Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Существующие технические средства и методы, используемые для безопасного плавания в ледовых условиях 6
1.1. Классификация существующих технических средств для целей судоходства в ледовых условиях 6
1.2. Тактические способы и приемы проводки судов с использованием существующих РЛС 16
1.3. Совершенствование навигационных РЛС для работы в ледовых условиях 21
1.4. Расширение функциональных возможностей существующих навигационных РЛС при работе в ледовых условиях 23
Глава 2. Эффективная площадь рассеяния ледовых образований 30
2.1. Навигационные характеристики параметров льда 30
2.2. Эффективная площадь рассеяния простых и тел сложной формы 36
2.3. Особенности определения ЭПР ледовых образований 39
2.4. Натурные измерения ЭПР льда в миллиметровом диапазоне радиоволн 44
Глава 3. Испытания РЛС ММ-диапазона радиоволн на ледоколах 48
3.1. Установка макета РЛС ММ-диапазона «Орион-М» на борту а/л «Россия»,
РЛС «Балтика- Б» на борту л/к «Капитан Сорокин», РЛС «Нева-ЛП» на борту а/ледокола «Вайгач» 48
3.2. Цифровая обработка изображений ледовой обстановки 52
3.3. Вторичная обработка сигнала при определении сплоченности льда в заданном секторе обзора 54
3.4. Особенности измерения ЭПР льда на а/ледоколе «Вайгач» в высоких широтах и полученные результаты 62
3.4.1. Пример расчета ЭПР ледового образования по предложенной методике 64
Глава 4. Методика и результаты совместного испытания рлс см- и мм-диапазоново волн в ледовых условиях 67
4.1. Основные преимущества РЛС ММ-диапазона радиоволн при ледовой ледовой проводке судов 67
4.2. Использование РЛС ММ-диапазона волн при околках судов, взятиях на буксир, швартовках судов и другие ледовые операции 70
4.3. Использование РЛС ММВ для ледовых проводок караванов судов 74
4.4. Использование РЛС ММВ для целей навигации 89
Заключение 92
Литература
- Тактические способы и приемы проводки судов с использованием существующих РЛС
- Эффективная площадь рассеяния простых и тел сложной формы
- Вторичная обработка сигнала при определении сплоченности льда в заданном секторе обзора
- Использование РЛС ММ-диапазона волн при околках судов, взятиях на буксир, швартовках судов и другие ледовые операции
Введение к работе
Актуальность работы
Важная роль в развитии экономического комплекса Арктической зоны России отводится морскому флоту, который обеспечивает:
– освоение арктических месторождений, в том числе и шельфовых, углеводородного сырья и морского экспорта нефти и газа;
– развитие экспортных, транзитных и каботажных перевозок и северного завоза социально значимых грузов.
Для осуществления этих задач потребуется ледокольное обеспечение и специализированный ледокольно-транспортный флот. Для экспорта нефти и газа потребуется специализированный флот высокого ледового класса и большого водоизмещения. На первой международной Евроазиатской конференции по транспорту (май 1998 г., Санкт-Петербург) Северный морской путь определен как самостоятельный Евроазиатский транспортный коридор. Для получения требуемого технологического результата необходимо добиться стабильности движения грузов по СМП в любое время года. В транзитном плавании по СМП скорость движения судна становится основным экономическим показателем рейса.
На скорость движения судна во льдах влияют ряд факторов, важнейшими из которых являются спутниковая информация о глобальной ледовой обстановке и радиолокационная «картинка» в ближней зоне с использованием РЛС СМ-диапазона волн. Последние из-за недостаточной точности и информативности не могут обеспечить возросшие требования к повышению безопасной скорости движения в ледовых условиях.
Постоянно повышаются требования к уменьшению затрат времени на проводки судов во льдах, увеличиваются скорости проводок судов. Работа в ледовых, сложных гидрометеорологических условиях, в условиях полярной ночи предъявляют повышенные требования к техническим средствам судовождения, к методам безопасной и безаварийной работы.
В 2011 г. по Северному морскому пути перевезено в транзитном плавании 800 тыс. т грузов, а вместе с внутренними перевозками этот объем составляет порядка 3 млн. т. На будущий год планируется перевезти 5 млн. т. Транзитные перевозки планируются в объеме нескольких десятков миллионов тонн. Обеспечить безопасность такого объема перевозок в ледовых условиях, используя старые тактические методы и существующие РЛС, будет затруднительно. Особенно важное значение приобретает плавание по нарушениям сплошности ледового покрова (НСЛ), что повышает требования к расширению функциональных возможностей РЛС для работы во льдах.
