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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Ermittlung von ein in situ Seegangsfeld beschreibenden hydrographischen
Parametern, insbesondere des Seeganges, der Strömung und der Wassertiefe, mittels
einer Radareinrichtung, aus deren gelieferten analogen Signalsequenzen
eine Sequenz digitalisierter Signale in Raumkoordinaten geliefert
wird, wobei aus der Sequenz digitalisierter Signale in Raumkoordinaten
mittels einer Fourier Transformation ein dreidimensionales komplexwertiges
Frequenz-Wellenzahlspektrum ermittelt wird, nachfolgend das Frequenz-Wellenzahlspektrum
einer Filterung nach dem Prinzip der Dispersionsrelation, die Wellenzahlen und
Frequenzen des Seeganges miteinander verknüpft, zur Lokalisierung der
seegangsspezifischen Parameter durch Trennung der Signale vom in
der von der Radareinrichtung gelieferten Signalsequenz enthaltenen
Rauschen unterworfen wird, daß nachfolgend
die Wellenhöhe
aus dem daraus erhaltenen Signal-zu-Rauschverhältnis ermittelt wird und die
in die oberflächennahe
Strömung
des Seegangsfeldes beschreibenden Parameter sowie die Wassertiefe durch
Lokalisierung der Signalkoordinaten in der durch die Dispersionsrelation
definierten Fläche
im dreidimensionalen Spektralraum ermittelt werden.
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Eine Radareinrichtung, die mit Einrichtungen verknüpft ist,
die aus den von der Radareinrichtung gelieferten analogen Signalsequenzen
eine Sequenz digitalisierter Signale, die Bildern des Seegangs entsprechen,
in Polarkoordinaten liefert, ist bekannt (
DE 43 02 122 A1 ).
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Die Ermittlung von ein in situ Seegangsfeld flächendeckend
beschreibenden hydrographischen Parametern ist seit Jahrzehnten
ein die ozeanographische Wissenschaft beherrschendes Thema. Auskunft über das
Verhalten eines in situ Seegangsfeldes auf dem offenen Meer, im
Bereich von Küstengewässern, in
tidenabhängigen
Flußläufen und
-mündungen
sowie für
Küstenschutzmaßnahmen
und Hafenbauten zu erhalten, würde
die damit jeweils befaßte
Fachwelt einschließlich
der Schiffahrt und den Bereich der Explorations- und Fördertechnik
von meergestützen
Anlagen in die Lage versetzen, Maßnahmen zur Prävention
kurzfristig auftretender Seegangsfelder und des langjährigen Verhaltens
der Seegangsfelder zu schaffen. Alle größeren Nationen, die geographisch
bedingt einen Zugang zum Meer haben bzw. Küstenformationen aufweisen,
die dem Seegang ausgesetzt sind, betreiben eine intensive Forschung
auf diesem Gebiet, um nicht nur kurzfristige Auskunft über das
Verhalten von Seegangsfeldern zu erhalten, sondern auch aus dem
Verhalten Aufschluß über langfristige
Veränderungen
zu erhalten, die wiederum Grundlage für beispielsweise schutzfördernde
bzw. landerhaltende Maßnahmen. sein
können.
Allgemein gilt, daß der
Seegang- und Gezeitenstrom, insbesondere in Küstennähe, inhomogen ist, da dort
die Wassertiefen unterschiedlich sind. Man spricht in diesem Zusammenhang
auch von Strömungs-
und Tiefenrefraktion. Diese Prozesse bewirken längerfristig Veränderungen
der Morphologie. Nahe von wasserbaulichen Befestigungen und in Hafeneinfahrt
tritt zusätzlich
eine Diffraktion des Seegangsfeldes bzw. Wellenfeldes auf, das darauf
auftrifft, wodurch ebenfalls Inhomogenitäten des Seegangs herbeigeführt wird.
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Mechanische und optische in situ
Strömungssensoren
ermitteln einen Wert einer Strömung,
der für
ein kleines Meßvolumen
der typischen Abmessung 10 cm × 10
cm repräsentativ
ist (Punktmessung). Vertikale Strömungsprofile lassen sich mit ADCPs
(Acoustic Doppler Current Profiler) erstellen. Horizontale Strömungsprofile,
d.h. Strömungskarten, können bisher
aus Messungen mittels HF-Radargeräten berechnet werden. Das Anwendungsgebiet dieses
Fernerkundungssensors ist allerdings auf Salzwasser beschränkt. Es
können
Gebiete der Abmessung von bis zum 20 km × 20 km meßtechnisch erfassen, allerdings
bei einer räumlichen
Auflösung der
Strömungskarte
von nur 500 m × 500
m.
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Aus Bildsequenzen eines nautischen
Radars lassen sich mit dem lokalen Analyseverfahren Strömungskarten
mit einer um eine Größenordnung
verbesserten räumlichen
Auflösung
erstellen, wobei das Verfahren auch im Süßwasser einsetzbar ist. Aufgrund
der hohen räumlichen
Auflösung
können
auch kleinskalige Inhomogenitäten
des Strömungsfeldes, wie
beispielsweise Wirbel, vermessen werden. Das meßtechnisch erfaßte Gebiet
hat typischerweise eine Abmessung von 2 km × 2 km.
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Tiefenkarten in küstennahen Gewässern lassen
sich mittels Echolotungen erstellen. Dieses Verfahren ist aufwendig
und teuer (Schiffszeiten). Echolotungen können daher nur sporadisch durchgeführt werden.
