웨이브 레이더

해양 레이더를 이용하여 바다의 파도를 측정한다.

웨이브 레이더는 풍파를 측정하는 레이더의 일종이다. 다양한 개념과 기법을 바탕으로 한 여러 악기를 사용할 수 있으며, 이러한 악기를 모두 흔히 부른다. 이 기사(Grønlie 2004 참조)는 가장 일반적인 지상 기반 레이더 원격 감지 기법에 대해 간략히 설명한다.

레이더 원격 감지 기술에 기반한 계측기는 수면과 직접 접촉하지 않고 구조적 간섭을 피하는 것이 중요한 용도에 특히 관심을 갖게 되었다. 대표적인 예가 심해에서 연안 플랫폼에서 파도를 측정하는 것인데, 급류가 계류하는 것이 매우 어려울 수 있다. 또 다른 흥미로운 사례는 현재 진행 중인 선박인데, 바다에 계측기를 두는 것은 매우 비실용적이며 선박 선체의 간섭을 피해야 한다.

레이더 원격 감지

용어 및 정의

기본적으로 해양 파도를 위한 레이더 원격 센서에는 두 가지 등급이 있다.

다이렉트 센서는 파형 시스템의 관련 매개변수(예: 표면 고도 또는 입자 속도)를 직접 측정한다.
간접 센서는 해수면의 레이더 단면처럼 다른 물리적 프로세스와의 상호작용을 통해 표면파를 관측한다.

마이크로파 레이더를 두 가지 다른 모드로 사용할 수 있다.

거의 수직 모드. 레이더 메아리는 바다 표면에서 반사된 정반사에 의해 생성된다.
낮은 방목 각도 모드. 레이더 메아리는 Bragg 산란으로 생성되므로 바람 발생 표면 리플(모세관 파동)이 존재해야 한다. 백스캐터된 신호는 큰 표면 중력파에 의해 변조되며 중력파 정보는 백스캐터된 신호의 변조로부터 도출된다. 식물과 슐러(1980)는 바다 표면의 마이크로파 원격 감지 이론을 훌륭하게 제시한다.

레이더 발자국(레이더에 의해 조명되는 표면적의 크기)은 관심 있는 모든 해양 파장과 비교하여 작아야 한다. 레이더 공간 분해능은 레이더 신호의 대역폭(레이더 신호 특성 참조)과 레이더 안테나의 빔 폭에 의해 결정된다.

마이크로파 안테나의 광선이 갈라진다. 따라서 분해능은 범위가 증가함에 따라 감소한다. 모든 실용적 목적을 위해 IR 레이더(레이저)의 빔이 이탈하지 않는다. 따라서 해상도는 범위와 무관하다.

HF 레이더는 Bragg 산란 메커니즘을 활용하며 항상 매우 낮은 방목 각도에서 작동한다. 작동 빈도가 낮기 때문에 레이더 전파는 중력파에서 직접 역추적되므로 표면의 리플은 존재할 필요가 없다.

레이더 트랜스시버는 일관성이 있거나 일관성이 없을 수 있다. 일관성 있는 레이더는 진폭 변조뿐만 아니라 도플러-변조도 측정하고, 일관성 없는 레이더는 진폭 변조만 측정한다. 따라서 일관성이 없는 레이더 에코에는 해수면 특성에 대한 정보가 더 적게 포함되어 있다. 일관성이 없는 레이더의 예로는 재래식 해상 항법 레이더가 있다.

에너지는 각도의 함수로 해수면에서 역주행했다.

레이더 송신기 파형은 변조되지 않은 연속파, 변조 또는 펄스일 수 있다. 변조되지 않은 연속파 레이더는 범위 분해능은 없지만 다른 속도에 기초해 표적을 해결할 수 있는 반면 변조되거나 펄스된 레이더는 다른 범위의 메아리를 분해할 수 있다. 레이더 파형은 레이더 이론에서 매우 중요한 역할을 한다(Plant and Shuler, 1980).

성능에 영향을 미치는 요인

작동 모드 또는 측정 형상(수직 또는 방목)
시스템 클래스(직접 또는 간접)
작동 빈도
레이더 파형(변조되지 않은 CW 또는 변조/펄스)
송수신기 유형(일관 또는 비일관)
레이더 안테나 속성

원격 감지 기술

파동의 원격 감지를 위한 다양한 레이더 기법에 대한 훌륭한 조사는 터커(1991)에 의해 주어진다.

마이크로파 레인지파인더

마이크로파 레인지파인더는 또한 GHz 주파수에서 수직 모드로 작동하며 레이저 레인지파인더만큼 안개와 물 분무에 영향을 받지 않는다. 연속파 주파수 변조(CWFM) 또는 펄스 레이더 파형은 일반적으로 범위 분해능을 제공하는 데 사용된다. 빔이 분산되기 때문에, 발자국의 선형 크기는 범위에 정비례하는 반면, 발자국의 면적은 범위의 제곱에 비례한다.

