WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

Сиваченко Борис Николаевич

СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ СМ- и ММ-ДИАПАЗОНОВ РАДИОВОЛН ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАВИГАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПЛАВАНИЯ В ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЯХ

05.12.14 Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственная морская академия имени адмирала С.О. Макарова».

Научный руководитель:  доктор технических наук, профессор,

  Ничипоренко Николай Тимофеевич 

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

  Логиновский Владимир Александрович

доктор технических наук, профессор,

Ушаков Иван Елисеевич

Ведущая организация: ЗАО «Центральный научно-исследовательский и проектно-конструктроский институт морского флота».

Защита состоится  «04» _декабря______ 2012 г. в _15:00_ на заседании диссертационного совета Д 223.002.01 при Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственная морская академия имени адмирала С.О. Макарова» по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Заневский пр., дом 5, ауд._402 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной морской академии им. адм. С.О. Макарова.

Электронная версия автореферата размещена на официальном сайте ГМА им. адм. С.О. Макарова  www.gma.ru  « 31 »октября 2012 г.

Автореферат разослан «02» ноября 2012 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета 

Кандидат технических наук, доцент Рябышкин В.Н.

Общая характеристика работы

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

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 71 наименования библиографических источников. Общий объем диссертации 102 страницы, включая 41 рисунок и 4 таблицы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положен ия, дана общая характеристика работы.

В первой главе проведен анализ технических средств, установленных на ледоколах и судах активного ледового плавания, комплекса технических средств, устанавливаемых на других носителях и на берегу для проведения ледовых разведок, обработки полученной ледовой информации, передачи информации на суда и ледоколы для выбора пути безопасного ледового плавания. Предложена классификация по месту установки и принципу работы, отмечены их преимущества и недостатки.

Аппаратура и методы передачи информации о ледовой разведке, установленные на самолетах и вертолетах ледовой разведки, улучшают выбор пути следования в генеральном направлении и в ближней зоне движения караванов судов. Однако, в настоящее время, аппаратура «Нить-Л» с РЛС БО «Торос» не изготавливается отечественной промышленностью, что значительно затрудняет  использование только РЛС СМ-диапазона радиоволн.

Спутниковые системы ДЗЗ широко применяются для глобального зондирования Земли, в том числе ледового покрова. Три станции приема этой информации в России дают возможность применения ее по отдельным регионам. В качестве недостатков отмечена высокая цена снимков за 1 кв. км площади ледового покрытия и большое время обновления информации (один-два раза в сутки).

Проведен статистический анализ времени непрерывной работы судоводителя с использованием существующих РЛС СМ-диапазона радиоволн в зависимости от толщины льда в осенне-зимний период на атомном ледоколе «Сибирь». Показано, что при толщине льда 120 – 130 см и более время работы РЛС в ближней зоне для выбора пути следования достигает 100%. «Дефицит времени» работы судовой РЛС подтверждает необходимость использования специальной судовой РЛС для ледовой проводки.

Рис. 1

На рис. 1 показаны графические зависимости времени использования судоводителем судовой РЛС в зависимости от толщины льда. По оси Х отложена толщина льда в см; по оси Y отложено вахтенное время в процентном отношении.

Затраты времени на определение и контроль дистанции при проводке одного судна методом лидирования зависят, в основном от сплоченности льда и его толщины, но имеют тенденцию к увеличению с ростом толщины льда. При проводке одновременно двух или трех судов методом лидирования затраты времени на контроль дистанции между ледоколом и судами возрастают, что отражено незначительным увеличением кривой 1 на графике.

Затраты времени на определение места судна с помощью РЛС вообще не зависят от толщины ледовых полей и показаны кривой 2 на графике. Кривая 3 на графике показывает зависимость между затратами времени на выбор пути плавания и толщиной ледового покрова: Суммарная кривая 4 представленная на графике, показывает затраты времени работы судоводителя при использовании одной РЛС СМ-диапазона волн.

t= f(0,048h), коэффициент корреляции Z=0,70,

где t – затраты времени в процентном отношении к общему времени наблюдений в течение одной вахты; h – толщина в сантиметрах сплоченного 9 – 10 бального льда.

Отмечены недостатки использования РЛС СМ-диапазона радиоволн для обеспечения ледовой проводки в ближней зоне, в том числе недостаточная дальность обнаружения ледовых образований современными РЛС СМ-диапазона волн. Во время плавания 2007 – 2009 гг. в Финском заливе автором выполнены измерения по максимальной дальности видимости льда и некоторых других характеристик ледового покрова на 87 судах различных типов с использованием судовых РЛС ведущих мировых фирм. Максимальная дальность обнаружения льдов составила 2,5 мили с вероятностью 0,8 – 1,0.

Отмечено некоторое искажение объектов на экране РЛС по сравнению с реальной окружающей обстановкой. На экране РЛС не выделяются мелкие подробности ледовой обстановки, имеющие существенное значение для опознавания, затруднена расшифровка РЛИ ото льда, недостаточная разрешающая способность по пеленгу заставляет отдавать предпочтение оптическим приборам при наличии достаточной визуальной видимости. Обосновано дополнительное использование для этих целей РЛС ММ-диапазона радиоволн, которые позволяют получить точностные характеристики сравнимые с БРЛС СМ-диапазона волн. Поставлены задачи теоретических исследований и опытной эксплуатации РЛС ММ-диапазона радиоволн в условиях плавания по Северному морскому пути.

