Title:
Küsten-HF-Radarsystem für Tsunamiwarnung
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Systeme und Techniken zur Tsunamierfassung und -warnung unter Verwendung von Küstenradarsystemen, die hauptsächlich zur Echtzeit-Kartierung von Meeresoberflächenströmen ausgebildet sind, werden beschrieben. Diese Radarsysteme sind ausgebildet, um einen sich in dem „Nahfeld” des Systems, das heißt dem küstennahen Bereich, über den das Radarsystem die Meeresoberfläche beobachtet, nähernden Tsunami zu erfassen.





Inventors:
Barrick, Donald E. (Mountain View, US)
Lipa, Belinda J. (Mountain View, US)
Isaacson, James (Mountain View, US)
Application Number:
DE102017206592A
Publication Date:
11/02/2017
Filing Date:
04/19/2017
Assignee:
CODAR Ocean Sensors (Ltd., Mountain View, US)
International Classes:
G08B21/10; G01S13/88; G08B27/00
Attorney, Agent or Firm:
GLAWE DELFS MOLL Partnerschaft mbB von Patent- und Rechtsanwälten, 20148, Hamburg, DE
Claims:
1. System mit:
einem oder mehreren Speichern und
einem oder mehreren Prozessoren, die ausgebildet sind zur:
Erzeugung eines Tsunamialarms unter Verwendung einer Tsunami-Erfassungslogik, wobei die Tsunami-Erfassungslogik ausgebildet ist, um Muster entsprechend zeitlichen, spektralen und räumlichen Charakteristika eines Tsunamisignals zu erfassen, das von einem Küstenradarsystem empfangen wurde, wobei der Tsunamialarm eine Zeit und einen küstenentfernten Abstand damit zugeordnet aufweist, und,
in Abhängigkeit von dem Tsunamialarm, Abschätzung einer Höhe und eine Ankunftszeit unter Verwendung eines numerischen Modells für eine Nahfeld-Tsunamiausbreitung basierend auf der ablandigen Bathymetrie und der Geometrie der Küstenlinie in der Nähe des Küstenradarsystems.

2. System nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ausgebildet sind, um die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms unter Verwendung von zeitkorrelierten Informationen von einer oder mehreren externen Quellen zu bestimmen.

3. System nach Anspruch 2, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ferner ausgebildet sind, um, basierend auf der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms, eines der folgenden durchzuführen: (1) Übermittlung des Tsunamialarms an ein Tsunami-Warnzentrums, (2) Übermittlung des Tsunamialarms an das Tsunami-Warnzentrum mit Vertrauenswürdigkeits-Informationen, die die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms angeben, oder (3) Ignorieren des Tsunamialarms.

4. System nach Anspruch 2, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ausgebildet sind, um die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms durch Korrelieren des Tsunamialarms mit einem oder mehreren anderen Tsunamialarmen zu bestimmen, die durch einen oder mehrere Küstenradarsysteme in der Nähe erzeugt werden.

5. System nach Anspruch 2, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ausgebildet sind, um die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms durch Korrelation des Tsunamialarms mit einem Ankunftszeitfenster zu bestimmen, das durch eine aus Information über ein seismisches Ereignis, Information über einen unterseeischen Erdrutsch oder Information über ein atmosphärisches Anomalieereignis abgeschätzt wird.

6. System nach Anspruch 5, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ferner ausgebildet sind, um das Ankunftszeitfenster in Abhängigkeit von der Information über das seismische Ereignis, der Information über den unterseeischen Erdrutsch oder der Information über das atmosphärische Anomalienereignis zu berechnen.

7. System nach Anspruch 2, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ausgebildet sind, um die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms mit Bezug auf die Komplexität der Meeresoberflächenströme zu bestimmen, die aus Bragg-Spitzeninformationen bestimmt werden, die aus Signalen abgeleitet werden, die von den Küstenradarsystem erhalten werden.

8. System nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ausgebildet sind, um den Tsunamialarm mit der Tsunami-Erfassungslogik zu erzeugen, durch:
Empfangen von Bragg-Spitzeninformationen, die aus den Signalen abgeleitet sind, die von dem Küstenradarsystem erhalten werden, wobei die Bragg-Spitzeninformationen Meeresoberflächenströmungen repräsentieren, und
Erzeugen des Tsunamialarms aus den Bragg-Spitzeninformationen.

9. System nach Anspruch 8, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ausgebildet sind, um den Tsunamialarm aus den Bragg-Spitzeninformationen zu erzeugen, durch:
Auflösen von Radialströmungsinformationen, die aus den Bragg-Spitzeninformationen abgeleitet sind, in eine Anzahl von im wesentlichen rechtwinkligen Bändern, die sich im wesentlichen parallel zu der Küstenlinie in der Nähe des Küstenradarsystems erstrecken, wobei jedes der Bänder durch eine rechtwinklige Strömungskomponente und eine parallele Strömungskomponente gekennzeichnet ist,
für jedes Band:
Bestimmen, ob eine Orbitalgeschwindigkeit, die dem Band zugeordnet ist, sich um mehr als einen ersten Betrag über aufeinanderfolgende Zeitintervalle ändert,
Bestimmen, ob die Orbitalgeschwindigkeit, die dem Band zugeordnet ist, innerhalb eines zweiten Betrags der Orbitalgeschwindigkeit eines benachbarten Bandes liegt, und
Bestimmen, ob die Orbitalgeschwindigkeiten, die mehreren benachbarten Bändern einschließlich des Bandes zugeordnet sind, sich alle in derselben Richtung über mindestens zwei aufeinanderfolgende Zeitintervalle ändern,
Einstellen eines oder mehrerer Tsunami-Alarmwerte basierend auf den Bestimmungen für die Bänder, und
Erzeugen des Tsunamialarms, falls einer oder mehrere der Tsunami-Alarmwerte eine Schwelle überschreitet.

10. System nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ferner ausgebildet sind, um die Vertrauenswürdigkeit eines Tsunamialarms unter Verwendung von Korrelationen zwischen Falschalarm-Informationen, die früher durch die Tsunami-Erfassungslogik erzeugt wurden, und früher gespeicherten Signalinterferenzinformationen, die momentane Bedingungen des Küstenradarsystems repräsentieren, zu bestimmen.

11. System nach Anspruch 10, wobei die Signalinterferenzinformationen eines oder mehrere von atmosphärischer Interferenz, Funkinterferenz oder Komplexität der Meeresoberflächenströmung repräsentieren.

12. System nach Anspruch 10, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ferner ausgebildet sind, um, basierend auf der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms, eines von (1) Übermittlung des Tsunamialarms an ein Tsunami-Warnzentrum, (2) Übermittlung des Tsunamialarms an das Tsunami-Warnzentrum mit Vertrauenswürdigkeit-Informationen, die die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms betreffen, oder (3) Ignorieren des Tsunamialarms durchzuführen.

13. System nach Anspruch 10, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ferner ausgebildet sind, um die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms durch Korrelation des Tsunamialarms mit einem oder mehreren anderen Tsunamialarmen zu bestimmen, die durch ein oder mehrere Küstenradarsysteme in der Nähe erzeugt werden.

14. System nach Anspruch 10, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ferner ausgebildet sind, um die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms durch Korrelation des Tsunamialarms mit einem Ankunftszeitfenster zu bestimmen, das durch eines von Informationen über einen seismisches Ereignis, Informationen über ein Ereignis eines unterseeischen Erdrutsches oder Informationen über ein atmosphärisches Anomalieereignis abgeschätzt wird.

15. Systemhandbuch 14, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ferner ausgebildet sind, um die das Ankunftszeitfenster in Abhängigkeit von den Informationen über das seismische Ereignis, die den Informationen über das Ereignis des unterseeischen Erdrutsches oder den Informationen über das atmosphärische Anomalieereignis zu berechnen.

16. System nach Anspruch 10, wobei der eine oder die mehreren Prozessoren ferner ausgebildet sind, um die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms mit Bezug auf eine Stärke und eine Komplexität der Meeresoberflächenströme an zu bestimmen, die aus Bragg-Spitzeninformationen bestimmt werden, die aus den von dem Küstenradarsystem erhaltenen Signalen abgeleitet werden.

Description:
HINTERGRUND

Tsunamis werden typischerweise entweder durch abrupte physikalische Oberflächen-Boden-Verlagerungen verursacht (beispielsweise unterseeische Erdbeben oder Erdrutsche) oder durch atmosphärische Anomalien (wobei die letzteren als Meteo-Tsunamis bezeichnet werden). Somit kann die erste mögliche Anzeige eines Tsunamis die seismische Erfassung eines Erdbebens sein. Jedoch erzeugen nicht alle unterseeische Erdbeben Tsunamis, und somit kann die Magnitude eines Erdbebens nicht zur Vorhersage der Erzeugung oder der Intensität eines resultierenden Tsunamis verwendet werden.

Eine Art von Sensor, der die Intensität eines Tsunamis sieht und misst, ist ein Bodendrucksensor, der mit einer überliegenden Boje verbunden ist. Entwickelt von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), wurden Netzwerke dieser Sensoren (DARTTM für Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunami genannt) nach dem katastrophalen Erdbeben von 2004 in Banda Aceh (Indonesien) eingesetzt, dessen nachfolgender Tsunami eine Viertelmillion Leben kostet. DARTTM-Sensoren beobachten die Höhe von Tsunamiwellen, wenn sie über ihnen vorbeilaufen. Die durch diese Bojen gemessene Tsunamihöhe wird dann in numerische Tsunamimodelle eingegeben, um eine grobe Vorhersage der Ankunft und der Intensität an Küstenpunkten vorherzusagen. Ein Beispiel eines solchen numerischen Modells ist in Implementation and testing of the Method of Splitting Tsunami (MOST) model, V. Titov und F. González, NOAA Tech. Memo. ERL PMEL-112 (PB98-122773), NOAA/Pacific Marine Environmental Laboratory, Seattle, WA, 11 pp, (1997) beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme für alle Zwecke eingebracht wird.

Das DART-Netzwerk ist jedoch noch dünn, sodass nicht alle Tsunamis vor dem Auftreffen auf die Küste beobachtet und in das Modell eingegeben werden können. Wegen des weiten Bereichs der Variation der Bathymetrie (d. h. der ablandigen Wassertiefe) von unterschiedlichen Küstenregionen ist die Vorhersage des Modells hinsichtlich der Zeit und der Intensität an der Küste häufig sehr grob.

ZUSAMMENFASSUNG

Systeme, Verfahren und Computerprogrammrodukte zur Tsunamierkennung und -warnung werden beschrieben.

