Ar radaras gali būti naudojamas po vandeniu aptikti?

Pagrindiniai radaro ribojimai vandens aplinkoje

Signalų slopinimas: kodėl radijo bangos prastai veikia po vandeniu

Tradicinius radaro sistema po vandeniu kyla griežti reikalavimai, kadangi elektromagnetinės bangos vandenyje slopinamos. Radijo dažnio elektriniai laukai vandenyje greitai slopinami dėl absorbcijos ir sklaidos, o eksponentinis signalo praradimas atsiranda dėl jūros vandens aukštos elektrinės laidumo. Slopinimas yra stipriausias optinėje ir UV bangų diapazone, šios bangos gali prasiskverbti tik paviršinai. Ši būdinga po vandeniu ryšių tyrimų kliūtis apriboja radarų aptikimo funkciją tik paviršiniuose aplinkose, todėl jie netinka naudoti gilynose, kur dominuoja akustiniai metodai.

Elektromagnetinio ir akustinio sklaidos modelių palyginimas

Pagrindinė apribojimo priežastis kyla lyginant bangų elgesį: radijo bangos 1000 kartų greičiau išnyksta jūros vandenyje nei akustiniai signalai. Tai visai nebūtinai gali būti biologinis mimiškas; greičiausiai tai galėtų būti sonaro tipo šaltinis, o vanduo perduoda garsą tūkstančiais mylių po vandeniu, tačiau radarui tai netaikoma, nors jis ir yra „trumpojo nuotolio“. Reikėtų pažymėti, kad radarų elektromagnetinės bangos greitai išnyksta po kelių metrų, tačiau sonaras naudoja žemo dažnio garsą (per žemą žmogaus ausims), kuris puikiai sklinda per vandenynų baseinus – vanduo beveik neblokuoja ar net nepritemdo garso, skirtingai nei elektromagnetinė spinduliuotė. Šis skirtumas atsiranda dėl pagrindinių fizikos dėsnių – vandens laidumas sugeria elektromagnetinę energiją, tuo tarpu stiprina garso sklaidą. Būtent todėl net pažengusi radarų technologija negali konkuruoti su sonaru dėl efektyvaus veikimo gyliais, esančiais ne paviršiuje.

Radarų aptikimo proveržis per paviršiaus reiškinius

Analizuojamos povandeninių laivų generuojamų paviršinių bangų savybės

Todėl pažangiausi radaro Sistemos naikina vandens signalų praradimus, nustatant hidrodinaminius paviršiaus sutrikimus. Submarinų vandens poslinkis sukelia aptinkamus paviršiaus efektus, tokius kaip Bernoulli kupstos ir Kelvin bangų šėlimas. Nauji tyrimai parodė, kad milimetrinės bangos radaras gali užfiksuoti šiuos pėdsakus iš 8 km aukštinio, tiksliai nustatant jų dirbtinę kilmę naudojant mašininio mokymosi analizę bangų aukščiui ir interferencijos modeliams (Nuotolinis stebėjimas, 2025). Ši neakustinė technika suteikia svarbią sekimo informaciją, kai sonaras nėra aktyvus.

Bangų aptikimo technologija naudojant Doplerio radarą

Povandeninių laivų vėžės aptinkamos naudojant Doplerio radarą, kuris išnaudoja greičiui priklausomus dažnio poslinkius. Šie paviršiaus banguotumo sklaidos modeliai sukelia būdingas radarinio skerspjūvio svyravimus esant keliems dažniams. Pažangūs algoritmai šiuo metu gali aptikti vėžių pėdsakus su 92 % tikslumu jūros būklėmis iki 4 balų, taip pašalindami trukdžius, kylančius dėl vėjo bangų ir biologinės veiklos. Technikos veiksmingumas gerėja didėjant taikinio judėjimo greičiui, todėl ji ypač naudinga stebint branduolinius povandeninius laivus, esančius gylio, mažesnio nei 100 metrų, zonose.

Atvejis: NATO pagrįstos radaro technologijos naudojimo povandeninių laivų (ASW) stebėjimo tyrimai

NATO 2023 m. Šiaurės Atlanto bandymuose taip pat buvo išbandytas radaras, veikiantis kaip povandeninio laivo aptikimo priemonė, naudojant aukštos kokybės paviršinės bangos radarus. Prieš dieselinius elektrinius povandeninius laivus, esančius 12 km atstumu, buvo pasiektas 72 % aptikimo tikimybė esant esamų garso balionėlių tinklui. Derinant su palydovinės nuotraukos vaizdu, klaidingų signalų skaičius sumažėjo 40 %, tačiau vandens paviršiaus būklės nustatymas iš bangų darbo yra sudėtingas, kai stebi didelis jūros žinduolis. Šie manevrai parodė, kad radaras yra naudingas kaip tarpininkas sluoksniuotoje gynyboje, vykdant tranzitus JAV teritorijoje.