Во второй главе показаны навигационные характеристики льдов, эффективная поверхность рассеяния простых тел и тел сложной формы, Особенности определения ЭПР низкорасположенных объектов, ЭПР ледовых образований в миллиметровом диапазоне радиоволн, сравнительный анализ с ЭПР льда в сантиметровом диапазоне волн.

Особенности судовождения в ледовых условиях зависят от района плавания, состояния ледового режима, который в свою очередь зависит от многих факторов: географического положения района, характера течений, солености и температуры воды, ветров, приливо-отливных явлений, наличия рек, впадающих в моря в данном районе и др.

Выгодность пути при плавании во льдах определяют свободными и относительно чистыми ото льда участками, т.е. наличием разводьев с небольшими перемычками. Следует учитывать очертание берегов, глубины, мели и отмели на пути следования, колебания уровней моря, возможность передвижения льдов и сноса судна к опасности, к малым глубинам или к берегу. Для расшифровки правильной оценки получаемых сведений о льдах необходимо знать их классификацию, а по возможности и навигационную характеристику, определяющую степень проходимости льдов.

По международной ледовой номенклатуре льды в морях различаются по возрасту, формам и строению. Классификация параметров морского и пресноводного льда позволяет нам выделить основные параметры льда для радиолокационной оценки в ближней зоне и в реальном времени. Высокоинформативная РЛС миллиметрового диапазона волн позволяет оценить более точно следующие параметры льда: сплоченность, сжатие, торосистость, разреженность, границы распространения льда и ледовых полей, трещины во льду под снегом в процессе работы ледокола.

Для определения одной из важнейших эксплуатационных характеристик – максимальной дальности обнаружения ледовых образований Dmax, как следует из основного уравнения радиолокации, необходимо знать ЭПР различных типов льдов. В научной и технической литературе эти данные отсутствуют, что подтверждает необходимость проведения натурных измерений ЭПР ледовых образований.

Эффективная поверхность рассеяния любого объекта и в том числе льда представляет собой некоторую фиктивную непоглощающую площадь Sэ, 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 простой формы, таких как: полуволновый пассивный вибратор, металлический лист, шар, уголковый отражатель и др. Для большинства простых тел средняя ЭПР обратно пропорциональна квадрату длины волны, а ЭПР шара не зависит от длины волны и направления облучения.

Из основного уравнения радиолокации следует, что для определения максимальной дальности определения льдов различных типов необходимо знать их ЭПР. Для экспериментальной оценки ЭПР ледовых образований и других объектов, необходимо использовать эталон в виде металлического шара. В процессе распространения радиоволн вдоль границы раздела двух сред, структура диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости приобретает сложную многолепестковую форму, вызванную явлениями интерференции и дифракции. Для учета влияния дифракции, интерференции, рассеяния радиоволн на неоднородностях ледовой поверхности вводится функция ослабления V. Величина функции ослабления V определяется как V= = Е/ Ео. Функция ослабления зависит от расстояния, длины волны, подстилающей поверхности, высоты установки антенны, высоты ледового образования.

Целесообразно эффективную поверхность тел простой формы с учетом подстилающей поверхности рассматривать как сложную величину, зависящую от расстояния. Обозначим ЭПР тела простой формы пф, колеблющегося по случайному закону в свободном пространстве через о.

Тогда, пф= о V 4,  (1)

где о – ЭПР тела в простой форме в свободном пространстве, независящая от расстояния до объекта; V – интегральная функция ослабления простого тела с учетом его высоты, учитывающая явления интерференции и дифракции.

Сложный объект (ледовое образование) можно рассматривать как совокупность множества простых тел, отражение от которых имеет равновероятную случайную фазу. Благодаря непрерывному и неравномерному движению льдов в Арктическом бассейне и шельфовых арктических морях в ледяном покрове постоянно образуются нарушения его сплошности в виде трещин, каналов, разводий и разрывов, которые расчленяют его на элементарные ледяные образования и их ансамбли. Организация ледяного покрова на уровне элементарных ледяных образований (ЭЛО) может быть представлена в реальных условиях набором пластин, дисков, уголковых отражателей, пирамид, цилиндров, блоков льда, полей сморози и ледяных полей с их произвольными обломками, битыми льдами.

Тогда ЭПР ледового образования ло согласно (1), можно записать в следующем виде:

;  (2)

Первое слагаемое в этой формуле представляет собой ЭПР ледового образования, которое состоит из множества тел простых форм.

Второе слагаемое учитывает вклад случайных отражателей в результате изменения случайной ориентации льдин в ледовом образовании.

Третье слагаемое в формуле – это вклад фиктивных отражателей, возникающий в результате переотражений электромагнитной энергии между отдельными льдинами, блоками льдов, участками льдов и подстилающей поверхностью (вода–лед, лед–лед, лед–снег). В качестве подстилающей поверхности может быть вода, лед или смешанная со льдом вода со снегом.

Второе и третье слагаемые – это случайные кратковременные фиктивные отражатели, которые зависят от ориентации участков льда относительно друг друга и ориентации участков льда относительно чистой воды. Из трех составляющих наибольший вклад в отраженный сигнал вносит первое слагаемое из уравнения (2), поэтому рассмотрим более детально ее составляющие.

Морской лед, образовавшийся в результате охлаждения морской воды до температуры замерзания, представляет собой блочно-иерархический конгломерат из кристаллов пресноводного льда и заключенных между ними жидких ячеек солевого раствора. Концентрация и объем рассола в ячейках непрерывно меняются по случайному закону в зависимости от колебаний температуры наружного воздуха, давления. Как показывают исследования электрические свойства льда (проводимость) зависят от нескольких параметров: солености, толщины, обводненности, наличия снега, которые также влияют на величину отраженного сигнала. Для их учета по высоте введем коэффициенты Ki , который учитывает изменение солености по высоте льда и Хi, который учитывает проводимость на данном i-ом участке, причем Х1 > Х2 > Х3 >…> Хi.

