Способ дистанционного определения скорости морского течения

Способ дистанционного определения скорости морского течения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным методам мониторинга морской поверхности с целью дистанционного определения скорости морских течений в приповерхностном слое.

Способ позволяет обнаружить морское течение в приповерхностном слое и дистанционно определить его скорость с помощью многочастотного СВЧ радиолокатора L-X-диапазонов (L, S, С, X), работающего на двух соосных поляризациях (HH-излучение и прием на горизонтальной поляризации, VV-излучение и прием на вертикальной поляризации) и нескольких разнесенных частотах при измерении рассеяния от морской поверхности в двух направлениях: параллельно и перпендикулярно ветру. Способ применим в широком диапазоне скоростей ветра и углах между направлением зондирования и вертикалью от 20-25 до 80-85 градусов со свайных оснований или с судов.

Из патента RU №2436040 (Пат. 2436040 Российская Федерация, МПК G01C 13/00. Способ определения кинематических характеристик поверхностных волн по пространственно-временным изображениям водной поверхности [Текст] / Зуйкова Э.М., Титов В.И., Троицкая Ю.И.; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН (RU). - №2009140801; заявл. 03.11.2009; опубл. 10.12.2011, Бюл. №34. - 13 с.: ил.) известен способ, позволяющий диагностировать течение в океане. В этом способе с помощью линейки ПЗС-фотодиодов регистрируют вариации яркости морской поверхности, определяющие одномерное изображение волн на поверхности воды, а при накоплении во времени одномерных изображений строят пространственно-временное изображение. По периоду и наклону отображений волн на этих изображениях определяют кинематические характеристики волн длинных волн, в частности дисперсионное соотношение для волн, и на основе сравнения последнего с дисперсионным соотношением для поверхностных гравитационных волн определяют скорость течения. Недостатком этого способа является необходимость определения спектральных компонент длинных ветровых волн с точностью не хуже типичных измеряемых скоростей течений, что требует гораздо большего, чем в предлагаемом способе, времени анализа, кроме того, в данном патенте для формирования оптического изображения морской поверхности используют солнечное освещение, т.е. способ не работает в ночное время и в условиях сплошной облачности. Аналогичный алгоритм возможен и при радиолокационном зондировании, но все равно время анализа (накопления сигнала) остается большим.

Наиболее близким по технической сущности является способ, известный из патента US №6774837 (Пат. 6774837 United States, МПК G01S 13/02, G01S 13/87, G01S 7/02, G01S 13/00, G01S 13/89, G01S 13/86, G01S 7/35, G01S 13/34, G01S 13/58, G01S 13/95, G01S 3/02, G01S 5/14, G01S 3/74. Ocean surface current mapping with bistatic HF radar [Текст] /Barrick D.E., Lilleboe P.M., Lipa B.J., Isaacson J.; заявитель и патентообладатель Codar Ocean Sensors, Ltd. - №10/694,154; заявл. 27.10.2003; опубл. 10.08.2004), в котором осуществляют картирование океанских приповерхностных течений радиолокаторами ВЧ-диапазона с разнесенной базой. В этом патенте используют два разнесенных радиолокатора декаметрового диапазона длин электромагнитных волн с одной поляризацией, одновременно облучающих исследуемый участок морской поверхности. Измеренные доплеровские сдвиги пересчитывают в скорости рассеивателей на морской поверхности в двух направлениях и в предположении, что в ВЧ-диапазоне скорости рассеивателей определяются только скоростью волн с брэгговским значением волнового числа и скоростью течения, рассчитывают проекции скорости приповерхностного течения в двух направлениях, а затем и вектор скорости. Недостатком этого способа является то, что в нем используют для измерений декаметровый диапазон длин электромагнитных волн (10-100 м), и поэтому данный способ реализуется только с берега из-за больших габаритов приемно-излучающих антенн, и, соответственно, его невозможно использовать с небольших свайных оснований, судов и т.д.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание метода измерения скорости течения, который реализуется с помощью достаточно малогабаритной и мобильной аппаратуры и может обеспечить точность производимых измерений.

Технический эффект данного изобретения достигается тем, что излучают и принимают рассеянные морской поверхностью радиолокационные сигналы и определяют вектор скорости морского течения в приповерхностном слое на основе измерений скоростей рассеивателей радиолокационного сигнала в двух направлениях наблюдения.

Новым является то, что для измерений используют один многочастотный и двухполяризационный СВЧ радиолокатор L-X-диапазонов, излучают и принимают рассеянные морской поверхностью радиолокационные сигналы на двух соосных (НН и VV) поляризациях в направлениях наблюдения параллельно и перпендикулярно ветру на нескольких разнесенных по величине в 1,5-2 раза частотах, независимо на каждой частоте по значениям удельной эффективной площади рассеяния радиолокационного сигнала и скорости рассеивателей на морской поверхности на VV и HH поляризациях находят значения скорости брэгговских рассеивателей в упомянутых направлениях, по которым находят вектор скорости течения, окончательное значение вектора скорости течения получают усреднением на разных частотах.

