Статья: Формирование радиолокационных изображений гидродинамических образований, создаваемых кораблем

Морской гидрофизический институт РАН

ФОРМИРОВАНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ОБРАЗОВАНИЙ, СОЗДАВАЕМЫХ КОРАБЛЕМ

А.С. Запевалов

В настоящее время одним из путей решения проблемы освещения надводной обстановки на больших акваториях является использование установленных на аэро- и космических аппаратах радиолокаторов с высоким пространственным разрешением, которые регистрируют гидродинамические возмущения, создаваемые надводными объектами [1, 2]. Размещенные на борту космического аппарата радиолокаторы также позволяют получать информацию о приводном ветре [3], волновой обстановке и поверхностных течениях [4].

Разработка космических радиолокационных станций военного назначения началась в конце 50-х годов и интенсивно развивается до настоящего времени. В конце 90-х годов началась разработка радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) третьего поколения Их особенностью является высокое пространственное разрешение (единицы метров) и возможность использования космических аппаратов малого и среднего класса (массой 700…1500 кг). В случае применению широкополосных радиосигналов может быть достигнуто сверхразрешение (примерно до 0.3 м [5]).

Задача радиолокационного обнаружения искусственных гидродинамических образований на морской поверхности имеет две составляющие. Первая составляющая - это построение теории рассеяния радиоволн на шероховатой морской поверхности. Основные положения этой теории были сформулированы в начале 70-х годов [6]. С развитием средств радиолокационного зондирования, повышения их разрешающей способности возросла интенсивность исследований особенностей обратного рассеяния радиоволн СВЧ диапазона гидродинамическими образованиями, созданными надводными объектами (см. работы [7, 8] и библиографию к ним). Вторая составляющая - исследования механизмов образования гидродинамических образований, возникающих при движении надводного объекта, интенсивно развивается в настоящее время [9, 10].

Целью настоящей работы является анализ современные представления о физических механизмах формирования радиолокационных изображений гидродинамических образований, создаваемых движущимися надводными объектами.

Формирование поверхностного следа надводного объекта

До недавнего времени было принято считать, что поверхностный след составляют три типа возмущений. К первому типу возмущений относятся корабельные волны (волны Кельвина), симметрично распространяющиеся под углом 19.5° к курсу объекта, и поперечные волны, распространяющиеся в направление движения объект [11]. Длины поперечных и продольных волн однозначно определяются одним параметром, каковым является скорость объекта , и описываются выражениями

и ,

где - ускорение свободного падения. Волновой след является наиболее изученным проявлением возмущений морской поверхности, создаваемых кораблем. Исследованию корабельных волн уделялось большое внимание, поскольку мощность, затраченная на их генерацию, может составлять значительную часть мощности корабельных двигателей. То обстоятельство, что длины корабельных волн являются функцией одного параметра, позволяет оценивать скорость объекта по радиолокационным изображениям созданных им корабельных волн.

Радиолокационные изображения корабельных волн определяют два фактора. Первым фактором является модуляция уровня шероховатости вдоль профиля корабельной волны, под воздействием генерируемых ею знакопеременных орбитальных скоростей. Еще один фактор - это изменение корабельной волной локального наклона морской поверхности, в результате чего брегговские (резонансные) волны распространяются по криволинейной поверхности [12].

Численное моделирование показывает [13], что при радиозондировании в L-диапазоне корабельные волны видны лучше, чем при зондировании в С-диапазоне. Длины радиоволн, в которых работают устанавливаемые на космических аппаратах локаторы, соответствующие основным диапазонам, согласно принятым стандартам IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), приведены в табл. 1.

Табл. 1. Диапазоны радиоволн по стандарту IEEE

Вторым типом возмущений морской поверхности является пенный след. Он образуется в результате обрушений длинных гравитационных волн вблизи носовой части движущегося объекта. При обрушении волн, как показано в работе [13], вблизи гребня могут возникать фокусирующие структуры, которые дают высокий уровень отраженного радиосигнала. Этот эффект имеет место только при малых углах скольжения. При зондировании с космических аппаратов максимальные углы падения для радаров с синтезированной апертурой не превышают 50є-60є (соответственно углы скольжения больше 30є-40є), поэтому эффект фокусировки можно не учитывать.

Возмущения третьего типа возникают в результате взаимодействия зоны повышенной турбулентности в кильватерной струе с полем коротких ветровых волн. Физическими механизмами, ответственными за появление зоны повышенной турбулентности позади движущегося объекта, являются: обрушение ветровых волн и зыби в носовой части объекта, обтекание водным потоком корпуса объекта, работа движителя.

Анализ данных, полученных с помощью спутниковых радиолокаторов с синтезированной апертурой ASAR Envisat и SAR ERS-2, показал, что турбулентные корабельные следы являются долгоживущими образованиями и имеют длины в десятки, а иногда и в сотни километров [15]. На радиолокационных изображениях след выглядит как более темная, чем окружающий фон, полоса, которая начинается непосредственно за кораблем. При зондировании морской поверхности, в ситуациях, когда регистрируемый сигнал определяется резонансным рассеянием, темный цвет полосы на радиолокационных изображениях соответствует более низкому, чем в окрестности следа, уровню шероховатости.

Схематично традиционное представление возмущений морской поверхности, создаваемых движущимся по ней объектом, представлено на рис. 1. Здесь черными линиями показаны корабельные волны: 1 - продольные волны, 2 - поперечные волны. Красными штриховыми линиями показан клин Кельвина. Синий пунктир - это продолжение корабельных волн за границу клина Кельвина, поскольку на этой границе гребни волн не обрываются, а спадают экспоненциально [11]. Желтым цветом отмечен турбулентный след. Зеленым цветом показана область пены. Этот вид следа является короткоживущим, по сравнению с двумя другими типами возмущений.