С учетом вышеперечисленного ЭПР ледового образования представляется в виде:

(3)

С ростом возраста льда соленость его уменьшается. С учетом вышеизложенного, последнее выражение записать в следующем виде:

.  (4)

На близких расстояниях от РЛС значения интегральных функций ослабления Voi, Voj, Vok будут примерно одного порядка, поэтому в сумме вклад отдельных слагаемых будет определяться усредненным значением ЭПР элементарных ледовых образований. Другими словами, значение, ло определяется самим ледовым образованием, его формой, ориентацией и в меньшей мере зависит от условий распространения сигнала с учетом солености и проводимости льда.

При увеличении расстояния от РЛС до ледовых образований, таких как айсберг, стамуха, многолетние льды, кромки льда, каналов и др. в зоне тени и полутени, когда лед облучается только частью нижнего лепестка диаграммы направленности антенны РЛС, значения интегральных функций ослабления V будет изменяться, причем

.  (5)

Несмотря на кажущуюся простоту предложенной методики, теоретический расчет ЭПР льда представляет собой самостоятельную сложную задачу. Расчет ЭПР льда возможен на различных расстояниях с помощью компьютера. Задаваясь дистанцией и углами облучения можно получить примерные теоретические значения ЭПР льда на любых расстояниях путем расчета. Однако следует отметить, что внешняя форма льда непрерывно изменяется во времени и зависит от климатических условий, что затрудняет создание постоянной модели ледового образования.

Это подтверждает вывод о том, что наиболее реализуемым способом определения средних значений ЭПР льда является метод экспериментального измерения в натурных условиях.

Основное уравнение радиолокации с учетом влияния подстилающей поверхности и затухания в атмосфере, а также выражение для ЭПР ледового образования определиться как

,  (6)

где D'max – максимальная дальность обнаружения ледового образования с учетом влияния подстилающей поверхности и затухания в атмосфере; Pи – импульсная мощность генератора СВЧ; G – коэффициент направленности антенного устройства; – длина волны зондирующего импульса; – к.п.д. антенно-волноводного тракта; ло – эффективная площадь рассеяния ледового образования; Pпр min – минимальная чувствительность приемника; σлоi – эффективная площадь рассеяния i-й части ледового образования; Ki  – коэффициент, учитывающий изменение солености по высоте льда на i-м участке; Хi – коэффициент, который учитывает наличие влаги по высоте льда на i-м участке; – интегральная функция ослабления по высоте льда на i-м участке.

Указанное уравнение является трансцендентным и показывает зависимость дальности действия РЛС от технических параметров РЛС, состояния атмосферы, величины ЭПР льда и наличия подстилающей поверхности. Представляет интерес проанализировать значение последнего множителя в фигурных скобках в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн. Значение интегральной функции ослабления V в ММ-диапазоне радиоволн на порядок выше, чем в СМ – диапазоне. Кроме того, лед является сложным объектом и в большинстве случаев его можно аппроксимировать такими простыми телами как пластины, цилиндры, конусы, уголковые отражатели и др., ЭПР которых в большинстве случаев обратно пропорциональна длине волны или квадрату длины волны. Поэтому следует ожидать, что для многих форм льда последний множитель (средняя ЭПР ледового образования) будет как минимум на порядок больше в миллиметровом диапазоне радиоволн по сравнению с сантиметровым.

Для измерений ЭПР льда использовалась серийная РЛС ММ-диапазона радиоволн «Балтика», длина волны =8,2 мм., металлические шары диаметром 25 и 50 см. ЭПР шара диаметром 50 равняется Sш= ·R=1,57м, а ЭПР шара диаметром 25 см равняется Sш= ·R=0,785м.

Ледовое образование дает хорошую отметку на экране индикатора. С одной и с другой стороны от ледового образования на равном удалении расположены эталонные шары, рис. 2. В Петродворце на региональной СУДС на ровном участке припайного льда для измерения ЭПР использовался ледовый торос, который образовался в результате дрейфа и сжатия льдов, высотой примерно 10 см.

На рис. 2 в линзе показан фрагмент радиолокационного изображения отраженных сигналов от ледового тороса и двух шаров. На экране дисплея миллиметровой РЛС «Балтика» наблюдаются раздельные отметки от целей, средняя из которых – это отраженный сигнал от ледового образования. В красном прямоугольнике видны отметки от эталонных шаров и ото льда. В дальнейшем проводилось измерение уровня отраженного сигнала (напряжения) от каждого объекта. По известной ЭПР обоих шаров методом сравнения определялась ЭПР отмеченного ледового образования.

σльда= Ризм льда· σшара /Ризм шара ·  (7)

где Ризм шара – измеренная мощность отраженного сигнала от металлического шара; Ризм льда – измеренная мощность отраженного сигнала от ледового образования; σшара – известная ЭПР металлического шара; σльда  – рассчитанная ЭПР льда.

На рис. 3 представлена фотография идентификации и определения уровня отраженных сигналов ото льда, шаров и других ледовых образований. Амплитуды напряжений отраженных сигналов от ледовых образований определялись с помощью специального программного обеспечения. Основой работы программного продукта, разработанного ЗАО «Морские комплексы и системы» в том, что записанные «сырые» изображения за каждый оборот антенны РЛС ММ-диапазона волн с индикатора кругового обзора РЛС преобразуются в амплитуды напряжений сигналов в координатных осях: пеленг на объект и расстояние до объекта.