Gemäß einer Klasse von Umsetzungen werden Systeme, Verfahren und Computerprogrammprodukte geschaffen, bei denen Bragg-Informationen, die von Empfangssignalen eines Küstenradarsystems abgeleitet werden, erhalten werden. Die Bragg-Informationen repräsentieren Meeresoberflächenströme. Ein Tsunamialarm wird aus den Bragg-Informationen unter Verwendung einer Tsunamierfassungslogik erzeugt. Die Tsunamierfassungslogik ist ausgebildet, um Muster von zeitweiligen, spektralen und räumlichen Charakteristika eines Tsunamis zu erfassen. Die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms wird durch Verwendung von zeitkorrelierten Informationen von einer oder mehreren externen Quellen bestimmt.

Bei einigen Umsetzungen wird, basierend auf der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms eines der Folgenden durchgeführt: (1) Übermittlung des Tsunamialarms an einen Tsunami-Warnzentrum, (2) Übertragen des Tsunamialarms an das Tsunami-Warnzentrum mit Vertrauenswürdigkeitsinformationen, die die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms repräsentieren, oder (3) Ignorieren des Tsunamialarms.

Bei einigen Umsetzungen umfasst die Erfassung der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms eine Korrelation des Tsunamialarms mit einem oder mehreren anderen Tsunamialarmen, die von einem oder mehreren naheliegenden Küstenradarsystemen erzeugt werden.

Bei einigen Umsetzungen umfasst die Erfassung der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms die Korrelation des Tsunamialarms mit einem Ankunftszeitfenster, das durch eine von Informationen über ein seismisches Ereignis, Informationen über das Vorkommen eines unterseeischen Erdrutsches oder Informationen über ein Vorkommnis einer atmosphärischen Anomalie abgeschätzt wird. Bei spezifischeren Umsetzungen wird das Ankunftszeitfenster in Abhängigkeit von den Informationen über das seismische Ereignis, den Informationen über das Vorkommen eines unterseeischen Erdrutsches oder der Informationen über das Vorkommen einer atmosphärischen Anomalie berechnet.

Bei einigen Umsetzungen wird die Erfassung der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms mit Bezug auf die Komplexität der Meeresoberflächenströme durchgeführt, die aus den Bragg-Informationen bestimmt werden.

Bei einigen Umsetzungen werden in Abhängigkeit von dem Tsunamialarm eine Höhe und eine Ankunftszeit unter Einsatz eines numerischen Modells für eine Nahfeld-Tsunamiausbreitung basierend auf der ablandigen Bathymetrie für das Küstenradarsystem abgeschätzt.

Bei einigen Umsetzungen umfasst das Erzeugen des Tsunamialarms aus den Bragg-Informationen die Auflösung der Radialstrominformationen, die aus den Bragg-Informationen abgeleitet wurden, in einer Anzahl von im wesentlichen rechtwinkligen Bändern, die im wesentlichen parallel zu einer an das Küstenradarsystem angrenzenden Küstenlinie verlaufen. Jedes dieser Bänder ist durch eine rechtwinklige Strömungskomponente und eine parallele Strömungskomponente gekennzeichnet. Für jedes Band wird festgestellt, ob: (1) eine Orbitalgeschwindigkeit, die dem Band zugeordnet ist, sich um mehr als einen ersten Betrag über aufeinanderfolgende Zeitintervalle ändert, (2) die dem Band zugeordnete Orbitalgeschwindigkeit innerhalb eines zweiten Betrags der Orbitalgeschwindigkeit eines angrenzenden Bandes ist und (3) die Orbitalgeschwindigkeiten, die mehreren angrenzenden Bändern zugeordnet sind, einschließlich des Bandes, sich alle in derselben Richtung über mindestens zwei aufeinanderfolgende Zeitintervalle ändern. Ein oder mehrere Tsunamilarmwerte werden basierend auf der Erfassung für die Bänder eingestellt, und der Tsunamialarm wird erzeugt, falls einer oder mehrere Tsunamialarmwerte einen Schwellwert übersteigen.

Bei einer anderen Klasse von Umsetzungen werden Systeme, Verfahren und Computerprogrammprodukte geschaffen, bei denen Empfangssignale von einem oder mehreren Empfängern eines Küstenradarsystems empfangen werden. Dopplerspektreninformationen werden aus den Empfangssignalen erzeugt. Aus den Dopplerspektreninformationen werden Signalinterferenzinformationen entfernt, wodurch vorkonditionierte Spektralinformationen erzeugt werden. Aus diesen vorkonditionierten Spektralinformationen werden Bragg-Informationen extrahiert, wobei die Bragg-Informationen die Meeresoberflächenströme wiedergeben. Unter Verwendung einer Tsunami-Erfassungslogik wird ein Tsunamialarm aus den Bragg-Informationen erzeugt. Die Verlässlichkeit des Tsunamialarms wird unter Verwendung gespeicherter Korrelationen zwischen Falschalarminformationen, die früher durch die Tsunami-Erfassungslogik erzeugt wurden, und vorher gespeicherten Signalinterferenzinformationen, die die momentanen Bedingungen des Küstenradarsystems wiedergeben, bestimmt.

Bei einigen Umsetzungen wird, basierend auf der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms, eines der folgenden durchgeführt: (1) Übermittlung des Tsunamialarms an ein Tsunami-Warnzentrum, (2) Übermittlung des Tsunamialarms an das Tsunami-Warnzentrum mit Informationen über die Vertrauenswürdigkeit, die die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms wiedergeben, oder (3) Ignorieren des Tsunamialarms.

Bei einigen Umsetzungen wird die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms ferner durch Korrelation des Tsunamialarms mit einem oder mehreren anderen Tsunamialarmen bestimmt, die durch eines oder mehrere Küstenradarsysteme in der Nähe erzeugt wurden.

Bei einigen Umsetzungen wird die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms ferner durch Korrelation des Tsunamialarms mit einem Ankunftszeitfenster, das durch Informationen über ein seismisches Ereignis abgeschätzt wird, bestimmt. Bei mehr spezifischen Umsetzungen wird das Ankunftszeitfenster in Abhängigkeit von den Informationen über das seismische Ereignis berechnet.

Bei einigen Umsetzungen wird die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms ferner mit Bezug auf eine Stärke und Komplexität der Meeresoberflächenströme bestimmt, die aus den Bragg-Informationen bestimmt wurden.

Bei einigen Umsetzungen werden in Abhängigkeit von einem Tsunamialarm eine Höhe und eine Ankunftszeit mit einem numerischen Modell für die Nahfeld-Tsunamiausbreitung basierend auf der ablandigen Bathymetrie für das Küstenradarsystem abgeschätzt.

Bei einigen Umsetzungen umfasst die Erzeugung des Tsunamialarms aus den Bragg-Informationen die Auflösung von Radialstrominformationen, die von den Bragg-Informationen abgeleitet werden, in eine Anzahl von im wesentlichen rechtwinkligen Bändern, die im wesentlichen parallel zu einer an das Küstenradarsystem angrenzenden Küstenlinie sind. Jedes der Bänder ist durch eine rechtwinklige Strömungskomponente und eine parallele Strömungskomponente gekennzeichnet. Für jedes Band wird festgestellt, ob: (1) eine Orbitalgeschwindigkeit, die dem Band zugeordnet ist, sich um mehr als einen ersten Betrag in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen ändert, (2) die Orbitalgeschwindigkeit, die dem Band zugeordnet ist, innerhalb eines zweiten Betrags der Orbitalgeschwindigkeit eines angrenzenden Bandes liegt und (3) die Orbitalgeschwindigkeiten, die mehreren Bändern, einschließlich des Bandes, zugeordnet sind, sich alle in derselben Richtung über mindestens zwei aufeinanderfolgende Zeitintervalle ändern. Ein oder mehrere Tsunamialarmwerte werden basierend auf den Bestimmungen für die Bänder eingestellt, und der Tsunamialarm wird erzeugt, falls einer oder mehrere der Tsunamialarmwerte einen Schwellwert überschreitet.

Bei einer anderen Klasse von Umsetzungen werden Systeme, Verfahren und Computerprogrammprodukte geschaffen, bei denen ein Tsunamialarm mit einer Tsunami-Erfassungslogik erzeugt wird. Die Tsunami-Erfassungslogik ist ausgebildet, um Muster entsprechend zeitlichen, spektralen und räumlichen Charakteristika eines Tsunamis zu erfassen. Die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms wird mit zeitkorrelierten Informationen von einer oder mehreren externen Quellen bestimmt.

Bei einigen Umsetzungen wird, basierend auf der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms, eines der folgenden durchgeführt: (1) Übermittlung des Tsunamialarms an ein Tsunami-Warnzentrum, (2) Übermittlung des Tsunamialarms an das Tsunami-Warnzentrum mit Informationen über die Vertrauenswürdigkeit, die die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms angeben, oder (3) Ignorieren des Tsunamialarms.

Bei einigen Umsetzungen umfasst die Bestimmung der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms die Korrelation des Tsunamialarms mit einem oder mehreren anderen Tsunamialarmen, die durch ein oder mehrere naheliegende Küstenradarsysteme erzeugt werden.

Bei einigen Umsetzungen umfasst die Erfassung der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms die Korrelation des Tsunamialarms mit einem Ankunftszeitfenster, das unter Verwendung von Informationen über ein seismisches Ereignis abgeschätzt wird. Bei spezifischeren Anwendungen wird das Ankunftszeitfenster in Antwort auf die Informationen über das seismische Ereignis berechnet.

Bei einigen Umsetzungen erfolgt die Bestimmung der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms mit Bezug auf eine Komplexität der Meeresoberflächenströme wie sie aus den Bragg-Informationen bestimmt werden, die durch ein Küstenradarsystem erzeugt werden.

Bei einer anderen Klasse von Implementationen werden Systeme, Verfahren und Computerprogrammprodukte geschaffen, bei denen ein Tsunamialarm mit einer Tsunami-Erfassungslogik erzeugt wird. Die Tsunami-Erfassungslogik ist ausgebildet, um Muster entsprechend zeitlichen, spektralen und räumlichen Charakteristika eines Tsunamis in Signalen zu erfassen, die von einem Küstenradarsystem empfangen werden. Der Tsunamialarm hat eine Zeit und einen ablandigen Abstand, die ihm zugeordnet sind. In Abhängigkeit von dem Tsunamialarm werden eine Höhe und eine Ankunftszeit mit einem numerischen Modell für Nahfeld-Tsunamiausbreitung basierend auf der ablandigen Bathymetrie und der Küstenliniengeometrie für das Küstenradarsystem abgeschätzt.

