СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛНЕНИЯ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2015 года по МПК G01S15/88 

Изобретение относится к методам определения ключевых параметров волнения водной поверхности и может быть использовано в метеорологии и океанологии для мониторинга состояния приповерхностного слоя Мирового океана и внутренних водоемов.

Важность мониторинга состояния приповерхностного слоя Мирового океана обусловлена его ролью в формировании климата Земли. Мировой океан является гигантским аккумулятором тепловой энергии, а интенсивность процесса теплообмена между океаном и атмосферой определяется скоростью приповерхностного ветра и параметрами волнения водной поверхности. Для перехода к количественным оценкам процесса теплообмена необходима достоверная информация о волнении.

Ключевыми параметрами волнения водной поверхности являются высота значительного волнения $$H_S=4\sqrt{{\sigma }_h^2}$$ ( $${\sigma }_h^2$$ - дисперсия высот) и дисперсии наклонов крупномасштабного волнения $$S_{xx}^2$$ и $$S_{yy}^2$$ вдоль осей X и Y соответственно (имеется в виду волнение крупномасштабное по сравнению с длиной волны зондирующего излучения - в рамках известной двухмасштабной модели рассеивающей поверхности) или среднее значение дисперсии наклонов $$S_{накл}^2=S_{xx}^2+S_{yy}^2$$ . Используя их можно оценить высотный профиль скорости ветра над водной поверхностью. Отсутствие информации об этих параметрах приводит к значительным ошибкам в оценке интенсивности процесса теплообмена между океаном и атмосферой.

Известен способ измерения высоты значительного волнения с помощью подводной акустической системы (Strong В., B. Brumley, E. Terray, G. Stone, The performance of ADCP-derived directional wave spectra and comparison with other independent measurements // OCEANS 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition, 11-14 September 2000, Proceedings, DOI: 13.1109/OCEANS.2000.881763, pp. 1195-1203, 2000; 14. Terray E., B. Brumley, B. Strong, Measuring waves and currents with an upward-looking ADCP // Proc. Oceanology International′98, vol. 2, 261-269, 1998). В указанном способе используют для измерений антенну с симметричной узкой диаграммой направленности. Измеряют расстояние до поверхности и прописывают профиль крупномасштабного волнения или измеряют вертикальную составляющую орбитальной скорости. В результате по временной записи высоты волнения восстанавливается спектр крупномасштабного волнения.

Недостатком способа является его пространственное разрешение - авторы указывают, что измеряются волны длиннее 7 м.

Известен также способ измерения параметров волнения водной поверхности (патент РФ на изобретение №2466425, МПК⁸ G01C 13/00, дата приоритета 01.06.2011, опубл. 10.11.2012. «Способ измерения характеристик взволнованной водной поверхности». Автор Караева В.Ю.), в котором используют для измерений размещенную под водой на дне или неподвижной подводной платформе акустическую систему, состоящую из акустического излучателя и нескольких антенн, в числе которых присутствует приемно-передающая антенна с широкой (порядка 20-30 градусов) симметричной диаграммой направленности, для измерений используют две приемные антенны с ножевыми диаграммами направленности. Антенны направляют вертикально вверх, излучают акустический сигнал, принимают отраженный взволнованной водной поверхностью акустический сигнал и определяют сечение обратного рассеяния и ширину доплеровского спектра, после чего восстанавливают значения дисперсии наклонов крупномасштабного волнения, дисперсии вертикальной составляющей орбитальной скорости, коэффициентов корреляции и эффективного коэффициента отражения, а по эффективному коэффициенту отражения определяют скорость приповерхностного ветра. В частном случае реализации способа дополнительно измеряют высоту значительного волнения и вычисляют частотный спектр возвышений. В этом частном случае дополнительно используют четвертую приемо-передающую антенну с узкой симметричной диаграммой направленности антенны, чтобы добиться максимально высокого пространственного разрешения. Так как антенна имеет узкую диаграмму направленности, то это делает ее достаточно громоздкой и требует высокой точности при установке для обеспечения восстановления необходимой информации.

