СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНОМАЛИЙ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2013 года по МПК G01S13/88 

Изобретение относится к области радиоизмерений с использованием дифракционной оптики и может найти применение при контроле загрязнения водной среды поверхностно-активными веществами с помощью радиолокационных средств, а также при моделировании гидродинамических процессов, влияющих на структуру поверхностного волнения.

Известен способ обнаружения аномалий морской поверхности, возникающих в результате загрязнения водной среды поверхностно-активными веществами в виде нефти и продуктов ее переработки, путем ее зондирования лазерным излучением и последующей обработкой отраженных оптических сигналов с целью выделения их наибольших значений [1].

К недостаткам данного способа можно отнести относительно небольшую дальность обнаружения аномалий из-за существенной зависимости распространения лазерного излучения от гидрометеорологических условий.

Также известен способ изучения морских поверхностей с помощью радиолокационной съемки с разной поляризацией и получением соответствующих фотоизображений, по которым судят о наличии аномалий, обусловленных особенностями рельефа дна, загрязнениями поверхностно-активными веществами или другими факторами [2].

Однако такой способ требует наличия качественной и количественной моделей для дешифровки получаемых изображений на основе эталонной базы данных, которая является далеко неполной, в силу чего достоверность определения аномалий относительно мала, а оценка параметров поверхностного волнения может происходить только на качественном уровне.

Известен способ обнаружения загрязнения водной среды поверхностно-активными веществами, под действием которых происходит изменение структуры поверхностного волнения и возникновение аномалий, что приводит к изменению характеристик отраженных морем радиосигналов [3].

Этот способ принимаем за прототип.

Недостатком данного способа является относительно невысокая достоверность обнаружения аномалий и связанных с ними загрязнений водной среды поверхностно-активными веществами, так как в процессе облучения морской поверхности используется электромагнитное излучение только одного частотного диапазона и без учета статистической связи между зондирующими и отраженными радиосигналами, а также отсутствие возможности оценки параметров поверхностного волнения.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности определения аномалий морской поверхности и возможность оценки параметров поверхностного волнения с помощью радиолокационных средств.

Технический результат достигается тем, перед определением аномалий измеряют нормированные значения корреляционной функции зондирующих и отраженных радиосигналов одновременно в миллиметровом и сантиметровом радиолокационных диапазонах длин волн, затем определяют соответствующие величины их произведения, после чего проводят процедуру сравнения полученных величин произведения в каждом обзоре пространства и по их наименьшим значениям находят координаты аномалий, при этом морскую поверхность облучают одновременно в миллиметровом и сантиметровом радиолокационных диапазонах, а для обеспечения синхронности и синфазности облучения соответствующие антенные устройства располагают на одной платформе таким образом, чтобы обеспечивалось взаимное перекрытие их диаграмм направленности в процессе сканирования пространства.

Для оценки параметров поверхностного волнения дополнительно измеряют отношение нормированных значений корреляционной функции в каждом из указанных диапазонов при отсутствии аномалий и при их наличии, после чего сравнивают полученные отношения и по наибольшим значениям определяют диапазон длин волн поверхностного волнения.

Новизна изобретения выявлена из сравнения с прототипом и заключается в следующем:

- во-первых, используют статистическую связь между зондирующими радиоимпульсами и отраженными сигналами, повышающую достоверность определения аномалий морской поверхности в условиях помех;

- во-вторых, для зондирования морской поверхности применяют радиоимпульсы миллиметрового и сантиметрового диапазонов, что дает возможность не только обнаруживать аномалии, но и оценивать параметры поверхностного волнения;

- в-третьих, в условиях синхронной и синфазной работы антенных устройств и одновременного облучения морской поверхности в указанных диапазонах реализована двухканальная совместная обработка информации с применением дифракционной оптики, что повышает достоверность определения аномалий и точность оценки параметров поверхностного волнения.