Bei einigen Umsetzungen wird die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms durch Verwendung von zeitkorrelierten Informationen von einer oder mehreren externen Quellen bestimmt.

Bei spezifischen dieser Umsetzungen wird basierend auf der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms eines der folgenden durchgeführt (1) Übermittlung des Tsunamialarms an ein Tsunami-Warnzentrum, (2) Übermittlung des Tsunamialarms an das Tsunami-Warnzentrum mit Vertrauenswürdigkeit-Informationen, die die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms angeben, oder (3) Ignorieren des Tsunamialarms.

Bei spezifischen dieser Umsetzungen umfasste die Bestimmung der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms die Korrelation des Tsunamialarms mit einem oder mehreren anderen Tsunamialarmen, die von einem oder mehreren naheliegenden Küstenradarsystemen erzeugt werden.

Gemäß spezifischen dieser Umsetzungen umfasst die Bestimmung der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms die Korrelation des Tsunamialarms mit einem Ankunftszeitfenster, das unter Verwendung von Informationen über ein seismisches Ereignis abgeschätzt wird. Bei spezifischeren Umsetzungen wird das Ankunftszeitfenster in Abhängigkeit von den Informationen über das seismische Ereignis berechnet.

Bei bestimmten dieser Umsetzungen wird die Erfassung der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms mit Bezug auf eine Komplexität der Meeresoberflächenströme wie aus den Bragg-Informationen bestimmt, die durch ein Küstenradarsystem erzeugt werden, durchgeführt.

Bei einer anderen Klasse von Umsetzungen werden Systeme, Verfahren und Computerprogrammprodukte geschaffen, bei denen Bragg-Informationen, die von Empfangssignalen eines Küstenradarsystems abgeleitet werden, empfangen werden. Die Bragg-Informationen repräsentieren Meeresoberflächenströme. Ein Tsunamialarm wird aus den Bragg-Informationen mit Tsunami-Erfassungslogik erzeugt. Die Tsunami-Erfassungslogik ist ausgebildet, um Muster entsprechend zeitlichen, spektralen und räumlichen Charakteristika eines Tsunamis zu erfassen. Die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms wird unter Verwendung gespeicherter Korrelationen zwischen Falschalarminformationen, die früher durch die Tsunami-Erfassungslogik erzeugt wurden, und vorher gespeicherten Signalinterferenzinformationen bestimmt, die repräsentativ für momentane Bedingungen des Küstenradarsystems sind.

Bei einigen Umsetzungen repräsentieren die Signalinterferenzinformationen eines oder mehr von atmosphärischer Interferenz, Funkinterferenz oder Meeresoberflächenstrom-Komplexität.

Bei einigen Umsetzungen wird, basierend auf der Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms, eines der folgenden durchgeführt: (1) Übertragung des Tsunamialarms an ein Tsunami-Warnzentrum, (2) Übermittlung des Tsunamialarms an das Tsunami-Warnzentrum mit Vertrauenswürdigkeit-Informationen, die die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms angeben, oder (3) Ignorieren des Tsunamialarms.

Bei einigen Umsetzungen wird die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms ferner durch Korrelation des Tsunamialarms mit einem oder mehreren anderen Tsunamialarmen bestimmt, die durch ein oder mehr Küstenradarsysteme in der Nähe erzeugt werden.

Bei einigen Umsetzungen wird die Vertrauenswürdigkeit des Tsunamialarms ferner durch Korrelation des Tsunamialarms mit einem Ankunftszeitfenster bestimmt, das unter Verwendung von Informationen über ein seismisches Ereignis abgeschätzt wird.

Bei einer anderen Klasse von Umsetzungen werden Systeme, Verfahren und Computerprogrammprodukte geschaffen, bei denen Empfangssignale von einem oder mehreren Empfängern eines Küstenradarsystems erhalten werden. Dopplerspektreninformationen werden aus den Empfangssignalen erzeugt. Signalinterferenzinformationen werden aus den Dopplerspektreninformationen entfernt, wodurch vorkonditionierte Spektreninformationen erhalten werden. Die Bragg-Informationen werden aus den vorkonditionierten Spektreninformationen extrahiert, wobei die Bragg-Informationen Meeresoberflächenströme repräsentieren. Unter Verwendung einer Tsunami-Erfassungslogik werden Falschalarminformationen aus den Bragg-Informationen erzeugt. Die Falschalarminformationen werden mit bekannten Informationen korreliert, die aktuelle Bedingungen wiedergeben, die mit dem Küstenradarsystem verbunden sind. Eine simulierte Tsunamirepräsentation wird in die Tsunami-Erfassungslogik eingebracht. Die simulierte Tsunamirepräsentation ist durch eine Anzahl von Tsunamiparametern gekennzeichnet. Eine Erfassungswahrscheinlichkeit wird für die simulierte Tsunamirepräsentation bestimmt. Das Empfangen, Erzeugen, Entfernen, Extrahieren, Erzeugen und Korrelieren werden wiederholt, um die Betriebsparameter des Küstenradarsystems und der Tsunami-Erfassungslogik zu bestimmen. Das Einbringen und Bestimmen werden für eine Anzahl von simulierten Tsunamirepräsentationen wiederholt, die durch unterschiedliche Sätze von Tsunamiparametern gekennzeichnet sind, um ferner die Betriebsparameter des Küstenradarsystems und der Tsunami-Erfassungslogik zu bestimmen.

Bei einigen Umsetzungen umfasst das Korrelieren der Falschalarminformationen mit den bekannten Informationen das Korrelieren der Falschalarminformationen mit mindestens einigen der Signalinterferenzinformationen. Bei spezifischeren Umsetzungen repräsentieren die Signalinterferenzinformationen die atmosphärische Interferenz oder die Funkinterferenz oder beide.

Bei einigen Umsetzungen umfasst das Entfernen der Signalinterferenzinformationen das Entfernen von einem oder beidem, nämlich Teilen von Dopplerstreifen, die über mehrere Bereiche auftreten, oder Kurzzeitimpuls-Interferenz.

Bei einigen Umsetzungen wird die simulierte Tsunamirepräsentation mit einem numerischen Modell für eine Nahfeld-Tsunamiausbreitung basierend auf der ablandigen Bathymetrie für das Küstenradarsystem erzeugt.

Bei einigen Umsetzungen umfasst das Korrelieren der Falschalarminformationen mit den bekannten Informationen das Korrelieren der Falschalarminformationen mit Hintergrund-Oberflächenströmungsinformationen, die aus den Bragg-Informationen abgeleitet werden.

Ein weiteres Verständnis der Natur und der Vorteile der verschiedenen Umsetzungen können durch Bezug auf die verbleibenden Teile der Beschreibung und der Zeichnungen realisiert werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein vereinfachtes Diagramm eines Radarstandorts, der für eine Tsunamierfassung gemäß einer bestimmten Klasse von Umsetzungen ausgebildet ist.

2 zeigt eine bestimmte Umsetzung eines Simulationsmodus des Betriebs eines Radarsystems, das für eine Tsunamierfassung ausgebildet ist.

3 zeigt eine bestimmte Umsetzung eines Onlinemodus des Betriebs eines Radarsystems, das für eine Tsunamierfassung ausgebildet ist.

4 zeigt die Ausgabe eines Tsunami-Erfassungsalgorithmus, der in einer bestimmten Umsetzung eingesetzt wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Bezug wird nun im Detail auf bestimmte Umsetzungen genommen. Beispiele dieser Umsetzungen sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es soll festgestellt werden, dass diese Beispiele für erläuternde Zwecke beschrieben sind und es nicht beabsichtigt ist, den Umfang dieser Aufbewahrung zu beschränken. Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der beschriebenen Umsetzungen sind innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, enthalten. Desweiteren können bestimmte Details vorgesehen sein, um ein vollständiges Verständnis der beschriebenen Umsetzungen zu verbessern. Einige Umsetzungen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung können ohne einige oder alle dieser Details praktiziert werden. Desweiteren können allgemein bekannte Merkmale aus Klarheitsgründen nicht im Detail beschrieben sein.

Diese Offenbarung beschreibt Systeme für eine effektive Tsunamierfassung und -warnung mit Hochfrequenz(HF)-Küstenradar. Viele nationale Netzwerke von HF-Küstenradar existieren bereits, hauptsächlich für die Kartierung von Meeresoberflächenströmen. Wir beschreiben Konfigurationen dieser Radarsysteme, die in der Lage sind, einen sich nähernden Tsunami in dem „Nahfeld” des Systems zu erfassen und davor zu warnen, d. h. im küstennahen Bereich, über den die Radarsysteme die Meeresoberfläche beobachten. Im Gegensatz zu den DART-Tsunamiwarnsystemen, die die Höhe der Tsunamiwelle in dem Tiefseebecken beobachten und vorhersagen, beobachten HF-Radarsysteme nicht die Wellenhöhe des Tsunamis, sondern beobachten stattdessen einen empfindlicheren Indikator: seine Orbitalgeschwindigkeit, wenn er sich in flache Gewässer nahe der Küste bewegt.

Die Orbitalgeschwindigkeit des Tsunamis wird Teil der Oberflächenströmung, wenn sich die Welle in einer Zeitspanne von typischerweise 10–50 Minuten der Küste nähert. Hintergrundströmungen sowie externes atmosphärisches Rauschen und Funkinterferenz können das Tsunamimuster jedoch maskieren, wodurch potenziell inakzeptable Falschalarmraten erzeugt werden. Die durch die vorliegende Offenbarung umgesetzten Systeme separieren das Signal, das die Orbitalgeschwindigkeit des Tsunamis repräsentiert, von diesen Hintergrund-Maskierungseffekten und erfassen Tsunamis akkurat in dem Nahfeld des HF-Küstenradars.

Hochfrequenz(HF)-Radarsysteme wurden erstmals in den 1960ern verwendet. An der Küste positioniert und eine vertikale Polarisation aussendend nutzen sie die hohe Leitfähigkeit von Meerwasser, um ihre Signale – in einem Oberflächenwellenmodus – weit hinter den sichtbaren Mikrowellen-Radarhorizont auszubreiten. Sie haben eine weitgehende Anwendung zur Kartierung von Oberflächenströmungen und zur Überwachung des Meereszustandes (d. h. der Wellenhöhen) gefunden. Das Radarecho kommt von der allgemein bekannten Bragg-Streuung durch Meereswellen mit der Hälfte der Radarwellenlänge, die sich zum Radar und davon weg bewegen. Vergleiche beispielsweise Sea backscatter at HF: Interpretation and utilization of the echo, Barrick, D. E., J. M. Headrick, R. W. Bogle, und D. D. Crombie, Proc. IEEE, vol. 62, no. 6, pp. 673–680 (1974), dessen gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme für alle Zwecke eingebracht wird.