Aus Bildsequenzen eines nautischen Radars lassen sich mit einem
verhältnismäßig geringen finanziellen
und logistischen Aufwand mit dem lokalen Analyseverfahren kontinuierlich
Tiefenkarten erstellen. Auf einer experimentellen Basis wurden bereits
Algorithmen entwickelt, die es unter bestimmten hydrographischen
Bedingungen gestatten, bei Kenntnis der oberflächennahen Strömung eine
Karte der Wassertiefe mittels der Analyse von Radar-Bildsequenzen
inhomogener Wasseroberflächen
zu erstellen. Die Methode von Bell, P.S., "Bathymetry derived from an analysis
of X-Band marine radar images of waves", Oceanology International 98, Proceedings Vol.
III, pp. 535–543,
1998, setzt zusätzlich
voraus, daß das
Wellenfeld lokal aus einer einzelnen Welle besteht, wobei die Wellenlänge und
Laufrichtung, bedingt durch die variable Wassertiefe, räumlich variiert.
Von Hessner, K., Reichert, K., Rosenthal, W., "Mapping of sea bottom topography in
shallow seas by using a nautical radar", ITC'99, Enschede, NL, 1999, wurde das Wellenfeld
zuerst frequenzzerlegt, bevor aus den einzelnen Frequenzkomponenten
mittels der Dispersionsrelation die Wassertiefe pixelweise bestimmt
wurde. Diese Methode ist anwendbar, falls die Richtungsstreuung
des analysierten Seegangszustands gering ist, da ansonsten aus unterschiedlichen
Richtungen einlaufende Partialwellen zu Interferenzen führen.
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Ein anderes Verfahren, das zur Ermittlung von
Parametern, die ein in situ Seegangsfeld beschreiben, verwendet
wird, ist die Messung eindimensionaler Frequenzspektren und ggf.
auch der Momente der Richtungsverteilung des Seeganges an einzelnen
Orten mittels sogenannter Seegangsbojen. Seegangsbojen eignen sich
aber nicht zum Einsatz in flachen Gewässern, insbesondere im Brandungsbereich,
und es ist nur eine im wesentlichen punktuelle Erfassung des Seegangsfeldes
möglich. Ein
sehr wesentlicher Nachteil des bekannten Verfahrens zur Ermittlung
der hydrographischen Parameter eines Seegangsfeldes mittels der
Seegangsboje ist dessen unzureichende Richtungscharakterisierung
des Seegangsfeldes bzw. Seeganges schlechthin.
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Eine weitere Methode ist die sogn.
globale Radar-Bildsequenzanalyse. Mit dem globalen Analyseverfahren
werden Werte hydrographischer Parameter bestimmt, die das gesamte
Analysegebiet repräsentieren.
Das Verfahren findet seine Anwendung bei homogenen Seegangsfeldern,
d.h. bei räumlicher Konstanz
der hydrographischen Parameter über
das Analysegebiet.
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Die auf ein kartesisches Gitter interpolierten Signalsequenzen
(Radar-Bildsequenzen) werden mit einer dreidimensionalen Fast-Fourier-Transformation (3D
FFT) in ein dreidimensionales komplexwertiges Frequenz-Wellenzahlspektrum überführt. Bei
der globalen Sequenzanalyse wird das durch Bildung des Betragsquadrats
berechnete Varianzspektrum ausgewertet.
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Nachfolgend werden die Wassertiefe
d und die Komponenten des horizontalen Strömungsvektors ux und
uy durch Anpassung der mit einem Schwellwert
der Varianz selektierten Seegangs-Signalkoordinaten des Bildspektrums
an die theoretische Dispersionsrelation der Seegangswellen (Senet,
C.M., "Untersuchungen
zur Bestimmung der oberflächennahen
Strömungsgeschwindigkeit
mit einem nautischen Radar",
Diplomarbeit, Universität Hamburg
und GKSS-Forschungszentrum, GKSS-Report 97/E/3, 1996, Outzen, O., "Bestimmung der Wassertiefe
und der oberflächennahen Strömung mit
einem nautischen Radar",
Diplomarbeit, Universität
Hamburg und GKSS-Forschungszentrum, GKSS-Report GKSS 98/E/60, 1998)
bestimmt. Das Verfahren zur Berechnung der Wassertiefe und Strömung ist
vorzugsweise das sogenannte "Least-Squares-Verfahren". Die mittels des
Verfahrens erhaltenen, für
das gesamte Analysegebiet repräsentativen
Strömungs-
und Tiefenwerte sind Ausgangsgrößen des
globalen Verfahrens.
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Die Dispersionsrelation definiert
eine "Dispersionsschale" genannte Fläche im Spektralraum, deren
Form vom Wert der Strömung
und der Wassertiefe beeinflußt
wird. Die Lokalisierung des Seegangssignals auf der Dispersionsschale
ermöglicht es,
diese nach Berechnung der Strömung
und der Wassertiefe als spektraler Filter zur Trennung der Signal-
und Rauschkomponente des Bildspektrums zu verwenden.
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Das Seegangsspektrum, d.h. das Varianzspektrum
der Oberflächen-Auslenkung,
ist über
eine Bildübertragungsfunktion
linear mit dem Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Bildspektrums, dem Grauwert-Varianzspektrum,
verknüpft.
Die Bildübertragungsfunktion
kann mit einem Potenzgesetz mit dem Betrag der Wellenzahl als Basis
parametrisiert werden. Die signifikante Wellenhöhe ist zur Wurzel des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses
des Bildspektrums proportional (Nieto Borge, J.C., K. Hessner and K.
