Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ способов определения параметров морского волнения ... 10
1.1. Анализ влияния гидрометеорологических параметров на условия мореплавания 10
1.2. Анализ способов определения интенсивности морского волнения методом угловых расстояний 21
1.3. Анализ способов определения интенсивности морского волнения методом фоторегистрации 25
1.4. Анализ вариантов построения радиолокационных волномеров 29
1.5. Анализ способов определения интенсивности морского волнения с помощью ИСЗ 35
1.6. Влияние состояния атмосферы на дальность радиолокационного наблюдения 39
1.6.1. Ослабление, вносимое дождем 39
1.6.2. Ослабление, вносимое туманом 43
1.6.3. Ослабление, вносимое градом 44
1.6.4. Ослабление, вносимое облаками 45
1.6.5. Результаты измерений влияния метеорологических условий на распространение радиоволн судовой РЛС 46
1.7. Выводы по первой главе 50
ГЛАВА 2. Отражение радиоволн морской поверхностью . 52
2.1. Отражающие свойства морской поверхности 52
2.2. Определение направления распространения морского волнения на основе статистической структуры поля ... 61
2.3. Анализ интерпретации волнения и сигналов РЛС, отраженных от моря 66
2.4. Анализ структуры данных радиолокационного зондирования 70
2.5. Выводы по второй главе 74
ГЛАВА 3. Разработка способа определения параметров морской поверхности с помощью информации, получаемой от судовой радиолокационной станции 76
3.1. Выбор средства обработки радиолокационной информации 76
3.2. Методы цифровой обработки сигнала радиолокационной станции 82
3.3. Синхронизация РЛС с внешними средствами обработки 87
3.4. Алгоритм обработки результатов измерений 92
3.5. Практическая реализация радиолокационного волномера 102
3.6. Выводы по третьей главе 108
ГЛАВА 4. Апробация способа и средств определения характеристик морского волнения 109
4.1. Условия проведения экспериментальных исследований. 109
4.2. Обработка результатов измерений 112
4.3. Определение средней высоты морских волн 114
4.4. Определение генерального направления распространения волн 116
4.5. Определение длины морских волн 122
4.6. Практическое применение результатов исследования 123
4.7. Выводы по четвертой главе 124
Основные выводы и результаты 126
Список литературы 129
- Анализ способов определения интенсивности морского волнения методом фоторегистрации
- Определение направления распространения морского волнения на основе статистической структуры поля
- Синхронизация РЛС с внешними средствами обработки
- Определение генерального направления распространения волн
Введение к работе
Актуальность темы. Безопасность мореплавания является важнейшим фактором при осуществлении морского судоходства. В настоящее время этот вопрос остается одним из приоритетных практически во всех ведущих морских державах мира.
Для судов в открытом море волнение, как правило, оказывает решающее влияние на безопасность морского сообщения. Движение в штормовых условиях связано с целым рядом опасных обстоятельств: усилением качки, зарыванием в волну, попаданием на палубу больших масс воды и др. Особое влияние морское волнение оказывает на такие мореходные качества судна, как остойчивость, качка и управляемость.
Анализ состояния аварийности судов показывает, что ряд аварий на морском транспорте связан с неправильной оценкой состояния морского волнения. Так, 23 октября 2006 года в Японском море потерпел кораблекрушение и затонул теплоход «Синегорье». Основной причиной кораблекрушения признано ошибочное управление судном на попутном волнении, приведшее к попаданию судна в зону резонансной качки, периодическому резкому уменьшению его остойчивости на гребнях попутных волн и получению больших углов крена. 1 июля 2012 года в заливе Анива при циркуляции через левый борт у рыболовной шхуны «Аргонавт» палубу начало заливать водой. Судно развернуло лагом к волне, и оно затонуло. По мнению членов комиссии, расследовавших обстоятельства трагедии, капитан неправильно оценил параметры морского волнения и по этой причине не принял мер по обеспечению безопасности плавания.