Barrick postulierte 1979, dass HF-Radarsysteme einen Tsunami mittels seiner Orbitalwellengeschwindigkeit erfassen können, wenn er sich der Küste nähert. Vergleiche: A Coastal Radar System for Tsunami Warning, Barrick, D. E., Remote Sensing of Environment, Vol. 8, 353–358 (1979), dessen gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme für alle Zwecke eingebracht wird. Da jedoch die Verteilung von HF-Radarsystemen bis in die 1990er spärlich war, gab es keine Gelegenheit, dieses Konzept umzusetzen und die Software zu entwickeln, um die vielen Herausforderungen, die damit verbunden sind, zu überwinden. Dies begann sich nach dem indonesischen Tsunami von 2004 und durch den japanischen Tohoku-Tsunami von 2011 zu ändern, dort waren ausreichend Radarsysteme positioniert, um die Rohdaten aufzunehmen, die für die Entwicklung von Algorithmen zur Schaffung einer verlässlichen Erfassung und Warnung erforderlich sind.

Die quantitativen Metrik, die typischerweise von Warnzentren verwendet werden, um die Systemeffektivität – und damit Nutzbarkeit – zu beurteilen, sind: die Wahrscheinlichkeit der Erfassung, Pd, und die Falschalarm-Wahrscheinlichkeit, Pfa (manchmal als falsch-positive Wahrscheinlichkeit bezeichnet). Wie unten in größerem Detail diskutiert wird, verwendet eine bestimmte Klasse von Umsetzungen den „Q-Faktor”-Tsunami-Mustererkennungalgorithmus, wobei idealerweise ein Q-Faktor-Alarm nur gesendet wird, falls ein Tsunami beobachtet wurde. Dies basiert darauf, dass der Q-Faktor-Auslöser eine vorgegebene Schwelle überschreitet. Der Zielkonflikt dabei ist: Falls die Schwelle zu hoch eingestellt ist, wird der Tsunami nicht gesehen (d. h. Pd ist inakzeptabel klein). Falls andererseits die Schwelle zu klein ist, werden Tsunamis erfasst (d. h. Pd ist akzeptabel), aber Pfa ist zu hoch, was bedeutet, dass zu viele Falschalarme gesehen werden. Da ein Tsunami eine seltene Erscheinung ist, wird ein Falschalarm pro Tag sicherlich als zu hoch angesehen, und die vom System ausgegebenen Alarme würden dazu tendieren, ignoriert zu werden.

Die Schwellen- und Filterparameter, die Pd und Pfa bestimmen, hängen von verschiedenen Faktoren ab. Diese umfassen manchmal intensive und/oder komplexe Hintergrund-Strömungsmuster, die über jedem Tsunamimuster liegen, variierendes externes Rauschen und von Menschen verursachte Funkinterferenz sowie Echos von anderen Nicht-Tsunami-Zielen (d. h. Schiffe, die Ionosphäre). Die Größe der Orbitalgeschwindigkeit des Tsunamis hängt sehr von der Wassertiefe ab. Ein flaches Kontinentalschelf, das sich weit nach außen erstreckt, erlaubt längere Warnzeiten, da die Geschwindigkeit grob von der Tiefe zur inversen dritten Potenz abhängt. Die Erfassbarkeit eines Tsunamis hängt auch von seiner Intensität ab. Der Einfluss jeder dieser Faktoren auf die schließliche Erfassungsrobustheit (hohes Pd und niedriges Pfa) wird unten im größeren Detail diskutiert. Wie ersichtlich werden wird, schaffen die durch die vorliegenden Offenbarung ermöglichten Umsetzungen auf HF-Radar basierende Tsunami-Erfassungssysteme, die entsprechend Leistungsmetriken – Pd und Pfa – arbeiten, die für den geographischen Bereich anwendbar sind, in dem sie eingesetzt werden.

Desweiteren wird hier ein numerisches Nahfeld-Tsunamimodell beschrieben, das zusammen mit HF-Radar-Erfassungssystemen eingesetzt wird, das eine genaue Vorhersage der Tsunami-Wellenhöhe und der Ankunftszeit an der Küste basierend auf der anfänglichen Erfassung ermöglicht. Wie einzusehen ist, sind solche Informationen, die durch frühere Erfassungssysteme nicht zuverlässig erzeugt werden konnten, von kritischer Wichtigkeit, um die katastrophalsten Konsequenzen des Tsunamieinfalls abzuwenden.

HF bezieht sich auf den Bereich von elektromagnetischen Funkfrequenzwellen (Funkwellen) zwischen 3 und 30 MHz. Es soll festgestellt werden, dass, während die hier beschriebenen Beispiele sich auf HF-Radarsysteme beziehen, Anwendungen in Betracht gezogen werden, die Radarsysteme anwenden, die andere Frequenzbereiche, beispielsweise MF oder Mittelfrequenz (d. h. 300 kHz bis 3 MHz) und VHF oder sehr hohe Frequenz (d. h. 30 MHz bis 300 MHz), einsetzen. Die Bezugnahme auf den HF-Bereich sollte somit nicht dazu verwendet werden, den Umfang der Erfindung ungebührlich zu beschränken.

1 zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines Beispiels einer HF-Küstenradaranlage, die ausgebildet ist, um, wie hier beschrieben, Tsunamis zu erfassen. Aus Klarheitsgründen ist nur eines der mehreren Beispiele, die typischerweise zusammenarbeiten dargestellt. Zwei von drei Signalen 100, 110 und 120, die durch einen Empfänger 12 empfangen werden, repräsentieren Signale, die durch die Transmitter der zugeordneten Anlagen erzeugt werden. Signale 130 von einer Konstellation von GPS-Satelliten treffen auf eine GPS-Antenne 1 und werden an einen GPS Empfänger 2 weitergeleitet. Der GPS-Empfänger 2 ist spezifisch ausgebildet, um Zeitinformationen aus den GPS-Signalen zu extrahieren, was in Kontrast zu den weit mehr gebräuchlichen Positionsinformationen von konventionellen GPS-Empfängern ist.

Der GPS-Empfänger 2 erzeugt ein sehr stabiles 10 MHz-Taktsignal, das in einen phasenverriegelten Oszillator (PLO) 3 gelangt, der als ein Tiefpassfilter arbeitet, wodurch die Zeit-Positionsgenauigkeit des Taktsignals um Größenordnungen gesteigert wird. Der GPS-Empfänger erzeugt auch einen sehr stabilen Ein-Puls-pro-Sekunde-Datenstrom, der an die Radar-Statusmaschine 5 gegeben wird. Das 10 MHz-Signal, das dem phasenverriegelten Oszillator 3 zugeführt wurde, wird in ein 120 MHz-Zeitsteuersignal gewandelt, das zur Erzeugung des Radärträgers und anderer interner Frequenzen verwendet wird. Dieses 120 MHz-Bezugssignal wird an den Taktgenerator 4 weitergeleitet. Er teilt das Bezugssignal herunter, um eine Anzahl von anderen Bezugsfrequenzen zu erzeugen, die von anderen Vorrichtungen benötigt werden, einschließlich eines 12 MHz-Signals, das einem Mikroprozessor 7 zugeführt wird, eines 40 MHz-Signals, das der Radar-Statusmaschine 5 zugeführt wird, und eines 60 oder 120 MHz-Signals, das einem Direktsignalsynthetisierer (DSS) und seinem Oszillator 6 zugeführt wird.

Die Radar-Statusmaschine 5 befiehlt dem Radar, was während der Zeit zu tun ist. Sie erzeugt beispielsweise Signale, die die Transmitter-Ausgabe- und Empfänger-Eingabesignale ein- und ausschalten, sodass sie nicht gleichzeitig eingeschaltet sind. Sie schaltet auch Schalter oder Gatter ein und aus, die das Übertragen oder Empfangen von Signalen an verschiedenen Punkten des Systems unterdrücken, wo sie unerwünscht sind. Die Radar-Statusmaschine 5 bestimmt auch den Beginn und das Ende der linearen Frequenzdurchlaufmodulation. Unterschiedliche Durchlauf-Startzeiten in unterschiedlichen Radarsystemen, die über die gemeinsame GPS-Zeitsteuerung synchronisiert sind, separieren die lokalen Meeresechonformationen voneinander, sodass sie nicht miteinander interferieren.

Der Mikroprozessor 7 (unterstützt durch einen Speicherchip 8) ist die Schnittstelle zu der Computervorrichtung 10, die es einem menschlichen Bediener ermöglicht, das Radar zu steuern, und verarbeitet dir empfangenen Echosignale in Echtzeit. Der Mikroprozessor 7 kommuniziert auch mit dem GPS-Empfänger 2 und einem Sende-/Empfangs(T/R)-Schalter 9. Der letztere schaltet verschiedene Kanäle in dem Radartransmitter 11 und dem Empfänger 12 ein und aus, die ihre Signale zu angemessenen Zeiten während des Pulszyklus unterdrücken.

Die Funkfrequenz(RF)-Signale, die durch den Transmitter 11 übertragen werden, werden in dem DSS-Block 6 erzeugt. Diese Signale enthalten die Durchlauf- und Pulsmodulationen. Die Durchlaufspanne in der Frequenz, das Durchlauf-Wiederholungsintervall, die Puls- und Leerperioden und die Trägerfrequenz werden alle digital repräsentiert und erzeugt, wodurch sichergestellt ist, dass jede periodische Wiederholung der Wellenform im wesentlichen identisch zu vorherigen Zyklen ist. Dies hat den Effekt der Verschiebung von Ausläufern und anderen Wellenform-Fehlern zu DC (die Null-Doppler-Spektralposition), sodass sie nicht mit den Doppler-verschobenen Meeresechoinformationen interferieren. Trägerfrequenzen zwischen 0 und 72 MHz werden durch das System über den DSS-Block 6 erzeugt, dessen Ausgangssignale an den Transmitter 11 geliefert werden und durch die Übertragungsantennen 13 abgestrahlt werden. Replikate dieser Signale zusammen mit ihren quadrierten Versionen werden in dem Empfänger 12 mit dem ankommenden Echo, Rauschen und anderen Radarsignalen gemischt, die in das Antennensystem 14 eindringen.