Reichert, "Estimation
of the Significant Wave Height with X-Band Nautical Radars", OMAE 99/OSU-3063,
1999). Die Kalibrationsparameter werden zu Beginn einer Meßphase durch
Vergleich mit einem in situ Sensor der Wellenhöhe, der schon erwähnten Seegangsboje,
bestimmt. Nach der Kalibrationsphase kann die Bild-Sequenzanalyse
unabhängig
von weiteren in in situ Seegangsmessungen durchgeführt werden
(Ziemen, F., "An
Instrument for the Survey of the Directionality of the Ocean Wave Field", Proceedings of
the WMO/IOC Workshop on Operational Ocean Monitoring using Surface
Based Radars, Geneva, Report No. 32, pp. 81–87, 1995). Weitere Ausgangsgrößen des
globalen Verfahrens sind ein 180° richtungseindeutiges Seegangspektrum
sowie ein das gesamte Analysegebiet repräsentierender Wert der signifikanten
Wellenhöhe.
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Auch die vorangehend beschriebene
globale Bildsequenz-Analyse
nach dem sogenannten WaMoS-Verfahren brachte bisher keine wirklich
zufriedenstellenden Ergebnisse, da das dreidimensionale Varianzspektrum,
auf das dieses Verfahren abstellt, bei einer Inhomogenität des Seegangsfeldes
keine vollständige
Beschreibung der raumzeitlichen Korrelation des Seegangsfeldes zuläßt. Vielmehr
liefert dieses Verfahren nur global über das Meßgebiet gewichtete Parameter
und ist somit nur auf dem freien Meer, wo eine Homogenität des Seegangsfeldes
aufgrund ausreichend großer
Wassertiefen angenommen werden kann, in Grenzen hinreichend.
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Außer den vorangehend erwähnten Verfahren
zur Bestimmung einer Tiefenkarte wurde bisher eine Analyse von inhomogenen
Seegangsfeldern bzw. inhomogener Wasseroberflächen schlechthin dadurch durchzuführen versucht,
daß man
sich auf eine dazu herangezogene Rechenmethode stützte, die
der Fachwelt als MUSIC (Multiple Signal Classification) bekannt
ist. Dieses Verfahren wurde aber von der Fachwelt verworfen, da
die Laufzeit einer MUSIC-gestützten Analyse
eines Seegangsfeldes keine operative Analyse zuläßt, da das Verfahren sehr langsam
ist.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen,
mit der inhomogene Seegangsfelder beschreibenden räumlichen
Verteilung hydrographischer Parameter, die mittels einer Radareinrichtung zunächst als
analoge Signalsequenzen geliefert werden, eine exakte Aussage über das
Verhalten von Seegangsfeldern sowohl auf dem offenen Meer als insbesondere
auch im küstennahen
Bereich zu machen, wobei das Verfahren derart gestaltet sein soll, daß auch eine
kontinuierliche Erfassung des Seegangsfeldes möglich ist, um aufgrund der
ermittelten Parameter einerseits Entscheidungsgrundlagen für die Notwendigkeit
von Maßnahmen
des Küstenschutzes
zu bekommen sowie andererseits Aussagen über die Effektivität schon
bisher durchgeführter Maßnahmen
zu erhalten und Aussagen über
den Einfluß von
Diffraktionen durch das Seegangsfeld zu erhalten, die durch Wasserbaumaßnahmen
selbst hervorgerufen werden. Zudem soll die Möglichkeit geschaffen werden,
hochgenaue horizontale Strömungskarten
zu erstellen und Aussagen über
das Verhalten des Seegangsfeldes für die Schiffahrt und/oder von
Explorations- und/oder Fördereinrichtungen
auf dem Meer zu erhalten, wobei die Ermittlung der räumlichen
Verteilung der hydrographischen Parameter mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
quasi in Echtzeit, d.h. im Laufe einer Zeitdauer, während derer
sich die Werte der Parameter nicht signifikant ändern, erfolgen soll.
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Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung
dadurch, daß die
im Frequenz-Wellenzahlspektrum enthaltene Phaseninformation der
erfaßten
Wellen des Seegangsfeldes zur Ermittlung der Parameter bei einem
Seegangsfeld herangezogen wird, indem das dreidimensionale Spektrum
in bezug auf Dispersion, Richtung und Frequenz zum Erhalt einer Menge
vermeßbarer
Bilder (Phase, Varianz) einzelner Wellen separiert wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den Effekt
aus, der durch den Wind, der den Seegang in einem mittels der Radareinrichtung
beobachteten Seegangsfeld auf die Meeresoberfläche beeinflußt, ausgeübt wird.
Die durch ein lokales Windfeld im beobachteten Seegangsfeld erzeugte
kleinskalige Rauhigkeit der Meeresoberfläche führt zu einer Radarrückstreuung,
die durch die Wellen des beobachteten Seegangsfeldes moduliert wird.
Der Seegang wird daher von einer Radareinrichtung, die prinzipiell
eine gewöhnlich
nautische Radareinrichtung sein kann, abgebildet, sobald ein vorbestimmter
Schwellenwert der Windgeschwindigkeit, typischerweise 2 bis 3 ms–1, überschritten
wird und die Wellenlängen
groß genug
sind, beispielsweise > 40
m, um von der Radareinrichtung aufgelöst werden zu können.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht im wesentlichen darin, daß es mit diesem Verfahren erstmals
möglich
ist, quasi in Echtzeit, Aussagen über die räumliche Verteilung hydrographischer
Parameter eines beobachteten inhomogenen Seegangsfeldes zu erzeugen
bzw. bereitzustellen, d.h. Aussagen über die raum-zeitliche Korrelation des
beobachteten Wellenfeldes, Aussagen über das lokale Seegangsspektrum
mit vollständiger
Richtungsauflösung
zu machen und Aussagen über
das Feld der oberflächennahen
Strömung
und der Wassertiefe zu erhalten. Aus diesen erhaltenen Parametern
können
vorteilhafterweise dann auch Karten der ermittelten oberflächennahen
Strömung,
der Wassertiefen und der lokalen Wellenlängen- und Richtungsverteilung
der Energie am Ort des beobachteten Seegangsfeldes erstellt werden,
so daß ausgezeichnete Navigationshilfen
auch für
die Schiffahrt zur Verfügung
gestellt werden können.