В настоящее время, несмотря на разработанные рекомендации по управлению движением судна в полях волн, определение параметров морского волнения судоводителями до сих пор осуществляется визуально, особенно это затруднено ночью при интенсивных осадках. В результате в мировом судоходстве происходят тяжелые аварии, сопровождающиеся человеческими жертвами и экологическими катастрофами, связанные с неправильной оценкой судоводителями параметров морского волнения. В связи с этим актуальной проблемой, связанной с управлением судном, является определение параметров морского волнения, в большой степени влияющего на безопасное движение судна.
Диссертационная работа посвящена оценке состояния морской поверхности на основе обработки информации, поступающей от судовой радиолокационной станции, для снижения количества аварийных ситуаций вследствие движения судна в неблагоприятных сочетаниях курсовых углов и скоростей.
Результаты исследования направлены на повышение уровня безопасности судовождения, снижение морских и экологических катастроф.
Область исследования – методы и средства повышения безопасности мореплавания, а предмет исследования – определение параметров морского волнения на основе обработки принятого сигнала судовой РЛС.
Целью работы является разработка способа автоматического определения высоты, длины и направления распространения фронта морского волнения для уменьшения времени принятия судоводителем решения о способах штормования.
В связи с этим в данной работе были поставлены следующие задачи.
-
Анализ существующих способов определения параметров морского волнения.
-
Разработка способа определения высоты, направления и периода морского волнения по данным радиолокационного зондирования.
-
Создание алгоритмов обработки радиолокационной информации по определению характеристик морского волнения.
4. Разработка программно-аппаратного обеспечения, позволяющего
осуществлять прием и преобразование принятого радиолокационного сигна
ла для обработки с помощью вычислительных устройств.
Связь с государственными программами и НИР. Диссертационная работа связана с научно-исследовательской госбюджетной темой программы «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Разработка системы предупреждения аварийных ситуаций при маневрировании судна с учетом гидрометеорологической обстановки в зоне видимости судовой радиолокационной станции», выполняемой на кафедре технических средств судовождения Морского государственного университета им. адм. Г. И. Невельского.
Тема связана с федеральными целевыми программами: «Модернизация транспортной системы России» в рамках задачи «Комплексная информатизация транспорта на основе использования современных телекоммуникационных и навигационных систем»; планами НИР вуза в рам-4
ках темы «Повышение эффективности технических средств навигации и разработка методов их комплексного использования».
Научная новизна работы состоит в следующем.
-
Определена степень затухания радиоволн радиолокационного диапазона при различных метеорологических условиях на основе сопоставления данных о целях, определяемых транспондером автоматической идентификационной системы (АИС) и судовой РЛС.
-
Для оценки балльности морского волнения предложено использовать в качестве уровня мощности принятого радиолокационного сигнала количество предельных значений аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на единицу площади.
-
Впервые предложено определять направление распространения морского волнения по характеристикам корреляционных функций, рассчитанных на участках морской поверхности в различных азимутальных направлениях относительно курса судна.
-
Разработано устройство для определения состояния морской поверхности.
Основные научные результаты, выносимые на защиту.
-
Алгоритм оценки высоты морского волнения на основе анализа количества предельных значений аналого-цифрового преобразователя на единицу площади морской поверхности.
-
Алгоритм определения направления распространения фронта морского волнения, основанный на расчете минимального значения длины большой оси корреляционного эллипса, построенного по уровню коэффициента детерминации двумерной корреляционной функции принятого сигнала судовой РЛС.
-
Алгоритм определения периода морского волнения на основе способа применения спектрального анализа принятых сигналов РЛС, выбранных поперек фронта морского волнения.
4. Устройство для определения состояния морской поверхности.
Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации
способ, алгоритмы и программа обработки применены в комплексной обработке данных судовых РЛС. Возможна адаптация этих процедур к радиолокационным станциям различных производителей и при разработке новых навигационных систем. Удобный интерфейс представления радиолокационной информации о волнении позволяет оперативно принимать
решение о смене режима штормования на основе предупреждения о неблагоприятных сочетаниях скоростей судна и курсовых углов бега волн.
Апробация работы. Основные результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на следующих конференциях: молодежный конкурс ИТ-проектов «ДАЛЬИНФОКОМ» (Владивосток, Мор. гос. ун-т, 2009); итоговая конференция Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, программа «УМНИК» (Владивосток, Мор. гос. ун-т, 2009); международный транспортный форум «Транспорт России: становление, развитие, перспективы», выставка научно-технического творчества (Москва, МИИТ, 2009); V международный форум «Транспорт России» (Москва, Министерство транспорта РФ, 2011); конкурс на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых по техническому направлению (Владивосток, Мор. гос. ун-т, 2012); конференция Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, программа «УМНИК» (Владивосток, ДВФУ, 2012); 57-я, 58-я, 59-я, 60-я и 61-я научно-техническая конференция «Молодежь – наука – инновации» (Владивосток, Мор. гос. ун-т, 2009, 2010, 2011, 2012 и 2013 гг.).
Публикации. Результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 19 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК, и одна монография. Список работ приведен в конце автореферата. Получено решение Роспатента о выдаче патента на изобретение от 5 сентября 2013 г.: Хоменко Д. Б., Акмайкин Д. А. «Устройство для определения состояния морской поверхности», заявка № 2012125680/28(039446).
Личный вклад. Соискатель участвовал в подготовке материалов и написании статей по тематике диссертации, разработке и создании экспериментальной установки по обработке сигнала, получаемого с выхода приемника судовой радиолокационной станции. Проводил экспериментальные исследования и разрабатывал специализированные программные продукты для обработки и анализа данных радиолокационного зондирования.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 2 приложений и списка литературы (147 наименований). Общий объем работы – 153 страницы, в том числе 50 рисунков и 13 таблиц.
Анализ способов определения интенсивности морского волнения методом фоторегистрации
В 2009 году В. К. Лубковский предложил способ фотографирования волнового поля через рамку, предполагая в дальнейшем получить элементы волнения по методу ОЛВ, но выполняя необходимые измерения на фотоснимке. Эту работу завершил К. И. Зинченко, используя для обработки фотоснимки, соответствующие требованиям фоторегистрации волнения, и применяя к их обработке графический редактор Adobe Photoshop.
Основные требования к фоторегистрации волнения сводятся к выбору крутой рельефной волны; к расположению волны достаточно близко к судну, но вне зоны воздействия корабельных волн; к чёткости видимого горизонта; к выбору момента съёмки, когда оптическая ось объектива лежит в вертикальной плоскости, параллельной фронту волны и проходящей через подошву волны. Для отбора снимков использованы видеозаписи волнения. С помощью графического редактора на экран выводятся горизонтальные и вертикальные линейки и разворачивается изображение, что по соответствующим шкалам позволяет снять необходимые размеры для вычисления высот и длин волн по формулам (1.4) [72].
Данный учет и измерение могут быть выполнены с помощью фотосъемки экрана РЛС. Съемку необходимо дополнить визуальными наблюдениями экрана. Перед съемкой необходимо зафиксировать параметры погод 26 ных условий, сопровождающих судно в ближайшие 6 часов и на момент съемки. Визуальные наблюдения рекомендуется производить не одним наблюдателем.
Фиксация изображения РЛС может производиться телекамерой или фотоаппаратом. Однако не все РЛС при определенных погодных условиях способны «удерживать» отстроенное изображение. Поэтому целесообразнее использовать фотоаппарат.
