Способ определения состояния ледяного покрова

Способ определения состояния ледяного покрова

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к определению параметров метеорологически обусловленного состояния водной поверхности с помощью акустических волн разных диапазонов частот, а точнее - с использованием способов дистанционного зондирования, и наиболее эффективно может быть использовано при оперативном определении характеристик таких типов подстилающей поверхности, как ледяной покров в осенний и весенний периоды в районах морского судоходства, а также ледяного покрова в регионах залегания и добычи месторождений газа и нефти на шельфе арктических морей.

Известен способ определения состояния ледяного покрова (см. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение. / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др., СПб., Наука, 2007, с.68-71), заключающийся в выполнении визуальных ледовых наблюдений с самолетов и вертолетов различных типов с высот 100-600 м. При полетах на этих высотах разрешающая способность человеческого глаза принимается равной 0,1 м на местности, что позволяет наблюдателю определять по характеру поверхности снежного покрова, типу наслоений и торосистых образований, толщине льдин в разломах, размерам и форме снежниц, цветовым оттенкам поверхности льдин, их обломков, дна снежниц все основные характеристики ледяного покрова - положение кромки дрейфующего и неподвижного льдов, сплоченность льда, его возрастной состав, формы, наслоенность и торосистость, стадии таяния, пространства чистой воды среди льдов, высоту и характер снежного покрова, сжатие, загрязненность, количество и формы льдов материкового происхождения. При этом, наблюдения выполняются в полосе от 19-20 высот полета (кромки льда, границы зон различной сплоченности) до 2-3 высот (возрастной состав), что объясняется различной достоверностью и возможностью определения тех или иных характеристиках при больших углах визирования. Учитывая ограниченное время пролета каждого участка, совершенно очевидна невозможность переработки наблюдателем всего объема информации. На основании результатов наблюдений составляется рабочая ледовая карта. Способ отягощен существенными случайными и систематическими погрешностями, ограничениями по полосе обзора. Кроме того, при наблюдениях с малых высот непосредственно просматривается только 10-20% обследуемой акватории, что приводит к значительным ошибкам при интерполяции и экстраполяции границ.

Известен также способ аэрофотосъемки морского льда (см. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение. / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др., СПб., Наука, 2007, с.72-76) с использованием аэрофотоаппаратов (АФА). Съемка выполняется сериями по площадям или маршрутам.

Достоинством данного способа является высокая разрешающая способность, геометрическая определенность снимков, позволяющая воссоздать пространственную модель местности и с высокой степенью точности определить координаты изобразившихся точек местности, а также объективность и однозначность получаемых сведений.

Недостатком способа является зависимость от метеоусловий и освещенности; большое количество получаемых снимков и сложность их фотохимической и фотограмметрической обработки; ограниченные площади съемки с малых высот; низкая оперативность получения окончательных результатов.

Известен также способ определения состояния ледяного покрова путем зондирования морских льдов посредством радиолокационных станций с длиной волны 2-3 см (см. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение. / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др., СПб., Наука, 2007, с.79-88), установленных на самолетах и судах. При этом состояние льда определяется через эффективную площадь рассеивания. Данный способ позволяет выполнить оперативную оценку состояния ледяного покрытия, в части возрастных стадий льдов и их сплоченности по градациям (молодые - однолетние - старые льды). Однако при этом невозможно определение стадий развития однолетних льдов.