LIDAR Batimetrija: Pakrantės Gilumo Zemėlapio Naujovės

LIDAR batimetrija. Naudojant orlaivių impulsinį lazerinį sistemą kartu su interferometro pozicionavimo informacija, buvo pristatyta kaip naujos kartos technologija siekiant įveikti sonaro apribojimus sekliame vandenyje. Panaudojant žaliosios spektro (532 nm) bangas, kurios gali prasiskverbti iki 50 m gylio skaidriame vandenyje, šios sistemos nustato jūros dugno reljefą 10–15 cm vertikalios raiškos tikslumu – 3 kartus tikslesniu nei vienos spindulio sonaro sistema. Šiuo metu kranto inžinerams prieinamos pakrantės gelmių žemėlapių sistemos, leidžiančios realiu laiku nustatyti smėlio bankų judėjimą ir erozijos vietas, paremtos realiu laiku radaru koreguojamomis GNSS pozicijomis, kad būtų sumažinta nuosėdų atrankos klaida 60 % (NOAA 2023). Naujausių reguliarių operacijų, atliekamų pagrindinių geografinės erdvės gamintojų, duomenys yra įrodymas, kad matavimai atliekami greitai – 8 km²/val., kad būtų galima įvertinti koralų rifų būklę ir po vandeniu esančią archeologinę erdvę.

Daugelio jutiklių derinimas: Radarų integravimas su hidroakustiniais duomenims

Hibridinės jutiklių priemonės sujungia milimetrinių bangų radarų paviršiaus tyrimo duomenis su daugiakanalio sonaro batimetrijos profiliais, kad būtų sukurti 3D po vandeniu esančių ženklų modeliai. 2023 m. MDPI „Electronics“ žurnale atliktas tyrimas parodė, kad derinant radarą ir hidroakustiką, povandeninių linijų defektų aptikimas padidėja nuo 72 % (kai naudojamas tik sonaras) iki 94 % tikslumo, kai yra koreliuojami paviršiaus naftos nutekėjimo ir sonaru aptiktų įtrūkimų modeliai. Sistemos dirbtinio intelekto modelis koreliuoja bangų turbulencijos matavimus pagal radaro duomenis su hidroakustiniais spektrais, atskirdamas 89 % klaidingų teigiamų signalų dėl jūros gyvybės trikdymo. Karinėms struktūroms pavyko mineveiksmių operacijas pakrantės zonose atlikti 40 % greičiau naudojant šį dviejų domenu sistemą, tačiau duomenų integravimo delsa pasirodė esanti problema esant srovėms virš 4 mazgų.

Kariniai neakustinio povandeninio laivo aptikimo taikymai

Povandeninio laivo turbulencijos modelių radarinė vizualizacija

Po vandenyno paviršiumi povandeninės veiklos metu kyla triukšmingas srautas, kuris gali pasireikšti matomomis bangomis ir termalinės struktūros anomalijomis. Šie pėdsakai stebimi naudojant sintetinio atidarymo radarą (SAR), kuris veikia mikrobangų sąveikoje su vandenyno paviršiumi. Temperatūros skiriasi maišantis vandens sluoksnims ir padidėjus paviršiaus nelygumams, leidžiant radarui aptikti šablonus, kurie neįmatomi naudojant įprastą sonarą. Tyrėjai teigia, kad šie triukšmo pėdsakai žymi svarbų pažengimą neakustinėje detekcijos technologijoje, tačiau jų efektyvumas priklauso nuo vandens gylio, jūros būklės – ir matomumo. Dabar SAR sistemos gali atpažinti šias savybes naktį, debesuotu oru, nepaisant optinių apribojimų.

Kosminis radaras strateginei vandenynų stebėsenai

Ant palydovų montuojamos radarinės sistemos leidžia ilgalaikę jurų stebėseną, apimant jurisdikcijų ribas. Geostacionariškai ir žemojoje Žemės orbitoje esančios platformos, įrengtos SAR priemonėmis, kasdien stebi milijonus jūrmylių, siekdamos nustatyti pėdsakų struktūras ir temperatūros skirtumus, kuriuos palieka povandeniniai laivai. Skirtingai nei akustiniai jutikliai, kuriuos riboja jūros dugno topografija, kosminės sistemos gali nustatyti sutrikimus iš orbitos, neįspėdamos taikinių. Tokios sistemos leidžia per 90 sekundžių perduoti informaciją atgal į karinio laivyno valdymo centrus – efektyviai sumažinant reakcijos laiką. Tokių palydovų tinklai užtikrina 24/7 parų paros strateginių pasaulio vietų kosminę stebėseną, esminiai keičiant jūrų grėsmių suvokimą.