Предлагаемый способ дистанционного определения скорости морского течения средствами многочастотной радиолокации основан на том, что излучают и принимают рассеянные морской поверхностью электромагнитные волны в двух взаимно перпендикулярных направлениях на двух соосных поляризациях и на нескольких разнесенных рабочих частотах, относящихся к L-X-диапазонам. В качестве характеристик принятых сигналов используют удельные эффективные площади рассеяния радиолокационного сигнала (pp - вертикальная VV или горизонтальная HH поляризация) и скорости рассеивателей V_pp, определяемые по величине доплеровского сдвига в отраженном радиолокационном сигнале, на двух поляризациях и нескольких разнесенных в 1,5-2 раза частотах. Удельная эффективная площадь рассеяния радиолокационного сигнала с поляризацией pp в СВЧ-диапазоне складывается из брэгговской (поляризованной) компоненты σ_{B_pp}, определяемой рассеянием на волнах с брэгговским волновым числом, и неполяризованной компоненты σ_NP, которая определяется рассеянием на квазизеркально отражающих участках профиля морской поверхности, обычно связываемых с областями обрушений волн:

Соответственно, скорость рассеивателей радиолокационного сигнала V_pp в направлении наблюдения определяется скоростью брэгговских рассеивателей V_B и неполяризованных рассеивателей V_NP:

где α, β - коэффициенты, которые определяются вкладом соответствующей компоненты в удельную эффективную площадь рассеяния радиолокационного сигнала. Величина скорости неполяризованных рассеивателей, вообще говоря, неизвестна и зависит от скорости ветра, развитости волнения и т.д. Скорость брэгговских рассеивателей V_B складывается из радиальной компоненты скорости течения - проекции вектора скорости течения на вертикальную плоскость зондирования - и собственной скорости брэгговских волн, последняя равна скорости гравитационно-капиллярных волн V_gcw с известным брэгговским волновым числом. В итоге V_B может быть описана выражением

Здесь - скорость гравитационно-капиллярных волн, g - ускорение свободного падения, σ - коэффициент поверхностного натяжения воды, - брэгговское волновое число, θ - угол между направлением зондирования и вертикалью, ƒ - рабочая частота радиолокатора, с - скорость света, V_c - скорость течения, - угол между проекцией направления наблюдения на горизонтальную плоскость и направлением скорости течения в приповерхностном слое, в которую включена и скорость ветрового дрейфа. Отметим, что вклад скорости гравитационно-капиллярных волн V_gcw в скорость брэгговских рассеивателей определяется углом между проекцией направления наблюдения на горизонтальную плоскость и направлением ветра и описывается функцией .

Скорость брэгговских рассеивателей при зондировании параллельно направлению ветра V_B// можно записать как

где ϕ - угол между направлением ветра и направлением скорости течения в приповерхностном слое, откуда, измерив V_B//, можно определить V_c⋅cos ϕ.

При зондировании перпендикулярно ветру в силу равенства интенсивностей брэгговских волн, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях. Скорость брэгговских рассеивателей V_B⊥ в этом случае равна:

Для того чтобы найти скорость брэгговских рассеивателей, используют данные об удельной эффективной площади рассеяния и скоростях рассеивателей на двух поляризациях. Поскольку вклад неполяризованной компоненты в удельную эффективную площадь рассеяния одинаков на вертикальной и горизонтальной поляризации, то скорость брэгговских рассеивателей можно определить следующим образом

Таким образом, измерение удельных эффективных площадей рассеяния радиолокационного сигнала и скоростей брэгговских рассеивателей на двух поляризациях позволяет найти скорости брэгговских рассеивателей в направлении наблюдения. При известной величине скорости гравитационно-капиллярных волн в этом направлении можно определить проекцию скорости течения.

Последовательное (на масштабах времени, за которое течение не меняется) измерение скоростей брэгговских рассеивателей в двух направлениях - параллельно V_B// и перпендикулярно V_B⊥ направлению ветра - позволяет определить вектор скорости течения (модуль скорости течения и направление) для одной частоты многочастотного радиолокатора из формул (4) и (5):

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Многочастотным двухполяризационным СВЧ радиолокатором L-X-диапазонов излучают и принимают рассеянные морской поверхностью сигналы на двух соосных (НН и VV) поляризациях в направлениях наблюдения параллельно и перпендикулярно ветру на нескольких разнесенных в 1,5-2 раза частотах.

Затем независимо на каждой частоте по значениям удельной эффективной площади рассеяния радиолокационного сигнала и скорости рассеивателей на морской поверхности на VV и НН поляризациях, измеренным в этих двух направлениях наблюдения, находят значения скорости брэгговских рассеивателей в двух направлениях (по формуле (6)).

Находят вектор скорости течения по формулам (7), рассчитывая скорость течения параллельно ветру по формуле (4) и используя значение скорости течения перпендикулярно ветру из формулы (5).

Затем окончательное значение вектора скорости течения получают усреднением на разных частотах. Так как измерения скоростей течений на разных частотах независимы, усреднение позволяет также дополнительно повысить точность определения скорости приповерхностного течения.

Предлагаемый способ за счет работы в L-X-диапазонах позволяет использовать для измерений приемо-передающую антенну с диаметром порядка 1 м, что дает возможность уменьшить габариты и, соответственно, повысить мобильность всей измерительной системы.

Способ дистанционного определения скорости морского течения, в котором излучают и принимают рассеянные морской поверхностью радиолокационные сигналы и определяют вектор скорости морского течения в приповерхностном слое на основе измерений скоростей рассеивателей радиолокационного сигнала в двух направлениях наблюдения, отличающийся тем, что для измерений используют один многочастотный и двухполяризационный СВЧ радиолокатор L-X-диапазонов, излучают и принимают рассеянные морской поверхностью радиолокационные сигналы на двух соосных (НН и VV) поляризациях в направлениях наблюдения параллельно и перпендикулярно ветру на нескольких разнесенных по величине в 1,5-2 раза частотах, независимо на каждой частоте по значениям удельной эффективной площади рассеяния радиолокационного сигнала и скорости рассеивателей на морской поверхности на VV и НН поляризациях находят значения скорости брэгговских рассеивателей в упомянутых направлениях, по которым находят вектор скорости течения, окончательное значение вектора скорости течения получают усреднением на разных частотах.