Известно, что использование РЛС увеличивает скорость ледовой проводки судна в условиях ограниченной видимости, как минимум на 15 – 20%. Создание новых технических средств, направленных на повышение безопасности судоходства и выбор пути плавания в ледовых условиях, увеличение скорости плавания во льдах, является актуальной задачей. Решать ее предлагается путём дополнительного использования для этих целей высокоинформативных, повышенной точности РЛС миллиметрового диапазона волн, точностные характеристики которых, при допустимых габаритах судовых антенн, соответствуют береговым РЛС СМ-диапазона радиоволн.
Проблема повышения безопасности и скорости проводки судов во льдах охватывает широкий спектр вопросов: совершенствование тактики ледовой проводки, разработка для этих целей автоматизированных РЛС ММ-диапазона волн, теории радиолокации, теории обратного рассеяния радиоволн от объектов, первичной и вторичной обработки сигналов при автоматизации процессов судовождения.
В различные периоды времени эти вопросы были освещены в трудах таких учёных, как Сколник М, Дулевич В.Е., Казаринов Ю.М., Разсказовский В.Б., Кулёмин Г.П., Хлопов Г.И.. Байрашевский А.М., Сазонов А.Е, Жерлаков А.В, Логиновский В.А.,
Ничипоренко Н.Т., Тезиков А.Л., Макаров Г.В., Смоленцев С. В., капитанов-поляр-
ников Кучиева Ю.С., Майнагашева Б.С., Голохвастова В.А., Соколова Б.М., гидролога Бабича Н.Г. и др.
Объектом исследования являются импульсные РЛС ММ- и СМ-диапазонов радиоволн.
Предмет исследования: совместное использование РЛС СМ- и ММ-диапазо-нов волн для безопасной проводки ледоколов и судов, что позволит улучшить дешифрацию ледовой обстановки и повысить скорость и надежность проводки ледоколов и транспортных судов во льдах.
Цель диссертационной работы состоит в увеличении функциональных возможностей существующих навигационных РЛС ледоколов и судов активного ледового плавания с целью повышения ходовой скорости и безопасности движения их во льдах путем применения высокоинформативных повышенной точности РЛС ММ – диапазона радиоволн.
Задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:
1. Выполнить анализ существующих отечественных и зарубежных приборов и систем ледового плавания, привести их классификацию.
2. Собрать и обработать статистический материал на ледоколе по загрузке существующих РЛС в условиях ограниченной видимости (снег, метель, условия полярной ночи, парение ледовых каналов, разводий и т.п.) при различной толщине льда.
3. Разработать математическую модель ЭПР ледового образования с учётом подстилающей поверхности, позволяющую учесть динамику вклада отдельных участков (элементов) ледовых образований в общий отражённый сигнал при изменении расстояния от РЛС.
4. Разработать методики и провести натурные измерения ЭПР ледовых образований Финского залива и льдов Арктического бассейна.
5. Разработать методики и провести совместные испытания РЛС СМ и ММ-диапазонов волн
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Впервые предложена концепция совместного использования РЛС СМ- и ММ-диапазонаов радиоволн для установки на ледоколах и судах активного ледового плавания.
2. Разработана математическая модель ЭПР ледового образования с учётом подстилающей поверхности, позволяющая учесть динамику вклада отдельных участков (элементов) ледовых образований в общий отражённый сигнал при изменении расстояния от РЛС.
3. Разработана методика и проведены натурные измерения ЭПР ледовых образований. Впервые получены значения ЭПР, которые подтвердили теоретические выводы.
4. Разработан алгоритм вторичной обработки радиолокационной информации (РЛИ) для определения сплоченности льда.
5. Совместные испытания РЛС СМ- и ММ-диапазонов радиоволн на атомном ледоколе во время ледовой проводки судов подтвердили увеличение функциональных возможностей их при решении ряда задач: дешифровки (распознавания и оценки) РЛИ, околки и проводки судов в караванах, швартовки во льдах, определение максимальной дальности обнаружения различных ледовых образований, припая, каналов и др.
Методы исследования.
