Τηλεπισκόπηση Απορρεύματος Πλοίων Επιφανείας

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 09:50, 10 Ιανουαρίου 2011

Remote Sensing of Surface Ship Wakes

Συγγραφείς

Owen M. Griffin, Ph.D., Rodney D. Peltzer, Ph.D., Arthur M. Reed, Ph.D., & Robert F. Beck, Ph.D.

Πηγή

Naval Engineers Journal, May 1992, 245-258

Στόχος της Εργασίας

Η εργασία αφορά την ανασκόπηση των δυνατοτήτων-περιορισμών της τηλεπισκόπησης του απορρεύματος πλοίων επιφανείας με χρήση ραντάρ συνθετικού ανοίγματος (SYNTHETIC APERTURE RADAR- SAR). Η εργασία επεξηγεί :

• Τις αρχές λειτουργίας των ραντάρ SAR και ανάλυσης των απεικονίσεων τους
• Τα χαρακτηριστικά των απεικονίσεων SAR του απορρεύματος πλοίων
• Τις θεωρίες που προσπαθούν να εξηγήσουν φυσικά τα παραπάνω χαρακτηριστικά και
• Παραδείγματα ανάλυσης πραγματικών απεικονίσεων SAR απορεύματος πλοίων.

Αρχές Λειτουργίας Ραντάρ SAR – Ανάλυσης Απεικονίσεων

Το ραντάρ τύπου SAR είναι κάθετης απεικόνισης συνθετικά ραντάρ τοποθετημένα σε πλατφόρμα (Α/Φ ή δορυφόρος). Καλούνται συνθετικά γιατί, εκτός της ισχύος του, καταγράφουν επίσης τη διαφορά του επιστρεφόμενου σήματος και την αντίστοιχη μετατόπιση Doppler από το εκπεμπόμενο σήμα. Επίσης καλούνται κάθετης απεικόνισης επειδή το ραντάρ εστιάζει κάθετα στην κίνηση της πλατφόρμας (προς τη λεγόμενη αζιμούθια διεύθυνση). Ο όρος «συνθετικού ανοίγματος» προέρχεται από το γεγονός ότι η κίνηση της πλατφόρμας δημιουργεί μια τεχνητή κεραία, με πολύ μεγαλύτερο εύρος από την πραγματική κεραία. Προκειμένου να δημιουργηθεί μία υψηλής ευκρινείας ψηφιακή απεικόνιση SAR, απαιτούνται περίπου ένα δισεκατομμύριο υπολογισμοί, γεγονός που οδήγησε αρχικά σε αποτυπώσεις σε φιλμ, όποτε ήταν απαραίτητη η άμεση εξέταση, χωρίς όμως την υψηλή ακρίβεια των ψηφιακών, που επιτρέπουν την παρατήρηση μέχρι το ελάχιστο διακρινόμενο επιφανειακό τμήμα. Υπάρχει ένας σημαντικός βαθμός περίπλοκων παραγόντων που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά την ανάλυση απεικονίσεων SAR, που περιλαμβάνουν μεταξύ άλλων την εστίαση, τη ρύθμιση της φωτεινότητας, τη διόρθωση για το γεγονός ότι απεικονίζονται ως κινούμενα αντικείμενα το κινούμενο νερό της θάλασσας κ.α, με αποτέλεσμα δύο εργαστήρια που παράγουν απεικόνιση από τα ίδια δεδομένα να καταλήγουν σπάνια στα ίδια αποτελέσματα, εκτός και αν συμφωνήσουν να χρησιμοποιήσουν τις ίδιες παραμέτρους και λογισμικό.

Οπτικά Χαρακτηριστικά Απορρεύματος

Σε έναν παρατηρητή, το απόρρευμα ενός κινούμενου πλοίου γενικά εμφανίζεται οπτικά σαν μία γραμμή αφρώδους και τυρβώδους νερού ακολουθούμενη από μια περιοχή οπτικά λείου νερού (χωρίς επιφανειακή τραχύτητα). Επίσης, παρατηρείται ο χαρακτηριστικός κυματισμός τύπου Kelvin να διαφεύγει ακτινωτά στην ελεύθερη επιφάνεια.

