Российские учёные создали уникальную глобальную систему мониторинга морской поверхности SeaVision
Молодёжная лаборатория морской метеорологии Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН совместно с компанией «Морские компоненты и системы» разработала принципиально новую систему дистанционного мониторинга состояния морской поверхности SeaVision.
Система, использующая штатные судовые навигационные радары, способна в автоматическом режиме и с высокой точностью измерять ключевые параметры ветровых волн, открывая новые возможности в сборе данных для науки, судоходства и экологии. Результаты работы опубликованы в журнале Applied Ocean Research.
Главное отличие SeaVision от существующих в мире аналогов — использование уже установленного на любом судне навигационного оборудования. Ранее для точного измерения волн требовались дорогостоящие специализированные радары стоимостью около 200–400 тыс. евро, которые часто конфликтовали с судовой навигацией.
«Идея использовать сам навигационный радар пришла давно. Он есть на каждом судне, вращается каждые две секунды и „видит“ волны, хоть и с плохим разрешением. Задача была в том, чтобы превратить этот аналоговый сигнал в цифровой и с помощью сложных алгоритмов извлечь из него точную информацию о волнении», — поясняет научный руководитель проекта академик РАН Сергей Гулёв.
Команда российских учёных и инженеров решила эту задачу, создав компактный аппаратный модуль и уникальные алгоритмы обработки данных. «Мы сделали устройство, считывающее аналоговый сигнал с навигационного радара и переводящее этот сигнал в цифровой, и алгоритмы, позволяющие обрабатывать эту информацию и получать все параметры ветрового волнения каждые две секунды. При этом мы добились точности не хуже, чем у стационарных дорогостоящих радаров», — отмечает академик.
Работа полностью выполнена сотрудниками молодёжной лаборатории морской метеорологии ИО РАН. «Хотелось бы отметить заведующую лабораторией Наталью Тилинину и студентку магистратуры Елизавету Ежову, на плечи которых легла вся работа от разработки алгоритмов до апробации системы в море», — добавил руководитель проекта.
Что умеет SeaVision?
-
Автоматически измерять все параметры волнения: высоту, период, направление волн, строить направленные волновые спектры.
-
Работать в реальном времени: Данные обрабатываются на борту и могут передаваться через спутниковую связь в центры сбора данных.
-
Видеть больше, чем волны: Система способна детектировать разливы нефти (слики), определять характеристики льда (модификация IceVision), а в перспективе — оценивать скорость поверхностных течений и ветра.
-
Фиксировать экстремальные явления: Обрушение волн, которое играет ключевую роль в газообмене между океаном и атмосферой.
«Это одна из немногих высокотехнологичных систем, полностью созданных в России и признанных в мире», — подчёркивает Сергей Гулёв.
Схема работы системы SeaVision. Сигнал с поверхности моря (зёленый) оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя и преобразуется во временной ряд радиолокационных изображений. Алгоритм восстановления с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) преобразует эти временные ряды в трёхмерный спектр, на котором обнаруживается дисперсионная оболочка. Затем он преобразуется в направленный волновой спектр. Окончательный набор параметров, включая высоту волны, периоды и направления, направленный спектр D(ω, θ) для заданных частот ω и направлений θ, передается через GTS (Global Telecommunication System) Значение для науки
Ветровые волны — критически важный элемент системы «океан-атмосфера». Они влияют на поглощение парниковых газов потоки энергии на границе океан-атмосфера, а, соотвественно на формирование погоды и климата. Глобальных средств наблюдения за волнами стало больше (спутники, модели), но поток прямых, точечных, верифицирующих измерений с поверхности океана — основы для науки и проверки всех остальных данных — резко сократился.
Визуальные наблюдения с судов — исторически самый массовый способ. Каждые 6 часов штурманы выходили на мостик, чтобы оценить высоту, период и направление волн «на глаз». Эти данные, накопленные за более чем 150 лет, легли в основу глобальных климатологий волнения. Однако с распространением автоматических метеостанций на судах в 1990-х и 2000-х годах необходимость в регулярных выходах штурманов отпала, а волны такие станции не измеряют. Это привело к резкому падению количества наблюдений: с 7000 судов-наблюдателей в 1970-х до менее чем 2000 сегодня.
«Мы о волнах в океане знаем очень мало. Данных катастрофически не хватает. Визуальные наблюдения — их становится всё меньше. Буи стоят только в определённых местах. Спутники имеют большие погрешности и ограничения. Модели надо с чем-то сравнивать. Идея была — использовать то, что уже есть в огромных количествах: суда и их радары», — добавляет Сергей Гулёв.
Таким образом, SeaVision способна радикально изменить ситуацию, превращая тысячи коммерческих и исследовательских судов в автономные источники бесценных данных.
Применение и перспективы
На сегодняшний день SeaVision прошла успешную апробацию в восьми морских экспедициях — от Арктики до Антарктиды — и установлена на 7 исследовательских судах. Результаты сравнения с буевыми измерениями и спутниковыми данными подтвердили высокую точность системы.
Основная задача сейчас — масштабирование. Разработчики видят будущее системы в её установке на коммерческий флот. «Гибкость архитектуры SeaVision позволяет адаптировать систему для установки на различных носителях — любых судах от малых до больших, стационарных морских платформах, на автономных морских объектах», — отмечают исследователи.
Главный вызов — экономический. Для нового судна стоимостью в миллиарды установка системы за 2-3 тысячи долларов не проблема. Однако убедить владельцев существующих судов в необходимости таких инвестиций сложнее.
Команда вед`т активную работу с Комиссией по морской метеорологии ВМО (WMO Commission on Marine Meteorology), чтобы SeaVision была рекомендована судовладельцам к установке через Глобальную систему наблюдений за климатом. Важным аргументом может стать интерес страховых компаний, которым точные данные о волновой обстановке нужны для оценки рисков.