Известны также способы определения ледяного покрова путем зондирования морских льдов с искусственных спутников Земли (см. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение. / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др., СПб., Наука, 2007, с.88-116 или см. Авторское свидетельство СССР №1788487), заключающиеся в том, что ледяной покров зондируют посредством бортовой аппаратуры спутника (радиолокатор бокового обзора, пассивный микроволновый радиометр, многоканальный сканирующий радиометр с линейным сканированием по сфере или по углу). Для получения достоверной информации, как правило, используют сочетание нескольких приборов, что связано с отрицательной корреляцией интенсивности излучения и рассеяния электромагнитных волн льдом одного и того же возраста на используемых частотах в зимний период года. На изображениях радиолокационных станций старые (двухлетние и многолетние) льды дают сильный рассеянный сигнал, а на изображениях радиометрических приборов - слабое собственное излучение. Молодые и однолетние льды, наоборот, дают слабый рассеянный сигнал и сильное собственное излучение. Именно эта особенность совмещенных изображений при комплексировании данных позволяет распознать однолетний и многолетний льды в период интенсивного летнего таяния, открытую воду на крупных разводьях и полыньях, а также положение кромки льдов при взволнованной открытой водной поверхности.

В известном способе определения состояния ледового покрова (см. Авторское свидетельство СССР №1788487), включающим получение спутниковых радиолокационных снимков и снимков в оптическом диапазоне длин волн, с целью повышения достоверности при определении возраста и сплоченности льда в весенне-осенний период, в момент получения радиолокационных снимков устанавливают наличие облачности теплых фронтальных зон по снимкам в оптическом диапазоне длин волн и, если она имеет место, то проводят повторную радиолокационную съемку в условиях, соответствующих полному изменению метрологических условий в исследуемом районе.

В известных способах в процедурах картирования применяется метод визуального анализа и интерпретации изображений, включая количественные оценки общей и частной сплоченности льда, а также интерактивного выделения границ ледовых зон с использованием мозаик из разновременных изображений. При этом мозаики формируются из предварительно нормализованных по яркости и трансформированных в стереографическую картографическую проекцию изображений с радиолокационной станции.

Основной недостаток радиолокационных станций бокового обзора, заключающийся в том, что разрешение вдоль линии пути ограничивается длиной антенны, компенсируется применением радиолокаторов с синтезированной апертурой. Однако для идентификации морских льдов и получения устойчивых результатов картирования морских льдов необходимо выбирать различные комбинации поляризаций типа АР, НН, HV, VV, VH при разных диапазонах углов зондирования.

Наиболее важными параметрами морских льдов являются сплоченность, возраст (толщина), размер ледяных полей, размер и ориентация разводий, торосистость, дрейф льда и зоны сжатия/разряжения, стадии таяния и ряд других. Параметры морских льдов по спутниковым радиолокационным изображениям определяются путем дешифрирования. Для обнаружения и опознавания используются такие признаки, как величина обратного рассеяния и текстура, а также структура, размер и форма объектов. Основным прямым дешифровочным признаком является яркость радиолокационного изображения, которая определяется коэффициентом обратного рассеяния воды и морских льдов. На основе различий их обратного рассеяния определяются основные виды льдов. Зависимость удельной эффективной площади рассеяния и тона изображения от вида льда, его форм и шероховатости поверхности делает возможным определение ряда параметров морских льдов.

Однако различные виды льдов могут изображаться одинаковым тоном и текстурой. Для их распознания используют дополнительную информацию, такую как гидрометеорологические условия и дрейф льдов в предшествующий съемке период, другие данные дистанционного зондирования, ледовые наблюдения с судов и т.д. Априорные данные о ледовых условиях также накладывают ограничения на возможность появления различных видов льдов в отдельных районах.

Обратное рассеяние морских льдов зависит от поляризации, частоты и угла зондирования радиолокатора. На радиолокационных изображениях С-диапазона многие виды льдов изображаются одинаково на различных поляризациях и углах зондирования. Например, для ниласа характерен темный тон изображения; для многолетних льдов - более яркий тон по сравнению с однолетним льдом, а для торосистых по сравнению с ровными льдами. Сигнатуры некоторых других видов льдов и открытой воды могут значительно различаться. Так значения обратного рассеяния открытой водной поверхности при слабом волнении и тонкого льда на VV-поляризации превышают на 5-7 и 2-3 дБ соответственно значения на НН-поляризации. Для интерпретации РСА - изображений, полученных со спутников типа ERS, RADARSAT, ENVISAT, сигнатуры основных видов морских льдов требуют уточнения с учетом конкретных характеристик этих радиолокаторов. Анализ результатов спутниковых дистанционных зондирований (см. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение. / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др., СПб., Наука, 2007, с.213-214) показал, что обнаруживаются наиболее крупные айсберги (диаметром 150 м и более), в то время как большинство из них не идентифицируется. При соответствующих условиях (при удельной эффективной площади рассеяния, больше чем у морского льда и спокойной морской поверхности) возможно обнаружить около половины небольших айсбергов (15-60 м в диаметре), три четверти средних айсбергов (60-120 м). При картировании малых айсбергов по изображениям с РСА появляется большое количество ложных объектов.