Предлагаемый способ определения аномалий морской поверхности основан на эффекте формирования отраженных от морской поверхности радиосигналов, структура поверхностного волнения которой изменяется под действием поверхностно-активных веществ, приводного ветра, а также движущихся малоразмерных подводных объектов. При этом в случае выполнения условия пространственного резонанса, радиосигналы в обратном направлении формируются за счет рассеяния на составляющих поверхностного волнения, протяженность которых соизмерима с длиной волны облучающего поля, а интенсивность обратного рассеяния пропорциональна квадрату высоты резонансной составляющей поверхностной волны. Одновременное использование зондирующих импульсов миллиметрового и сантиметрового радиолокационных диапазонов дает возможность не только повысить достоверность определения аномалий, но и оценить параметры поверхностного волнения на основе того факта, что условия пространственного резонанса в процессе облучения морской поверхности могут выполняться только в одном из диапазонов, когда отношение нормированных значений корреляционной функции зондирующих и отраженных радиосигналов будет иметь большую величину по сравнению с другим диапазоном, где эти условия не выполняются.

Для оценки параметров поверхностного волнения дополнительно измеряют отношение нормированных значений корреляционной функции в каждом из указанных диапазонов при отсутствии аномалий и при их наличии, после чего сравнивают полученные отношения и по наибольшим значениям определяют диапазон длин волн поверхностного волнения. При этом однозначность определения обусловливается тем, что условия пространственного резонанса в процессе облучения морской поверхности могут выполняться только в одном из диапазонов, когда отношение нормированных значений корреляционной функции зондирующих и отраженных радиосигналов будет иметь большую величину по сравнению с другим диапазоном, где эти условия не выполняются.

Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, представленного на фигуре 1.

В процессе работы морскую поверхность М одновременно облучают радиоимпульсами миллиметрового и сантиметрового диапазонов длин волн определенной длительности и периодом следования с помощью соответствующих приемо-передающих устройств, состоящих из антенн А1, А2, коммутаторов 7, 8, передатчиков 2, 3, импульсных модуляторов 1, 4, приемников 6, 9, устройств задержки 5, 10. Затем отраженные и зондирующие радиоимпульсы подают соответственно на акустооптические 14, 23 и амплитудные 12, 21 модуляторы лазерного излучения акустооптических корреляторов, куда дополнительно входят лазер 11, коллиматоры 13, 22, первые фурье-преобразующие объективы 15, 24, пространственные фильтры 16, 25, вторые фурье-преобразующие объективы 17, 26, фотоприемные устройства 18, 27. Затем обработанные сигналы преобразуют в цифровую форму в аналого-цифровых преобразователях 19, 28 и через согласующие устройства 20, 29 подают в ЭВМ 30 с целью накопления, выборки, вычисления нормированных значений корреляционной функции зондирующих и отраженных радиосигналов в указанных диапазонах, определения произведения соответствующих величин полученных нормированных значений, проведения процедуры сравнения этих произведений и выделения наименьших значений, по которым находят координаты аномалий, а также определения отношения нормированных значений корреляционной функции в каждом из диапазонов при отсутствии аномалий и при их наличии, их соответствующего сравнения и выделения наибольших значений, по которым оценивают диапазон длин волн поверхностного волнения, удовлетворяющий условиям пространственного резонанса.

Для обеспечения синхронности и синфазности действия радиоимпульсов, облучающих морскую поверхность в различных диапазонах длин волн, применяют синхронизирующее устройство С, а соответствующие антенны располагают на единой платформе таким образом, чтобы их диаграммы направленности взаимно перекрывались в процессе сканирования пространства.