Рис. 2

Рис. 3

Проверив на соответствие сигналы, отраженные от объектов, измеряем амплитуды напряжений отраженных сигналов от эталонных шаров и от различных участков льда. Сравнивая амплитуды сигналов от шара и ледового образования, определяем ЭПР льда в ближней зоне действия РЛС миллиметрового диапазона, используя формулу (7).

Дистанция до эталонных шаров и ледового образования при проведении эксперимента составила 1420 м. Расстояние между ледовым торосом и эталонными шарами составляло, примерно, 70 м. Выборка измерений составила 89. ЭПР льда торосистого типа, измеренная способом сравнения с эталоном, составила 2,12 кв. м.

В третьей главе представлены материалы по натурным испытаниям радиолокационного оборудования для определения ЭПР льда, выбор места установки РЛС ММ-диапазона волн «Орион-М» на борту атомного ледокола «Россия», РЛС «Балтика-Б» на борту ледокола «Капитан Сорокин», РЛС «Нева-ЛП» на борту атомного ледокола «Вайгач». Испытания РЛС ММ-диапазона радиоволн проводились в три этапа. Первые испытания экспериментальной РЛС «Орион-М» на атомном ледоколе «Россия» были выполнены в конце 1980-х – начале 1990-х годов.

  а)  б)

Рис. 4: а – вид антенны с носа; б – место установки антенны

На рис. 4 показано место установки РЛС ММ-диапазона радиоволн «Орион-М» на атомном ледоколе «Россия». 1 – зеркало параболической антенны; 2 – облучатель антенны; 3 – редуктор вращения антенны; 4 – центральная носовая матча ледокола; 5 – центральный прожектор.

На рис. 5 показано расположение антенны и приемо-передатчика РЛС «Балтика-Б» на ледоколе «Капитан Сорокин».

Рис. 5

Рис. 6

На рис. 6 показан радиолокационный участок кромки мелкобитого льда на волнении. Четко определяется направление волнения и расстояние между гребнями волн. 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 автоматической оценки сплоченности льда в выбранных секторах разработана методика и алгоритмы вторичной обработки принятого 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 (40964096), где каждый из дискрет представляет собой число в диапазоне (0 – 255), соответствующее уровню принятого сигнала радиолокационной станцией. 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 поверх-ности;

– 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 рис. 7.

ПРЛИ

       

       

Первым этапом вторичной обработки является усреднение значений в каждом элементе изображения за несколько оборотов антенны методом экспоненциального накопления.

Qn = (1 – )Qn-1  + Mn, (8)

где Mn – двухмерный массив, представляющий собой исходное изображение n-го оборота антенны РЛС; – коэффициент экспоненциального накопления, принимающий значения от 0 до 1; Qn-1– результат накопления за предыдущие обороты; Qn – результат накопления текущего оборота;

Процедура выбора коэффициента описана далее. С точки зрения увеличения соотношения сигнал/помеха при накоплении сигнала, количество оборотов антенны при усреднении желательно брать как можно больше.

Следующий этап подготовки бинарного изображения – выравнивание яркости изображения по дальности, т.к. мощность отраженного сигнала уменьшается пропорционально четвертой степени от расстояния. Для выполнения данной процедуры предлагается использовать метод двухоконного скользящего среднего, суть которого состоит в следующем:

На изображении Qn для каждого дискрета x в азимутальной линейке y вычисляются средние значения Zбз(х) и Zдз(х) в окнах ближней и дальней зоны размером zбз и zдз c центром в точке х. Ближней зоной считается дистанция, на которой присутствует отражение от ледовых образований. Дальняя зона – это дальность, на которой отражение от ледовых образований отсутствует. Размеры окон ближней и дальней зоны необходимо выбирать с учетом следующих условий:

  zбз < zдз;  zбз=2·x; zдз= 2 x,  (9)

где x и x– характерные размеры точечной и протяженной цели в дискретах.

Далее производится выбор одного из двух средних значений:

Z(х) = (10)

которые затем вычитается из текущего значения дискрета х:

  V(х, y)= Q (х, y) – Z(х). (11)

После указанной процедуры получаем файл с выровненной яркостью изображения. Бинарное преобразование предлагается выполнить методом двух порогового обнаружения, в котором используется сильный порог Pс и слабый порог Рсл, причем Рсл < Pс. При первом проходе по изображению V(x,y) яркость каждого пикселя сравнивается с сильным порогом Pс и получается новое изображение R(x,y),  в котором яркость пикселей принимает значение:

                      (12)

Использование слабого порога позволяет уточнить границы белых пятен путем расширения (выращивания) светлых областей на изображении Rс(x, y). Для этого интерактивно проверяется 8-ми связная окрестность всех пикселей, имеющих значение 1. Если какой-либо пиксель из этой окрестности на изображении V(x, y), больше чем порог Рсл, то пиксель считается присоединенным к ранее найденной белой области изображения Rс. Данный метод позволяет обнаруживать яркие области, в которых яркость всех пикселей, больше слабого порога и в которых есть хотя бы один пиксель, яркость которого меньше сильного порога. Таким образом, после каждого оборота антенны происходит автоматизированное уточнение границ ледовых полей.

Сильный порог предлагается вычислять в зависимости от средней яркости изображения соответствующей отражению от ледовых образований.