При регулярном сборе данных РСА высокого разрешения объем получаемой информации значительно возрастает. И визуальная интерпретация этих изображений, и оценка параметров морских льдов становятся весьма трудоемкими. Алгоритмы определения параметров морских льдов по РСА-изображениям включают (см. Научные исследования в Арктике. Том 3. Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение. / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др., СПб., Наука, 2007, с.216-235) классификацию морских льдов, сплоченность морских льдов, дрейф морских льдов, составление ледовых карт по изображениям в оптическом диапазоне и по РСА-изображениям. Целью классификации является отнесение пикселов РСА-изображения к различным категориям морских льдов. Используемые при этом категории главным образом связаны с возрастными видами льдов и деформацией их поверхности. Толщина льдов не определяется по РСА-изображениям. Корректная классификация является важной предпосылкой для оценки таких параметров морских льдов, как их сплоченность, распределение полыней и их формы. Классификация включает предварительную обработку изображений, выделение ледовых объектов, вычисление параметров изображений (сегментов), пиксельную или зонную классификацию с использованием набора вычислительных параметров, завершающий этап обработки.

Предварительная обработка изображения включает в себя радиометрическую и геометрическую коррекции, фильтрацию, подавление спекл-шума и улучшение контрастности и предназначена для обеспечения относительной или абсолютной калибровки изображений и удаления различных артефактов. При проведении радиометрической калибровки в отдельных случаях необходимо выполнить коррекцию диаграммы направленности антенны, ослабления сигнала по дальности, а также от угла наклона, используя известные параметры РСА. При классификации РСА-изображений с широкой полосой обзора также необходимо учитывать угловую зависимость коэффициента обратного рассеяния морских льдов. Для уменьшения этого эффекта может быть применена нормализация на изменение дальности с использованием эмпирических зависимостей для преобладающего на изображении вида льда. Однако это требует априорных знаний о преобладающем на изображении типе льда и не может полностью компенсировать радиометрические зависимости для других типов поверхностей на изображении.

При классификации изображения без обучения, имеющей целью выделение различных кластеров в пространстве признаков без их отнесения к заранее выбранным классам льдов, требуется только инвариантность радиолокационной сигнатуры объекта от его расположения в пределах того же изображения.

Сегментация является процессом, который разделяет изображение на составляющие части или объекты. Сегмент представляет собой участок изображения с однородными тоновыми и текстурными свойствами. Сегменты изображения могут соответствовать таким объектам, как поля льда, каналы, полыньи, участки деформационного льда. Известные алгоритмы сегментации предназначены для обнаружения ледяных полей на фоне открытой воды или ледяной каши и распознавания полыней. Фундаментальной трудностью задачи сегментации является ее существенная размытость и неопределенность.

