СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ОКЕАН - АТМОСФЕРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к метеорологии, в частности дистанционному зондированию океана и атмосферы, а именно к способу дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера и устройствам для его осуществления, и может быть использовано при глобальном аэрокосмическом мониторинге для решения различных геофизических задач, например при диагностике внутриокеанических процессов и кризисных ситуаций в атмосфере типа тропических циклонов.

В настоящее время основными средствами глобального мониторинга климата Земли и его аномальных явлений являются спутниковые методы. Важную роль здесь играют средства СВЧ-диапазона как активные, так и пассивные. Существующие методы радиотеплового СВЧ-зондирования системы океан-атмосфера дают возможность определения дистанционным способом важных метеорологических параметров атмосферы и поверхности океана.

Так, измерения радиотеплового излучения системы океан-атмосфера, выполненные вблизи линий молекулярного поглощения кислорода (2,53 мм и 5 мм) и водяного пара (1,6 мм и 13,5 мм), а также в окнах прозрачности атмосферы (3 мм, 8 мм и выше 15 мм), позволяют определять такие параметры поверхности океана как ее температура, скорость приводного ветра, т.е. степень волнения, восстанавливать высотные профили температуры и влажности атмосферы; определять интегральную влажность, водозапас облаков и интенсивность осадков и так далее.

Существующие аэрокосмические методы СВЧ-зондирования системы океан-атмосфера используют вышеперечисленные диапазоны электромагнитных волн для определения главным образом гидрометеорологических параметров атмосферы и поверхности океана.

Однако все то, что происходит на поверхности океана, тем или иным образом связано с состоянием нижележащих слоев воды даже в тех случаях, когда поверхностные явления возникают под прямым воздействием атмосферы. Это справедливо прежде всего в отношении аномальных состояний поверхности.

Одной из важных задач на современном этапе в развитии глобального экологического мониторинга является создание аэрокосмических методов наблюдения, способных "заглянуть" в толщу вод океана через поверхность, на которой, как в своего рода зеркале, отображаются внутриокeанические процессы.

Известен целый ряд способов дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера, заключающийся в измерении собственного СВЧ-излучения системы океан-атмосфера в мм-диапазоне длин волн, по которому определяют гидрометеорологические параметры атмосферы и поверхности океана, например, с помощью сканирующего многоканального микроволнового радиометра (SMMR), который был установлен на спутниках США "Seasat" и "Nimbus-7" [1]
Указанный способ основан на измерении собственного СВЧ-излучения системы океан-атмосфера на следующих длинах волн: 0,81; 1,43; 1,67; 2,81 и 4,52 см. Угол падения луча к поверхности составлял 48^о.

Известно также устройство для реализации этого способа. Оно содержит приемную антенну, к которой подсоединены радиометрынастроенные на пять фиксированных рабочих длин волн 0,81; 1,43; 1,67; 2,81 и 4,52 см и систему регистрации.

Указанный способ и устройство позволяют определять интегральную влажность атмосферы, водность облаков, температуру поверхности океана и скорость приводного ветра.

Однако этот способ и устройство не дают возможности хотя бы приближенно судить о процессах деятельного слоя океана, таких, например, как течения, синоптические вихри, распределении тонкой термохалинной структуры вод океана и так далее.

Наиболее близким к заявляемому является способ дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера с помощью сканирующего многоканального микроволнового радиометра типа SSM/1 функционирующего в настоящее время в рамках Спутниковой метеорологической программы Министерства обороны США [2]
Указанный способ также основан на измерении СВЧ-излучения системы океан-атмосфера. Измерения проводятся на следующих длинах волн: 3,2; 8,0; 13,5 и 19 мм. Угол падения луча к поверхности составляет 53,1^о.

Описанный способ решает аналогичные задачи, связанные с определением интегральной влажности атмосферы, водности облаков, температуры поверхности океана и скорости приводного ветра. Он имеет более высокое пространственное разрешение и большую полосу обзора, чем SMMR.

Данный способ планируют использовать в ближайшие два десятилетия в рамках космической программы Национального аэрокосмического агентства США (НАСА) "Системы наблюдения Земли".

Известно также устройство для реализации этого способа. Оно содержит приемную антенну, к которой подсоединены радиометры, настроенные на четыре фиксированных рабочих длины волны 3,2; 8,0; 13,5 и 19 мм, и систему регистрации.