Для решения поставленных задач использовались методы и основные положения теории радиолокации, распространения радиоволн, измерений и обработки сигналов, математической статистики, методы цифровой обработки изображений.
Экспериментальные исследования и измерения проводились на измерительном комплексе с использованием береговой РЛС «Балтика» в Финском заливе, в экспериментальной лаборатории ГМА им. адм. С.О.Макарова в п. Стрельна, при развертывании измерительного комплекса на ледоколах «Капитан Сорокин», атомных ледоколах «Россия», «Cибирь» и «Вайгач» на акваториях Арктических морей.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:
1. Совместное применение РЛС СМ- и ММ-диапазонов радиоволн повысит безопасность работы ледокольного флота и судов во льдах.
2. Использование миллиметровых РЛС и штатных РЛС СМ-диапазона волн позволит уменьшить затраты времени на проводки судов во льдах и увеличить ходовую скорость проводок караванов судов, что даст больший экономический эффект при перевозке грузов в Арктическом регионе.
Достоверность результатов подтверждается:
– достаточной обоснованностью принятых допущений и предположений, а также отсутствием противоречий между новыми теоретическими положениями, разработанными в диссертации и известными частными результатами других исследований;
– удовлетворительным совпадением натурных испытаний с теоретическими положениями.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Предложена концепция совместного использования РЛС СМ- и ММ-диапа-зонов волн на ледоколах для безопасной проводки и повышения ходовой скорости ледоколов и караванов судов.
2. Анализ времени загрузки существующих РЛС ледоколов в процессе их работы во льдах различной толщины.
3. Математическая модель эффективной поверхности рассеяния ЭПР ледовых образований.
4. Методики и результаты натурных измерений ЭПР ледовых образований на акваториях Финского залива и Арктического региона.
5. Алгоритмы и этапы вторичной обработки РЛИ для определения сплоченности льда.
6. Методика и результаты сравнительных испытаний РЛС СМ- и ММ-диапа-зонов волн на атомном ледоколе «Вайгач» во время ледовой проводки в западном районе Арктики.
7. Основные требования к характеристикам двух диапазонной РЛС ММ- и СМ-диапазонов радиоволн.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены, обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях профессорско-препода-вательского состава, научных сотрудников и курсантов ГМА им. адм. С.О. Макарова, 1985, 2011, 2012 г., Санкт-Петербург; на международной конференции «Безопасность мореплавания – ответы на новые вызовы», Санкт-Петербург, 25 – 26 сентября 2012 г.
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, из них две статьи в ведущих научных журналах, перечень которых утвержден Высшей аттестационной комиссией, 6 статей в сборниках трудов конференций и научно-технических журналах России и Украины.
Реализация и внедрение
Методика совместных испытаний РЛС ММ- и СМ-диапазонов волн на ледоколах внедрена в ЗАО «Морские Комплексы и Системы» 2010-2011гг. Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре РНПиС ГМА им. адм. С.О. Ма-карова. ФГУП «Атомфлот» использует результаты сравнительных испытаний РЛС СМ- и ММ-диапазонов радиоволн для улучшения качества ледовой информации.
Структура и объем диссертации
Тактические способы и приемы проводки судов с использованием существующих РЛС
За более чем 70-летний срок плавания на трассе СМП сложились традиционные участки плавания с учетом многих факторов. Среди них заприпайные участки открытой воды (Ямальская, Новоземельская, Обь-Енисейская), центральный вариант, мористый вариант и северный (высокоширотный) вариант. Последний вариант имеет главное преимущество по сравнению с остальными - это значительное сокращение пути плавания. Но, с другой стороны, это и самый трудный ледовый участок.
Учитывая опыт работы атомоходов типа «Арктика», можно с уверенностью сказать, что на участке плавания Баренцево море - Диксон возможно самостоятельное плавание и проводка судов класса УЛА в течение всего года. Ограниченные возможности дизель-электрических ледоколов типа «Капитан Сорокин» на участке плавания Диксон - Дудинка помогли решить проблему создания атомных мелкосидящих ледоколов типа «Таймыр» и сделать успешным круглогодичное плавание транспортных судов в Западном районе Арктики. С другой стороны, есть резервы для увеличения навигационного периода на трассе СМП от порта Диксон - море Лаптевых и далее на Восток: - выбор новых путей ледового плавания; - совершенствование системы сбора, обработки, передачи гидрометеорологической и ледовой информации; - совершенствование средств навигационной ледовой информации; - строительство новых ледоколов с более высокой ледопроходимостью; - модернизация уже действующего флота и строительство новых транспортных судов с повышенной ледовой ходкостью и прочностью. Наиболее характерным для ледового режима рассматриваемых районов является существование развитой припайной зоны в зимне-весенний период и наличие значительных по площади скоплений дрейфующего льда.