Mit den Ergebnissen des Verfahrens kann faktisch eine fortlaufende Überwachung
der Bathymetrie erreicht werden, die eine Variation eines Tidenstroms
in küstennahen
Gewässern
bedingt, und es können
aufgrund der verfahrensmäßig möglichen
kontinuierlichen Ermittlung der hydrographischen Parameter des beobachteten
Seegangsfeldes auch Maßnahmen
zur Verbesserung des Küstenschutzes,
beispielsweise durch Sandvorspülungen,
ergriffen werden, um Landverluste zu vermeiden. Auch ist eine fortwährende Überwachung der
aufgrund der ermittelten Parameter ergriffenen Maßnahmen
in bezug auf ihre tatsächliche
Effektivität
in bezug auf das angestrebte Ziel möglich.
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Seegangsfelder auf dem offenen Meer
verhalten sich normalerweise aufgrund der großen Wassertiefen auf dem offenen
Meer in bezug auf die Wellenzahl k, die Frequenz ω, die Wellenlänge λ und zur Periode τ quasi homogen.
Man spricht deshalb in diesem Zusammenhang von Seegangsfeldern im
offenen Meer von homogenen Seegangsfeldern bzw. homogenem Seegang.
Um das erfindungsgemäße Verfahren
auch dazu heranziehen zu können,
sogenannte inhomogene Wasseroberflächen zu analysieren, insbesondere
auch die inhomogenen Wasseroberflächen, wie man sie in flachen
Küstengewässern antrifft,
werden Verfahrensschritte des globalen Analyseverfahrens dahingehend
angepaßt
sowie spezielle Verfahrensmaßnahmen
zur lokalen Analyse vorteilhafterweise dahingehend neu entwickelt,
daß die im
komplexwertigen Frequenzwellenspektrum enthaltenen Phaseninformationen
der erfaßten
Wellen des Seegangsfeldes zur Ermittlung der Parameter bei einem
inhomogenen Seegangsfeld herangezogen werden.
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Während
bei der Analyse homogener Seegangsfelder, wie sie vorangehend erläutert wurde, die
hydrographischen Parameter durch Analyse des Varianzspektrums bestimmt
werden, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur lokalen Analyse
von Radar-Bildsequenzen des Seegangs zusätzlich die Phaseninformation
herangezogen, die nämlich
die Information über
die lokale Bildstruktur enthält.
Dabei wird angenommen, daß das
Wellenfeld lokal aus einzelnen komplexwertigen Sinuswellen besteht.
Diese Bedingung wird nach der Frequenz- und Richtungszerlegung des
abgebildeten Wellenfeldes vor der lokalen Analyse durch die Dispersionsrelation
des linearen Seegangs, wie er bei einem inhomogenen Seegangsfeld
auf einer lokalen räumlichen
Skala angenommen wird, sichergestellt. Bei einer festen Frequenz
und Wellenlaufrichtung einer Partialwelle erfüllen maximal zwei Beträge der Wellenzahl
die Dispersionsrelation, wobei bei einer Beobachtung des Seegangsfeldes
mittels der Radareinrichtung von einem nicht bewegten Ort aus faktisch
nur die kleinere der beiden Lösungen
relevant ist. Das komplexwertige dreidimensionale Frequenz-Wellenzahl-Signalspektrum
(Bildspektrum), welches bereits mittels der Fourier Transformation
in einzelne Frequenz-Stützstellen zerlegt vorliegt,
wird mit einem Richtungsfilter und mit dem durch die Dispersionsrelation
definierten Filter spektralgefiltert. Anschließend werden die selektierten
spektralen Intervalle mit einer zweidimensionalen Fourier-Transformation
in den Orts-Frequenzbereich rücktransformiert.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Darstellungen und Abbildungen im einzelnen anhand
eines Beispieles beschrieben. Darin zeigen:
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1 eine
Gesamtübersicht über die
von einer Radareinrichtung gelieferten analogen Signalsequenzen,
die in eine Sequenz digitaler Signale ausgegeben werden und danach
zur Ermittlung der räumlichen
Verteilung hydrographischer Parameter des beobachteten inhomogenen
Seegangsfeldes einer Behandlung gemäß dem Verfahren unterworfen werden,
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2 schematisch
den Verfahrensablauf zur Analyse von Bildsequenzen inhomogener Wasseroberflächen eines
Seegangsfeldes, wie man sie insbesondere in küstennahen Gewässern vorfindet,
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3 ein
mittels der Radareinrichtung erfaßtes Radarbild einer Signalsequenz,
aufgenommen während
einer Sturmflut am 04.02.1999, 20 Uhr UTC, List/Sylt, Bundesrepublik
Deutschland,
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4 die
optische Darstellung der Dispersionsrelation von Oberflächenwellen
im Wellenzahl-Frequenzraum, wobei 4a die
Dispersionsrelation ohne durch eine oberflächennahe Strömung hervorgerufene
Dopplerverschiebung darstellt, 4b die
Dispersionsrelation mit durch eine oberflächennahe Strömung hervorgerufene
Dopplerverschiebung darstellt und 4c die
Dispersionsrelation bei einer im Verhältnis zu den Wellenlängen des Seegangs
geringen Wassertiefe darstellt,
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5a ein
globales dreidimensionales Frequenz-Wellenzahlspektrum einer Radarsignalsequenz
in Form eines Frequenz-Wellenzahlschnittes in West-Ost-Richtung,
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5b ein
globales dreidimensionales Frequenz-Wellenzahlspektrum einer Radarsignalsequenz