Однако и этот способ и устройство не позволяют получать информацию о внутриокеанических процессах, в том числе тех, которые, в свою очередь, оказывают влияние на состояние атмосферы. Например, судить о пространственном распределении термических неоднородностей деятельного слоя океана, играющих важную роль при зарождении тропических циклонов и их перемещении над океаном.

Задачей изобретения является создание такого способа дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера и устройства для его осуществления, которые бы за счет увеличения количества рабочих длин волн мм-диапазона и изменения углов зондирования при измерении собственного СВЧ-излучения системы океан-атмосфера позволили бы получать достоверную информацию о процессах, происходящих в деятельном слое океана и оказывающих влияние на состояние атмосферы.

Эта задача решается тем, что в способе дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера, заключающeмся в измерении собственного СВЧ-излучения системы океан-атмосфера в мм-диапазоне длин волн, по которому определяют гидрометеорологические параметры атмосферы и поверхности океана, согласно изобретению измерения проводят одновременно в диапазоне длин волн примерно от 2,5 до 15 мм со спектральным разрешением вплоть до 0,5 мм, при настильных углах наблюдения.

Это дает возможность получить достоверную информацию о процессах деятельного слоя океана, в том числе свидетельствующих о предстоящем развитии кризисных ситуаций в атмосфере.

Целесообразно в этом диапазоне длин волн выделить высококонтрастные спектральные вариации радиояркостной температуры поверхности океана, классифицируя таким образом на его поверхности пространственные области аномальных явлений, по которым судят о физических процессах в атмосфере и глубине океана.

Это дает возможность конкретно судить о размерах и положении синоптических океанских вихрей, в том числе глубинных, определять размеры и положение фронтальных океанических зон; классифицировать аномальное состояние поверхности океана накануне зарождения тропического циклона и таким образом прогнозировать места их возникновения, диагностировать аномальное состояние поверхности океана в окрестности тайфунов и ураганов, по которому можно судить о траектории их движения.

Эта задача решается также тем, что устройство для осуществления способа дистанционной диагностики состояния системы океан атмосфера, содержащее последовательно связанные между собой приемную антенну, направленную на поверхность океана, радиометр, настроенный на рабочую длину волны и систему регистрации данных, согласно изобретению дополнительно содержит ряд радиометров мм-диапазона длин волн, количество которых определяется величиной спектрального разрешения при измерении собственного СВЧ-излучения системы океан-атмосфера.

Это дает возможность проводить изерения СВЧ-излучения системы океан-атмосфера одновременно в широком спектре длин волн мм-диапазона примерно от 2,5 до 15 мм со спектральным разрешением вплоть до 0,5 мм и позволяет обнаружить вариации радиояркостной температуры поверхности океана, которые характеризуются высокой спектральной селективностью.

На фиг.1 изображена геометрическая схема наблюдений с борта самолета при измерении СВЧ-излучения системы океан атмосфера; на фиг.2 экспериментальный результат дистанционной диагностики аномального состояния поверхности океана, известного под названием "реликтовый дождь", вариации радиояркостной температуры вызваны дождем (А) и "реликтовым дождем" (В) на длинах волн: а 6,2 мм, b 8,0 мм, с 8,6 мм, d 15 мм (вертикальная поляризация) и е 8,6 мм (горизонтальная поляризация), согласно изобретению; на фиг.3 блок-схема устройства дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера.

Заявляемый способ дистанционной диагностики состояния системы океан атмосфера заключается в следующем (фиг.1).

Измеряют собственное СВЧ-излучение системы океан-атмосфера в миллиметровом диапазоне длин волн, по которому судят о состоянии системы океан-атмосфера. СВЧ-излучение системы океан-атмосфера измеряют одновременно на длинах волн примерно от 2,5 до 15 мм со спектральным разрешением вплоть до 0,5 мм. Для каждой рабочей длины волны проводят измерения на двух ортогональных поляризациях. Измерения можно проводить с борта корабля, самолета или спутника. При этом зондирование осуществляют при настильных углах визирования, т. е. так, чтобы угол падения луча с поверхностью океана составлял примерно 70-80^о.