Значительное влияние на продвижение во льду ледоколов и транспортных судов оказывает режим сжатий во льдах, образующийся под давлением ветров и течений. Максимальные сжатия, достигающие трех баллов, часто приводят к остановке во льду самых мощных атомных ледоколов. Как правило, сжатия во льду ориентированы на 30 - 40 град, вправо от направления ветра (в северном полушарии). Максимальное давление льда на корпус ледокола или транспортного судна наблюдается при положении лагом к оси сжатий. Используя судовую навигационную РЛС СМ-диапазона радиоволн можно с определенной погрешностью определить направление оси сжатия и выбрать оптимальный путь движения судна. Использование более информативной РЛС позволит уменьшить затраты времени и мощностей для решения указанной задачи.
При движении во льду ледокол прокладывает канал, по которому следует проводимое судно. Этот канал имеет определенные свойства. При сплоченности льда 9-10 баллов ледовый канал имеет наиболее выраженные границы.
Начальная ширина канала зависит от ширины корпуса ледокола и превышает ее на 3 -10 метров. Так, для а/л «Сибирь» при ширине корпуса в 30 метров, ширина канала равняется до 40 метров. Этого вполне достаточно для прохода таких судов как «Дмитрий Донской», у которого ширина корпуса В = 22,4 м, «Норильск» - специальное судно для арктического плавания В = 26 м, не говоря уже о судах более меньших размеров.
Существует определенная зависимость между степенью сжатий и сохранностью канала по мере увеличения его длины. В сплоченных льдах при отсутствии сжатий канал отчет ливо прослеживается на индикаторе РЛС СМ-диапазона радиоволн 2-3 мили, с борта вертолета - 5 - 7 миль при неизменной ширине канала. При наличии сжатий, направленных в основном перпендикулярно к направлению движения ледокола, ширина канала уменьшается, а при сжатиях, равных 2-3 балла, кромки канала за ледоколом смыкаются вплотную, канал складывается в "нитку". При сжатиях и торосистости канал практически не обнаруживается на мониторе существующих РЛС. Известно, что увеличение торосистости на 1 балл равноценно увеличению толщины льда на 25 % [20].
Уменьшение ширины канала под действием сжатий приводит к снижению скорости проводки и к вынужденному сокращению дистанции между ледоколом с проводимыми судами, ограничивает число проводимых судов. В этом случае ледокол вынужден проводить суда каравана по частям.
Контроль дистанции между ледоколами и судами осуществляется на мониторе РЛС. В зависимости от конкретных ледовых условий указывается и дистанция движения между судами и ледоколами в составе каравана. В результате непрерывного и постоянного маневрирования, а также с увеличением торосистости и толщины сплоченного льда, извилистость канала возрастает, что еще более затрудняет его радиолокационное определение.