Die Startzeiten des linearen Frequenz-Modulationsdurchlaufs von mehreren Radartransmittern, die auf derselben Trägerfrequenz arbeiten, werden unter Verwendung desselben gemeinsamen GPS-Zeitsignals synchronisiert und starten zu präzise bestimmten aber leicht unterschiedlichen Zeiten. Die Startzeiten hängen von den Radaranlagen-Geometrien mit Bezug aufeinander ab.

Zusätzlich zu den Fähigkeiten mit Bezug auf die Kartierung von Oberflächenströmungen und der Überwachung des Meereszustandes kann das in 1 dargestellte HF-Radarsystem in zwei Operationsmodi in Bezug auf die Tsunamierfassung ausgebildet sein; ein Simulator-Betriebsmodus läuft an jedem Kandidatenort, bevor ein Onlinebetrieb begonnen wird, und ein Online-Betriebsmodus, der nach Tsunamis sucht und Warnalarme an ein Warnzentrum für eine Aktion übermittelt. In dem Simulator-Betriebsmodus kann eine Erfassung durchgeführt werden, ob ein HF-Kandidaten-Radarort (mit seiner charakteristischen Bathymetrie, Hintergrundströmungen und Rauschen) als ein Tsunami-Warnsystemort geeignet ist. Desweiteren kann, nachdem ein Ort ausgewählt wurde, der Simulator-Betriebsmodus verwendet werden, um eine Informationsdatenbank zu erhalten, die dann dazu verwendet werden kann, um Parameter einzustellen, um eine zuverlässige Leistung des Systems sicherzustellen, wenn es online geht.

Die 2 zeigt den Algorithmusablauf einer bestimmten Umsetzung eines HF-Radarsystems, das in dem Simulator-Betriebsmodus konfiguriert ist. 3 zeigt den Algorithmusablauf einer bestimmten Umsetzung eines HF-Radarsystems, das in einem Online-Betriebsmodus konfiguriert ist. Beide Figuren zeigen den Ablauf von digitalen Signalen von der Radar-Empfängerausgabe durch die nachfolgenden Verarbeitungsschritte mit dem endlichen Ziel, dass robuste Tsunami-Alarminformationen an ein Tsunami-Warnzentrum für weitere Veranlassung übermittelt werden. Es ist zu berücksichtigen, dass die Computerprogrammbefehle, die diesen Algorithmusablauf repräsentieren, auf einer Computervorrichtung 10 gespeichert sein können und zu ihrer Steuerung oder einer anderen bezüglichen Computervorrichtung verwendet werden können.

Es soll auch festgestellt werden, dass, trotz aller Bezüge auf bestimmte Berechnungsparadigmen und Softwaretools, die Computerprogrammbefehle, auf denen verschiedene Umsetzungen hier beruhen, zu jedem einer Vielzahl von Programmiersprachen, Softwaretools und Datenformaten korrespondieren können, in jeder Art von nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedien oder Speichervorrichtung(en) gespeichert sein können und entsprechend einer Vielzahl von Computermodellen ausgeführt werden können, beispielsweise einem Klient/Server-Modell, ein Peer-zu-Peer-Modell und einer alleinstehenden Computervorrichtung oder entsprechend einem verteilten Berechnungsmodell, bei dem verschiedene Funktionalitäten durchgeführt werden oder an verschiedenen Positionen eingesetzt werden. Geeignete Alternativen, die den Fachleuten bekannt sind, können eingesetzt werden.

Die in den 2 und 3 dargestellten Verarbeitungsschritte beziehen sich auf eine Anzahl von Phänomenen, die zur Sicherstellung einer zuverlässigen Systemleistung in Betracht gezogen werden. Beispielsweise ist eine Variable externe Hintergrundinterferenz und/oder Rauschen ein Faktor, der die Tsunamierfassung deutlich beeinträchtigt und Anlass für Falschalarme geben kann, falls die Detektorschwelle zu gering ist. Selbst eine sehr sporadische Interferenz (d. h. einmal alle paar Tage) kann bei dem Q-Faktor-Mustererkennungsalgorithmus, der in einigen Umsetzungen verwendet werden wird, Anlass für ein Falsch-Positiv geben. Aber ein Falschalarm pro Woche wird normalerweise als unerwünscht angesehen. Aufgrund dessen umfassen viele Umsetzungen Verfahren zur Erfassung der Anwesenheit einer solchen Interferenz, zusammen mit Filterung, wo es möglich ist, sie zu entfernen. Falls sie nicht entfernt werden kann, dann kann die Übermittlung eines Disclaimers mit allen Q-Faktor-Alarmen während Perioden mit hoher Interferenz den Betreiber des Warnzentrums für eine Entscheidung, wie zu reagieren ist, informieren.

In einem anderen Beispiel variieren Echtzeitströmungen, die lange durch die HF-Küstenradaranlagen berichtet wurden, mit dem Ort und der Zeit. Zeitweilige Variationen können entweder vorhersagbar sein (d. h. Tiden) oder nicht vorhersagbar sein (aufgrund vieler Ursachen, beispielsweise Stürme). Ihre Muster innerhalb der Radarabdeckung, bei der eine Tsunamierfassung erwünscht ist, können sehr komplex sein. In wenigen Fällen – und selbst bei den besten Abschwächungsverfahren – können diese Variationen der Hintergrundströme fälschlicherweise für einen Tsunami gehalten werden und erzeugen somit einen Alarm von dem Erkennungsalgorithmus. Ein effektiver Weg, um dies für einen gegebenen Ort zu handhaben, ist das Studium der Hintergrundströmungen und wie der Erfassungsalgorithmus auf sie über eine Dauer von mehreren Monaten reagiert. Simulationstechniken werden beschrieben, die dies ermöglichen und den Einfluss dieses und anderer Hintergrundfaktoren abschwächen.

In einem anderen Beispiel, und anderes als bei dem oben beschriebenen Rauschen/der Interferenz (die aus anderen Quellen stammt und selbst bei der Abwesenheit des Übertragungssignals vorhanden ist), ermöglichen Echos von anderen Zielen wie Schiffen oder von der Bewegung in der überliegenden Ionosphäre die Möglichkeit als Tsunamiechos missverstanden zu werden, wenn sie in oder nahe der Bragg-Meeresecho-Spitze kommen. Techniken zur Erfassung und zur Filterung zur Entfernung solcher Störechos werden beschrieben.

In einem anderen Beispiel hat die ablandige Wassertiefe (Bathymetrie) einen starken Einfluss auf die Tsunami-Erfassbarkeit durch ein HF-Radarsystem. Dieses Phänomen ist natürlich stark abhängig von dem Radarort. Techniken zur Simulation dieses Phänomens mit numerischen Modellen für eine Nahfeld-Tsunamiausbreitung basierend auf der lokalen Bathymetrie werden beschrieben. Die Ergebnisse dieser Simulationen werden dann verwendet, um bei der Auswahl der Erfassbarkeitsschwellen und anderer Parameter zu helfen.

Ein weiteres Beispiel bezieht sich auf die Tatsache, dass Falschalarme an jedem Punkt in dem Verarbeitungsstrom als zufällige Vorfälle angesehen werden können. Dies bedeutet, dass bekannte Informationen von anderen Quellen bei der Identifizierung realer Erfassungen und der Elimination von Störfällen für die weitere Berücksichtigung nützlich sein können. Ein Zeitfenster wird um einen Kandidatenalarm bestimmt, und falls ein Ereignis von einer unabhängigen bestätigenden Quelle innerhalb dieses Zeitfensters auftritt, ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Alarm eine tatsächliche Erfassung ist, deutlich höher und er wird zu der nächsten Stufe durchgelassen. Da der Zweck von solchen Korrelationsfenstern/Filtern die Eliminierung von Falschalarmen ist, kann dieses Verhalten für mehrere Monate an jedem neuen System, auf dem die Software installiert wird, bewertet werden. Die Annahme ist, dass ein realer Tsunami, der einen Alarm auslösen würde, extrem selten ist und wahrscheinlich während dieser Lernphase nicht auftritt. Somit können alle Kandidatenalarme, die eine Schwelle überschreiten, als Falschalarme angesehen werden. Dann, nach einigen Monaten der Einstellung von Systemparametern zur Minimierung von Falschalarmen können simulierte Tsunamisignale einer gegebenen Amplitude – basierend auf dem Nahfeld-Tsunamimodell – in diesen Datenstrom eingebracht werden, um seine Wahrscheinlichkeit der Erfassung zu bewerten.

In einem anderen Beispiel kann die Beurteilung des Zuverlässigkeitspegels in Echtzeit durchgeführt werden, um die Erfassbarkeit eines Tsunamis mit einer gegebenen Amplitude in dem Radarbereich und für diese Zeitspanne basierend auf den momentanen Bedingungen zu bewerten. Dies erlaubt die Einstellung einer Alarm-Warnsignalpriorität basierend auf sich ändernden Hintergrundbedingungen. Beispielsweise kann ein Alarm zu einer Zeit ein zuverlässiger Tsunamiindikator sein, während er es später wegen einer höheren Interferenz nicht sein kann. Zumindest einige der Faktoren, die die Zuverlässigkeit eines Alarms beeinträchtigen, sind oben genannt

Nunmehr bezugnehmend auf die 2 wird ein Simulator-Betriebsmodus beschrieben, bei dem die Leistungsfähigkeit und/oder die Eignung eines HF-Radarorts für die Tsunamierfassung bewertet wird. Dies umfasst den Ablauf des in 2 dargestellten Prozesses am Ort des Radars (d. h. für mehrere Monate), um seine Leistungsfähigkeit gegen lokale Hintergrundbeschränkungen zu bewerten. Wie oben beschrieben wurde, ist ein wichtiges Charakteristikum des Orts während dieser Phase die Bathymetrie der Küstenregion des Ortes, da sie die Erfassbarkeit und die Warnzeit beeinflusst. Dies führt dazu, dass der Simulator-Betriebsmodus eine Optimierung der Erfassbarkeitsschwellen und anderer Parameter für den Online-Betriebsmodus, der in 3 dargestellt ist, erlaubt.

Wie durch Fachleute verstanden wird, repräsentieren einige der Blöcke der 2 Verarbeitungsschritte, die für die für die Tsunamierfassung nicht einzigartig sind, sondern aus Gründen der Vollständigkeit eingefügt sind. Diese umfassen beispielsweise Block A, der die konventionelle Extraktion von Dopplerspektren gegen Bereich repräsentiert. Von diesen Spektren sucht die Verarbeitung, die durch den Block B repräsentiert ist, sowohl nach Funkinterferenz als auch nach natürlichem Rauschen. Natürliches Rauschen ist normalerweise „flach” gegen Dopplerfrequenz und Bereich; manchmal und an einigen Orten ist es höher. Es ist wichtig, dieses zu katalogisieren, insbesondere nahe den Bragg-Echospitzen innerhalb welcher Tsunamis zu erfassen sind. Funkfrequenzen haben jedoch ein einzigartiges Erscheinungsbild, häufig als deutliche Bänder oder Spitzen im Bereich und in der Dopplerfrequenz. Wieder ist das Auftreten solcher Interferenzbänder, die die Bragg-Spitzen kreuzen oder parallel liegen, problematisch. Wie häufig sie auftreten und zu welcher Tageszeit, wird in Datenbanken eingegeben. Funkfrequenzen treten häufig nur zu bestimmten Zeiten des Tages/der Nacht auf.