Рс = Тс·Vср(x, y),  (13)

где  Vср(x, y) – среднее значение яркости изображения V(x, y);

Тс – коэффициент,  0 <Тс 1. 

Слабый порог предлагается вычислять в зависимости от значений отраженной мощности от взволнованной морской поверхности. Как уже отмечалось ранее, отражения от взволнованной поверхности моря легко опознать визуально по радиолокационному отражению. Оперативные ручки управления РЛС устанавливаются в положение, когда помеха от волнения практически исчезает. Это увеличивает контрастность изображения между сигналами отраженными от ледовых полей и взволнованной морской поверхностью. Так как между сильным порогом Pс и слабым порогом Рсл находится зона отраженных сигналов от взволнованной морской поверхности, то после каждого оборота антенны происходит автоматически уточнение границ ярких пятен. После того, как исходное изображение приведено к бинарному виду, в котором белые области соответствуют отражениям от ледовых образований, а темные – уровню отражений от водной поверхности, осуществляется процесс выделения границ ледовых полей.

Для выделения границ льда существует ряд алгоритмов, из которых наиболее эффективным является метод трассировки контуров белых пятен для определения внешних и возможно внутренних контуров ледовых полей, а также для идентификации пикселей внутренних областей.

На рис. 8 приведен фрагмент изображения ледовых полей после выделения границ.

Следующим этапом вторичной обработки является определение сплоченности льда. Под сплоченностью льда в баллах понимают отношение ледовых образований к общей площади водной поверхности. Для этого предлагается использовать следующее выражение:

J = ,                               (14)

где  n – общее число пикселей в заданной области; m – число ярких пикселей; Ii – яркость пикселя; J – сплоченность.

Рис. 8. Выделение границ льда

В указанном выражении суммируется площади всех пикселей с iяркостью Ii в масштабе шкалы дальности к общей площади пикселей в заданной области.

При межобзорном накоплении сигнала с учетом повышения соотношения сигнал/помеха желательно время накопления делать как можно больше. Однако это приведет к размытости границ изображения ледовое образование – вода. На точность определения границы лед – вода, кроме времени межобзорного накопления влияет также скорость перемещения ледовых образований, которые по данным различных источников, составляют от 0,2 узла (0,1 м/с) до 0,4 узла (0,21 м/с). Между текущим количеством накапливаемых оборотов антенны Nоб, заданной шириной границы лед – вода (Г= 30 м) и скоростью перемещения ледовых образований существует зависимость:

Nоб =, (15)

где Г – ширина переходной области между чистой водой и льдом; Vло – скорость движения льдов, под воздействием ветра и течений; Nоб – количество накапливаемых оборотов; tоб – время одного оборота антенны.

Таким образом, количество накапливаемых оборотов антенны при межобзорной обработке сигнала при t обзора равной 6 сек и указанных скоростях перемещений ледовых образований может быть в пределах 50 – 100. После преобразований формулу (8) можно привести к следующему виду:

.  (16)

Из данного выражения видно, что выбор коэффициента при заданном количестве оборотов антенны в процессе межобзорного накопления сигнала необходимо делать таким, чтобы второе слагаемое в выражении 16 стремилось к 0. Например, чтобы добиться условия, при котором результат накопления будет содержать лишь 10-3 (0,001% информации от оборотов с номером N больше 50), для этого необходимо выполнить следующее условие:

(1–)50 = 10-3, (17)

которое выполняется при = 0,13.

На основании представленной выше методики определения сплоченности льда разработан макет ее реализации на ЭВМ с помощью пакета программ Matlab. Для определения сплоченности льда имеется возможность выделить секторную либо круговую область для непосредственного расчёта сплоченности. После указания секторной области для анализа сплочённости льда последовательно рассчитывается сплочённость в каждом секторе и строятся графики. На рис. 9 представлены результаты определения сплоченности льда по 7 секторам.

Как видно из рисунка, в первом и шестом секторах сплоченность льда максимальная, а минимальная – в третьем и четвертом секторах. Таким образом, судоводитель на мостике судна имеет возможность по секторам минимальной сплоченности льда выбирать оптимальный курс движения судна, в нужном направлении следуя с эффективной и безопасной скоростью.

В этой же главе рассмотрены особенности измерения ЭПР льда на атомном ледоколе «Вайгач» в  высоких широтах и полученные результаты.

Применить метод измерения ЭПР льда с помощью эталонов или с помощью эталонного генератора в условиях работы ледокола во льдах практически невозможно по нескольким причинам. Ледокол работает согласно графика проводки судов или согласно рейсового задания, поэтому его остановка, практически, исключается. Взять в аренду ледокол или транспортное судно активного ледового плавания для выполнения эксперимента очень дорого и сложно.

Рис. 9. Определение сплоченности льда в заданных направлениях

Следовательно, ранее применяемые методы измерения на берегу в условиях ледокола не применимы. В связи с этим к методике измерения ЭПР в условиях работы ледокола следует учесть ряд новых требований.

Измерения должны выполняться в процессе перемещения ледокола. Ледовые образования для измерений должны выбираться практически мгновенно, при максимальной дальности обнаружения и вероятности 0,3 – 0,5. Оперативные настройки устанавливаются в положение максимальной дальности обнаружения ожидаемых ледовых образований.

Калибровка измерительного тракта производится на дальности обнаружения ледового образования.

Для количественной оценки среднего значения ЭПР ледового образования фиксируется максимальная дальность обнаружения при вероятности не выше 0,3 – 0,5, т.е. принятая мощность на данном расстоянии принимается равной реальной чувствительности приемного устройства.