Kontroversijų analizė: Privatumas kontra nacionalinė saugybė EEZ stebėjime

Neakustinis radarų stebėjimas pakėlė klausimų dėl Ekskluzinės ekonominės zonos (EEZ) teisių. Nors jūrų teisė leidžia karinius judesius užsienio EEZ, radarų technologijos gali tirti kranto įrenginius, išskyrus karinius objektus. Kranto valstybės teigia, kad tokie veiksmai prieštarauja Jungtinių Tautų jūrų teisės konvencijai (UNCLOS) 88 straipsniui, susijusiam su taikiais veiksmais EEZ, ypač kai vyksta stebėjimas naudingų iškasenų tyrimo darbuose. Kita vertus, karinės jūrų pajėgos argumentuoja, kad kadangi mūšių laukai lieka atviroje jūroje, povandeninių laivų aptikimas ginčytinuose vandenyse sumažintų povandeninio sabotažo strategijas. Teisiniai ekspertai nurodo augantį skirtumą tarp „jūrinių tyrimų“ ir „karinio žvalgybos“, 47 % šalių meta klausimus dėl stebėjimo diplomatiniuose pokalbiuose. Todėl balanso sistema turėtų spręsti poreikį išlaikyti kontrolę kranto linijoje ir reikalavimą užtikrinti nacionalinį saugumą.

Po vandeniu veikiančių radarų technologijų komercinis potencialas

Paviršinių vandenų naftotiekio apžvalgos sprendimai

Po povandeninės pergalės radaras pirmą kartą suteikia tiesioginį naftotiekio stebėjimą pakrantės zonoje (iki 50 m gylio), kur ankstesnių sonarų įrenginių našumas buvo pernelyg mažas šiai paskirčiai. Operatoriai be įsiskverbimo nustato užkasinimo vientisumą per apžvalgą ir radijo bangų atspindžių interpretavimą, susijusį su nuosėdų tankio pokyčiais ir korozijos karštųjų taškų analize. Milimetrinio poslinkio, atsiradusio dėl erozijos ar seisminių judesių, signalas yra finansiškai patrauklus perspėjimas, reikalingas numatytajai priežiūrai, kad būtų išvengta ekologinės nelaimės, o aukšto skyros elektromagnetiniai profiliai – tai būdas, kaip tokį signalą gauti. Taip pat galima nedelsiant pranešti apie anomalijas, kad būtų galima įsiterpti jūroje tik esant realiai poreikiui, sumažinant operacijų kaštus net 40 % lyginant su duomenų rinkimu naudojantis narais. Ši technologija leidžia kurti atsinaujinančios energijos infrastruktūrą su minimaliu dugno trikymu apleistose gręžtuvių vietose ir aktyviuose kabelių koridoriuose.

Ultra platųjuostis radaras jūrų archeologijai

Dirvožemio ištirpimas ir reakcijos srities sumažėjimas pagerina migracijos sąlygas sluoksnio su trimatės uolinės užpildos ir labai plonos potvynių zonų viduje. Įkrovos generuoja žemo dažnio elektromagnetinius impulsus, kurie gali aptikti metalinius artefaktus, keramikos koncentracijas ir užkastas medines konstrukcijas tikslumu iki 15 cm netgi dumblo dugne. Tęsiant Viduržemio jūros kampanijas 2023 metais, naudojant daugiakanalį duomenų apdorojimą buvo identifikuotos fenikiečių amforų laukai, išlaikant antropogeninį kraštovaizdį. Vietoj naikinančių valymo operacijų centimetrų tikslumo tyrimas leidžia skaitmeniškai archyvuoti trapius laivų žūties likučius. UWB sistemos padidina vietos žemėlapio kūrimo greitį 3 kartus drumstomis sąlygomis, kai negalima atlikti optinio nuskaitymo.

DAK

Kodėl radarų sistemos prastai veikia po vandeniu?

Radarų sistemos prastai veikia po vandeniu dėl signalo slopinimo, kurį sukelia jūros vandens aukšta elektrinė laidumas, sugerdamas ir sklaidydamas elektromagnetines bangas per trumpą laiką.

Kaip pažengę radarų sistemos kompensuoja signalo praradimą po vandeniu?

Pažengusios radarų sistemos nustato povandeninių laivų sukeltas hidrodinamines paviršiaus sutrikimų naudodamos tokias technikas kaip milimetrinių bangų radaras ir Doplerio radaras, kad aptiktų modelius ir parašus be akustinės metodų pagalbos.

Kokie pasiekimai padaryti radaro pagrindu povandeninių laivų aptikimo srityje?

Pasiekimai apima radaro naudojimą pėdsakų aptikimui, patobulintus algoritmus tikslaus aptikimo, bei integravimą su palydovinėmis nuotraukomis siekiant sumažinti klaidingus signalus. Be to, kosminės erdvės radarų sistemos suteikia išplėstą stebėjimo galimybes.

Ar povandeninės radarų technologijos turi komercinių taikymo sritis?

Taip, povandeninės radarų technologijos turi komercinių taikymo sričių, tokiose kaip seklių vandenų linijų inspekcija, kur ji siūlo milimetrinį tikslumą, ir jūrų archeologija, kur gerina artefaktų aptikimą ir vietų žemėlapių sudarymą.