Предлагаемый способ дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера позволяет проводить многоспектральные измерения СВЧ-излучения системы океан-атмосфера во времени, например, с борта корабля, находящегося в дрейфе, а также получать панорамные многоспектральные изображения подстилающей поверхности путем конического сканирования с движущегося носителя самолета или спутника. В качестве примера на фиг.1 приведена схема, поясняющая геометрию панорамного наблюдения с борта самолета. Полученную таким образом информацию в виде радиояркостной температуры системы океан-атмосфера на разных длинах волн и поляризациях анализируют на предмет выделения высококонтрастных спектральных вариаций излучения поверхности океана, которые и характеризуют аномальное ее состояние.

В качестве примера на фиг.2 приведен экспериментальный результат дистанционной диагностики с помощью предлагаемого способа аномального явления на поверхности океана, вызванного кратковременным дождем. В океанографии данное явление называют "реликтовым дождем".

Известно, что осадки изменяют температуру и соленость приповерхностного слоя океана. Интересным следствием кратковременного тропического ливня является "реликтовый дождь". Это температурный или соленостный след, регистрируемый примерно через 1 ч после дождя и связанный с мелкомасштабными флюктуациями температуры и солености в приповерхностном слое толщиной 15 см. Период этих флюктуаций составляет 5-15 мин. На фиг.2 представлены синхронные прописи изменений радиотеплового излучения системы океан-атмосфера на разных длинах волн (каналы а-е) в период с 16.30 до 24.00 местного времени 17 октября 1984 года. Измерения проводились в Южно-Китайском море в географической точке с координатами 12,5^о с.ш. 113,5^о в.д. в 18-м рейсе научно-исследовательского судна "Профессор Богоров".

На фиг. 2 зафиксирован как сам процесс дождя, который имел место около 18.00, так и явление "реликтового дождя" примерно с 19,15 до 22.15.

Важно отметить, что дождь вызывает изменение радиотеплового излучения во всех каналах одновременно, в то время как явление "реликтового дождя" сопровождается вариациями излучения только в отдельных спектральных каналах.

Так, например, вариации радиояркостной температуры наблюдаются на длинах волн 6,2 и 8,6 мм (каналы а, с, е) с контрастом порядка 20-30 К и практически совсем отсутствуют на длинах волн 8,0 и 15 мм (каналы b, d). Это и есть классификационный признак, по которому судят об аномальном состоянии поверхности океана, т.е. при анализе многоспектральной информации об излучении системы океан-атмосфера в мм-диапазоне длин волн выделяют вариации радиояркостной температуры хотя бы в одном канале при отсутствии таких вариаций в соседних каналах.

Экспериментальные данные (см. фиг.2) наглядно это демонстрируют.

Предлагаемый способ дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера позволяет классифицировать аномальное состояние поверхности океана, обусловленное синоптическими океанскими вихрями, в том числе глубинными, и тем самым определять размеры и положения вихрей в океане: определять размеры и положения фронтальных океанических зон, определять аномальное состояние поверхности океана накануне зарождающего тропического циклона и таким образом прогнозировать места их возникновения; диагностировать аномальное состояние поверхности океана в окрестности тайфунов и ураганов, по которому можно судить о траектории их движения.

Устройство дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера содержит приемную антенну 1 (фиг.3), к которой подсоединены радиометры 2, настроенные на рабочие частоты мм-диапазона длин волн, примерно от 2,5 до 15 мм, на которых проводят измерения СВЧ-излучения системы океан-атмосфера со спектральным разрешением вплоть до 0,5 мм. Поскольку каждый радиометр 2 настроен на совершенно определенную частоту, то очевидно, что число радиометров соответствует удвоенному количеству рабочих длин волн, так как измерения СВЧ-излучения системы океан атмосфера проводят на двух ортогональных поляризациях.

Выход каждого радиометра 2 подключен к системе 3 регистрации данных, которая построена на базе ЭВМ и осуществляет сбор информации, ее предварительную обработку, а также запись данных на магнитный носитель с целью их последующего анализа.

Вышeописанная блок-схема работает следующим образом. СВЧ-излучение системы океан-атмосфера принимается рупорной антенной 1, являющейся многочастотным рупорным облучателем, который может служить как самостоятельной антенной, так и облучателем параболической зеркальной антенны.