Der Block A repräsentiert eine konventionelle Berechnung von Doppler-Signalspektren und/oder Kreuzspektren (202) von jeder Antenne des HF-Radarsystems. In diesen Block werden die digitalen zeitseriellen Signale (101) von jedem Empfänger eingegeben. Für Tsunamibeobachtungen erzeugt eine erfolgreiche Umsetzung spektrale Ausgangsproben in Intervallen von zwei Minuten für Ausgaben mit vier Minuten für die Länge der Zeitreihe, die in jede spektrale Berechnung eingeht (d. h. eine Überlappung von zwei Minuten). Wie für Fachleute ersichtlich ist, sind diese Ausgabezeiten kürzer als solche, die für konventionelle Strömungskartierung verwendet werden. Die Berechnung von Doppler-Signalspektren und/oder Kreuzspektren ist in dem US-Patent Nummer 5 361 072 für getastetes FMCW-DF-Radar und Signalverarbeitung für Bereichs-/Doppler-/Winkelerfassung beschrieben, das am 1. November 1994 ausgegeben wurde, dessen gesamte Offenbarung hier für alle Zwecke durch Bezugnahme eingebracht wird.

Der Block B repräsentiert die Extraktion und die Analyse von externen Hintergrundsignalen (203) von den Dopplerspektren, die in Block A berechnet wurden. Zunächst berechnet er den flachen (mittleren) Rauschpegel gegen die Spektralfrequenz und den Radarbereich. Als nächstes identifiziert er das Vorhandensein von menschlich erzeugten Funkinterferenzen, die die für die Tsunamierfassung verwendeten Bragg-Spitzenbereiche verschleiern können; dies kann die Interferenzpegel mit Bezug auf den mittleren Rauschpegel umfassen. Falls diese Interferenzbänder durch die Bragg-Echobereiche passieren, können Sie Grund für Falschalarme bei der Tsunami-Mustererkennung sein.

Der Block C repräsentiert die Identifizierung und die Entfernung einiger Arten von Interferenz aus den Radar-Echospektren, um Falschalarme zu vermeiden. Beispiele solcher Arten von Interferenz umfassen: (i) Dopplerstreifen, die über einige Bereiche auftreten können; und (ii) kurzzeitige Impulsinterferenz. Streifen oder Bänder, die bei einer konstanten Doppler-Spektralfrequenz auftreten, aber mehrere benachbarte Bereiche werden gekennzeichnet, da diese häufig entfernt werden können, wodurch unterliegende Bragg-Tsunamiechos demaskiert werden. Bei normalen Warnvorgängen zeigen Interferenzspitzen – wenn sie in dem Bragg-Bereich identifiziert werden können – an, dass die Kandidaten-Q-Faktor-Daten für diesen Echobereich und die Zeitspanne nicht zu dem Tsunami-Warnzentrum übertragen werden sollten; jedenfalls nicht ohne Markierungen, die die Wahrscheinlichkeit anzeigen, dass sie Falschalarme sind. Block C umfasst auch das Speichern und das Entfernen (wenn angemessen) von Strömungssignalen, die Tsunamiströmungen überliegen können, beispielsweise Tidensignale. Solche Tidensignale repräsentieren Tidenströmungen aufgrund des Schwerkrafteffekts der Sonne und des Mondes, die mit der Position innerhalb des Radar-Abdeckungsbereichs variieren. Für weitere Informationen bezüglich solcher Tidensignale kann Bezug genommen werden auf Classical tidal harmonic analysis including error estimates in MATLAB using T_TIDE, Pawlowicz R, Beardsley B, Lentz S, Comput. Geosci. 28: 929–937 (2002), dessen gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme für alle Zwecke eingebracht wird. Diese Funktionen werden zusammen als „Vorbehandlung” des Signals vor der Tsunamierfassung angesehen. Die vorbehandelten Bragg-Echos (204) enthalten Strömungen und Tsunamigeschwindigkeiten.

Block B repräsentiert die Archivierung von Informationen über das Rauschen und die Interferenz (203), die gesehen wurden. Diese Informationen werden mit folgenden Korrelationen mit Alarmen und simulierten Tsunamierfassungen verwendet, um die Leistungsfähigkeit der Tsunamiwarnung an dem Ort zu bewerten, wenn er einer Interferenz dieses Typs ausgesetzt ist. Das bedeutet, während des Simulator-Betriebsmodus, wenn keine Tsunamis vorhanden sind, werden Interferenzbänder für eine spätere Korrelation (Block J) mit Falschalarmspitzen (Block F1) archiviert. Häufiges Auftreten mit hohen Korrelationen kennzeichnen die Robustheit und die Vertrauenswürdigkeit des Ortes für den Betrieb bei Tsunamiwarnung; dies bestimmt das erwartete Pfa basierend auf einer vorherrschenden Funkinterferenz.

Block B repräsentiert die Extraktion der Bragg-Spitzen-Spektralechos (205) nach der Vorbehandlung durch die vorhergehenden Blöcke. Die Bragg-Spitzen enthalten sowohl normale Hintergrundströme (die typischerweise der Hauptzweck dieser Küstenradare ist) als auch jedes Tsunamisignal. Diese Strömungen werden aus den Bragg-Spitzen als Vektorkarten in Polarkoordinaten extrahiert, und sie werden „Radiale” genannt. Ein Beispiel von vielen für die Art, wie diese Strömungsextraktion erzielt werden kann ist in Least-Squares Methods for the Extraction of Surface Currents from CODAR Crossed-Loop Data: Application at ARSLOE, Lipa, B. J., und D. E. Barrick, IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol. 8, 1–28 (1983) beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme für alle Zwecke eingebracht wird.

Die Blöcke F1 und F2 repräsentieren Tsunami-Mustererkennung. Bei einer bestimmten Umsetzung wird die Tsunami-Mustererkennung gemäß dem Algorithmus durchgeführt, der beschrieben ist in: Tsunami Arrival Detection with High Frequency (HF) Radar, Lipa, B., J. Isaacson, B. Nyden, und D. Barrick, Remote Sensing, Vol. 4, 1448–1461 (2012), dessen gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme für alle Zwecke eingebracht wird. Es soll jedoch festgestellt werden, dass Umsetzungen berücksichtigt werden, in denen andere Mustererkennungsalgorithmen verwendet werden können. Bei einigen Umsetzungen arbeitet die Mustererkennung an Radialgeschwindigkeits-Ausgaben, die durch den Block E in regulären Intervallen, d. h. alle zwei Minuten erzeugt werden. Vergleiche auch die Beschreibung unterhalb des Blocks E der 3 für weitere Einzelheiten hinsichtlich eines speziellen Ansatzes zur Mustererkennung.

Der Block F1 repräsentiert den Vorgang des Tsunami-Erkennungsalgorithmus mit Echtzeit-Hintergrundströmungen, wobei aber keine Tsunamisignale eingebracht werden. Dies erlaubt die Katalogisierung von Q-Faktor-Alarmen (für gegebene Schwellwerte) (208), die an diesem Ort bei Abwesenheit eines Tsunamis erzeugt werden, wodurch eine Grundlinie für die Falschalarmrate geschaffen wird. Der Block F2 verwendet dieselben Echtzeit-Hintergrundströmungen, bringt aber Test-Tsunamisignale (207) einer gewählten Amplitude und einer Startzeit ein. Dies erlaubt die Bewertung der Erfassungswahrscheinlichkeit für die Grundlinien-Falschalarmrate, die durch den Block F1 repräsentiert wird.

Der Block G repräsentiert das Einbringen eines Tsunamisignals (207) basierend auf einem numerischen Modell, das die ablandige Bathymetrie und die Tsunamiintensität an der Außenkante des lokalen „Nahfelds” berücksichtigt. Das Modell verbreitet die simulierte Tsunamiwelle (sowohl Orbitalgeschwindigkeit als auch Höhe) zu der Küste durch die Bänder, die parallel zu dem Ufer sind. Das numerische Nahfeld-Modell schafft eine Datenbank für die Beziehungen zwischen der Tsunami-Orbitalgeschwindigkeit, die in jedem Abstand vom Ufer gesehen werden (innerhalb der Radarabdeckung), und (i) der Ankunftszeit an der Küste, (ii) dem Anstieg der Orbitalgeschwindigkeit mit abnehmendem Abstand zum Ufer, (iii) der Höhe des Tsunamis mit seinem Abstand vom Ufer. Es basiert auf der sich ändernden Bathymetrie (Tiefe) über dem Kontinentalschelf. Dies erlaubt es einem Systemoperator, die Tsunami-Erfassungswahrscheinlichkeit in Block F2 für verschiedene Tsunamiintensitäten in Bezug auf die aktuellen Hintergrundströmungen von diesem Ort zu studieren. Das bedeutet, der Mustererkennungsalgorithmus (Block F2) erzeugt Alarme (209) sowohl für Tsunamis, die auf Hintergrundströmungen aufgelegt wurden, als auch für Rauschen an dem Ort, sodass beide Erfassungen sowie als bekannte Falschalarme bekannt sind.

Block H repräsentiert die Archivierung der Radialstrom-Kartenmuster (206) für den Ort über die Bewertung-/Simulationsphase (die einige Monate andauern kann). Diese Informationen können mit Korrelationen mit Q-Faktor-Falschalarmen und simulierten Tsunamierfassungen verwendet werden, um die Tsunami-Warnleistungsfähigkeit an diesem Ort basierend auf der Natur der unterliegenden Hintergrundströmungen zu bewerten.

Der Block J repräsentiert die Archivierung zum Studieren und zur Bewertung der Falschalarme (208) für den Ort unter Echtzeit-Hintergrundrauschen/Interferenz und Strömungen. Korrelationen der Falschalarmraten und das Auftreten mit diesen anderen Faktoren kann dann durchgeführt und bewertet werden.

