Способ дистанционного определения характеристик морской поверхности

Способ дистанционного определения характеристик морской поверхности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области океанологических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния поверхности океана.

В настоящее время основной поток информации о процессах, протекающих в Мировом океане, в том числе о состоянии его поверхности, поступает с приборов для дистанционного зондирования, установленных на космических аппаратах [Пустовойтенко В.В., Запевалов А.С. Оперативная океанография: Спутниковая альтиметрия - Современное состояние, перспективы и проблемы // Серия Современные проблемы океанологии. -Севастополь, МГИ НАН Украины. 2012. Вып. №11. 217 с]. Применяются три вида радиолокационных систем:

- радиолокационные станции бокового обзора, с помощью которых получают радиолокационные (РЛ-) изображения морской поверхности разной степени детализации;

- скаттерометры, с помощью которых получают косвенную информацию о поле ветра вблизи морской поверхности (направление и скорость ветра);

- радиолокационные альтиметры, с помощью которых получают основной поток информации непосредственно о параметрах морской поверхности, таких, как реальная ее топография и значимая высота морских волн.

Физической основой предложенного способа дистанционного определения характеристик морской поверхности является следующее. При вертикальном радиозондировании морской поверхности всю информацию о характеристиках морской поверхности несет передний фронт отраженного радиоимпульса. Отраженный радиоимпульс V{t) описывается сверткой трех функций [Hayne G.S. Radar altimeter mean return waveforms from near-normal-incidence ocean surface scattering // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1980. Vol. AP-28. P. 687-692.]

где - функции, зависящие от характеристик радиолокатора, установленного

на космическом аппарате; - функция, определяемая распределением возвышений морской поверхности; * - символ, обозначающий свертку.

Зависимость формы отраженного радиосигнала от функции создает принципиальную возможность определения статистических характеристик взволнованной морской. поверхности по данным измерений радиолокатором, установленном на космическом аппарате.

Известен способ [Walsh E.J., Uliana Е.А., Yaplee B.S. Ocean wave heights measured by a high resolution pulse-limited radar altimeter // Boundary-Layer Meteorology. 1978. Vol. 13. P. 263-276] определения значимой высоты морских волн с помощью радиолокационного альтиметра, установленного на борту космического аппарата, согласно которому осуществляют зондирование поверхности моря короткими импульсами длительностью порядка нескольких наносекунд. Сходными с признаками заявленного технического решения являются такие признаки аналога: формирование коротких радиоимпульсов постоянной длительности, облучение морской поверхности и регистрирование отраженного радиоимпульса. Недостатком аналога является то обстоятельство, что в процессе измерений определяется только одна характеристика морских волн - значимая высота волн, что ограничивает область океанографического применения данного способа.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является дистанционный способ [Gomez-Enri J., Gommenginger СР., Srokosz М.А., Challenor P.G., Benveniste J. Measuring global ocean wave skewness by retracking RA-2 Envisat waveforms // J. of Atmospheric and Oceanic Technology. 2007. Vol. 24. P. 1102-1116 - прототип] определения характеристик морской поверхности, позволяющий определять асимметрию распределения возвышений поверхности. Способ основан на использовании характеристик радиосигнала, получаемого при зондировании поверхности моря в надир с помощью радиолокатора, установленного на борту космического аппарата.

Такие признаки прототипа, как формирование коротких радиоимпульсов постоянной длительности и зондирование ими морской поверхности в надир, регистрация отражённых радиоимпульсов, определение асимметрии усеченного распределения возвышений морской поверхности по изменениям угла наклона на разных участках переднего фронта отраженного радиоимпульса, являются сходными с существенными признаками заявленного технического решения.

Недостатком прототипа является низкая точность определения асимметрии. Этот недостаток является следствием того, что отраженный радиоимпульс в основном формируют возвышения поверхности η, высота которых удовлетворяет условию

где - дисперсия возвышений морской поверхности; т - безразмерный коэффициент.

Значения коэффициента т лежат в пределах от 2.5 до 3 [Запевалов А.С., Пусто-войтенко В.В. К вопросу определения асимметрии распределения возвышений морской поверхности по данным альтиметрических измерений // Исследования Земли из космоса. · 2012. № 5. С. 12-21.]. Это означает, что отраженный импульс содержит информацию не о всем распределении возвышений морской поверхности а только об усеченном Между собой эти распределения связаны соотношением

где N_m - нормирующий множитель.

Этот параметр определяется из условия нормирования

Из условия (2) следует, что, восстанавливая по данным альтиметрических измерений асимметрию распределения, мы получаем асимметрию усеченного распределения..