Канал, проложенный в припае, по времени практически равен существованию припая, сохраняя устойчивыми кромки канала. Степень заполнения канала льдом зависит от толщины припая и тактических приемов работы ледокола. Большая плотность льда в канале препятствует проводке судов способом лидирования, ледоколы вынуждены использовать буксировку. Уменьшить плотность тертого льда в канале, примерно на 30 - 40 %, можно, используя прием работы ледокола на «скол». Контроль дистанции при работе на «скол» между бортом ледокола и проложенным каналом осуществляется визуально, а в условиях недостаточной видимости использование существующих РЛС СМ-диапазона радиоволн невозможно из-за недостаточной разрешающей способности РЛС и большой «мертвой зоны». С течением времени происходит «старение» ледового канала, и толщина слоя тертого льда превышает толщину припая. Тогда прокладывается новый канал параллельно старому на расстоянии порядка 20 метров. Рациональные приемы эксплуатации каналов в припае требуют следующих основных принципов:
Эффективная площадь рассеяния простых и тел сложной формы
Эффективная площадь рассеяния (ЭПР) любого объекта и в том числе льда представляет собой некоторую фиктивную непоглощающую площадь S3, которая будучи помещена в точку объекта, создает на входе антенны РЛС плотность потока мощности отраженного сигнала, равную плотности потока мощности, отраженного от реального объекта (судно, буй, лед). ЭПР может быть аналитически вычислена для целей простейшей формы, таких как: полу волновый пассивный вибратор, металлический лист, шар, уголковый отражатель и др. [2]. Так, ЭПР полуволнового пассивного вибратора равняется: 5Э = 0,86 X2 cos40; (2.1) где X — длина волны зондирующего импульса; 9 - угол между вибратором и электрическим вектором поля. Из выражения (2.1) видно, что ЭПР пассивного полуволнового вибратора прямопро-порциональна квадрату длины волны РЛС. В случае плоского металлического листа при перпендикулярном облучении ЭПР определяется по следующей формуле: S3 = 4nS2/X2; (2.2) где S- площадь металлического листа. Из выражения (2.2) следует обратно пропорциональная зависимость между ЭПР и X2. Так, например, при площади листа, равной 1 кв. м, и при облучении металлического листа волной, равной 3,2 см, ЭПР составляет S3 = 12265 кв. м. А если металлический лист облучать длиной волны 8 мм, то ЭПР составит S3 = 196250 кв. м; другими словами, ЭПР в ММ-диапазоне радиоволн в 16 раз больше, чем в СМ-диапазоне. При отклонении облучения от нормали ЭПР металлического листа резко уменьшается.
Для увеличения интенсивности переизлучения отраженного сигнала применяют искусственные уголковые отражатели, ЭПР которых остается постоянной в достаточно большой зоне облучения. Простейший уголковый отражатель состоит из трех взаимно перпендикулярных пластин. В соответствии с законами геометрической оптики уголковые отражатели обладают способностью отражать падающие на них электромагнитные волны в направлении облучающей РЛС. Это свойство в уголковом отражателе обеспечивается трехкратным отра жением от стенок, которое испытывает электромагнитная волна. ЭПР такого отражателя вычисляется по следующей формуле: S3=W/(3X,2); (2.3) где: а - одна из сторон уголкового отражателя.
Уголковые отражатели устанавливают на буях, вехах, реперных знаках, малозаметных погружных объектах и др., таким образом, увеличивая дальность их обнаружения. Например, ЭПР морского буя составляет 1 - 10 кв. м при облучении длиной волны 3,2 см, а при установке на его вершине уголкового отражателя со стороной а = 43 см, его ЭПР уже составит J S3= 149 м , что в 15 раз больше. ЭПР буя с таким же уголковым отражателем в ММ-диапазоне волн составит S3 = 2384 м2, т.е. в 16 раз больше, чем в СМ-диапазоне ЭПР шара не зависит от длины волны облучения и направления облучения. Учитывая эти свойства, шар с хорошо проводящей поверхностью используют в качестве эталона при экспериментальном определении ЭПР различных реальных объектов: S3 = %R2; (2.4) где R - радиус шара. Определить ЭПР льда по формулам, как указано выше, невозможно.
ЭПР льда определяется только экспериментальным путем. Диапазон изменения ЭПР в зависимости от ракурса объекта может изменяться на порядок [4]. Максимальная дальность радиолокационной видимости льдов существенным образом зависит от высоты установки антенны РЛС, ЭПР льда, энергетического центра объекта. Энергетический центр льда по высоте - это точка, в которой условно сосредоточена вся ЭПР. Отраженный сигнал от такой точки равен сигналу от реальной цели, распределенной по высоте.
Современная судовая навигационная радиолокационная станция служит основным инструментом для обнаружения целей в окружающей надводной обстановке. Ледовая обстановка вокруг судна является одним из объектов обнаружения. Во время плавания 2007 -2009 годов в зимний период в Финском заливе бьши выполнены измерения максимальной дальности определения льда и некоторых других характеристик ледового покрова [9].
Измерения проводились на различных типах судов с использованием судовых РЛС ведущих мировых фирм. Выборка составила 87 измерений.