В процессе облучения морской поверхности отраженные радиосигналы подают на электрические входы акустооптических модуляторов 14, 23, работающих в режиме дифракции Брэгга, где они обрабатываются совместно со световыми сигналами, поступающими на их оптические входы. Интенсивность этих световых сигналов модулируют по амплитуде в амплитудных модуляторах 12, 21 соответствующими зондирующими радиоимпульсами таким образом, что на выходе получают временные сигналы с постоянным средним уровнем, на которые накладываются отраженные радиосигналы в виде временной функции. Далее, полученные сигналы коллимируют в коллиматорах 13, 22 и после прохождения через акустооптические модуляторы 14, 23 получают произведение изменяющихся во времени освещенностей пучков на локальные составляющие отраженных радиосигналов. Фурье-объективы 15, 24 и 17, 26, а также пространственно-частотные фильтры 16, 25 формируют в первом порядке дифракции изображение акустического поля в плоскости многоэлементных фотоприемных устройств 18, 27, в качестве которых используют матрицу фотоприборов с зарядовой связью.

Выходные сигналы каждого элемента фотоприемных устройств интегрируют во времени в течение длительности зондирующих радиоимпульсов, величина которых соответствует световой энергии распределенных зарядов, пропорциональной значению корреляционной функции отраженных и зондирующих радиосигналов, то есть

где W_ΔТ - величина световой энергии, соответствующая выходным сигналам;

U_1i(t) - значения зондирующих сигналов;

- значения отраженных сигналов;

V_ЗB - скорость распространения акустического поля в звукопроводе акусто-оптических модуляторов;

T - временная апертура акусто-оптических модуляторов;

- значения корреляционной функции входных сигналов;

ΔT - время интегрирования сигналов фотоприемных устройств.

Получаемые выходные сигналы, соответствующие накопленному зарядовому рельефу, преобразуют из аналоговой формы в цифровую с помощью аналого-цифровых преобразователей 19, 28, и через согласующие устройства подают в электронно-вычислительную машину 30, где производят процедуру последовательного считывания с запоминанием накопленного рельефа. Затем нормируют полученные таким образом значения корреляционной функции зондирующих и отраженных сигналов в каждом диапазоне длин волн, вычисляют их соответствующие произведения в каждом обзоре пространства, после чего проводят процедуру нахождения наименьших значений найденных произведений и по ним определяют координаты аномалий морской поверхности. После этого вычисляют отношение нормированных значений корреляционной функции в каждом из диапазонов при отсутствии аномалий и при их наличии, соответственно их сравнивают и выделяют наибольшие значения, по которым оценивают диапазон длин волн поверхностного волнения, удовлетворяющий условиям пространственного резонанса, при этом алгоритм определения нормированных значений корреляционной функции составляют на основе следующей формулы:

где R_{1i, 2i} - значение корреляционной функции входных сигналов U_1i(t),

D_1iD_2i - дисперсия входных сигналов U_1i(t), соответственно.

Алгоритм определения произведения соответствующих нормированных значений корреляционной функции d_{1i, 2i} и нахождения наименьших значений составляют на основе формулы:

где - нормированные значения корреляционной функции зондирующих и отраженных сигналов соответственно в миллиметровом и сантиметровом радиолокационных диапазонах в каждом обзоре пространства.

Алгоритм вычисления отношения нормированных значений корреляционной функции в миллиметровом диапазоне при отсутствии аномалий и при их наличии составляют на основе формулы

где - нормированные значения корреляционной функции в миллиметровом диапазоне соответственно при отсутствии аномалий и при их наличии.

Алгоритм вычисления отношения нормированных значений корреляционной функции в сантиметровом диапазоне при отсутствии аномалий и при их наличии составляют на основе формулы

где - нормированные значения корреляционной функции в сантиметровом диапазоне соответственно при отсутствии аномалий и при их наличии.

Алгоритм сравнения соответствующих величин отношения нормированных значений корреляционной функции в миллиметровом и сантиметровом радиолокационных диапазонах при отсутствии аномалий и при их наличии составляется на основе следующих решающих правил:

a) если

то выполняется условия пространственного резонанса для длин волн поверхностного волнения миллиметрового диапазона,

b) если

выполняются условия пространственного резонанса для длин волн поверхностного волнения сантиметрового диапазона.