im Wellenzahlschnitt bei einer Frequenz-Stützstelle ω = 0,55 rad/s entsprechend
einer Periode von τ =
11,4 s, wobei die Dispersionsrelation linearer Schwerewellen als
durchgezogene Linie und die Dispersionsrelation, der 1. Harmonischen
als gestrichelte Linie dargestellt ist und wobei das Seegangssignal
im Spektralraum verschmiert ist, da die Wassertiefe und die Strömung im
Analysegebiet varierten,
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6 eine
schematische Darstellung einer Dispersions-Richtungs-Frequenzseparation,
wobei das Bildspektrum durch Anwendung von Dispersions-Richtungs- und Frequenzseparation
in sogenannte DDF-Intervalle zerlegt ist,
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7 Phasen-
(oben) und Varianzbilder (unten) des dispersions-frequenz- (links)
und des dispersions-frequenz-richtungszerlegten (rechts) Seegangssignals,
wobei die selektierte Frequenz und Wellenlaufrichtung ω = 0,55
rad/s entsprechend einer Periode von τ = 11,4 s und Φ = 258° ist,
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8 die
lokalen Wellenlängen
und Laufrichtungen, eintragen in das Phasenbild der dispersions-richtungsgefilterten
Seegangssignalsequenz (Kreisfrequenz ω = 0,5 rad/s und Filterrichtung Φ = 258°), wobei
die Analyseergebnisse für
diejenigen Gebiete dargestellt sind, bei denen die Korrelation des
Bildes mit den beiden Komponenten des Gradientenbildes hoch ist,
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9 eine
anhand der verfahrensmäßig ermittelten
Parameter erzeugte Karte der Strömung und
der Wassertiefe am 04.02.1999, 20 Uhr UTC, List/-Sylt, Bundesrepublik Deutschland, ermittelt
unter Heranziehung des Regressionsverfahrens,
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10 Vergleich
der für
den 04.02.1999, 20 Uhr UTC, List/Sylt, Bundesrepublik Deutschland,
mittels des Verfahrens ermittelte Wassertiefe (Grauwertskala) mit
einer mit standardmäßigen, konventionellen
Echolotungen erzeugten Bathymetrie des betreffenden Gebiets, bezogen
auf Normalnull, und
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11 ein
lokales Bildspektrum, hergeleitet aus einem Gebiet der Meeresoberfläche der
Abmessung 100 m × 100
m, das sich westlich der Radareinrichtung, die am Leuchtturm List/West,
Sylt, Bundesrepublik Deutschland, installiert ist, befindet.
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Das sich bereits im operationellen
Einsatz befindliche globale Verfahren und das erfindungsgemäße lokale
Verfahren zur Ermittlung von ein in situ Seegangsfeld beschreibenden
hydrographischen Parametern bzw. Parameter-Feldern wie beispielsweise
des Seeganges, der Strömung
und der Wassertiefe bedient sich einer Radareinrichtung, der elektronische
Einrichtungen nachgeschaltet sind, die aus den von der Radareinrichtung
gelieferten analogen Signalsequenzen eine Sequenz digitaler Signale,
die beispielsweise in Polarkoordinaten vorliegt, liefern. Diese
digitalisierten Signale sind die Ausgangsgrößen für die globale und die lokale
Analyse des erfaßten
in situ Seegangsfeld.
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Die Verfahren nutzen den Effekt aus,
daß bei der
beobachteten Wasseroberfläche,
die einem Seegang unterworfen ist, durch das dort herrschende lokale
Windfeld eine kleinskalige Rauhigkeit der dortigen Meeresoberfläche erzeugt
wird, die zu einer Radarrückstreuung
führt,
die durch den Seegang am Ort der Beobachtung moduliert wird. Der
Seegang wird daher von einer nautischen Radareinrichtung abgebildet,
sobald ein gewisser Schwellwert der Windgeschwindigkeit, typischerweise
2 bis 3 ms–1, überschritten
wird und die Wellenlängen
des Seegangsfeldes groß genug
sind, beispielsweise > 40
m, um von der Radareinrichtung aufgelöst zu werden. Diese von der
Radareinrichtung ermittelten, gespeicherten und beispielsweise in
Polarkoordinaten gelieferten Signalsequenzen ermöglichen die verfahrensmäßige Analyse
der räumlichen
und zeitlichen Entwicklung des Seeganges, wobei die Analyseschritte
des lokalen Verfahrens (die Analyseschritte des globalen Verfahrens
sind im Zusammenhang mit der Schilderung des Standes der Technik
eingangs schon dargestellt worden) nachfolgend im einzelnen beschrieben
werden.
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Zur Beschreibung der lokalen Analyse
der mittels der Radareinrichtung erfaßten und beispielsweise in
Polarkoordinaten vorliegenden Signalsequenzen des erfaßten Seegangsfeldes
zur Bestimmung der räumlichen
Verteilung der hydrographischen Parameter wird auf die 1 und 2 verwiesen. Die mittels des Verfahrens
gelieferten Signalsequenzen (Radarbildsequenzen) können nach
dem Stand der Technik einer globalen Sequenzanalyse oder erfindungsgemäßen lokalen
Sequenzanalyse zugrundegelegt werden. Diese Unterteilung ist aus
folgenden Gründen
sinnvoll. Die globale Sequenzanalyse ist für Seegangsoberflächen geeignet,
welche die Bedingungen der Homogenität und der Stationärität erfüllt, was
bedeutet, daß die
von der Radareinrichtung erfaßten
Wellen ihre Eigenschaften (Wellenlänge, Laufrichtung, Periode
und Amplitude) räumlich und
zeitlich nicht ändern.