Для получения наиболее полной картины волнового поля методом фоторегистрации одним из условий получения данных является установка фотоаппарата напротив экрана РЛС так, чтобы оптическая ось объектива совпала с осью луча развертки экрана. После подбора качественных снимков они распечатываются, и на гребнях волн, либо от середины до середины, либо между их начальными точками, снимаются расстояния. После того как все дистанции на экране будут измерены (в мм), длину волны можно вычислить по формуле [73]
Этот метод опробован ручной обработкой снимков экрана РЛС. Выполненная работа позволила выявить и устранить некоторые технологиче 27 ские препятствия, что в итоге позволило сделать вывод о приемлемости метода измерения ширины засветки волны на экране РЛС для оценки высот волн в исследовательских целях (из-за его трудоёмкости ).
Однако К. И. Зинченко удалось найти методы компьютерной обработки фотоснимка экрана РЛС, позволяющие существенно снизить трудоёмкость работы и при этом получить дополнительную информацию о волнении, труднодостижимую при ручной обработке снимков [49].
Для обработки снимков использована программа анализа изображений Altami Studio. Программа выполняет автоматическое распознавание объекта (в данном случае – распознавание засветки волн на экране РЛС), его оконту-ривание, вычисление некоторых параметров оконтуренных объектов (рисунок 1.9), а также в полуавтоматическом режиме выполнять некоторые построения и делать по ним замеры (рисунок 1.10).
Дополнительные построения на оконтуренных объектах в виде стрелок белого и чёрного цвета, соответствующих длине волны и ширине засветки от волн
Кроме того, предусмотрена возможность автоматического выполнения статистической обработки результатов, в том числе в диалоге с оператором.
Метод съемки экрана РЛС выбран как исследовательский ввиду пригодности для получения квазиодномоментной картины волнового поля с получением до нескольких сотен длин волн; определена возможность выявления наиболее вероятных параметров ветровых волн и волн зыби. Недостатком метода явились большие затраты времени на обработку фотоснимков, что определило его как исследовательский.
Определение состояния морской поверхности методом фоторегистрации подробно изложено в работах [24, 49, 72, 98, 99].
Из существующих систем мониторинга параметров морского волнения по данным РЛС можно назвать Wavex фирмы Mipos (Норвегия) и систему WaMoS II фирмы OceanWaveS (Германия) предоставляющие судоводителю такие параметры как: h3% –высота волны 3%-й обеспеченности; среднего периода волнения; скорости и направления бега преобладающих волн; длины преобладающих волн [27].
1. Согласно методике В. И. Сичкарева различная ширина засветки на экране РЛС связана с высотой морского волнения, что далее в работе будет использовано при автоматическом определении высоты морского волнения.
2. Анализ изображений для определения характеристик морского волнения с помощью программы Altami Studio в автоматическом режиме не решен, что требует разработки способов автоматического определения состояния морской поверхности.
Определение направления распространения морского волнения на основе статистической структуры поля
Существуют различные способы интерпретации метеорологических данных [34]. В настоящей работе направление распространения морского волнения предлагается определять, основываясь на информации о статистической структуре полей морских волн.
С математической точки зрения поля морского волнения весьма изменчивы как в пространстве, так и во времени. Поэтому для таких полей оказывается очень плодотворным использование статистического подхода, при котором они рассматриваются как случайные. В различных случаях элемент такого поля может принимать различные значения. Совокупность этих значений для рассматриваемого объема пространства в данном интервале времени представляет собой реализацию случайного поля.
Выбирая данные поля морского волнения на определенном участке, характеризующемся в некотором смысле одинаковыми внешними условиями, можно в принципе получить бесчисленный набор реализаций случайного поля. Статистический подход позволяет отказаться от попытки раздельного рассмотрения их индивидуальных свойств. Рассматривая лишь их статистические характеристики, можно установить общие особенности, характерные для всего набора реализаций. Эти общие особенности принято называть статистической структурой случайного поля.
При этом имеется в виду, что статистическое осреднение производится по всему набору возможных реализаций поля выбранного участка.