ΕΙΚΟΝΑ 1: Φωτογραφία του πλοίου USS QUAPAW από το πείραμα JOWIP. Πηγη: Lyden et al. (1988)

ΕΙΚΟΝΑ 2: Απεικόνιση SEASAT του Canaveral, 38x38 km , με απορρεύματα τύπου “στενό V” (Πηγή: Digital Image Processing Laboratory, NRL.)

Τα παραπάνω οπτικά χαρακτηριστικά φαίνονται στην ΕΙΚΟΝΑ 1 του πλοίου USS QUAPAW από το πείραμα JOWIP. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, το απόρρευμα αποτελείται από:

- Το λευκό απόρρευμα, που σχηματίζεται στην πλώρη και επεκτείνεται δύο ή τρία μήκη πίσω από το πλοίο

- Το τυρβώδες απόρρευμα ή απόρρευμα ιξώδους, με ενσωματωμένο σε αυτό το απόρρευμα της προπέλας, πολλά μήκη πίσω από το πλοίο

- Το απόρρευμα Kelvin με τις χαρακτηριστικές οριακές καμπύλες γραμμές των 19,5 μοιρών, με κορυφή μπροστά από το πλοίο και τις εγκάρσιες καμπύλες στις 35,3 μοίρες.

Η Απεικονιση SAR Του Απορρευματος

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διαπερνά την επιφάνεια του νερού περίπου κατά το ήμισυ του μήκους κύματος της. Αυτό σημαίνει ότι στη χαμηλότερη συχνότητα ΗΜ ακτινοβολίας (1 GHz) που χρησιμοποιείται συνήθως για την τηλεπισκόπηση απορρεύματος πλοίων, την L-BAND, με μύκος κύματος περίπου 23 cm, η ακτινοβολία περνά την επιφάνεια του νερού περίπου 12 cm, ενώ σε μεγαλύτερες συχνότητες ακόμη λιγότερο. Συνεπώς η τηλεπισκόπηση απορρεύματος πλοίων βασίζεται κυρίως στην κατανόηση της υδροδυναμικής της επιφάνειας.

Το επιφανειακό απόρρευμα των πλοίων μπορεί να γίνει αντιληπτό από μια ποικιλία ενεργητικών και παθητικών συστημάτων τηλεπισκόπησης. Οι οπτικές και οι SAR απεικονίσεις που περιλαμβάνουν πλοία επιφανείας πολύ συχνά εμφανίζουν το απόρρευμα τους σαν ένα μακρύ σκοτεινό σημάδι, σε ορισμένες περιπτώσεις μέχρι και 40 Km μακρύ. Το ίχνος αυτό είναι η λεγόμενη σκοτεινή κεντρική γραμμή εκφυγής (dark trailing centerline), και είναι το συχνότερα εμφανιζόμενο χαρακτηριστικό. Επίσης παρατηρούνται συχνά φωτεινές γραμμές τύπου “στενό V”, σε κάποια μικρή γωνία από τον άξονα πορείας του πλοίου που κινείται, και κάποιες φορές ο χαρακτηριστικός και μακροσκοπικά κυματισμός Kelvin.

Η απεικόνιση της ΕΙΚΟΝΑΣ 2, λήφθηκε από το δορυφόρο SEASAT το 1978 με ραντάρ τύπου SAR L-Band σε μήκος κύματος 23 cm. Καλύπτει μια περιοχή 38x36 Κm και απεικονίζει τα ίχνη τριών πλοίων (B3, E5 και H5) κινούμενων σε ήρεμη θάλασσα. Τα ίχνη του απορρεύματος τους εμφανίζουν τις χαρακτηριστικές φωτεινές γραμμές τύπου “στενό V”, στη μία ή και στις δύο πλευρές και σε γωνία 2 έως 8 μοίρες από τον άξονα πορείας του κάθε πλοίου, και τη σκοτεινή κεντρική γραμμή εκφυγής, περισσότερο εμφανή στο ίχνος του πλοίου Β3. Επίσης αξίζει να αναφερθεί η πολύ έντονη στο πίσω μέρος φωτεινότητα στο ίχνος του πλοίου Ε5, που επιβεβαιώθηκε από πέντε διαφορετικές απεικονίσεις ανεξάρτητων εργαστηρίων, και αποδόθηκε στην ιδιαιτερότητα της μορφολογίας του πλοίου (τάνκερ με έντονη υπερκατασκευή στο πίσω μέρος).