Реальной чувствительностью приемника РЛС называют минимальную мощность на входе приемника, при которой отношение мощности сигнала к мощности шумов на выходе линейной части приемника равно коэффициенту различимости m>1.

Процесс измерения и расчет ЭПР ледового образования состоит из следующих основных этапов:

– настройка РЛС с помощью оперативных ручек и при максимальном усилении на обнаружение дальних неизвестных ледовых образований;

– по курсу выбираются предполагаемые ледовые образования (например, ледовый припай, контуры старого канала, кромка льда и воды);

– определяется вероятность обнаружения наблюдаемого ледового образования в виде отдельных точек;

– при получении вероятности обнаружения 0,3 – 0,5 фиксируется максимальная дальность обнаружения данного ледового образования;

– используя основное уравнение радиолокации и принимая, что в момент обнаружения принятая мощность равняется максимальной реальной чувствительности приемного устройства, определяется среднее значение ЭПР данного ледового образования, как показано далее;

– при подходе на более близкое расстояние и при хорошей визуальной видимости данное ледовое образование опознается и классифицируется согласно международной классификации льдов;

– аналогичное измерение, если условия расположения льдов позволяют провести по корме при удалении ледокола от исследуемого объекта;

– фиксируются максимальная дальность обнаружения при том же положении оперативных ручек и регулировки усиления при вероятности обнаружения при 0,5 до 0,3;

– после чего производится расчет среднего значения ЭПР данного ледового образования и сравнивается с полученным значением по курсу ледокола.

Аналогичные измерения можно проводить, если характерные ледовые образования находятся по левому или правому борту ледокола. Однако при этом возникают трудности в опознавании и классификации ледовых образований на расстояниях 6 – 10 морских миль.

Таблица 1

№ п/п

Описание объектов

Dmax до ЛО, мили

Р верного

обнаружения

σльда  ЭПР ЛО, кв. м

1.

Разрывы во льдах, лед 10, тонкий

6,0

0,4

0,92

2.

Припай о. Сибирякова

16,02

0,5

1,23

3.

Кромка припая

10,35

0,3

1,09

4.

Мыс Каменный

26,1

0,4

1,38

5.

Каналы входа в припай р. Енисей

7,0

0,3

0,97

6.

Канал в припае р.Енисей

10,47

0,3

1,09

7.

Канал в припае р.Енисей

11,35

0,3

1,11

8.

Канал в припае р. Енисей

11,87

0,3

1,13

Этот метод менее точен, чем рассмотренные методы с использованием эталонных отражателей, но он доступен при измерении средних значений ЭПР опознанных ледовых образований при движении ледокола. Пример измерений и расчета ЭПР ледовых образований по указанной методике представлен в табл. 1. При каждом измерении фиксировались метеоусловия, время и координаты ледового образования.

Пример расчета ЭПР ледовых образований по данным табл. 1.

Используя основное уравнение радиолокации с учетом затухания в атмосфере и с учетом подстилающей поверхности, путем несложных преобразований получим выражение для вычисления ЭПР льда по данным табл. 1.

lg σльда=lg Pпр.реал. – lg C + 4lg Dmax +0,46·1,76·Dmax·lg e,  (18)

где  .  (19)

Представляет интерес сравнение полученных значений ЭПР кромок канала в припае и максимальной дальности обнаружения в процессе движения каравана по каналу в припае реки Енисей (табл. 1, измерения № 6, 7, 8).

Максимальная дальность обнаружения кромки канала изменяется от значений 10,47 морских миль до 11,85 морских миль, т.е. на 1,38 мили, а расчетные значения ЭПР кромок льда изменяется в пределах значений ло1 =1,09 м2 до ло2=1,13 м2,т.е. значения ЭПР кромок канала изменились на 0,04 м2.

Этот результат свидетельствует о достаточно точном измерении кромок канала в процессе движения ледокола. Применение предложенного метода измерения на ледоколах и судах активного ледового плавания позволит собрать большую статистику значений ЭПР различных ледовых образований в ММ и СМ-диапазонах радиоволн.

В четвертой главе рассмотрены основные преимущества РЛС ММ-диапазона радиоволн по сравнению с существующими РЛС СМ-диапазона радиоволн.

В табл. 2 жирным шрифтом показаны усредненные значения параметров РЛС ДМ-, СМ- и ММ-диапазонов радиоволн, а обычным – во сколько раз данный параметр больше (лучше) этого же параметра при длине волны в 10 см.

Таблица 2

Длина

волны, см

, град.

, кв. м.

G, коэф. усил.

г, град.

и, мкс

0, град.

D0, м

Dп, м

п,

град.

СП,
дв.ед.

10

0,072

1,27103

8,48102

2,29

0,33

1,6

49

27,9

0,91

3,59·1010

3,2

0,023

3,11

1,41104

11,0

2,55103

3,1

0,73

3,13

0,05

3,11

0,51

3,13

15,9

3,08

8,98

3,1

0,29

3,13

1,12·1011

3,12

0,82

0,82/3,2

0,006

11,9

3,8

1,92105

8,25102

13,6

2,36104

12,7

9,3

0,18

12,7

4,0

0,027

12,2

1,85

0,12

12,7

4,25

4,05

12,1

3,92

2,29

12,2

3,93

0,06

15,17

4,83

4,08·1012

36,4

Из последней строки таблицы, где представлены результаты сравнения параметров РЛС СМ и ММ-диапазонов радиоволн, видно, что точностные параметры определения дальности и угловых координат в ММ-диапазоне в 3 – 5 раз выше, а потенциальная информативность в 36,4 раза больше.