Несмотря на то что описанные выше аналоги близки к предлагаемому способу с точки зрения использования для измерений размещенного под водой акустического оборудования, тем не менее, в качестве ближайшего прототипа выбран способ измерения высоты значительного волнения радиоальтиметром, который основан на изменении длительности переднего фронта отраженного импульса в зависимости от высоты волнения (см., например, Satellite altimetry and Earth sciences, edited by Lee-Lueng Fu, Army Cazenave, Academic Press, 2001, 464 p.). При измерениях, выполняемых с помощью радиоальтиметра, работающего в импульсном режиме, излучают короткий импульс по направлению к водной поверхности, принимают отраженный от водной поверхности импульс, регистрируют его форму и определяют по переднему фронту отраженного импульса высоту значительного волнения. Обычный радиоальтиметр имеет узкую диаграмму направленности антенны. Поскольку в предлагаемом способе используют акустическую систему, состоящую из акустического излучателя с одной приемо-передающей антенной, которая работает в импульсном режиме, и для измерения высоты значительного волнения предлагают анализировать форму отраженного импульса так, как это делается в космических радиоальтиметрах, то акустическая система, с помощью которой проводят измерения в предлагаемом способе, фактически является аналогом радиолокационной, и поэтому такой выбор прототипа вполне обоснован.

Недостатком прототипа является то, что при обработке информации анализируется только передний фронт отраженного импульса и измеряется только высота значительного волнения. Высота орбиты не позволяет анализировать задний фронт отраженного импульса в случае радиоальтиметрических измерений со спутника.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание способа, позволяющего производить измерения высоты значительного волнения и оценивать среднюю дисперсию наклонов крупномасштабного волнения с помощью размещенной под водой простой акустической системы, требующей минимальной точности установки, на основании простого алгоритма обработки информации (анализ формы отраженного от водной поверхности импульса) с высокой точностью.

Технический результат в разработанном способе достигается за счет того, что излучают короткий импульс по направлению к водной поверхности, принимают отраженный от водной поверхности импульс, регистрируют его форму и определяют по переднему фронту отраженного импульса высоту значительного волнения водной поверхности.

Новым является то, что для измерений используют размещенную на дне или на неподвижной подводной платформе акустическую систему, включающую импульсный акустический излучатель и одну приемо-передающую антенну с симметричной широкой диаграммой направленности (порядка 30-40 градусов), импульс длительностью порядка 20-100 мкс излучают по направлению к водной поверхности вертикально вверх, форму отраженного импульса записывают с требуемым пространственным разрешением, после чего измеряют высоту значительного волнения по длительности переднего фронта отраженного импульса и оценивают среднюю дисперсию наклонов крупномасштабного волнения по длительности заднего фронта отраженного импульса.

Способ поясняется следующими чертежами.

На Фиг. 1 приведена схема измерений.

На Фиг. 2 показан вариант размещения оборудования для проведения измерений заявленным способом: а - схема антенного следа; б - схема размещения: 1 - буй, 2 - акустическая система (импульсный акустический излучатель и антенна), 3 - кабель.

На Фиг. 3 показана зависимость формы отраженного импульса от высоты значительного волнения. По горизонтальной оси отложено время задержки сигнала в секундах, по вертикальной оси - мощность сигнала в условных единицах. Высота волнения принимает следующие значения: 0,5 м, 1 м, 2 м, 3 м, 4 м, 5 м, 6 м. Глубина погружения 50 м, дисперсии наклонов вдоль осей X и Y равны 0,012 и 0,018 соответственно, ширина диаграммы направленности антенны 30°. Используется симметричная диаграмма направленности антенны, поэтому можно восстановить только среднее значение дисперсии наклонов $$S_{xx}^2+S_{yy}^2$$ .