Στην απεικόνιση της ΕΙΚΟΝΑΣ 3, επίσης από τον SEASAT, εμφανίζονται μεγάλος αριθμός πλοίων από ναυτική άσκηση, και το αξιοσημείωτο είναι ότι υπήρχαν πολύ έντονες καιρικές συνθήκες, άνεμος περί τα 30 knots και ύψος κυμάτων 4 m. Οι φωτεινές γραμμές τείνουν να ευθυγραμμιστούν πίσω από τα πλοία και δεν παρατηρείται σκοτεινή κεντρική γραμμή. Οι φωτεινές γραμμές έχουν μικρότερο μήκος, περί τα 700 m, αλλά διακριτό πολύ μεγαλύτερο από το μήκος των απεικονιζόμενων πλοίων.

ΕΙΚΟΝΑ 3: Απεικόνιση SEASAT της ναυτικής άσκησης “NORTH WEDDING” με εικόνες απορρεύματος σε συνθήκες μεγάλου κυματισμού (Πηγή: Digital Image Processing Laboratory, NRL.)

Ένα λιγότερο συχνά εμφανιζόμενο χαρακτηριστικό στις εικόνες αυτές είναι οι εσωτερικοί κυματισμοί που δημιουργούνται από το πλοίο και παρατηρούνται σε περιοχές με μεγάλη επιφανειακή πυκνότητα ή έντονη θερμοκρασιακή διαστρωμάτωση. Η μορφολογία τους είναι παρόμοια με αυτή του κυματισμού Kelvin, αλλά οι γωνίες τους είναι ανάλογες της ταχύτητας του πλοίου και μικρότερες από τη σταθερή γωνία των 19.5ο του κυματισμού Kelvin. Ένα παράδειγμα φαίνεται στην ΕΙΚΟΝΑ 4.

ΕΙΚΟΝΑ 4: Απεικόνιση των εσωτερικών κυματισμών που δημιουργούνται από το πλοίο από αερομεταφερόμενο ραντάρ SAR X-band σε γωνία λήψης 25ο (Πηγή: Intera Technologies, Ottawa, Canada, through the Space Department, Royal Aircraft Establishment at Farnborough, England)

Στην ΕΙΚΟΝΑ 5 φαίνεται η απεικόνιση SAR L-band (1.2GHz, 25cm μήκος κύματος) πλοίου που ταξιδεύει στην παράλληλη διεύθυνση με αυτή του φορέα του ραντάρ και ταχύτητα 18 knots.

ΕΙΚΟΝΑ 5: Απεικόνιση SAR L-band πλοίου που ταξιδεύει στην παράλληλη διεύθυνση με ταχύτητα 18 knots. (Πηγή: Ιδία)

Στην απεικόνιση φαίνεται η σκοτεινή κεντρική γραμμή εκφυγής που εκτείνεται σε μεγάλη απόσταση από το πλοίο, και το φωτεινό ίχνος του πλοίου στο κάτω μέρος της εικόνας, μετατοπισμένο από τη κεντρική γραμμή. Αυτό το φαινόμενο είναι κατασκεύασμα της σχετικής κίνησης του κάθετα (σε σχέση με τη κίνηση του φορέα) κινούμενου ραντάρ SAR και του παράλληλα (επίσης σε σχέση με το φορέα) κινούμενου πλοίου.

Στην ΕΙΚΟΝΑ 6 φαίνεται η απεικόνιση SAR L-band πλοίου που ταξιδεύει στην αζιμούθια (κάθετη) διεύθυνση με ταχύτητα 25 knots.

ΕΙΚΟΝΑ 6: Απεικόνιση SAR L-band πλοίου που ταξιδεύει στην αζιμούθια (κάθετη) διεύθυνση με ταχύτητα 25 knots. (Πηγή: Ιδία)

Στη δεξιά πλευρά φαίνεται σε κλίμακα η γωνία πρόσπτωσης του ραντάρ. Στην απεικόνιση φαίνεται το φωτεινό ίχνος του πλοίου, η σκοτεινή κεντρική γραμμή εκφυγής που εκτείνεται σε μεγάλη απόσταση από το πλοίο, η φωτεινή γραμμή τύπου “στενό V” στην αριστερή πλευρά, και ο κυματισμός Kelvin, τόσο οι οριακές όσο και οι εγκάρσιες καμπύλες.