Дальность обнаружения ледовых образований в ММ-диапазоне волн не уступает дальности обнаружения в СМ-диапазоне волн, а по дальности обнаружения торосистых участков льда превосходит, так как обнаружение объектов ведется нижним лепестком диаграммы направленности антенны (ДНА) в вертикальной плоскости,

= /4h,

где h – высота установки антенны; – длина воны РЛС; – угол наклона нижнего лепестка ДНА в радианах, который в ММ-диапазоне волн меньше в 3,8 раза.

Околка судов – это тактический прием по освобождению судна, застрявшего во льду, для возобновления его движения. Околка судна производится при движении ледокола вперед носом или кормой. Сложность маневра заключается в том, что движение судов происходит в непосредственной близости друг от друга, иногда буквально вплотную. Необходимо пройти вдоль борта застрявшего судна с таким расчетом, чтобы последнее могло начать движение за ледоколом. Околка дает результат только в том случае, когда у окалываемого борта судна образуется разряжение льда. Только при таких условиях судно может начать движение, далее необходимо разогнать судно до 3- – 4-х узлов. Выполнить эту операцию в сложных метеоусловиях более эффективно и безопасно с использованием информации от РЛС ММ-радиоволн.

На радиолокационном изображении рис. 10 легко определяется ракурс танкера, его носовая и кормовая части, по высоте радиотени от танкера можно судить о высоте надводного борта и высоте надстройки судна. На изображении СМ-диапазона волн на указанной шкале дальности отмеченные детали не наблюдаются из-за большей мертвой зоны.

Рис. 10

На изображении рис. 10 представлен фрагмент РЛИ околки танкера «Варзуга», шкала 0,125 миль.

В условиях сильного сжатий ледовых каналов, полей, в условиях полярной ночи и недостаточной видимости ледоколу и проводимому судну необходимо работать полными ходами вперед и назад, используя полную мощность энергетической установки. Поэтому визуальный и радиолокационный контроль положения окалываемого судна позволяет безопасно проводить указанный вид работ. Также, когда ледокол подходят к ледовому причалу во льдах, РЛС «Нева-ЛП» позволяет более четко наблюдать кромку ледового причала, кромку льда и чистой воды из-за малой мертвой зоны.

Успех решаемых задач плавания во многом определяется знанием и грамотным использованием рациональных приемов форсирования льда, спутниковой ледовой информации, информации от навигационных РЛС, включая высокоинформативную РЛС ММ-диапазона волн.

При проводке двух и более судов во льдах остро встает вопрос контроля скорости движения каравана, 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 каравана. РЛС ММ-диапазона 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.

На рис. 11 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 расстоянии 8 – 10 морских миль. Изображение более четкое и контрастное, чем
с СМ-диапазоне волн.

Рис. 11 Рис. 12

На рис. 12 показана аналогичная информация с использованием 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.

Своевременное обнаружение отдельно плавающих стамух, отдельно плавающих льдин, кромок сплоченного дрейфующего льда – гарантия безопасного и эффективного судовождения при плавании во льдах. На рис. 13 наблюдается изображение стамухи в виде яркого пятна и тени, что создает подобие объемного изображения на дисплее РЛС ММ-диапазона волн, что увеличивает возможность идентификации изображения и реального объекта.

Рис. 13 Рис. 14

На рис. 14 представлено то же изображение в СМ-диапазоне волн, которое воспринимается как отраженный сигнал от ледового образования в виде перемычки. Этот сравнительный пример показывает расширение функциональных возможностей двух диапазонного ледового навигационного комплекса.

На рис. 15 показано изображение электронной карты участка плавания по р. Енисей, которое затем совмещается с радиолокационным изображением РЛС
ММ-диапазона волн в режиме overlay (рис. 16). Это улучшает процесс оперативной оценки навигационной ситуации и подтверждает целесообразность на дополнительном дисплее совмещать электронную карту, информацию от РЛС СМ и ММ-диапазонов волн, а также спутниковую ледовую карту или ее фрагмент данного района ледового плавания.

Рис. 15

Рис. 16

Результаты совместного испытания РЛС СМ и ММ-диапазонов волн показали ряд преимуществ последней:

– РЛС «Нева-ЛП » позволяет оценивать ракурс судна на расстоянии до 8 – 10 морских миль;

– по размеру «сырого» пятна на дисплее имеется возможность судить о линейных размерах объектов;

– позволяет определять качественные характеристики ледовой обстановки в радиусе 5 – 7 морских миль;

– точность определения сплоченности льда по радиолокатору соответствует практически визуальной оценке сплоченности льда;

– на дисплее радиолокатора имеется возможность разделить изображение от гладких ледяных полей и от участков открытой воды;

– на уменьшение дальности радиолокационного обнаружения льдов и оценки их характеристик влияет дождь, влажный снег. Низовые метели, туманы, парение каналов, практически, не влияют на дальность радиолокационного отображения льдов.

В заключении представлены основные выводы и результаты работы:

1. Проведен анализ технических средств, установленных на ледоколах и судах активного ледового плавания. Предложена классификация по месту установки и принципу работы, отмечены их преимущества и недостатки. В настоящее время аппаратура «Нить-Л» с РЛС БО «Торос» не изготавливается отечественной промышленностью, что еще более затрудняет использование существующих РЛС СМ-диапазона радиоволн в ближней зоне проводки.