마이크로파 탐지기의 한 예는 조수를 포함한 파도와 수위를 측정하도록 설계된 미로스 SM-094이다. 이 센서는 NOAA의 PORTS 시스템에서 공극(교량 간극) 센서로 사용된다. 또 다른 예는 로즈마운트 탱크 레이더의 파생품인 WaveRadar REX이다.

디지털화된 바다 잡동사니 이미지.

3개 이상의 위치에서 수면의 표고에 대한 데이터로부터 파고의 방향 스펙트럼을 계산할 수 있다. 이 알고리즘은 디스크 모양의 파동 부표가 제공하는 단일 위치에서 하브(수직 운동), 피치 및 롤링 데이터로부터 방향 스펙트럼을 생성하는 것과 유사하다. 수평, 등변 삼각형의 정점에 발자국이 있는 세 개의 수직 레이더 배열은 수면 위도에 필요한 데이터를 제공할 수 있다. "방향 도파관"은 이 기술을 기반으로 한 상업용 레이더 시스템이다. 그것은 네덜란드 회사인 Enraf와 Radac에서 이용할 수 있다.

해상 항법 레이더

해상 항법 레이더(X밴드)는 바다 물결 무늬를 닮은 패턴이 담긴 바다 잡동사니 이미지를 제공한다. 레이더 비디오 신호를 디지털화하면 디지털 컴퓨터로 처리할 수 있다. 해수면 파라미터는 이러한 디지털화된 영상에 기초하여 계산할 수 있다. 해상 항법 레이더는 낮은 방목 각도 모드에서 작동하며 풍력 발생 표면 리플이 있어야 한다. 해상 항법 레이더는 일관성이 없으며, 파도 높이와 레이더 백스캐터 변조 진폭 사이에는 직접적인 관계가 없기 때문에 간접파 센서의 대표적인 예다. 파장 스펙트럼 스케일링의 경험적 방법이 일반적으로 사용된다. 해상 항법 레이더 기반 파동 센서는 파동 방향 측정에 탁월한 도구다. 해상 항법 레이더도 표면 전류 측정을 위한 도구가 될 수 있다. 몇 km 거리까지의 전류 지도뿐만 아니라 전류 벡터의 점 측정이 제공될 수 있다(Gangeskar, 2002). 미로스 WAVEX는 움직이는 선박의 방향파 측정으로 주요 적용 영역을 갖고 있다. 해양 레이더 기반 시스템의 또 다른 예는 OceanWave WaMoS II이다.

펄스 도플러 파형과 전류 레이더의 측정 기하학.

레인지 게이트 펄스 도플러 마이크로파 레이더

레인지 게이트 펄스 도플러 마이크로파 레이더는 낮은 방목 각도 모드에서 작동한다. 여러 안테나를 사용하면 기본적으로 수평 물 입자 속도의 방향 스펙트럼을 측정하는 방향파 센서로 사용할 수 있다. 속도 스펙트럼은 선형파 이론에 기초한 수학 모델에 의해 파장 높이 스펙트럼과 직접 관련되며 대부분의 조건에서 파장 스펙트럼의 정확한 측정이 제공될 수 있다. 탑재된 플랫폼에서 멀리 떨어진 곳에서 측정을 할 때, 파형장은 플랫폼 구조로부터의 간섭에 의해 소량 교란된다.

레인지 게이트 펄스 도플러 레이더 기법을 기반으로 한 웨이브 센서로는 미로스파 및 전류 레이더가 유일하다. 또한 이 레이더는 이중 주파수 기법(아래 참조)을 사용하여 표면 전류 벡터의 점 측정을 수행한다.

듀얼 주파수 마이크로파 레이더

이중 주파수 마이크로파 레이더는 두 개의 마이크로파 주파수를 동시에 전송한다. 주파수 분리는 관심 물파의 범위에 있는 "공간 박동" 길이를 주기 위해 선택된다. 이중 주파수 레이더는 고주파(HF) 레이더와 동등한 마이크로파로 간주할 수 있다(아래 참조). 이중 주파수 레이더는 표면 전류 측정에 적합하다. 파동 측정에 관한 한 백스캐터 프로세스는 너무 복잡하여(잘 이해되지 않아) 유용한 측정 정확도를 얻을 수 없다.