Επίσης στην ΕΙΚΟΝΑ 7 φαίνεται η απεικόνιση SAR L-band δύο πλοίων που ταξιδεύουν στην αζιμούθια (κάθετη) διεύθυνση με ταχύτητα 25 knots.

ΕΙΚΟΝΑ 7: Απεικόνιση SAR L-band δύο πλοίων που ταξιδεύουν στην αζιμούθια (κάθετη) διεύθυνση με ταχύτητα 25 knots. (Πηγή: Ιδία)

Στη δεξιά πλευρά φαίνεται σε κλίμακα η γωνία πρόσπτωσης του ραντάρ. Στην απεικόνιση φαίνεται το φωτεινό ίχνος των πλοίων, η σκοτεινή κεντρική γραμμή εκφυγής που εκτείνεται σε μεγάλη απόσταση από τα πλοία, πλατύτερη και εντονότερη στο αριστερό, η φωτεινή γραμμή τύπου “στενό V” και στις δύο πλευρές των πλοίων μαζί με τις οριακές καμπύλες των 19.5ο του κυματισμού Kelvin.

Σημαντικα Αποτελεσματα - Συμπερασματα

Με τη συνεχή ανάπτυξη και την επέκταση των δορυφορικών τηλεπισκοπικών συστημάτων, τα ίχνη του απορρεύματος των πλοίων και τα χαρακτηριστικά γνωρίσματά τους μπορούν να γίνουν μια πλούσια πηγή πληροφοριών για την ανίχνευση και την ταξινόμηση των πλοίων επιφάνειας. Προκειμένου οι πιθανές πηγές των ιχνών να γίνουν καλύτερα κατανοητές και να μειωθούν δραστικά, απαιτείται ακόμα έρευνα στο πεδίο της υδροδυναμικής. Οι παρατηρήσεις που μπορούν να συνοψιστούν από τη μελέτη σημαντικού αριθμού απεικονίσεων SAR έχουν ως ακολούθως:

• Η σκοτεινή κεντρική γραμμή εκφυγής είναι η πιο συχνή σε εμφάνιση και η μεγαλύτερη σε μήκος απεικόνιση του απορρεύματος.
• Οι εκδηλώσεις κυματισμών Kelvin είναι συνήθως φωτεινές επιστροφές, που εμφανίζονται είτε σε μια είτε και στις δύο πλευρές της φωτεινής επιστροφής του πλοίου.
• Οι φωτεινές επιστροφές (γραμμές) τύπου “στενό V” εμφανίζονται μόνο στους ελαφριούς ανέμους (ταχύτητα αέρα < 3 m/s) και είναι συχνά αρκετά χιλιόμετρα στο μήκος.
• Η μετατόπιση Doppler της φωτεινής επιστροφής του πλοίου από τη σκοτεινή κεντρική γραμμή, και το μήκος κύματος του εσωτερικού κυματισμού (όταν μπορούν να διακριθούν) παρέχουν δύο πιθανούς μηχανισμούς για την μέτρηση της ταχύτητας των σκαφών.

Το απόρρευμα των πλοίων είναι αποτέλεσμα περίπλοκων υδρολογικών φαινομένων που δεν έχουν γίνει πλήρως κατανοητά, αλλά το ίχνος τους στις απεικονίσεις SAR μπορεί να είναι εμφανές για πολλά χιλιόμετρα και κάτω από αντίξοες καιρικές συνθήκες. Επίσης μπορεί να διαπιστωθεί άμεσα η πορεία του πλοίου. Λαμβάνοντας επίσης υπόψη και τη δυνατότητα δορυφορικής λήψης απεικονίσεων SAR από όλη την υδρόγειο σε εικοσιτετράωρη βάση, ανεξάρτητα από τις καιρικές συνθήκες, διαφαίνεται ότι υπάρχει η δυνατότητα να δημιουργηθεί ένα αξιόπιστο σύστημα παρακολούθησης πλοίων.