Mit der globalen Analyse werden über
die räumliche
Ausdehnung des mit der Radareinrichtung erfaßten Gebietes und die Erfassungsdauer
gewichtet Bemittelt hydrographische Parameter bestimmt.
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Treten im interessierenden Seegangsfeld hingegen
Inhomogenitäten,
beispielsweise durch Seegangsdiffraktion oder -refraktion, auf,
wird die lokale Sequenzanalyse angewendet, d.h. mittels dieser werden
räumliche
Felder hydrographischer Parameter berechnet.
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Lokales Analyseverfahren
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Eingangsgrößen für das lokale Analyseverfahren
sind die von der Radareinrichtung gelieferten Signalsequenzen (Radar-Bildsequenzen),
die auf ein kartesisches Gitter interpoliert werden, und ggf. zur Kalibrierung
benötigte
in situ Vergleichsmessungen. Vergleichsmessungen sind beispielsweise
eine Mehrzahl über
die Zeit erfaßter Auslenkungen
der Meeresoberfläche,
aufgenommen beispielsweise mit Bojen. Die von der Radareinrichtung
erfaßten
Signalsequenzen enthalten nach der Interpolation auf das kartesische
Gitter die raum-zeitliche Information für das erfaßte Wellenfeld, in der Form
g (x, y, t), vergleiche 3,
die das Bild einer Sequenz, aufgenommen von einer Radarinstallation
nahe dem Leuchtturm List/West, Insel Sylt, am 04.02.1999, 20:00
Uhr UTC, während
einer Sturmflut zeigt. Der abgebildete Seegang besteht aus einer Überlagerung
unterschiedlicher Wellenlängen
und Laufrichtungen. Diese dreidimensionale Information wird mit
einer dreidimensionalen Fast-Fourier-Transformation
(3D FFT) in ein dreidimensionales komplexwertiges Frequenz-Wellenzahlspektrm Ġ (kx, ky, ω) überführt. Der Betrag
der Wellenzahl k und die Kreisfrequenz ω sind zur Wellenlänge λ und der
Periode τ reziprok.
Die Fourier-Transformation über
die Zeitkoordinate beinhaltet hierbei die Separation der Frequenzkomponenten.
Die Richtung des Wellenzahlvektors gibt die Laufrichtung der Wellen
an. Das komplexwertige Bildspektrum Ġ (kx,
ky, ω)
enthält
sowohl die Information der Grauwert-Varianz G als auch der Phase Φ der mit
der Radareinrichtung abgebildeten Partialwellen des Seeganges.
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Ebenso wie bei der globalen Analyse
werden bei der lokalen Analyse die Wassertiefe d und die Strömung ux, uy durch Anpassung
der Seegangs-Signalkoordinaten des durch Bildung des Betragsquadrats
berechneten Varianzspektrums an die theoretische Dispersionsrelation
der Seegangswellen, vergleiche die 4,
berechnet. Das Verfahren zur Berechnung der Wassertiefe und Strömung ist
vorzugsweise das sogenannte "Least-Squares-Verfahren". Die mittels des
Verfahrens erhaltenen Strömungs- und Wassertiefenparameter
sind die gewünschten Ausgangs größen der
globalen Analyse. Bei der globalen Analyse eines homogenen Seegangsfeldes
repräsentieren
die ermittelten Werte das gesamte Analysegebiet. Bei der lokalen
Analyse eines inhomogenen Seegangsfeldes stellen diese Werte gewichtete Mittelwerte
der räumlichen
Verteilung der hydrographischen Parameter dar. Die aus dem Varianzspektrum
ermittelten Werte der Strömung
und der Wassertiefe stellen bei der lokalen Analyse keine Ausgangsgrößen des
Verfahrens dar, sondern werden, wie weiter unten noch näher ausgeführt wird,
zur Spezifizierung des Dispersionsfilters verwendet.
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Das mit einer dreidimensionalen Fourier-Transformation
berechnete globale Frequenz-Wellenzahlspektrum weist die folgende,
in 5 anhand einer Messung dargestellte
Struktur auf: Die Wellenlänge λ bzw. die
Wellenzahl k einer Seegangswelle sind in linearer Näherung mit
der Wellenperiode bzw. der Wellenfrequenz über die lineare Dispersionsrelation
von Seegangswellen verknüpft.
Die Dispersionsrelation im dreidimensionalen Wellen-Frequenzraum
ist in 4a dargestellt.
Strömung
und Wassertiefe verändern
jedoch die Form der Dispersionsrelation. Diese Verformung der Dispersionsrelation
ist für
die Strömung
in 4b und für die Wassertiefe
in 4c exemplarisch dargestellt.