Используемые признаки РСА-изображений принадлежат к трем основным группам: моменты изображения, текстура матрицы смежности тонов и признаки на основе автокорреляционной функции (многолетний лед характеризуется пятнистой структурой изображения, которая объясняется формированием на его поверхности большого количества снежниц в летний период; другим примером является сеть ярких линейных участков изображения, соответствующих грядам торосов на деформированном однолетнем льду). Текстура зависит от пространственного разрешения радиолокатора, пространственного масштаба неоднородностей на поверхности морских льдов и в его объеме. В настоящее время имеется мало информации о крупномасштабных свойствах морских льдов и, как следствие, механизмах формирования текстуры. Набор информативных признаком может отличаться от исследования к исследованию и может зависеть от нескольких факторов, включая географический район, окружающие условия и т.д. Применение текстуры обычно повышает точность классификации, однако не может в полной мере устранить неоднозначности между различными видами льда:

70-120 см - ровный однолетний лед средней толщины;

>120 см - деформированный средний и толстый однолетний лед, торосистость 2-3 балла;

>120 см - деформированный средний и толстый однолетний лед, торосистость 3-5 балла;

10-15 см (серый) и 15-30 см (серо-белый) - молодой лед;

5-10 см - нилас, ледяное «сало», пространства открытой воды.

Ввиду того, что алгоритм классификации построен на основе линейного дискретного анализа с использованием нейронных сетей для аппроксимации сложных зависимостей между входными и выходными сигналами, способы с использованием признаков РСА-изображений отягощены как объективными, так и субъективными погрешностями. В настоящее время не существует общедоступного набора спутниковых данных, который мог бы быть использован для перекрестной проверки различных алгоритмов. Разработанные алгоритмы обычно включают использование знаний эксперта, которые трудно воспроизвести. Сезонная и пространственная изменчивость свойств морских льдов является препятствием для развития общих подходов, применимых в различные сезоны и в различных полярных районах.

Открытая вода и морские льды имеют широкий диапазон величин обратного рассеяния, которые значительно варьируются в зависимости от скорости ветра и свойств льда, а также от длины волны РСА, угла зондирования и поляризации. Например, обратное рассеяние открытой воды при слабом ветре значительно ниже, чем у льда. В таблице приведены значения разности обратного рассеяния от открытой воды в зависимости от сезона.

Таблица
Параметр	Зима	Конец весны	Начало лета	Середина лета	Конец лета	Осень
Разность, дБ	>6,4	>6,5	>6,6	>6,6	>1,3	>7,2

Спокойная водная поверхность в большинстве случаев уверенно различается от многолетнего и однолетнего льдов. Однако в конце лета их разделение может быть затруднено, и даже в период начала ледообразования и зимой вновь образующиеся начальные виды льда и нилас могут иметь схожее со спокойной водой обратное рассеяние. Обратное рассеяние открытой водной поверхности возрастает с увеличением скорости ветра и при скорости ветра 2 м/с достигает характерных для морского дна значений. При ее последующем увеличении до 5 м/с обратное рассеяние водной поверхности становится выше, чем у большинства видов льда. Летом морской лед имеет низкое обратное рассеяние (менее чем 12 дБ), и при скорости ветра больше 5 м/с разность величин обратного рассеяния морского льда и открытой воды превышает 4 дБ.

Среди полей дрейфующего льда обратное рассеяние взволнованной водной поверхности ниже, чем в океане, из-за сглаживания волн и затенения ветра ледяными полями. Поэтому при скоростях ветра в диапазоне 3-10 м/с надежное различение водной поверхности и льда по одноканальным радиолокационным данным невозможно (VV-поляризация). При НН-поляризации при углах зондирования 20-50 градусов обратное рассеяние открытой воды меньше, чем при VV-поляризации, что повышает достоверность оценки за счет увеличения различия обратного рассеяния между льдом и спокойной водой. Однако распознавание спокойной водной поверхности и морских льдов в среднем и дальнем диапазонах полосы обзора затруднено, поскольку обратное рассеяние водной поверхности может быть ниже уровня шумов РСА, а обратное рассеяние морских льдов уменьшается с увеличением угла зондирования. Начальные виды льда и нилас имеют относительно низкое обратное рассеяние и не различаются от открытой воды.

Основными этапами алгоритма определения сплоченности льдов являются:

Вычисление гистограммы изображения и определение значений σ⁰ _min и σ⁰ _max.