HF 레이더

HF 레이더 CODAR SeaSonde와 Helzel WERA는 최대 300km 범위까지 해류 측정을 위한 강력한 도구로 잘 확립되어 있다. 10~300m 범위에서 레이더 파장에 해당하는 HF와 낮은 VHF 주파수 대역에서 작동한다. 레이더 에코의 첫 번째 순서 Bragg 라인의 도플러 이동은 이중 주파수 마이크로파 레이더와 매우 동일한 방식으로 해류 추정치를 도출하는 데 사용된다. 다른 각도에서 해수면의 동일한 패치를 보는 레이더 설치가 일반적으로 필요하다.^[1] 최신 세대의 해안 기반 해양 레이더는 해류 지도를 위한 200 km 이상, 파도를 측정하는 Helzel WERA를 위한 100 km 이상에 도달할 수 있다. 모든 해양 레이더의 경우 사정거리의 정확도가 뛰어나다. 범위가 짧을수록 범위 분해능이 미세해진다. 각도 분해능과 정확도는 사용된 안테나 배열 구성과 적용된 알고리즘(방향탐색 또는 빔 형성)에 따라 달라진다. WERA 시스템은 두 가지 기법을 모두 사용할 수 있는 옵션을 제공한다. 즉, 방향을 찾는 컴팩트 버전 또는 빔 형성 방법이 있는 어레이형 안테나 시스템이다.

전문 X-밴드

퓨처웨이브 기술은 당초 제너럴 다이내믹스의 응용물리과학공단이 해군 ONR(Office of Naval Research)용 환경선박 및 모션 예측(ESMF) 시스템으로 개발했다. 이 기술은 상업 시장에 출시될 수 있도록 각색되어 휴스턴 텍사스에서 열린 2017년 오프쇼어 테크놀로지 콘퍼런스에 처음으로 공개되었다.

이 기술은 백스캐터 도플러를 약 5km 범위까지 측정할 수 있는 맞춤형 웨이브 센싱 레이더를 사용해 기존 웨이브 예측 시스템과 다르다. 레이더 안테나는 수직 극성을 띠어 바다 표면 백스캐터 신호를 강화한다. 또한 최소 제곱 반전이라는 수학적 프로세스를 통해 본질적으로 소음이 심한 백스캐터 신호를 처리하는 혁신적인 레이더 신호 처리 방식을 사용한다. 이 접근방식은 레이더 데이터에 매우 과도하게 결정된 필터를 적용하고, 들어오는 파동을 관찰하지 않는 레이더 스캔을 거부한다. 그 결과는 2-3분간의 창에 걸쳐 선박의 움직임을 강제하는 전파 입사파장을 정확하게 나타낸 것이다. 또한 파장 처리 알고리즘은 파장 2차원 전력 스펙트럼과 파장 부표가 제공하는 것과 유사한 유의한 파장 높이를 실시간으로 계산할 수 있다.

또한 사전 계산된 힘/반응 데이터베이스에 의존하는 혈관 움직임 예측 프로세스를 사용한다. 동적 운동 자유도는 이후 선박 운동 센서 출력에 의해 제공되는 초기 관성 상태와 함께 다도 자유도, 강제, 결합 미분 방정식을 수치적으로 해결함으로써 미래 운동이 예측되는 덩어리 기계 시스템으로 표현된다. 시간 영역 솔루션은 2차 롤 댐핑 및 롤 컨트롤 시스템과 같은 비선형 강제 메커니즘을 예측에서 포착할 수 있도록 한다.

마지막으로, 센서 피드, 서브루틴 처리 및 사용자 디스플레이를 통합하기 위해 그라비티 오픈 아키텍처 미들웨어 솔루션을 사용한다. 이러한 개방형 아키텍처 접근방식은 특정 혈관 및 기계(예: 크레인)의 물리 기반 모델과 함께 사용자 정의 운영자 디스플레이를 시스템에 구현할 수 있다.

참조

^ CODAR 해양 센서(COS)

Gangeskar, R., (2002),“Ocean Current Estimated from X-band Radar Sea Surface Images”, IEEE Transactions on Remote Sensing, vol. 40, no. 4.
Grønlie, Ø (2004). “Wave Radars – A comparison of different concepts and techniques”, Hydro International, volume 8, number 5, June 2004.
Plant, W.J. and D.L. Shuler, (1980) “Remote sensing of the sea surface using one and two frequency microwave techniques”, Radio Science, Vol. 15 No. 3, pages 605-615.
Tucker, M.J., (1991) “Waves in Ocean Engineering, measurement analysis, interpretation”, Ellis Horwood Limited, Chapter 8, pages 231-266.
Wyatt, (2009) "Measuring high and low waves with HF radar", Proceedings of IEEE Oceans Conference, Bremen, 2009.
HYDRO International, (2010) "WERA Ocean Radar System - Features, Accuracy and Reliability", HYDRO International, Volume 14, Number 3, 2010, pages 22-23.

외부 링크

마이크로파 범위 검색기:

레인지 게이트 펄스 도플러 마이크로파 레이더:

폭풍우 연구 II; F.W. 돕슨, 캐나다 어업 및 해양, 베드포드 해양학 연구소, 다트머스, 캐나다 NS, E; MIROS 시스템 평가 캐나다 NS, Halifax, Dunlap ASA Consulting Ltd.

X-밴드 기반 파형 센서:

HF-Radar:

[1] CODAR 해양 센서(COS)

[1]

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