Если F h (x, у, t) f (d) есть 7-я реализация случайного поля (d - радиус-вектор точки, а среди координат поля могут быть и пространственные координаты и время), а всего таких реализаций N, то статистическое осреднение, производится по формуле
Величина f характеризует среднее из возможных значений в данной точке в данный момент времени. Наряду с этим представляет интерес рассмотрение величин, описывающих отклонение величины/от среднего. Для оценки возможного разброса величины используется значение дисперсии, представляющей собой средний квадрат отклонения ее от средней величины
Величина Of называется среднеквадратическим отклонением величины/
В связи с тем что структура поля морского волнения представляет собой поле с различной шероховатостью в разных направлениях, то в каждой отдельной реализации такого поля прирост величины/в той или иной точке зависит от направления. В связи с этим встает вопрос о том, насколько близки к этому значению значения /в окружающих точках. Простейшей характе 63 ристикой статистической связи является ковариационная функция величины f, которая для любой пары точек di и dk определяется по формуле которая для каждой пары точек гг и ги дает коэффициент ковариации значений величины/
Морскую поверхность для одного участка в разные моменты времени можно рассматривать как двумерное поле нескольких величин с возможностью оценки связи между ними. Эту связь можно характеризовать взаимными ковариационными и корреляционными функциями.
Так, для поля двух случайных величин/ и g(d) их взаимная ковариационная функция имеет вид [57]
В литературе для обозначения этой функции используется также термин «кросскорреляционная функция». Часто, для того чтобы подчеркнуть, что рассматривается связь между значениями одной и той же величины, вместо термина «ковариационная и корреляционная функция» используются термины «автоковариационная и автокорреляционная функции». Однако далее в работе будет использоваться термин «корреляционная функция».
Одним из способов выявления неоднородности, а как следствие, и направления шероховатости является анализ полученных в процессе расчета статистических характеристик, в первую очередь корреляционных функций [31].
Для оценки анизотропии поля производится расчет двумерных корреляционных функций. Расчет эмпирических оценок корреляционных функций ведется в скользящих перекрывающихся окнах по расстоянию и углу либо по широте и долготе. Процесс расчета двумерной корреляционной функции представлен на рисунке 2.1. Между данными из фиксированного сектора, обозначенного на рисунке цифрой 1, и данными субсектора, выбираемыми из перемещающегося вокруг первого сектора, обозначенного на рисунке цифрой 2, рассчитывается коэффициент корреляции. Субсектор смещается с постоянным фиксированным шагом по широте и долготе из верхнего левого в правый нижний угол поля. В месте нахождения центра субсектора присваивается значение рассчитанного коэффициента корреляции. В результате перемещения субсектора по всему выбранному полю рассчитанные коэффициенты корреляции представляют собой двумерную корреляционную функцию, вписанную в сектор 1.
На рисунке 2.2 в качестве примера приводится двумерная корреляционная функция, построенная по данным дистанционного зондирования водной поверхности со сканера SeaWiFS в 1998 г [25].
В случае отсутствия волнения морскую поверхность условно можно рассматривать как однородное и изотропное поле. Для такого поля одноточечные статистические характеристики (например, средние и дисперсии) являются одинаковыми во всех точках поля, а двухточечные характеристики (например, корреляционные функции) зависят лишь от расстояния между точками. С увеличением расстояния между точками ковариационные и корреляционные функции, вообще говоря, убывают, хотя это убывание может и не быть монотонным. При больших расстояниях связь между значениями элементов поля практически отсутствует, соответственно, ковариационные и корреляционные функции стремятся к нулю.
1. Статистические характеристики поля морского волнения позволяют определить параметры пространственной структуры поля, основным критерием которого в рамках работы является направление шероховатости.
2. Направление фронта распространения морского волнения в работе предлагается определять по направлению корреляционных функций, характеризующих шероховатость поверхности.