Nach Bestimmung der Form der Dispersionsrelation mit der Strömungs-Tiefenregression
im spektralen Wellenzahl-Frequenz-Raum wird die Dispersionsrelation
als Signalfilter verwendet, um den spektralen Anteil des Seegangs
vom Rauschen zu trennen. Außer
dem auf der Dispersionsschale lokalisierten linearen Seegangssignal
enthält
das Bildspektrum nichtlineare Signalstrukturen, die aber nur einen geringen
Betrag zur gesamten Varianz des Bildspektrums liefern. Mit dem Ausdruck "Speckle" bezeichnet man Interferenzen,
die bei der Wechselwirkung des Radar strahls mit der rauhen Meeresoberfläche auftreten,
und führen
zu einem Rauschuntergrund im Bildspektrum. Die Lokalisierung des
Seegangssignals auf der Dispersionsschale ermöglicht die Trennung des Signals
vom Rauschuntergrund (Dispersionsrelation). Aus dem Signal-zu-Rausch-Verhältnis des
Bildspektrums wird bei der globalen Analyse die Wellenhöhe abgeleitet.
Bei der lokalen Analyse wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis erst
nach einer Rücktransformation
in den Orts-Frequenzbereich mittels einer zweidimensionalen Fourier-Transformation
zur Bestimmung der räumlichen
Verteilung der Wellenhöhe
ausgeweitet.
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Nach Bestimmung der oberflächennahen Strömung und
der Wassertiefe durch Anpassung der Dispersionsschale an die Signalkoordinaten
des Bildspektrums, wie oben ausgeführt, definiert die Dispersionsrelation
einen spektralen Filter. Einer durch die räumliche Variabilität der Strömung und
der Wassertiefe bedingten Verschmierung der Dispersionsschale wird
mit der Erhöhung
der Wellenzahl Bandbreite (Aufweitung) des Filters Rechnung getragen.
Die Wellenzahl-Schnittebenen des dreidimensionalen komplexwertigen
Bildspektrums werden mittels eines Dispersions- und eines Richtungsfilters
spektral zerlegt. Der Dispersionsfilter wird hierbei für die bezeichnete
Signal- und Rauschkomponente aufgespannt.
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Das beim lokalen Analyseverfahren
Verwendung findende Prinzip der Dispersions-Richtungs-Frequenzseparation
(Dispersion-Direction-Frequency Separation, DDFS) ist in 6 dargestellt. Aus dem separierten
komplexwertigen Bildspektrum werden Wellenzahl-Schnittebenen konstanter
Frequenz mit einer inversen zweidimensionalen Fast-Fourier-Transformation
(2D INV FFT) komplexwertige Bilder der Signal- und Rauschkomponente
in Orts-Fre quenzbereich berechnet. Die Phaseninformation des Bildspektrums
ermöglicht
hierbei die Rekonstruktion der lokalen Bildstruktur. Bei einer festen
Frequenz- und Wellenlaufrichtung erfüllen maximal zwei Beträge der Wellenzahl
die Dispersionsrelation, wobei bei der Messung von einem nichtbewegten
Standort der Radareinrichtung praktisch nur die kleinere der beiden
Lösungen
relevant ist. D.h., das Seegangssignal liegt nach der DDFS und der
darauffolgenden Rücktransformation
in den Orts-Frequenzbereich als sogn. Ein-Komponentenbilder vor, die
lokal nur eine einzige Partialwelle in Form einer komplexwertigen
Sinuswelle aufweisen. Die Information der komplexwertigen Bilder
kann in Form von Phasen- und Varianzbildern dargestellt werden.
Zur Vermessung der Partialwellen werden zusätzlich die x- und y-Komponente
des Gradientenbildes der Signalkomponente benötigt, die ebenfalls aus dem
separierten Bildspektrum unter Verwendung einer inversen zweidimensionalen
Fast-Fourier-Transformation hergeleitet werden.
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In 7 sind
Phasen- und Varianzbilder der Dispersions-Frequenz- und Dispersions-Frequenz-Richtungszerlegung
des Seegangssignals beispielhaft dargestellt. Hierbei wurde beispielhaft die
Frequenz ω =
0,55 rad/s, entsprechend einer Periode von τ = 11,4 s, und der Wellenlaufrichtung Φ = 258° ausgewählt. Das
Muster der Phase des dispersions-frequenzgefilterten Bildes gibt
die Änderung der
lokalen Wellenlängen
und Laufrichtungen, bedingt durch Tiefen- und Strömungsrefraktion,
an. Sichtbar sind Interferenzen von Partialwellen unterschiedlicher
Wellenlaufrichtungen, d.h., daß es
sich um ein Multi-Komponentenbild handelt. Nur bei einem Seegangszustand
mit geringer Richtungs-Bandbreite, beispielsweise einer Dünung, kann
auf Richtungszerlegung verzichtet werden. Im allgemeinen resultiert
erst die Kombination mit einer Richtungszerlegung des Seegangssignals
in einem Ein-Komponentenbild, bei dem die Varianz und die Wellenlänge des
inhomogenen Seeganges räumlich
variiert.
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Nach Havlicek, J.P., Harding, D.S.
Bovik, AC., 'Multimensional
Signals', Vol. 9,
pp 391–398, Kluwer
Academic Publishers, Boston, 1998 und Havlicek, J.P., Harding, D.S.
Bovik, 'AC., 'The Multicomponent
AM-FM Image Representation',
IEEE Trans. Image Proc., ol. 5, No. 6, pp. 1094–1100, 1996 lassen sich die
komplexwertigen Ein-Komponentenbilder wie folgt vermessen: Die Bilder
sind zu der x- und der y-Komponente der Gradientenbilder proportional, wobei
die beiden Proportionalitätsfaktoren,
bis auf die imaginäre
Einheit i, der x- und der y-Komponente eines komplexwertigen lokalen
Wellenzahlvektors entsprechen. Der Realteil, der gleich dem Phasengradienten
des Bildes ist, ergibt die lokale Wellenzahl. Aus dem Imaginärteil der
komplexwertigen Wellenzahl, berechnet sich die lokale Wellenzahl-Bandbreite
des gefilterten Seegangssignals, die die Inhomogenität der lokalen
Bildamplitude angibt.