Первые радиолокационные изображения следов надводных кораблей были получены со спутника SEASAT в 1978 г. [16]. С появлением радаров с синтезированной апертурой аппаратура этого типа, имеющая высокое пространственное разрешение, начала активно использоваться для исследования корабельных следов. Проведенные исследования позволили выявить новый тип возмущений морской поверхности, который получил название узкий V-образный корабельный след (narrow V-like ship wake) [17]. Он представляет собой две полосы, расходящиеся под углом 2-3° к курсу объекта. На радиолокационных изображениях длина следа достигала нескольких десятков километров, и менялась в зависимости от погодных условий, типа и скорости судна, а также от длины волны, на которой работал локатор [2].

Рис. 1. Типы возмущений морской поверхности, создаваемые движущимся надводным объектом

Узкий V-образный след впервые был обнаружен в 1978 г., на изображениях, полученных с помощью радара с синтезированной апертурой, который был установлен на космическом аппарате SEASAT [18]. Хотя, как и корабельные волны, он имеет клиновидную форму, его характеристики сильно отличались от характеристик традиционно регистрируемых корабельных волн.

Изображения, полученные с помощью радаров с синтезированной апертурой, интерпретируются в рамках модели резонансного (брегговского) рассеяния. Для радара, установленного на космическом аппарате, SEASAT длина резонансной составляющей поля поверхностных волн приблизительно равнялась 30 см [18].

На радиолокационных изображениях узкий V-образный след выглядит как две светлых линии. Пример изображения такого следа приведен на рис. 2, который является фрагментом рис. 3, представленного в работе [18]. Обратим внимание на то, что на данном изображении не видны корабельные волны и турбулентный след.

Рис. 2. Радиолокационное изображение узкого V-образного следа, полученное с помощью радара с синтезированной апертурой, установленного на космическом аппарате SEASAT

Следует отметить, что наблюдения морской поверхности в оптическом диапазоне, где физическим механизмом, формирующим изображение морской поверхности, является зеркальное отражение, также подтвердили существования узкого V-образного следа [18].

Физические модели формирования узкого V-образного корабельного следа

Обнаружение нового типа поверхностного корабельного следа потребовало построение модели, описывающей его образование. Были предложены несколько физических механизмов, ответственных за появление узкого V-образного корабельного следа.

Внутренние волны. В работе [19] была предложена модель образования узкого V-образного корабельного следа в результате генерации в приповерхностном слое кораблем внутренних волн и их взаимодействии с короткими ветровыми волнами. Как правило, корабельные внутренние волны наблюдаются при средних скоростях ветра при наличии в приповерхностном слое моря значительного вертикального градиента плотности. В указанных условиях они хорошо видны на изображениях морской поверхности, полученных при радиозондировании в С-диапазоне, и несколько хуже в X-диапазоне (см. табл. 1).

По мнению авторов работы [19] различие в контрастах изображений внутренних волн, полученных в разных диапазонах, связано с тем, что время жизни более длинных брегговских компонент для С-диапазона больше, чем для X-диапазона. Отметим, однако, что релаксация коротких поверхностных волн имеет характерные периоды порядка десятков секунд, т.е. для существования достаточно длинного узкого V-образного корабельного следа необходим физический механизм, поддерживающий его образование. Это означает, что генерируемые кораблем внутренние волны также должны существовать достаточно длинный промежуток времени.

Вихри. Возможным физическим механизмом образования узкого V-образного корабельного следа могут также являться вихри, образующиеся позади движущегося объекта и имеющие горизонтально ориентированную ось [20]. Азимутальная ориентация оси вихрей близка к курсу корабля. Индуцированное вихрями поле горизонтальных скоростей приводит к модуляции энергии коротких поверхностных волн, что, в свою очередь, приводит к появлению темных и светлых полос на радиолокационных изображениях морской поверхности.

Граница зоны повышенной турбулентности. Как отмечалось выше, позади движущегося объекта образуется зона повышенной турбулентности, которая имеет достаточно хорошо выраженную границу. Эта граница не является прямой линией, она имеет волнистую форму и подвержена колебаниям. Эти колебания, возможно, связаны с взаимодействие зоны повышенной турбулентности с длинными энергонесущими составляющими поля естественных поверхностных волн. В работе [17] предложена модель, согласно которой появление узкого V-образного корабельного следа обусловлено существованием этой границы.

В ходе проведения исследований изменения уровня шероховатости морской поверхности при переходе от штиля к ветровому волнению [21] нередко наблюдались ситуации, в которых переход слик-рябь (выглаженная - шероховатая поверхность) не описывался одной ступенькой. На границе зоны слика наблюдалась узкая хорошо выраженная полоса повышенной шероховатости. К сожалению ее характеристики было сложно зафиксировать при измерениях in-situ неподвижным лазерным уклономером. Однако визуальные наблюдения вдоль зоны слика полосы более шероховатой поверхности, чем в прилегающей зоне ряби, являются косвенным подтверждением справедливости предложенной в работе [17] модели образования узкого V-образного корабельного следа.

Отмечу, что в доступных литературных источниках не удалось найти работы, в которых для одного и того же радиолокационного изображения сравнивались характеристики турбулентного следа и узкого V-образного корабельного следа.

Наблюдения корабельных следов в разных метеоусловиях

Сигнал, получаемый с помощью установленных на космических аппаратах радиолокаторов с синтезированной апертурой, определяют коротковолновые составляющие поля поверхностных волн. Динамические образования, создаваемые движущимися надводными кораблями, возмущают структуру морской поверхности, создавая пространственные неоднородности волнового поля. Эти неоднородности и являются следами надводных кораблей. физический радиолокационный зондирование космический