1. Классификация каждого пиксела, имеющего значение p_ij, как лед, если

σ⁰ _min≤p_ij≤σ⁰ _max, и открытая вода, если p_ij<σ⁰ _min или p_ij>σ⁰ _max.

2. Вычисление сплоченности морских льдов в пределах прямоугольных участков классифицированного изображения размером m×n пикселов путем усреднения.

Оценки сплоченности морских льдов зависят от выбора значений порогов обратного рассеяния (σ_min и σ_max), которые могут варьироваться в зависимости от ветра, сезона и географического района.

При использовании метеорологических данных выявляются случаи, когда сигнатуры льда и воды могут быть схожими и принадлежность пиксела к одной из этих категорий не определяется.

Наличие спекл-шума на РСА-изображении может привести к классификации некоторых пикселов водной поверхности как льда. Для уменьшения спекл-шума изображение усредняется; при этом размер пиксела увеличивается, например от 12,5 до 100 м.

Вычисление сплоченности льда по РСА-изображениям со спутника основано на пороговой классификации. Вначале каждый пиксел помечается как лед или открытая вода, а затем сплоченность льда в процентах вычисляется в окне размером m×n пикселов.

Коррекция зависимости обратного рассеяния от дальности необходима.

Все пикселы с величиной ниже пороговой классифицируются как лед, а остальные как вода.

Общим недостатком известных способов является низкая достоверность оперативного определения характеристик из-за невозможности (в ряде случаев) однозначно отличить взволнованную водную поверхность от разреженного многолетнего льда, спокойную водную поверхность от тонких сплоченных молодых типов льда (например, ниласа), смешанные поля льдов разных возрастных категорий от многолетнего льда, лед, на поверхности которого находится свежевыпавший снежный покров, от молодых льдов и др.

Известен способ определения состояния ледяного покрова (см. авторское свидетельство СССР №1788487), в котором в отличие от других известных способов, заключающихся в построении фотоизображений подстилающей поверхности, соответствующих результатам зондирования с аэрокосмических носителей, осуществляемом, например, радиолокатором бокового разрешения (длина волны около 3 см) и определении характеристик подстилающей поверхности экспертным путем (визуальным анализом) полученных фотоизображений, определение состояния ледяного покрова выполняют путем получения спутниковых радиолокационных снимков и снимков в оптическом диапазоне длин волн, а в момент получения радиолокационных снимков устанавливают наличие облачности теплых фронтальных зон по снимкам в оптическом диапазоне длин волн. При этом, если такая облачность имеет место, то проводят повторную радиолокационную съемку в условиях, соответствующих полному изменению метеорологических условий в исследуемом районе.

В общем случае этот способ не обеспечивает достоверное определение характеристик поверхности при изменяющихся сложных метеорологических условиях и в условиях быстрой изменчивости отражательных и излучаемых характеристик подстилающей поверхности. Это объясняется тем, что общая зависимость принятых сигналов радиолокационной станции бокового обзора и радиометра от параметров ледяного покрова является достаточно сложной, так как в пределах элемента разрешения каждого прибора находятся смешанные поля льдов разного возраста, а система уравнений для оценки эффективности площади рассеяния, определяемой по радиолокационной станции бокового обзора и эффективной радиояркостной температуры, определяемой по радиометру содержит четыре неизвестных и соответственно четыре непостоянных параметра, что оказывается неразрешимой задачей для определения значений искомых параметров, а именно частной сплоченности, в пределах разрешения соответственно радиолокатора бокового обзора и радиометра. Устранение данного недостатка в этом способе решается путем использования карт состояния ледового покрова за предшествующую декаду месяца, которые строятся в Гидрометеорологическом центре по обобщенным данным ледовой авиаразведки для арктического бассейна. При этом на текущие изображения, полученные по полям соответственно радиолокационным и радиометрическим способом, наносят вручную контуры однородных состояний ледяного покрова, соответствующие предыдущим картам-схемам. Далее выполняют идентификацию областей с однородными состояниями ледяного покрова. После того, как полностью идентифицированными оказались одна или две области на текущем изображении поверхности и предыдущих картах-схемах, определяют направление и среднюю величину смещения между этими областями. С учетом полученных значений среднего смещения и направления, границы предшествующего положения областей, занесенные на текущую информацию, смещают для более точного соответствия. Данную операцию необходимо выполнять ввиду того, что на изображениях с текущей информацией некоторые области перестают различаться, в то время как на предыдущей карте-схеме они могут различаться. Причинами этого являются ситуации, заключающиеся в нарастании присутствующего в пределах области молодого льда (от нилоса к серому льду), отражательные характеристики которого становятся близкими к характеристикам многолетнего льда, изменении частичной сплоченности многолетнего льда из-за появления ветровых трещин и разводий или выпадении на поверхность нескольких областей многолетнего льда влажного снега. Для однозначно опознанных областей выполняется расчет характеристик ледяного покрова, т.е. определение частной сплоченности льдов разного возраста.