2. Статистический анализ времени работы существующей РЛС СМ-диапазона радиоволн в зависимости от толщины льда в осенне-зимний период на атомном ледоколе «Сибирь» показал, что при толщине льда 120 –130 см время использования РЛС для выбора пути следования во льдах достигает 100 %. «Дефицит времени» работы судовой РЛС подтверждает использование РЛС ледовой проводки. Предложена концепция повышения функциональности навигационных РЛС путем применения повышенной точности высокоинформативной РЛС ММ-диапазона волн.

3. Получено выражение для определения среднего значения ЭПР ледовых образований с учетом наличия подстилающей поверхности в виде воды, льда. Проанализирована динамика изменения средних значений ЭПР ледовых образований из-за влияния подстилающей поверхности. Подтвержден вывод, что среднее значение ЭПР льдов в ММ-диапазоне радиоволн больше, чем в СМ-диапазоне радиоволн на 1,5 – 2 порядка.

4. Разработана методика вторичной обработки сигналов для автоматического определения сплоченности льда в заданной зоне. Судоводители ледоколов и судов активного ледового плавания в рамках генерального направления движения получают информацию о сплоченности льда по секторам, выбирая наиболее экономичный и безопасный путь.

5. Предложен новый метод экспериментального определения ЭПР ледовых образований в процессе движения ледокола или судна активного ледового плавания, что позволяет собрать достаточную статистику по количественной оценке ЭПР различных ледовых образований в СМ– и ММ-диапазонах волн..

6. Представлены преимущества РЛС ММ-диапазона волн при решении задач безопасного судовождения и ледовой проводки. Показано, что точностные характеристики таких РЛС, эквивалентны характеристикам БРЛС СМ-диапазона волн с горизонтальным раскрывом антенны 5 – 6,5 м.

7. Сравнительные испытания на а/л «Вайгач» РЛС СМ-диапазона волн «Selesmar и опытного образца РЛС ММ-диапазона волн «Нева-ЛП» подтвердили преимущества РЛС ММ-диапазона волн при выполнении практически каждой операции в ближней зоне в процессе ледовой проводки. Распознавание и оценка ледовых образований по радиолокационным изображениям, прокладка каналов во льдах, околка судов каравана и вывод их на канал, обнаружение разрывов, полыней, трещин во льду, максимальной дальности обнаружения кромок ледовых полей, старых каналов и др., что подтверждает необходимость использования двух диапазонной РЛС. Разработаны основные технические требования к ней.

В работе получены совокупность теоретических и практических результатов, которые вносят существенный вклад в повышение безопасности и скорости проводки судов во льдах. Это позволит получить значительную экономию средств и надежно обеспечить круглогодичную навигацию по Северному морскому пути и в высокоширотном плавании.

Основное содержание диссертационного исследования отражено в следующих публикациях:

1. Статьи в ведущих научных журналах, перечень которых утвержден Высшей аттестационной комиссией

1. Ничипоренко Н.Т., Сиваченко Б.Н. Использование современных судовых навигационных РЛС для определения максимальной дальности ледового покрова // Эксплуатация морского транспорта. – 2011. – № 3 (65). – С. 33 – 35.

2. Сиваченко Б.Н. Экспериментальное определение эффективной поверхности рассеяния льда в ММ-диапазоне радиоволн методом сравнения с эталоном // Эксплуатация морского транспорта. – 2012. – № 3. – С. 49 – 52.

II. Статьи и тезисы докладов

3. Ничипоренко Н.Т., Сиваченко Б.Н. Использование современных судовых навигационных РЛС для определения максимальной дальности ледового покрова // Тезисы докладов науч.-техн. конф. проф.-преп. состава, научных сотрудников и курсантов ГМА им. С.О. Макарова. – СПб., 2011.

4. Сиваченко Б.Н. Экспериментальное определение эффективной поверхности рассеяния льда в ММ-диапазоне радиоволн методом сравнения с эталоном // Тезисы докладов науч.-техн. конф. проф.-преп. состава, научных сотрудников и курсантов ГМА им. С.О. Макарова. – СПб., 2012.

5. Ничипоренко Н.Т., Бабич Н.Г., Сиваченко Б.Н. О необходимости использования РЛС ММ-диапазона для плавания ледоколов и транспортных судов во льдах // Материа-лы науч.-техн. конф. радиосвязи и радионавигации. – М.: Транспорт, 1985. – С. 123 – 129.

6. Ничипоренко Н.Т., Сиваченко Б.Н. Перспективы применения РЛС ММ-диапазона для ледовой проводки судов. Методы и технические средства морской навигации. – М.: Мортехинформреклама, 1986. – 12 с.

7. Ничипоренко Н.Т., Шацбергер Э.М., Яковлев В.Г., Сиваченко Б.Н. Краткий анализ радиолокационного обеспечения ледокольного флота и его влияние на эффективность и безопасность ледового плавания // Науч.-техн. сб. Российского морского регистра судоходства. – 2009. – Вып. 32. – С. 255 – 262.

8. Ничипоренко Н.Т., Шацбергер Э.М., Яковлев В.Г., Сиваченко Б.Н. Результаты испытаний РЛС «Нева-ЛП» на атомном ледоколе «Вайгач» // Науч.-техн. сб. Российского морского регистра судоходства. – 2010. – Вып. 33. – С. 262 – 273.

ГМА им. адм. С.О. Макарова

Заказ № 272/12 от 23.10.2012. Усл. печ. л. – 1,5

Тираж 100 экз. Формат 6084/16




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.