На Фиг. 4 приведено сравнение высоты значительного волнения, измеренной по длительности переднего фронта отраженного импульса, с использованными при моделировании значениями. По горизонтальной оси отложена измеренная высота значительного волнения в метрах, по вертикальной оси - использованная при численном моделировании высота значительного волнения в метрах (истинная высота). Кружками показаны значения для уровня сигнала 5% от максимума, звездочками - 1%.

На Фиг. 5 показана зависимость формы отраженного импульса от средней дисперсии наклонов крупномасштабного волнения. По горизонтальной оси отложено время задержки сигнала в секундах, по вертикальной оси - мощность сигнала в условных единицах. Средняя дисперсия наклонов принимает следующие значения: 0,02, 0,03, 0,04 и 0,06. Глубина погружения 50 м, высота значительного волнения 1 м, ширина диаграммы направленности антенны 30°.

Обратное рассеяние акустических волн водной поверхностью при малых углах падения хорошо исследовано (см., например, Басе Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически шероховатой поверхности // М.: Наука, 424 с., 1972; Исакович М.А. Рассеяние волн от статистически шероховатой поверхности // ЖЭТФ, 23, №3 (9), с. 305-314, 1952; Кравцов Ю.А., Фукс И.М., Шмелев А.Б. Последовательное применение метода Кирхгофа к задаче о рассеянии звуковой волны на поверхности со случайными неровностями // Известия ВУЗов, сер. Радиофизика, т. 14, с. 854, 1971). Для сохранения единства обозначений в радиолокационной и акустической задачах воспользуемся обозначениями, которые использовались в следующих работах: В.Ю. Караев, М.Б. Каневский, Г.Н. Баландина, Е.М. Мешков, П. Челленор, М. Срокосз, К. Гомменджинджер. Методы измерения наклонов водной поверхности радиолокатором с ножевой диаграммой направленности антенны // Исследование Земли из Космоса, №5, с. 51-63, 2003; В. Караев, М. Каневский, Г. Баландина, Е. Мешков, П. Челленор, М. Срокосз, К. Гомменджинджер. Новые средства дистанционной диагностики океана: радиолокатор СВЧ-диапазона с ножевой диаграммой направленности антенны // Исследование Земли и Космоса, № 2, с. 41-52, 2004.

Принцип измерения высоты значительного волнения радиоальтиметром основан на изменении длительности переднего фронта отраженного импульса в зависимости от его высоты. Обычный радиоальтиметр имеет узкую диаграмму направленности антенны, и внутри диаграммы направленности антенны не происходит изменения угла падения. При использовании широкой диаграммы направленности антенны в акустической системе задний фронт отраженного импульса зависит от средней дисперсии наклонов крупномасштабного волнения и, следовательно, может быть измерен. Это связано с тем, что внутри диаграммы направленности происходит заметное изменение угла падения. При увеличении угла падения происходит уменьшение мощности отраженного сигнала. Мощность отраженного сигнала зависит от дисперсии наклонов, и чем больше дисперсия наклонов, тем медленнее она уменьшается. Вследствие этого меняется длительность заднего фронта отраженного импульса, и дисперсия наклонов может быть измерена.

На Фиг. 1 приведена схема измерений. Акустическую систему располагают под водой на глубине H₀ и ориентируют диаграмму направленности антенны вертикально вверх. Для выполнения измерений предлагается применить приемо-передающую антенну с широкой симметричной диаграммой направленности. Направление распространения волнения ψ₀ отсчитывается от оси X.

На Фиг. 2 показан вариант размещения оборудования для проведения измерений заявленным способом. На Фиг. 2,а показана отражающая площадка в плоскости ΧΥ.

Акустическую систему 2 располагают под водой (на дне или на подводной платформе) и направляют излучение вертикально вверх (см. Фиг. 2,б). На поверхности располагают буй 1, который закреплен на дне и соединен кабелем 3 с акустической системой 2. Буй 1 служит источником питания для акустической системы 2, накопителем информации и передатчиком информации.