Благодаря изложенному способу определения аномалий морской поверхности эффективность их обнаружения повысилась в среднем на 20% и зависит от радиолокационной видимости в миллиметровом и сантиметровом диапазонах длин волн, а также от параметров морского волнения. Кроме того, стала возможной оценка параметров поверхностного волнения.

В заявляемом изобретении повышение эффективности обнаружения аномалий морской поверхности и оценка параметров поверхностного волнения достигаются всей совокупностью признаков заявленного изобретения, включающей в себя совместное применение миллиметрового и сантиметрового радиолокационных диапазонов для одновременного облучения морской поверхности электромагнитными волнами в условиях синхронной и синфазной работы соответствующих антенных устройств, а также использование статистической связи между зондирующими радиоимпульсами и отраженными от морской поверхности радиосигналами, и совместная обработка информации в разных частотных диапазонах с применением дифракционной оптики.

Данное техническое решение опробовано в лабораторных условиях ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г.Кузнецова» и может быть рекомендовано в прикладных областях, занимающихся мониторингом морской среды с помощью радиолокационных средств, а также при моделировании процессов, влияющих на структуру поверхностного волнения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Василевский А.М., Кропоткин М.А., Тихонов В.В. Оптическая электроника. - Л.: Энергоатомиздат, 1990, с.68-70.

2. Старостин В.А. Радиолокационная съемка с разной поляризацией радиоволн. Межвузовский сборник - Дистанционные исследования окружающей среды радиофизическими методами. - Л.: 1983, с.10-13.

3. Ушаков И.Е., Шишкин И.Ф. Радиолокационное зондирование морской поверхности. - М.: РИЦ «Татьянин день», 1997, с.132.

Изобретение относится к области радиоизмерений с использованием дифракционной оптики и может найти применение при контроле загрязнений водной среды поверхностно-активными веществами с помощью радиолокационных средств, а также при моделировании гидродинамических процессов, влияющих на структуру поверхностного волнения. Достигаемый технический результат изобретения - повышение достоверности определения аномалий морской поверхности и возможность оценки параметров поверхностного волнения с помощью радиолокационных средств. Указанный результат достигается тем, что перед определением аномалий измеряют нормированные значения корреляционной функции зондирующих и отраженных от морской поверхности радиосигналов одновременно в миллиметровом и сантиметровом радиолокационных диапазонах длин волн, затем определяют соответствующие величины их произведения, после чего проводят процедуру сравнения полученных величин произведения в каждом обзоре пространства и по их наименьшим значениям находят координаты аномалий, при этом морскую поверхность облучают одновременно в миллиметровом и сантиметровом радиолокационных диапазонах, а для обеспечения синхронности и синфазности облучения соответствующие антенные устройства располагают на одной платформе таким образом, чтобы обеспечивалось взаимное перекрытие их диаграмм направленности в процессе сканирования пространства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения аномалий морской поверхности, включающий оптимальную преддетекторную обработку принятых радиолокационных сигналов, отличающийся тем, что перед определением измеряют нормированные значения корреляционной функции зондирующих и отраженных сигналов одновременно в миллиметровом и сантиметровом радиолокационных диапазонах длин волн, затем определяют соответствующие величины их произведения, после чего проводят процедуру сравнения полученных величин произведения в каждом обзоре пространства и по их наименьшим значениям находят координаты аномалий, при этом морскую поверхность облучают одновременно в миллиметровом и сантиметровом радиолокационных диапазонах, а для обеспечения синхронности и синфазности облучения соответствующие антенные устройства располагают на одной платформе таким образом, чтобы обеспечивалось взаимное перекрытие их диаграмм направленности в процессе сканирования пространства.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения параметров поверхностного волнения измеряют отношение нормированных значений корреляционной функции в каждом из указанных радиолокационных диапазонов при отсутствии аномалий и при их наличии, после чего сравнивают полученные отношения и по наибольшим значениям определяют диапазон длин волн поверхностного волнения.