Синхронизация РЛС с внешними средствами обработки
В рассматриваемом примере при частоте следования зондирующих импульсов F = 1000 Гц, при угловой скорости антенны Ua = 24 об/мин, при ширине диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости аг = 1,8 в пачке содержится N = 13 отраженных от точечной цели импульсов. В течение одного периода следования стробирующих импульсов Т = 0,001 с антенна сделает поворот на 0,144. За время длительности пачки из 13 импульсов поворот антенны равен 0,144-13 = 1,87.
Каждая строка отличается от предыдущей строки по угловому положению антенны на 0,1. Следовательно, число скользящих строк Ь 19. Методом скользящей оценки на каждом дискрете дальности последовательно анализируются 0 ... 18, 1 ... 19, 2 ... 20 и т. д. группы строк. Результатами оценки для данного дискрета дальности является наличие или отсутствие цели (1 или 0), которые записываются соответственно в 18, 19, 20, и т. д. строки. Методика межимпульсной фильтрации при многоуровневом квантовании та же, с той разницей, что на каждом дискрете дальности оценке подлежит 8-битовая кодовая последовательность. При межобзорной фильтрации на всех дискретах дальности определяются результаты, записанные в соответствующих строках за несколько поворотов антенны [13, 117, 144].
Новые требования, предъявляемые к РЛС, привели к разработке совершенно новой техники, новых принципов радиолокации. В настоящее время на современных РЛС импульс, посылаемый станцией, представляет собой сигнал, закодированный по весьма сложному алгоритму, позволяющий получать данные повышенной точности и ряд дополнительных сведений о наблюдаемой цели. Развитие вычислительной техники и элементной базы приводит к тому, что мощные мегаваттные передатчики уходят в прошлое. На смену им приходят сложные системы РЛС средней мощности, объединенные посредством компьютера в навигационные комплексы. Благодаря внедрению информационных технологий стала возможна синхронная автоматическая работа нескольких РЛС. Радиолокационные комплексы постоянно совершенствуются, находя новые сферы применения [2, 114].
В результате проведенного исследования можно сделать вывод, что на основании схемы построения судовой РЛС возможна реализация предлагаемого в работе алгоритма без подключения внешнего устройства АЦП с выводом информации сразу на ПК. Используя разрабатываемый в работе способ, можно создать новые типы судовых РЛС, отражающих параметры морского волнения на экране станции.
Сигналы с видеоусилителя поступают в аналоговой форме, а кодирование и вывод их в сигнальный процессор или вычислительную машину требуют дискретной формы представления [41]. Для получения исходной информации в работе использовалась судовая РЛС JMA-2044, основные параметры которой приведены в таблице 3.2 [70, 104].
Точность определения расстояния 22 метра обусловлена размером пикселя на экране РЛС [4]. Регулировка малой постоянной времени позволяет достигнуть инструментального разрешения по дальности 3 метра [41].
Для дальнейшего анализа аналогового сигнала станции использовалась плата аналого-цифрового преобразования Ла-н20-12PCI. Плата предназначена для работы в составе персонального компьютера (ПК) типа IBM PC/AT. Основное назначение платы – преобразование непрерывных (аналоговых) входных сигналов в цифровую форму, которая удобна для дальнейшей обработки сигнала при помощи ПК [87]. Технические характеристики устройства приведены в таблице 3.3.
Для того чтобы подключить АЦП Ла-н20-12РС1 к РЛС JMA-2044, на станции были скоммутированы дополнительные выходы (рисунок 3.6). Сигнал с выхода видеоусилителя (Xtl) приемника подается на вход одного из аналоговых каналов платы (Хр4). Диапазон входного напряжения ограничен ±2 В. С выхода модулятора станции (Xt4) на вход внешней синхронизации (Xpl) поступает синхроимпульс в диапазоне ±5 В. Динамический диапазон входного напряжения схемы синхронизации разбит на 256 уровней. При совпадении заданного пользователем платы уровня напряжения синхронизации и напряжения входного сигнала аналогового канала вырабатывается импульс синхронизации, который производит пуск преобразования. С кодирующего механизма антенно-волнового тракта (Xt3) на вход синхронных цифровых данных (Хр5) подаются импульсы синхронизации курсового угла (КУ) антенны.