Измерения проводились настройкой судовой РЛС в ручном режиме (hand tuning) с целью максимальной достоверной дальности радиолокационной видимости льдов. Затем радиолокационная информация с индикатора кругового обзора фиксировалась цифровым фотоаппаратом в дневное и ночное время по пути следования судна. Фотосъемка проводились с использованием судовой РЛС 3 СМ-диапазона радиоволн. РЛС ДМ-диапазона радиоволн, практически, не использовался в силу недостаточной разрешающей способности по углу и дальности. Анализ собранных данных позволил определить радиолокационную видимость льдов в Невской губе и в Финском заливе. Максимальная достоверная дальность радиолокационной видимости льдов составила около 2,5 морских миль. В основном, это были обширные ледяные поля с полыньями и разводьями, кромки ледовых каналов в припайном льду, нагромождения торошенных льдов в прибрежной части и у островов.
Вторичная обработка сигнала при определении сплоченности льда в заданном секторе обзора
Радиолокационное изображение можно определить как двумерную функцию _Дх, у), где х и у - координаты в пространстве, и значение функции /в любой точке, задаваемой парой координат (х, у), называется интенсивностью или уровнем серого изображения в этой точке. Оптическое изображение с точки зрения теории сигналов является двумерным непрерывным сигналом. В таком виде оно не пригодно для обработки в компьютерных системах и, следовательно, должно быть преобразовано. Для этой цели выполняются операции дискретизации (по пространственным координатам) и квантования (по интенсивности). Получившееся цифровое изображение представляет собой массив дискретных отсчетов (последовательность цифровых значений).
Таким образом, если функция Дх, у) принимают конечное число дискретных значений, то она представлена в цифровом виде, которая наблюдается на дисплее в виде яркостно-го изображения. Цифровой обработкой изображений называется обработка цифровых изображений с помощью ЭВМ [37] - [39]. Заметим, что цифровое изображение состоит из ко нечного числа элементов, каждый из которых расположен в конкретном месте и принимает определённое значение. Эти элементы называются элементами изображения или пикселями (pixel от английского словосочетания picture element - элемент изображения). Чаще всего для элементов цифрового изображения используется термин пиксель.
Таким образом, цифровое изображение можно упрощённо представить в виде матрицы чисел. Для простоты и скорости обработки разбивка производится как в таблице: по горизонтальным строкам и вертикальным столбцам (именно поэтому растровые изображения всегда прямоугольные). Подчеркнем, что цифровое изображение, находящееся в памяти компьютера не имеет своего физического воплощения, это всего лишь набор цифр. Увидеть его можно только посредством какого-либо устройства вывода. По этой причине внешний вид изображения (размер, качество, цветопередача и т. п.) сильно зависят от характеристик монитора или принтера.
Изображения бывают векторными и растровыми. Векторным называется изображение, описанное в виде набора графических примитивов. Растровые же изображения представляют собой двумерный массив, элементы которого (пиксели) содержат информацию о цвете или яркости. В цифровой обработке используются растровые изображения. Растровые изображения характеризуются количеством составляющих их точек. В силу частого отождествления точек и пикселей размеры изображений измеряют в пикселях. Это представляется удобным, если изображение предназначено только для демонстрации на мониторе. Удобство обусловлено стандартизированным количеством пикселей, которое могут отображать мониторы. Для большинства мониторов IBM-совместимых компьютеров эта величина составляет 640x480, 800x600 и 1024x768 и т.д. пикселей по горизонтали и вертикали, соответственно.
В цифровой обработке используются растровые изображения. Они в свою очередь делятся на типы - бинарные, многоуровневые. Элементы бинарного изображения могут принимать только два значения: 0 или 1. Природа происхождения таких изображений может быть самой разнообразной. Но в большинстве случаев, они получаются в результате обработки полутоновых, палитровых или полноцветных изображений методами бинаризации с фиксированным или адаптивным порогом. Бинарные изображения имеют то преимущество, что они очень удобны при передаче данных. Полутоновое изображение состоит из элементов, которые могут принимать одно из значений интенсивности какого-либо одного цвета. В таб. 3.1 показаны основные типы изображений. Таблица 3. Тип изображения Double unit8 Бинарное Оиі Оиі Полутоновое ГО, 11 ГО, 2551 Палитровое [1, размер палитры],где 1 - первая строка палитры [0,255],где 0 - первая строка палитры Полноцветное ГО, Ц ГО, 2551 Многоуровневая обработка радиолокационного изображения обеспечивает следующие преимущества: - повышение контрастности контура; - улучшение качества, четкости и детализации РЛИ; - возможность цветной индикации изображения; - возможность автоматизированного анализа сплоченности льда. Для автоматического определения сплоченности льда по секторам используется многоуровневая информация при вторичной обработке сигнала.