При выполнении идентификации с использованием нескольких карт-схем при переносе изображений необходимо учитывать масштабы карт, т.е. выполнять генерализацию новых карт, в противном случае возможны существенные искажения изображений, а в некоторых случаях и потеря информации.

Способ имеет высокую трудоемкость как при обработке вновь полученной информации, так и информации, предшествующих наблюдений.

Кроме того, необходимо учитывать проявление маскирующего эффекта в арктических районах, который определяется скоростью изменения метеорологических условий, а также изменение условий дрейфа льда, что требует повторения операций способа через несколько часов, особенно при резком изменении пространственного распределения гидрометеорологических параметров.

И если при проведении масштабных исследований в арктическом регионе данный способ имеет применимость при составлении прогноза развития ледовой обстановки в сочетании с использованием информации, полученной от других источников информации (гидрометеорологические станции, суда гидрографической службы и т.п.), то для обеспечения безопасной эксплуатации морских терминалов нефтегазовых месторождений в арктической зоне его эффективность не является достаточной.

Задачей заявляемого технического решения является повышение достоверности определения состояния ледяного покрова.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе определения состояния ледяного покрова, включающем получение спутниковых радиолокационных снимков в оптическом диапазоне длин волн, анализ и интерпретацию изображений, интерактивное выделение границ ледовых зон с использованием мозаик из разновременных изображений, в котором при определении возраста и сплоченности льда выполняют томографическую съемку ледяного покрова, толщину льда и морфографические аномалии подводной части ледяного образования определяют посредством параметрического гидроакустического измерителя путем зондирования ледового образования линейными частотно модулированными импульсами.

Совокупность новых отличительных признаков, заключающихся в том, что при определении возраста и сплоченности льда выполняют томографическую съемку ледяного покрова, толщину льда и морфографические аномалии подводной части ледяного образования определяют посредством параметрического гидроакустического измерителя путем зондирования ледового образования линейными частотно модулированными импульсами, из известного уровня техники не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Одним из существенных преимуществ параметрических гидроакустических антенн является их широкополосность. При этом на всех частотах сохраняется одинаковая направленность в режиме излучения. Такие широкополосные источники звука весьма полезны при изучении отражательных свойств ледовых образований. С их помощью, используя одну антенну, можно измерять акустические характеристики практически во всем диапазоне рабочих частот. Исследования могут выполняться оперативно вплоть до измерения амплитудно-частотной характеристики за одну посылку при использовании зондирующих линейных частотно модулированных импульсов. Последнее обстоятельство особенно важно при непрерывно изменяющихся морских условиях измерений.

В гидролокации величину эхо-сигнала, отраженного от подводного объекта, принято характеризовать силой цели. Измерения частотных зависимостей силы цели с применением параметрических гидроакустических локаторов для исследования отражательных свойств объектов возможно выполнять в широком частотном диапазоне.