Der Block K repräsentiert die Archivierung für das Studium und die Bewertung der Erfassbarkeit des eingebrachten Tsunamis für den Ort unter Echtzeit-Hintergrund/Interferenz und Strömungen. Korrelationen der Erfassungswahrscheinlichkeit mit diesen und anderen Faktoren kann dann durchgeführt und bewertet werden. Dies ermöglicht die Übersetzung einer Statistik von Pfa (basierend auf realen Radar-Hintergrunddaten) zusammen mit dem zugeordneten Pd (basierend auf einem bekannten, eingebrachten realistischen Tsunamisignal), sodass diese Leistungsmetriken verwendet werden können, um die Eignung des Orts und die Leistungsfähigkeit für den Betrieb der Echtzeit-Tsunamierfassung und -warnung zu bewerten, sowie die angemessenen Parameter (d. h. Q-Faktor-Schwelle) für den Onlinebetrieb an diesem Ort.

Nunmehr bezugnehmend auf 3 wird ein Online-Betriebsmodus eines Radarsystems beschrieben, das für die Tsunamierfassung ausgebildet ist. Gemäß einer bestimmten Klasse von Umsetzungen ist beabsichtigt, dass die dargestellten Verarbeitungsschritte parallel mit der Software auf dem Radarsystem durchgeführt werden, das Echtzeit-Strömungskarten, Meereszustand und möglicherweise Schiffserfassung schafft, ohne mit solchen Funktionen zu interferieren oder dadurch behindert zu werden. Wie oben beschrieben ist, können verschiedene externe Faktoren die robuste Erfassung von Tsunamis durch ein HF-Küstenradar beeinträchtigen. Diese umfassen externe Funkinterferenz und Rauschen, komplexe, variable Hintergrund-Strömungsmuster, die unter den Tsunamigeschwindigkeiten liegen, und Echos von anderen Zielen (Schiffen, Ionosphäre). Desweiteren können die ablandige Bathymetrie und ein beschränkter Empfänger-Dynamikbereich die Erfassbarkeit beschränken. Der in 3 dargestellte Prozess ermöglicht die Erfassung eines Tsunamimusters innerhalb des natürlichen Hintergrunds, wobei diesen Herausforderungen begegnet wird, um verlässliche und nützliche Warnungen an Tsunami-Wangzentren zu erzeugen.

Der Block A repräsentiert die konventionelle Berechnung von Doppler-Signalspektren und/oder Kreuzspektren (302) aus den digitalen zeitseriellen Signalen (301) jeder Antenne in dem HF-Küstenradarsystem, in dem das Erfassungssystem installiert ist. Dies ist die normale Extraktion von Dopplerspektren nach der Digitalisierung in dem Empfänger und ist nicht für die Tsunamierfassung einzigartig. Der Block B repräsentiert die Extraktion und die Analyse der externen Hintergrundsignale (303) aus den in Block A berechneten Dopplerspektren. Die Verarbeitung des Blocks B umfasst die Extraktion von Rauschen und die Identifikation von menschlich erzeugten Funkinterferenzen, falls vorhanden. Vergleiche die Beschreibungen von Block A bzw. B der 2.

Der Block C repräsentiert die Identifizierung und die Entfernung einiger Arten von Interferenz aus den Radar-Echospektren vor dem Versuch, Tsunamis zu erfassen, um Falschalarme zu vermeiden. Dies umfasst die Vorbehandlung der digitalisierten Empfängerausgabe durch Entfernung bekannter Interferenz (wenn möglich) und Tidenströmungen (falls erforderlich) (304). Das erstere kann durchgeführt werden durch Herausnehmen jedes kurzzeitigen Impulsrauschens, wenn vorhanden (das heißt Lichtbündel) und/oder Zellen mit negativem Bereich, um Interferenzbandstreifen von Daten im positiven Bereich von Bragg-Spitzen zu entfernen, wo es angemessen ist, vergleiche beispielsweise die US-Patentanmeldung Nummer 14/213 841 mit dem Titel Negative Pseudo-Range Processing with Multi-static FMCW Radars, die am 14. März 2014 eingereicht wurde, deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme für alle Zwecke eingebracht wird. Eine solche Interferenz ist eine bekannte Quelle für Tsunami-Falschalarme. Falls sie nicht entfernt werden kann, müssen die Alarme für die Tsunami-Warnzentren als suspekt gekennzeichnet werden. Vergleiche die Beschreibung des Blocks C der 2.

Der Block D repräsentiert die Extraktion der Bragg-Spitzen-Spektralechos (305) (die Strömungen und jedes Tsunamisignal enthalten) nach der Vorbehandlung durch die vorherigen Blöcke. Vergleiche die Beschreibung des Blocks E der 2.

Der Block E der 2 repräsentiert die Tsunami-Mustererkennung und die Erzeugung entsprechender Alarme (306), wie oben mit Bezug auf die Blöcke F1 und F2 der 2 diskutiert wurde und gemäß einem einer bestimmten Umsetzung erfolgt die Tsunami-Mustererkennung, die durch den Block E der 3 repräsentiert ist, entsprechend dem Algorithmus, der beschrieben ist in: Tsunami Arrival Detection with High Frequency (HF) Radar, Lipa, B., J. Isaacson, B. Nyden, und D. Barrick, Remote Sensing, Vol. 4, 1448–1461 (2012), dessen gesamte Offenbarung hier für alle Zwecke durch Bezugnahme eingebracht wird. Es soll jedoch festgestellt werden, dass über Umsetzungen nachgedacht wird, in denen andere Mustererkennungsalgorithmen verwendet werden können.

Bei der dargestellten Umsetzung werden die in Block D erzeugten Radialgeschwindigkeit-Strömungskarten in grobe rechteckige Bänder parallel zu der Küste aufgelöst (d. h. die Isobathen). Für jedes Band, das von der Küste ausgeht, gibt es eine rechtwinklige und eine parallele Strömungskomponente. Um ein Tsunamimuster innerhalb der Hintergrundströmung zu erkennen, werden seine bekannten typischen Spektraleigenschaften genutzt (Tsunamidauern sind typischerweise im Bereich von 10–50 Minuten). Innerhalb jedes Bandes wird bestimmt, ob die Geschwindigkeit um einen Betrag innerhalb zweier aufeinanderfolgender Zeitintervalle ansteigt oder abnimmt, der größer als ein vorgegebener Pegel ist. Falls er ansteigt oder abnimmt wird für dieses Band ein Q-Pegel-Parameter erhöht bzw. vermindert. Es wird dann festgestellt, ob die maximalen/minimalen Geschwindigkeiten für aufeinanderfolgende Bänder (innerhalb eines vorgegebenen Wertes) für aufeinanderfolgende Zeitintervalle zusammenfallen. Falls dem so ist, wird der Q-Pegel-Parameter für dieses Band und die Zeit erhöht (wenn die Maximalgeschwindigkeiten zusammenfallen) oder vermindert (wenn die Minimalgeschwindigkeiten zusammenfallen). Es wird dann festgestellt, ob die Geschwindigkeiten über zwei aufeinanderfolgende Zeitintervalle für drei Binder benachbarter Bereiche ansteigen oder abfallen. Falls es ein Anstieg ist, wird der Q-Pegel-Parameter inkrementiert, falls es eine Abnahme ist, wird er dekrementiert.

4 zeigt eine Repräsentation der aktuellen Ausgabe einer Umsetzung des Q-Faktor-Algorithmus, der oben zusammengefasst wurde, der erfolgreich den Tohoku-Tsunami in Japan im März 2011 erfasst hat. Die rechte Darstellung zeigt wie die Alarmspitzen identifiziert und die starken Tsunamigeschwindigkeiten (links) zwischen 6–12 km von der Küste erfasst wurden (der Abstand entlang einer Linie, die grob rechtwinklig zu den Tiefenkonturen in dem Nahfeldbereich sind, wie aus den Geschwindigkeiten und der Zeit des Erdbebens bestimmt). Die Geschwindigkeiten selbst, die durch Rauschen und Hintergrundtiden kontaminiert sind, wären ohne diesen Mustererkennungsalgorithmus kaum aufzulösen gewesen. Wie in der Figur dargestellt ist, identifiziert der empirisch aufgestellte Q-Faktor-Tsunami-Mustererkenner präzise den ersten Tsunamipeak (wie durch Küsten-Tidenmessungen bestätigt wurde). Trotzdem können über viele Stunden und Tagen zu viele Falschalarme aufgrund externer Hintergrundeffekte auftreten. Die hier beschriebene zusätzliche Verarbeitung während beider Betriebsmodi dient der Reduzierung der Wahrscheinlichkeit solcher Falschalarme, während die Wahrscheinlichkeit einer genauen Erfassung erhöht wird.

Erneut bezugnehmend auf 3, repräsentiert der Block F einen Weg, bei dem zumindest einige Falschalarme unter den Alarmen, die durch die Tsunami-Mustererkennung des Figur des Blocks E erzeugt werden, eliminiert werden können. Dies wird durch Überprüfung von Q-Faktor-Ausgaben (307) von angrenzenden HF-Radarsystemen durchgeführt. Ein echter Tsunami sollte bei zwei Küstenpositionen, die beispielsweise 30 km voneinander entfernt liegen, innerhalb eines definierten Zeitfensters (d. h. 10–30 Minuten) zu sehen sein. Tsunamiwellen brechen sich, wenn sie sich in das niedrige Wasser des Kontinentalschelfs an der Küste bewegen. D. h. sie tendieren dazu, rechtwinklig zur Küste anzukommen. Dies verursacht gleiche Ankunftszeiten in Positionen entlang einer nahezu geraden Küstenlinie über diese kurzen Distanzen. Falls somit eine hohe Q-Faktor-Spitze bei einem Radar M in einem vorgegebenen Bereich innerhalb von 15 Minuten einer hohen Q-Faktor-Spitze bei einem Radar N ankommt, erhöht die Anwesenheit von beiden die Wahrscheinlichkeit, dass ein tatsächlicher Tsunami gesehen wurde, um Größenordnungen, und der Alarm (308) wird weitergegeben. Falls in ähnlicher Weise ein hoher Q-Faktor bei dem Radar M kein Gegenstück bei dem Radar N hat, steigert dies deutlich die Wahrscheinlichkeit, dass die „Alarm”-Spitze tatsächlich ein Falschalarm war. Somit kann der einzelne Alarm entweder als ein Falschalarm eliminiert werden, oder eine Markierung wird dem Alarm (308) beigefügt, was ihm eine deutlich geringere Verlässlichkeit gibt. Dies erlaubt Optionen für das Personal in einem Tsunami-Warnzentrum, wenn sie ihn bewerten und mit anderen Informationen vergleichen, um die zu unternehmen Aktionen zu entscheiden.