Описание входов/выходов РЛС JMA-2044: Xt1 – видеосигнал с выхода приемника; Xt2 – кванты кругового угла антенны; Xt3 – начало отсчета курсового угла антенны; Xt4 – импульс синхронизации.
Описание входов/выходов АЦП Ла-н20-12PCI: Xp1 – вход внешней синхронизации; Xp2 – вход внешней тактовой частоты; Xp3 – вход аналогового канала 1; Xp4 – вход аналогового канала 0; Xp5 – вход синхронных цифровых данных.
Видеосигналы радиолокационных импульсов, поступающих с выхода видеоусилителя приемника, квантуются по бинарному принципу, т. е. на выходе образуется сигнал «1» (единичной) амплитуды в случае превышения входного сигнала АЦП установленного порогового квантования, в обратном случае на выходе АЦП вырабатывается «0» (нулевой) амплитуды.
После прихода команды преобразования данные с АЦП циклически (непрерывно) записываются в выбранную часть внутреннего оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), которая именуется «предыстория». Циклическое внутреннее ОЗУ содержит 128 кСлов на канал. Объем используемого ОЗУ может быть программно уменьшен до 1 кСлова с шагом 2n , где n = 1, 2, …, например 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1 кСлов. Пока выбранный объем предыстории не заполнен синхроимпульсы блокируются и не обрабатываются. По заполнении предыстории и приходе импульса синхронизации записывается часть ОЗУ за вычетом объема «предыстории». Эта часть ОЗУ называется «историей».
Использование стандартного программного обеспечения производителя устройства АЦП позволяет наблюдать форму сигнала на входе устройства. В ходе практической реализации схемы синхронизации РЛС JMA–2044 и платы АЦП Ла-н20-12PCI [79] была создана экспериментальная установка по изучению сигналов РЛС (рисунок 3.7).
Определение генерального направления распространения волн
Между высотой волн и шероховатостью морской поверхности существует прямая связь. Однако шероховатость при зондировании поперек фронта волн больше, чем при зондировании вдоль фронта. Соответственно, форма корреляционной функции в секторе позволяет судить о направлении распространения морских волн вокруг РЛС.
В выбранных секторах (рисунок 4.3) рассчитывались корреляционные функции для одного и того же координатного сектора за несколько оборотов антенны. Полученные значения корреляционных функций подвергались некоторому сглаживанию. Это позволило выполнить экстраполяцию полученных корреляционных функций до расстояния, равного нулю [19].
На рисунке 4.6 в качестве примера приводятся двумерные корреляционные функции, построенные по данным зондирования морской поверхности при различном состоянии моря.
Далее по уровню Vi коэффициента детерминации двумерных корреляционных функций осуществлялось нахождение корреляционных эллипсов. Для дальнейшего анализа данных полей морских волн в корреляционных эллипсах находились значения длин большой оси Rh (рисунок 4.7).
На рисунках 4.8, 4.9 и 4.10 приведены примеры характерных корреляционных функций и корреляционных эллипсов для секторов 2, 4 и 5 при различных погодных условиях.
Как показал анализ корреляционных функций, построенных по данным снимков экрана РЛС, их форма сильно отличается при различных состояниях морской поверхности.
При легком ветре корреляционная функция отражает плавный спад примерно на 0,1 от 1 за 1015 м, и практически не зависит от азимутального направления исследуемого сектора. При увеличении шероховатости морской поверхности спад корреляционной функции значительно увеличивается. Изолинии корреляционных функций в различных анализируемых секторах экрана РЛС похожи на эллипсы, вытянутые вдоль направления импульса зондирования.