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Bei der Analyse von Radar-Bildsequenzen findet
sich der durch den "Speckle", siehe oben, bedingte
Rauschuntergrund, der sich ebenfalls innerhalb der Wellenzahl-Bandbreite des Dispersionsfilters
befindet, nach der Rücktransformation
in den Orts-Frequenzbereich als Rauschquelle in den frequenz- und
richtungszerlegten Bildern wieder.
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Um die Robustheit des Verfahrens
gegenüber
dem Rauschen zu erhöhen,
wird die komplexwertige lokale Wellenzahl blockweise mit einem Regressionsverfahren
anstatt pixelweise aus den gefilterten Bildern und Gradientenbildern
bestimmt. Der blockweisen Bildanalyse liegen die Annahmen zugrunde, daß das Rauschen
räumlich
unkorreliert ist, und daß der
Seegang auf der räumlichen
Skala der Analysefenster homogen ist. Dabei ist der absolute Fehler
bei der Bestimmung der lokalen Wellenzahl um so
geringer, je höher die
Korrelation des Bildes mit den Komponenten des Ableitungsbildes
ist. In 8 sind die mit
dem Verfahren ermittelten Wellenlängen und Laufrichtungen in
das Phasenbild des dispersions-richtungs-frequenzzerlegten Seegangssignals eingetragen.
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Zur Bestimmung von Strömungs- und
Tiefenkarten findet das bereits zur globalen Analyse entwickelte
Least-Squares Verfahren
Anwendung, bei dem die Dispersionsrelation an die spektralen Koordinaten
des Seegangssignals angepaßt
wird (siehe oben). Bei der globalen Analyse werden die Signalkoordinaten
dem globalen Frequenz-Wellenzahlspektrum entnommen. Es wird ein
das gesamte Analysegebiet repräsentativer
Wert der Strömung
und der Wassertiefe ermittelt. Das Verfahren wurde erfindungsgemäß wie folgt
zur lokalen Analyse modifiziert: Die Signalkoordinaten werden jetzt
den, mit dem im voranstehenden Absatz beschriebenen Regressionsverfahren
bestimmten, Karten lokaler Wellenzahlen entnommen, und die Dispersionsrelation wird
aufrund der variablen Strömung
und Wassertiefe ortsabhängig
angenommen. Die räumliche
Auflösung
der Strömungs-
und Tiefenkarte entspricht hierbei der Blockgröße bei der lokalen Wellenzahlbestimmung
mittels des Regressionsverfahrens.
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In 9 ist
das mit der Regressionsmethode bestimmte Feld von Strömungsrektoren
des Tidestroms, wie es in dem hier vorgestellten Beispiel ermittelt
wurde, sowie die Tiefenkarte dargestellt. Die verfahrensmäßig berechnete
Bathymetrie wurde mit Echolotungen, die mittels standardisierter
Echoloteinrichtungen auf einem Schiff ausgeführt wurden, bezogen auf Normalnull,
verglichen, vergleiche 10.
Der Gezeitenstrom war während
der Messung ablaufend (letztes Hochwasser: 15.27 Uhr UTC und nächstes Niedrigwasser:
21.45 Uhr UTC).
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Die lokalen Bildspektren werden wie
folgt bestimmt: Die Grauwert-Varianzen der lokalen Bildspektren
werden aus den blockweise gemittelten Grauwert-Varianzbildern des
dispersions-richtungs-frequenzzerlegten Seegangsspektrums entnommen.
Die Wellenzahl-Stützstellen
des zweidimensionalen 180°-richtungseindeutigen
Bildspektrums werden durch Umkehrung der Dispersionsrelation unter
Verwendung der mit der Regressionsmethode entwickelten lokalen Strömungs- und
Tiefeninformation abgeleitet.
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11 zeigt
ein lokales Bildspektrum, ermittelt in einem westlich des Standortes
der Radareinrichtung gelegenen Analysefensters der Abmessungen 100
m × 100
m.
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Das Seegangsspektrum, d.h. das Varianzspektrum
der Oberflächen-Auslenkung,
ist über
eine Bildübertragungsfunktion
linear mit dem Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Bildspektrums, dem Grauwert-Varianzspektrum,
verknüpft,
siehe oben. Die Bildübertragungsfunktion
kann mit einem Potenzgesetz mit dem Betrag der Wellenzahl als Basis parametrisiert
werden. Die Kalibrierungsparameter werden zu Beginn einer Meßphase durch
Vergleich mit einem in situ Sensor der Wellenhöhe, der schon erwähnten Seegangsboje,
bestimmt. Die Seegangsspektren können
allerdings grundsätzlich
direkt aus dem Signal-zu-Rausch-Verhältnis der
Radar-Bildsequenzen bestimmt werden. Insbesondere ist die signifikante
Wellenhöhe
zur Wurzel des Signal-zu-Rausch Verhältnisses proportional. Die
auf den aufgeführten
Prinzipien beruhende globale Kalibrationsmethode wird erfindungsgemäß wie folgt
an das lokale Analyseverfahren angepaßt: Das Signal-zu-Rausch Verhältnis wird,
anstatt wie bei der globalen Methode im Frequenz-Wellenzahlbereich, im
Orts-Frequenzbereich bestimmt. D.h. man erhält Felder des Signal-zu-Rausch
Verhältnisses,
mit denen man die lokalen Bildspektren kalibriert und Karten der
signifikanten Wellenhöhe
erstellt.