Der Block G repräsentiert einen anderen Weg, auf dem Falschalarme eliminiert werden können. Momentan liefern einige Dienste Apps, die Online-Mitteilungen (309) innerhalb von zwei Minuten nach einem Erdbeben verteilen, das irgendwo auf der Welt aufgetreten ist (und in einigen Fällen deutlich schneller). Ein Beispiel eines solchen Dienstes ist http://www.sms-tunami-warning.com/. Diese Dienste liefern typischerweise Breite, Länge, Zeit und die Magnitude des Erdbebens. Solch eine Informationsquelle ist in 3 als Block H repräsentiert.

Obwohl nicht alle unterseeischen Erdbeben Tsunamis erzeugen, besteht hier die Annahme, dass jedes unterseeische Erdbeben mit einer Magnitude über 5 eine Ursache für einen Tsunami sein kann. Ein Algorithmus (repräsentiert durch den Block I), der auf dem Tiefenprofil zwischen dem Ursprung des Erdbebens und dem interessierenden Radar-Nahfeld basiert, wird verwendet, um eine erwartete Ankunftszeit (310) des Tsunamis zu berechnen, der durch das erfasste Erdbeben erzeugt wurde. Dies basiert auf der einfachen Gleichung für die Tsunami-Phasengeschwindigkeit gegen die Tiefe. Der Algorithmus sagt vorher, wann das Radar in der Lage sein wird, den Tsunami zu erfassen, basierend auf der Zeit und der Position des Erdbebens. Dies muss nicht notwendigerweise ein vollständiges numerisches Partialdifferentialggleichungs(PDE)-Modell sein, um ein geeignetes Fenster (d. h. +/– 30 Minuten) bei dem Radar zu definieren. Falls beispielsweise Δ Tals das Zeitintervall zwischen dem bekannten Auftreten des Erdbebens und der Zeit ist, um den Nahfeld-Radar-Abdeckungsbereich zu erreichen, dann ist eine einfache aber adäquate Abschätzung gegeben durch: wobei x die Weglänge entlang des Großkreises zwischen dem Start- und dem Endpunkt, xS, xE ist; g die bekannte Erdbeschleunigung ist und d(x) eine geglättete Version der Tiefe entlang des Großkreiswegs ist, den der Tsunami durchlaufen muss, um den Radarbereich zu erreichen. Es soll festgestellt werden, dass, obwohl dies eine vereinfachte Berechnung ist, sie ausreichend ist, um eine Genauigkeit von +/– einer halben Stunde in der Ankunftszeit zu erreichen. Der Nenner innerhalb des Integranden ist die akzeptierte Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Tsunamiwelle basierend auf der Wassertiefe. Genauere Modelle sind verfügbar, sodass es zu verstehen ist, dass das obige Beispiel zur Beschreibung eines Ansatzes gedacht ist, alternative Berechnungen jedoch nicht ausschließt.

Ein Gefahrenfenster wird dann für den Block G eingestellt (d. h. +/–0,5 Stunden der Ankunftszeit), und jedem Q-Faktor-Alarmkandidaten innerhalb dieses Fensters (311) wird eine hohe Priorität gegeben und für eine weitere Verarbeitung weitergeleitet. Demgegenüber kann ein Q-Faktor-Alarm, der die Alarmschwelle überschreitet, dem kein unterseeisches Erdbeben (oder ein äquivalentes Ereignis) vorausgegangen ist, eliminiert werden (nach dem Ermessen des Leiters des Warnzentrums). Es soll festgestellt werden, dass, obwohl Erdbeben als ein Ursprung von Tsunamis beschrieben sind, andere Ursprünge bekannt sind, beispielsweise unterseeische Erdrutsche und sich schnell bewegende atmosphärische Anomalien, die „Meteo-Tsunamis” erzeugen. Rechtzeitige Warnungen für beide dieser Arten von Ereignissen sind ebenfalls online erhältlich und können somit in einer ähnlichen Weise zur Definition von Zeitfenstern bei einem Radar für erhöhte Alarm-Vertrauenswürdigkeit verwendet werden. Erneut liegt der Zweck in der Markierung zuverlässiger Q-Faktor-Alarme in der Herabstufung anderer, die nicht von einer Quellenwarnung begleitet sind. Es soll ferner festgestellt werden, dass nur ein Bruchteil von unterseeischen Erdbeben oder atmosphärischen Anomalien messbare Tsunamis erzeugen. Als solche bedeuten Alarme solcher Ereignisse nicht, dass ein Tsunami durch das Radar gesehen wird, nur dass es ratsam ist, eine „Beobachtung” vorzunehmen, um die Robustheit des HF-Radars und die Vertrauenswürdigkeit durch Erhöhung der Erfassungswahrscheinlichkeit und durch Reduktion von Falschalarmen zu verbessern.

Der Block K repräsentiert das numerische Nahfeldmodell (312), das eine Datenbank für die Beziehungen zwischen der Tsunami-Orbitalgeschwindigkeit schafft, die in irgend einem Abstand vom Ufer (innerhalb der Radarabdeckung) gesehen wird, und (i) der Ankunftszeit an der Küste, (ii) dem Anstieg der Orbitalgeschwindigkeit mit abnehmenden Abstand von der Küste, (iii) der Höhe des Tsunamis mit dem Abstand von der Küste. Sie basiert auf der Änderung der Bathymetrie (Tiefe) über dem Kontinentalschelf. Diese Informationen werden durch die Verarbeitung, die durch den Block J repräsentiert ist, verwendet, um die Höhe, die Wasser-Orbitalgeschwindigkeit und die Ankunftszeit an der Küste (313) von dem Punkt und der Zeit der Erfassung vorherzusagen, wobei letztere aus dem Q-Faktor-Alarm (Alarmen) vorhergesagt wird.

In einer bestimmten Umsetzung sind die Gleichungen, die die Tsunami, Wellenausbreitung in Niedrigwasser (Block K) repräsentieren, gegeben durch:

Die Gleichung (2) ist das zweite Gesetz von Newton, das auch der dominante Term in den bekannten Hydrodynamiken von Navier-Stokes ist. Die Gleichung (3) repräsentiert die Inkommpressibilität von Wasser, eine allgemeine bekannte Beziehung. Hier ist η(x, y, t) die Höhe der Tsunamiwelle als eine Funktion der horizontalen Abstände und der Zeit; und ν~(x, y, t) ist der Vektor der horizontalen Wasser-Orbitalgeschwindigkeit, ebenfalls als eine Funktion der horizontalen Abstände und der Zeit. Die Tsunami-Orbitalgeschwindigkeit wird hier als unabhängig von der Tiefe angesehen, wie in allen konventionellen Modellbehandlungen.

Die Gleichungen (2) und (3), die Funktionen zweier Unbekannter (Höhe und Geschwindigkeit) sind, können aufgelöst werden, um eine partielle Differenzialgleichung (PDE) zweiter Ordnung in jeder dieser beiden Tsunamivariablen zu erhalten (wobei die Höhe innerhalb der eckigen Klammern der zweiten Gleichung ignoriert wird, da sie gering ist), um zu erhalten:

Die Gleichungen (4) und (5) werden über den „Nahfeld”-Bereich innerhalb des Bereichs der Radarabdeckung angewendet, typischerweise bis zu ~50 km von der Küste. Sie können auf Personalcomputern mit konventionellen, kommerziell erhältlichen Paketen wie MATLAB mit dem zugeordneten PDE-Werkzeug gelöst werden. Die Bathymetrie außerhalb der Küste ist als Tiefenvariable, d(x, y), enthalten, und die Küstenlinie wird eine Grenze für die Domäne. Normalerweise finden wir es einfacher, die zweite PDE, die skalare Gleichung (5) für die Tsunami-Wellenhöhe zu lösen. Dann wird die Geschwindigkeit durch Integration der linken Seite der Gleichung (2) erhalten. Dies stellt Relationen zwischen der Orbitalgeschwindigkeit (gemessen durch das Radar) und der Tsunami-Wellenhöhe auf, die durch die Warnzentren gewünscht wird, sowie der Ankunftszeit an der Küste von jedem Punkt in dem Nahfeldbereich.

Wie ersichtlich ist, müssen die Gleichungen nur einmal gelöst werden, und normierte Resultate werden in einer Datenbank oder einer Tabelle gespeichert. Die Geschwindigkeiten, die einem Q-Faktor-Alarm entsprechen, erlauben eine Identifikation eines Eintrags in der Datenbank, woraus man die entsprechende Tsunami-Wellenhöhe als eine Funktion des Abstands von der Küste extrahieren kann. Die Ankunftszeit an der Küste kann ebenfalls aus diesem Modellergebnis basierend auf dem Abstand und der Zeit, zu der es erstmals durch das Radar erfasst wurde, extrahieren. Diese können dann der Alarminformation beigefügt werden, die zu dem Tsunami-Warnzentrum weitergeleitet wird.

Der Block L repräsentiert den Endschritt der Verarbeitung vor der Übertragung der Tsunami-Alarminformation (315) an das Warnzentrum. Das Hintergrundrauschen und die Interferenzpegel (340) aus Block B werden verwendet, um die Vertrauenswürdigkeit aller Q-Faktor-Alarme zu bestimmen. Falls beispielsweise in einer gegebenen Zeitspanne das Rauschen hoch ist, werden Spitzen während der Zeitspanne hinsichtlich der Vertrauenswürdigkeit abgesenkt oder vielleicht eliminiert. Dies kann durch Vergleich der Orbitalgeschwindigkeit bei dem Q-Faktor-Alarmpeak mit einer sichtbaren Schwelle basierend auf dem Rauschen selbst, wie es in Block B festgestellt wurde, erfolgen. Alle verbleibenden Tsunamialarme sind dann bereit, an das Tsunami-Warnzentrum weitergeleitet zu werden. Es soll festgestellt werden, dass solche radarbasierten Alarme mit jeder anderen Information korreliert werden können, die für das Tsunami-Warnzentrum zugänglich sind, und dann in geeignete Anzeigen für Maßnahmen durch das Zentrumspersonal integriert zu werden.

Für Fachleute ist ersichtlich, dass Änderungen in der Form und den Einzelheiten der hier beschriebenen Umsetzungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. Obwohl verschiedene Vorteile, Aspekte und Aufgaben mit Bezug auf verschiedene Umsetzungen beschrieben wurden, soll ferner der Umfang dieser Offenbarung nicht mit Bezug auf diese Vorteile, Aspekte und Aufgaben beschränkt werden. Der Umfang dieser Offenbarung soll vielmehr mit Bezug auf die beigefügten Ansprüche bestimmt werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 5361072 [0071]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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