Принятое СВЧ-излучение системы океан-атмосфера в широкой полосе частот разделяется антенной 1 по частотам и поляризациям и поступает на радиометрические каналы I, II, III, N. Каждый радиометр 2 измеряют интенсивность радиотеплового излучения системы океан-атмосфера на определенной частоте, которое характеризуется радиояркостной температурой. Радиометры 2 представляют собой высокочувствительные приемники рaдиотеплового излучения, которые могут быть построены по супергетеродинной схеме или схеме прямого усиления, работать в модуляционном или компенсационном режимах и обладать флюктуационной чувствительностью порядка 0,05-0,1 К при постоянной времени интегрирования выходного фильтра радиометра, равной 1 с.

Сигнал с выхода каждого радиометра 2 в виде напряжения, величина которого характеризует уровень радиояркостной температуры излучения на входе антенны 1, поступает на систему 3 регистрации. Здесь аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код и вводится в ЭВМ, где осуществляется его хранение и соответствующая обработка.

Обработка включает в себя сравнение и анализ информации по различным радиометрическим каналам. Полезной информацией в данном случае считается выделение вариаций сигнала хотя бы в одном спектральном канале при их отсутствии в соседних каналах или увеличениe величины сигнала в одном спектральном канале при одновременном уменьшении ее в любом другом канале.

Исключительно ценно, что с помощью предлагаемого способа дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера и устройства для его реализации можно проводить глобальный мониторинг внутриокеанических процессов и экологически опасных явлений в атмосфере, недоступных другими средствами. Вести раннюю диагностику мест зарождения тропических циклов за 2-3 суток до возникновения тропического возмущения, а также прогнозировать возможные аномальные траектории движения тайфунов и ураганов (примерно за 7-8 ч). Так, например, заблаговременный прогноз об аномальном характере их движения для стран Тихоокеанского региона и Карибского бассейна позволит экономить от 0,5 до 2 млрд американских долларов на один тайфун или ураган.

Предлагаемый способ дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера позволяет вести мониторинг процессов деятельного слоя океана, связанных с течениями и рингами, например судить о динамике энергоактивных зон течений Куросио и Гольфстрим, а также о системе их рингов.

Данный способ и устройство для его реализации позволяет картографировать положение океанических фронтальных зон и распределение термических неоднородностей верхнего слоя океана, имеющих важное значение для рыбопромысловых задач.

С помощью предлагаемого способа и устройства дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера можно вести диагностику такого аномального явления в океане, как Эль-Ниньо, оказывающего влияние на глобальные изменения погоды и климата на планете. Оно возникает в экваториальной зоне Тихого океана с периодичностью 2-10 лет и приводит к засухам в Австралии, Индии и Африке, наводнениям в Южной Америке, сильным штормам в Северной Америке и похолоданиям в Европейской части.

Ранняя диагностика Эль-Ниньо с помощью патентуемого способа и устройства позволит заблаговременно прогнозировать возникновение природных катастроф.

Использование: относится к метрологии, в частности к дистанционному зондированию океана и атмосферы. Способ, заключается в измерении собственного СВЧ-излучения системы океан-атмосфера одновременно в диапазоне длин волн примерно от 2,5 до 15 мм спектральным разрешением вплоть до 0,5 мм при настильных углах наблюдения примерно от 70 80% Устройство для осуществления способа дополнительно содержит ряд радиометров миллиметрового диапазона длин волн, количество которых определяется величиной спектрального разрешения при измерении собственного СВЧ-излучения системы океан-атмосфера. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ дистанционной диагностики состояния системы океан-атмосфера, заключающийся в измерении собственного СВЧ-излучения системы океан-атмосфера в миллиметровом диапазоне длин волн, по которому определяют гидрометеорологические параметры атмосферы и поверхности океана, отличающийся тем, что измерения проводят одновременно в диапазоне длин волн примерно от 2,5 до 15 мм со спектральным разрешением вплоть до 0,5 мм, при настильных углах наблюдения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе измерений собственного СВЧ-излучения дополнительно определяют пространственные области аномального состояния поверхности океана по высококонтрастным спектральным вариациям радиояркостной температуры поверхности океана. 3. Устройство для дистанционной диагностики состояния океан-атмосфера, содержащее последовательно связанные между собой приемную антенну, направленную на поверхность океана, радиометр, настроенный на рабочую длину волны, и систему регистрации данных, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит ряд радиометров миллиметрового диапазона длин волн, количество которых определяется величиной спектрального разрешения при измерении собственного СВЧ-излучения системы океан-атмосфера.