Для акустически жестких объектов сферической формы величина силы цели в промежуточной области между релеевским и геометрическим рассеяниями, т.е. в области, где 1<ka<10 (а - радиус), k=2π/λ - волновое число, колеблется, асимптотически приближаясь к своему постоянному значению при ka>>1. Причина этих колебаний, как показали теоретические и экспериментальные исследования, заключаются в переизлучении поверхностных и дифрагированных волн, которые вносят свой вклад в процесс формирования эхо-сигнала наряду с зеркальным отражением. Возникшая интерференция между указанными типами волн при достаточной длительности зондирующих импульсов приводит к осцилляциям в частотных зависимостях силы цели.

Уровень этих осцилляций, количество, интервал частот между ними определяется физическими параметрами объекта, его геометрическими размерами. Этот факт предполагает возможным использовать в качестве одного из простых и достаточно информативных признаков классификации частотную зависимость силы цели.

С целью исследования возможности использования частотных зависимостей силы цели в качестве классификационных признаков были проведены измерения с помощью широкополосного параметрического источника. При этом в излучающем тракте параметрической гидроакустической локационной системы реализован двухканальный метод формирования исходных сигналов со средней частотой накачки 165 кГц. Диапазон разностных частот составлял 5-50 кГц. Перестройка частоты в указанном диапазоне осуществлялась как в течение длительности импульса по линейному закону, так и в режиме медленно меняющейся частоты от импульса к импульсу через 2, 4, 8 посылок. Шаг перестройки разностной частоты составлял 0,2 кГц.

Девиация разностной частоты прямого и отраженного сигнала составила 30-40 кГц. Разница коэффициентов усилителя приемного тракта для каналов прямого и отраженного импульса отличается на величину, равную расстоянию между объектами. Частота биений зависит от девиации частоты излучаемого сигнала и расстояния между объектами. Таким образом, по форме отраженного линейного частотно-модулированного сигнала можно различать одиночную и групповую цели и оценивать расстояние между элементами групповой цели при расположении объектов на расстояниях, меньших длительности зондирующего импульса.

Ввиду того, что характер чередований максимумов и минимумов, а также абсолютные значения силы цели и интервал частот между минимальными и максимальными значениями силы цели в данном диапазоне частот являются различными, это позволяет различать эти объекты по их частотным характеристикам, а также оценивать размер этих сфер по интервалу частот между минимальными и максимальными значениями силы цели на частотных зависимостях (Клей К., Медвин Г. Акустическая океанография. Основы и применения. - М.: Мир, 1980, 580 с.).

Совпадение огибающих отраженных сигналов от ледяных образований с их частотными зависимостями дает возможность за одну посылку судить о частотных характеристиках отражающих элементов ледяного образования. По характеру частотных зависимостей силы цели элементов ледяного образования можно различать одиночные объекты (кили) от групповых при их расположении на расстоянии, величина которого составляет меньше половины длительности зондирующего импульса.

Метод когерентного импульсного протонного спинового эха позволяет исследовать физико-химические свойства морской воды на молекулярном уровне.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.

Фиг.1. Архитектура реализации способа, которая включает добычную платформу 1, морской терминал 2, ледовые поля 3, автономные донные станции 4, летательный аппарат 5. Автономные донные станции 4, летательный аппарат 5, морской терминал 2 оснащены гидроакустическими средствами 6, включающими также каналы гидроакустической связи. Летательный аппарат 5 оснащен спин - протонным зондом 7, который также может быть установлен на ледовом поле 3 посредством парашютной системы. Летательный аппарат 5 может быть также оснащен электронно-оптической и инфракрасной системами и видеокамерами. Передача изображений может передаваться на расстояние до 100 км. Аналогом летательного аппарата является беспилотный комплекс ледовой разведки типа "Дозор", способный взлетать как с катапульты судна, например ледокола, или с добычной платформы. Скорость полета аппарата составляет до 200 км/ч, и он может находиться в полете до 8 часов (Робот исследует льды // Пресс Регион Плюс, №1, февраль, 2009, СПб, с.4).

Добычная платформа 2 также оснащена метеорологическим локатором 8 и спутниковым каналом связи 9.