При расчете асимметрии распределения возвышений взволнованной морской поверхности λ по данным альтиметрических измерений используется функция плотности вероятностей в форме [Gomez-Enri J., Gommenginger С.P., Srokosz Μ.Α., Challenor P.G., Benveniste J. Measuring global ocean wave skewness by retracking RA-2 Envisat waveforms // J. of Atmospheric and Oceanic Technology. 2007. Vol. 24. P. 1102-1116. - прототип.]

На приведенной иллюстрации показано, как связана истинная асимметрия λ с асимметрией, полученной для усеченного распределения при двух значениях параметра т. Пунктирной линией, для сравнения, показана зависимость Видно, что расчет асимметрии по усеченной модели приводит к существенному занижению расчетной величины по сравнению с истинной асимметрией. Следует добавить, что поскольку реальное распределение возвышений поверхностных волн имеет не нулевой эксцесс, который меняется в значительных пределах, связь между является стохастической.

В основу изобретения поставлена задача создания способа дистанционного определения характеристик морской поверхности, в котором за счёт того, что учитывается особенность формирования отраженного радиоимпульса, достигается технический результат - повышение точности определения асимметрии распределения возвышений морской поверхности.

Поставленная задача решается тем, что в способе дистанционного определения характеристик морской поверхности, который заключается в том, что формируют короткие радиоимпульсы постоянной длительности, зондируют ими морскую поверхность в надир, регистрируют отражённые радиоимпульсы и по изменениям угла наклона на разных участках переднего фронта отраженного радиоимпульса определяют асимметрию усеченного распределения возвышений морской поверхности, новым является то, что дополнительно осуществляют волнографические измерения возвышений морской поверхности, по данным этих измерений строят зависимость асимметрии полного распределения от асимметрии усеченного распределения и полученную зависимость учитывают при расчете асимметрии полного распределения возвышений морской поверхности.

Для реализации предложенного способа может быть использован комплекс аппаратуры, устанавливаемой на альтиметрических океанографических спутниках. Впервые возможность получения океанографической информации с помощью альтиметрической системы была продемонстрирована в 1973 г. в эксперименте S-193, проведенном на пилотируемой долговременной орбитальной космической станции «SkyLab». В последующем короткоимпульсные радиоальтиметры различных модификаций работали на борту космических аппаратов «GEOS-3», «SeaSat», «GeoSat», «ΤΟΡΕΧ/Poseidon», «ERS-1, -2», «Jason-l, -2», «EnviSat» и др. В ближайшее время ожидается запуск в космос альтиметрических систем на борту космических аппаратов семейства «Sentinel» [Пустовойтенко В.В., Запевалов А.С. Оперативная океанография: Спутниковая альтиметрия - Современное состояние, перспективы и проблемы // Серия Современные проблемы океанологии. - Севастополь, МГИ НАН Украины. 2012. Вып. №11. 217 с].

Способ осуществляют следующим образом.

С помощью радиолокатора, расположенного на космическом аппарате, формируют короткие радиоимпульсы постоянной длительности (порядка одной наносекунды), облучают морскую поверхность в надир и регистрируют отражённые радиоимпульсы.

По изменениям угла наклона на разных участках переднего фронта отраженного радиоимпульса определяют асимметрию усеченного распределения возвышений морской поверхности

Дополнительно на контролируемой акватории моря проводят прямые волнографи-ческие измерения возвышений морской поверхности (например, с помощью волнографи-ческих буев типа «Waverider»).

По результатам этих измерений строят зависимость асимметрии полного распределения возвышений морской поверхности от асимметрии, полученной для усеченного распределения И с помощью этой зависимости пересчитывают асимметрию усеченного распределения в асимметрию полного распределения Я возвышений морской поверхности.

Способ дистанционного определения характеристик морской поверхности, заключающийся в том, что формируют короткие радиоимпульсы постоянной длительности, зондируют ими морскую поверхность в надир, регистрируют отражённые радиоимпульсы и по изменениям угла наклона на разных участках переднего фронта отраженного радиоимпульса определяют асимметрию усеченного распределения возвышений морской поверхности, отличающийся тем, что дополнительно на контролируемой акватории моря осуществляют прямые волнографические измерения возвышений морской поверхности, по данным измерений строят зависимость асимметрии распределения возвышений морской поверхности, полученной при волнографических измерениях, от асимметрии указанного усеченного распределения и полученную зависимость учитывают при расчете асимметрии полного распределения возвышений морской поверхности.