По отраженным ото льда сигналам в ММ-диапазоне радиоволн появилась возможность определять некоторые характеристики льда с большей достоверностью по сравнению с отраженными сигналами ото льда существующих РЛС СМ-диапазона волн. Это сплоченность, торосистость, участки ровного льда, границы ледовых полей, кромки каналов в припае, трещины, разводья и др. Для оценки сплоченности льда разработана методика и алгоритмы обработки принятого радиолокационного сигнала.
Штатное программное обеспечение СООРИ (система отображения и обработки радиолокационной информации) позволяет записывать файл оцифрованного РЛ сигнала, полученный в реальном времени от радар-процессора за один оборот антенны. Один файл - это один кадр первичной РЛИ, который содержит двухмерный массив чисел в координатных осях азимут-дальность размером (4096x4096), где каждый из дискрет представляет собой число в диапазоне (0 - 255), соответствующее уровню принятого радиолокационной станцией сигнала. Программное обеспечение (ПО) индикатора после вторичной обработки преобразует такие массивы в изображения на дисплее КРИ (компьютерного радиолокационного индикатора). Параллельно такой же массив изображения ледовой обстановки подается для вторичной обработки по определению границ льда и его сплоченности. Общий принцип определения сплоченности льда состоит из следующих этапов: - приведение исходного изображения к бинарному виду, в котором белым цветом представлены отражения от ледовых образований, надводных объектов, береговой черты и др., а черным цветом - отражения от свободной ото льда морской поверхности; - определение белых областей на черном фоне, выделение границ ледовых образований и определение сплоченности льда; - отображение на экране выделенной области льда и рассчитанной сплоченности льда по секторам в заданном направлении, наложение полученной информации на исходный отраженный радиолокационный сигнал на дисплее, совмещенном с электронной картой. Основные этапы вторичной обработки РЛИ представлены на схеме рис. 3.7.
Использование РЛС ММ-диапазона волн при околках судов, взятиях на буксир, швартовках судов и другие ледовые операции
При проводке двух и более судов во льдах остро встает вопрос контроля скорости движения конвоя, дистанции между ледоколом и проводимыми судами. Помимо главной задачи при плавании во льдах - выбор оптимального пути плавания судоводителям ледокола и транспортных судов необходимо контролировать дистанцию между судами ледового конвоя. РЛС миллиметровых волн позволяет автоматизировать этот процесс, выставив реальные размеры судов (длину, ширину) на экране РЛС и задав допустимые пределы изменений дистанций между судами каравана. При выходе за пределы разрешенных расстояний может подаваться звуковой или световой сигнал. Количество судов в ледовом караване, скорость следования судов, дистанция между судами конвоя выбирается из анализа ледовой обстановки, толщины льда, его сплоченности, торосистости, сжатия, направления и силы ветра и др. РЛС миллиметровых волн - это высокоинформативные глаза судоводителя на мостике ледокола, которая позволяет выбирать путь ледового плавания и вести контроль дистанций между судами конвоя, быстро, надежно и безопасно.
Рассмотрим возможность использования РЛС миллиметрового диапазона в ледовом плавании на примере испытания РЛС «Нева-ЛП» (заводской № 028), работающей в диапазоне миллиметровых волн, которые проводились в соответствии с программой и методикой испытаний, разработанных ЗАО МКиС, утвержденных ГМА им. адм. СО. Макарова и согласованных с ФГУП «Атомфлот». Испытания проходили в феврале 2010 года в ледовых условиях на атомном ледоколе «Вайгач» во время рейса на Варандей, а затем в порт Дудинка в процессе проводки танкера «Варзуга» через мыс Желания.
Помимо испытаний конструктивной надежности и технических характеристик РЛС, таких как точность, разрешающая способность и дальность обнаружения льдов, программа предусматривала проведение тактических изысканий с целью определения пригодности данной РЛС в качестве «ледового» радара. Данные исследования осуществлялись путем проведения сравнительного анализа РЛС, работающей в диапазоне миллиметровых волн, и РЛС, работающей в диапазоне сантиметровых волн со значительно худшим разрешением.