На основании полученных результатов можно сделать вывод, что по форме корреляционной функции, рассчитанной по данным принятого сигнала, можно определять направление распространения морского волнения [7].
В разделе 3.4 был предложен алгоритм определения частоты морского волнения с помощью быстрого преобразования Фурье. Однако в связи с тем, что частота дискретизации используемого в работе АЦП составляла не более 50 МГц, то исходя из условий теоремы Котельникова [19, 43] расчет проводился только для высоты морского волнения 1,31,5 метра.
Анализ данных (рисунок 3.8) показал, что для экспериментальной установки, используемой в работе, оценки частоты морского волнения оптимально проводить на дистанции от 150 до 300 метров. После определения направления распространения морского волнения из данных радиолокационного зондирования выбирался сектор по курсовому углу 210 градусов, шириной 10 метров и длиной 200 метров на расстоянии 150 метров от судна.
Процедура прямого преобразования Фурье и применение теоремы Парсева-ля к данным радиолокационного зондирования позволила построить функцию средней спектральной мощности различных гармоник волнения (рисунок 4.12).
На полученных спектрах наблюдаются значения основных гармоник длины морских волн от 12 до 17 метров, что подтверждено визуальными наблюдениями и результатами измерений другими методами [77]. Следует отметить, что погрешность определения основной гармоники морского волнения для волн высотой менее 1,5 достигает 50 %. В случае более сильного волнения форма волны выражена более четко, погрешность измерения значительно уменьшается [121].
Проведенные в данном пункте расчеты показали работоспособность предложенного способа. Однако для расширения диапазона определения длин волн необходимо использование АЦП с большей частотой дискретизации.
Автором диссертационной работы предлагается автоматизировать процесс получения характеристик морского волнения с помощью разработанного им способа. Алгоритмы, предложенные в работе, могут использоваться в программном комплексе, предложенном М. А. Кутейниковым. Автоматическое внесение информации о параметрах волнения вокруг судна выдаст судоводителю рекомендации по выбору сочетания курсового угла и скорости движения в текущих условиях моря, которые безопасны по условиям мореходности и прочности. Благодаря этому от оператора не требуется навыка по определению параметров морского волнения, ввод динамических параметров волнения вручную. Также использование предложенного способа позволит проводить оценку опасности морского волнения при любом состоянии окружающей среды, в том числе ночью в условиях сильного тумана.
Преимущество разработанного устройства над существующими зарубежными системами заключается в том, что сопоставимая точность результатов измерений достигается при высоте установки антенны РЛС всего 8 метров над уровнем моря, когда у зарубежных от 15 м. Конечная стоимость устройства на порядок дешевле.
Имея возможность автоматического определения данных о полях волн и передачи их в объединенную диаграмму безопасных режимов движения по условиям мореходности и прочности, можно создать устройство предоставления судоводителю максимально достоверную информацию для выбора оптимального способа штормования.
Используя приведенные результаты описывающие движение судна при различных условиях, можно создать устройство, позволяющее точнее рассчитывать маневр на существующем в настоящее время оборудовании, используя дополнительные данные для расчетов. В такой системе изначально будут использоваться параметры движения судна, полученные при заводских испытаниях. В дальнейшем коэффициенты, описывающие траекторию движения судна, корректируются автоматически, каждый раз при изменении параметров, как судна (характера, массы груза и особенности загрузки), так и окружающей среды [5]. Если знать точную траекторию маневрирования судна, дальнейшим развитием работы в этом направлении может быть согласование предлагаемого устройства с другим судовым навигационным оборудованием, и при движении судна устройство сможет предупреждать судоводителя, об опасности совершения того или иного маневра в условиях шторма. С таким устройством судоводителю становится проще избежать попадания судна в опасную зону, что, несомненно, повысит безопасность мореплавания [119].
