJ および DL Shuler、(1980)「1 周波数および 2 周波数マイクロ波技術を使用した海面のリモートセンシング」、Radio Science、Vol. 15 No. 3、605-615 ページ。
4. Tucker, MJ、(1991)「海洋工学における波、測定分析、解釈」、Ellis Horwood Limited、第8章、231-266ページ。
5. Wyatt、(2009)「HF レーダーによる高波と低波の測定」、IEEE 海洋会議議事録、ブレーメン、2009 年。
6. HYDRO International、(2010)「WERA 海洋レーダーシステム - 機能、精度、信頼性」、HYDRO International、第 14 巻、第 3 号、2010 年、22-23 ページ。

マイクロ波距離計:

• 物理海洋リアルタイムシステム (PORTS)
• NOAA 技術レポート NOS CO-OPS 042; マイクロ波エアギャップブリッジクリアランスセンサー; テスト、評価、実装レポート
• ESEAS RI、さまざまな潮位計センサーの精度と動作特性の評価。2008-05-21 にWayback Machineでアーカイブされました。
• 全球海面観測システム
• IOC 海面測定と解釈に関するマニュアル第 4 巻 2007-02-04 にアーカイブされました(Wayback Machineより)

距離ゲートパルスドップラーマイクロ波レーダー:

• 暴風雨時の MIROS システム評価調査 II; FW Dobson、カナダ水産海洋省、ベッドフォード海洋研究所、ダートマス、ノバスコシア州、カナダ; E. Dunlap ASA コンサルティング社、ハリファックス、ノバスコシア州、カナダ 2008-04-17 にWayback Machineでアーカイブ

Xバンドベースの波動センサー:

• Radac レベル、潮位、波監視システム
• WaMoS II (OceanWaves GmbH) 2013-06-02 にWayback Machineでアーカイブされました
• リモーシャン
• Miros AS 2007-12-14 にWayback Machineでアーカイブされました
• フューチャーウェーブス

HFレーダー:

• CODAR海洋センサー
• WERA (Helzel Messtechnik GmbH)