Для равнозначной оценки результатов сравнения видеосигналы обеих РЛС подвергались преобразованию в цифровой вид посредством 8-битных радар-процессоров, применяе мых в штатной комплектации РЛС «Нева-ЛП», и одновременными одинаковыми настройками радиолокационных изображений обеих РЛС.
Трехбитный радар-процессор из базовой комплектации РЛС СМ- диапазона радиоволн «Selesmar», используемый на ледоколе для выбора пути во льдах, обеспечивает формирование изображения на экране данной РЛС со значительно худшим разрешением.
РЛС «Нева-ЛП» может работать на выбор в режиме короткого, среднего и длинного зондирующего импульса. Короткий импульс дает более четкое изображение на малых шкалах, а мощный длинный импульс увеличивает дальность обнаружения целей. Для испытания РЛС «Нева-ЛП» в качестве «ледового» радара в основном использовали средний/короткий импульс с максимальной шкалой дальности 12 миль. По мнению судоводителей ледокола этой дистанции вполне достаточно для решения задач ледового плавания в ближней зоне. После определения оптимальной дистанции были произведены настройки для качественного приема сигналов на этих шкалах. При плавании в Баренцевом море на волнении 3-4 балла ледокол с периодичностью 15-20 мин испытывал воздействие интерферентных волн не ветрового направления. На малых шкалах РЛС ММ-диапазона радиоволн «Нева-ЛП» были обнаружены невидимые визуально и при помощи РЛС СМ-диапазона волн волны зыби длиной приблизительно 250 м. Таким образом, было установлено, что при соответствующих регулировках РЛС ММ-диапазона волн удалось определить и выделить из хаотичного волнения волны разных направлений и с достаточной точностью измерить их длину. Это имеет большое значение при решении задач штормования.
Плавание во льдах на Варандей в Баренцевом море началось с обнаружения полос и пятен серо-белого мелкобитого льда. Дистанция обнаружения РЛС ММ-диапазона волн и РЛС СМ-диапазона волн приблизительно одинакова, но в диапазоне ММ волн кромка льда вырисовывается более четко и подробно.
На рис. 4.13 а представлен фрагмент ледовой информации при подходе к танкеру с использованием РЛС «Нева-ЛП», из которого следует, что по радиолокационному изображению ММ-диапазона радиоволн ракурс судна хорошо определяется на рас стоянии 8-10 морских миль. Изображение более четкое и контрастное, чем с СМ-диапазоне волн.
При подходе к танкеру «Варзуга» в районе нефтяной платформы Варандей акватория была покрыта льдом, сплоченностью 10 баллов, в том числе тонким - 7, серо-белым - 2, ни-лас - 1; торосистостью - 3 балла. Описанные выше сморози создают картину покрытия льдом чашуйчатого вида, структура которого хорошо видна на экране РЛС ММ-диапазона волн и не наблюдается на экране РЛС «Selesmar».
Совместное использование информации от существующих навигационных РЛС с применением РЛС ММ- диапазона волн при плавании в условиях ограниченной видимости, стеснённых условиях, при плавания по каналам и фарватерам расширяет функциональные возможности радиолокационного комплекса, что повышает навигационную безопасность и увеличивает ходовую скорость ледового плавания.
В районе мыса Желания наблюдались зоны тонких льдов. Карское море пересекали по разрывам и трещинам в ледяном покрове. Между зонами тонких льдов в районе мыса Желания и на подходах к Енисейскому заливу форсировали перемычки льда сплоченностью 9 -10 баллов (средний - 3, тонкий - 3, нилас - 3-4, поля), обломки полей, дробленные вставки, торосы 2-3 балла, сжатие на стыках 2 балла.
В Енисейском заливе толщина припая составляла ПО - 120 см, снега - 10 см, в застругах 20 см. В районе Воронцово толщина льда - 130 см; на Турушинском перекате - канал тугой, частично переметенный, толщиной 110 - 120 см; на подходах к Дудинке толщина льда составляла 100 - 110 см, снега - 10 - 20 см.
На рис. 4.14 о изображение припайного льда более четкое и контрастное, хорошо наблюдаются два старых канала (1), при импульсной мощности 12 кВт (РЛС «Нева-ЛП»), которые не наблюдаются на рис. 4.14 б при импульсной мощности излучения в 24 кВт (РЛС «Selesmar»)