Фиг.2. Структурная схема формирователя сигналов накачки излучающего тракта акустического измерителя 6.

Излучающий тракт акустического измерителя состоит из генераторов 10, 11, управляемых напряжением, сигналы синусоидальной формы с частотами соответственно ω₁ и ω₂ подаются на входы сумматора 12 и коммутатора 13. С выхода сумматора 12 сигнал в виде биений также поступает на коммутатор 13. С выхода коммутатора 13 синусоидальные сигналы или биения через аналоговые умножители 14, 15, управляемые импульсным генератором 16, подаются на регулируемые выходные усилители 17, 18, с выходов которых, усиленные до необходимой величины, подаются соответственно на выходные разъемы генераторов 19, 20. Импульсный генератор 21, для обеспечения привязки по фазе начала и конца излучения к нулю биений, синхронизируется сигналами генераторов 19 и 20. По приходу запускающего импульса импульсный генератор 21 вырабатывает прямоугольные импульсы, соответствующие уровням ТТЛ, и пилообразный импульс, равный по длительности прямоугольному. Амплитуда пилообразного импульса постоянна и не зависит от его длительности. Кроме того, импульсный генератор 16 генерирует сигнал в виде прямоугольных импульсов, который подается на специализированную схему контроля 22. Управление частотами генераторов 10 и 11 осуществляется с помощью формирователя управляющих напряжений 23, на вход которого подается либо пилообразный импульс, либо ступенчато изменяющееся напряжение, генерируемое генератором 24 ступенчато-изменяющегося напряжения, работа которого синхронизируется импульсным генератором 16. Для нанесения частотных меток при записи частотных характеристик на ленте самописца служит генератор меток 26, на входы которого подаются опорная частота с кварцевого генератора меток 25 и синусоидальный сигнал с частотой, равной мгновенной разностной частоте, снимаемой с преобразователя частоты 27. Контроль необходимых параметров осуществляется схемой контроля 22, с выхода которой код измеренной величины подается на панель семисегментных светодиодных индикаторов 28.

С выходов формирователя сигналов накачки поступают на широкополосные усилители мощности 29, 30, работающие в импульсном режиме на активную нагрузку 30 Ом и обеспечивающие электрическую мощность 3 кВт, излучаемую антенной 31.

Преобразователем накачки является плоская двухрезонансная антенна мозаичного типа. Антенна набрана из элементов пьезокерамики ЦТС-19 и ЦТСНВ-1 с резонансными частотами 150 и 180 кГц.

Фиг.3. Блок-схема приемного тракта включает антенный блок 32, амплитудные ограничители 33 и 34 для сильных входных сигналов, амплитудный ограничитель 35, схему запирания 36, схему формирования импульса 37, усилители 38, 39 и 40 с регулируемым коэффициентом усиления, схему преобразования частоты заполнения 41, усилитель ограничитель 42, схемы ВАРУ 43 и 44, фильтр нижних частот 45, схему формирования видеосигнала метки 46, блоки фильтров верхних частот 47 и 49, усилитель 48, два ключа 50 и 55, блок фильтров низких частот 51, формирователь импульсов 52, ключи 53 и 57, сумматор 54, согласующий усилитель 56, ключ 57, сумматор 58, усилитель 59, ФАПЧ 60, согласующий усилитель 61, переключатель 62 на три положения 63, 64, 65 соответственно, переключатель 66 на три положения 67, 68, 69 соответственно и переключатель 70.

Приемный тракт имеет два входа 71 и 72, соответственно низкочастотного и высокочастотного сигналов, и четыре выхода 73, 74, 75 и 76. Выход 73 является выходом низкочастотных сигналов, выход 74 обеспечивает связь с регистратором, выход 75 является выходом разностной частоты F, выход 76 является выходом импульса запуска.

Антенный блок 32 содержит широкополосную антенну, резонансную, низкочастотную и высокочастотную антенны. Основной приемной антенной явля