Для такой схемы измерения разработан алгоритм обработки, позволяющий восстанавливать высоту значительного волнения и среднюю дисперсию наклонов.

Диаграмма направленности антенны $$G\left(\overrightarrow{r}\right)$$ предполагается гауссовой и имеет ширину δ по уровню половинной мощности. Текущая точка на рассеивающей площадке имеет координаты (x₁, y₁, ζ₁), где $${\varsigma }_1\left(\overrightarrow{r},t\right)$$ - случайная функция, описывающая крупномасштабное волнение, R₁ - соответствующая наклонная дальность до точки отражения.

В приближении метода Кирхгофа комплексная амплитуда рассеянного поля квазизеркальной компоненты имеет следующий вид (Басе Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически шероховатой поверхности // М.: Наука, 424 с., 1972):

где U₀ - амплитуда падающего поля вблизи рассеивающей поверхности, V_эфф - эффективный коэффициент отражения, k=2π/λ - волновое число падающего излучения.

Функция $$G\left(\overrightarrow{r}\right)$$ задает распределение амплитуды падающего поля на рассеивающей площадке S и при y₀=0 имеет следующий вид (Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности // М.: Советское радио, 224 с., 1968):

Корреляционная функция отраженного акустического сигнала находится по формуле K(τ)=〈U(t+τ)U^*(t)〉, где индекс «*» означает комплексно-сопряженную величину, угловые скобки - статистическое усреднение по рассеивающей поверхности.

В соответствии с двухмасштабной моделью поверхности вводится граничное волновое число κ_гр, которое делит спектр волнения на крупномасштабную и мелкомасштабную составляющие (см., например, Басе Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически шероховатой поверхности // М.: Наука, 424 с., 1972; Исакович М.А. Рассеяние волн от статистически шероховатой поверхности // ЖЭТФ, 23, №3 (9), с. 305-314, 1952; Кравцов Ю.А., Фукс И.М., Шмелев А.Б. Последовательное применение метода Кирхгофа к задаче о рассеянии звуковой волны на поверхности со случайными неровностями // Известия ВУЗов, сер. Радиофизика, т. 14, с. 854, 1971). В приближении Кирхгофа спектральные характеристики отраженного сигнала зависят только от параметров волнения крупномасштабного по сравнению с длиной волны излучения. Дисперсия высот и средняя дисперсия наклонов вычисляются следующим образом:

где S(κ,φ) - спектр волнения, φ - азимутальный угол.

Последующие преобразования аналогичны тем, которые использовались, например, в следующих работах: Е. Мешков, В.Ю. Караев. Определение параметров морского волнения по доплеровскому спектру радиолокационного СВЧ сигнала, отраженного водной поверхностью // Известия ВУЗов, сер. Радиофизика, т. 47, № 3, с. 231-244, 2004, В.Ю. Караев, Е.М. Мешков. Оценка влияния сферичности Земли на форму отраженного радиолокационного импульса для ножевой диаграммы направленности антенны при надирном зондировании морской поверхности // Сборник научных статей "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", 2012, т. 9, № 1, стр. 240-246.

Окончательная формула для формы отраженного импульса имеет следующий вид:

где функции F₁(τ), F₂(τ), F₃(τ) представляют из себя сумму x- и y-составляющих, например, F₁(τ)=F_1x(τ)+F_1y(τ) и

где c - скорость звука, τ_и - длительность импульса, σ_0x - сечение обратного рассеяния, Φ(x) - интеграл вероятности и

где S_xx - дисперсия наклонов вдоль оси X.

Формулы для x- и y-составляющих структурно выглядят похоже и переходят друг в друга заменой индекса «x» на «y», поэтому выше они приведены только для F_x.

На Фиг. 3 показана зависимость формы отраженного импульса от высоты значительного волнения. Из чертежа видно, что с увеличением высоты значительного волнения происходит уменьшение амплитуды и увеличение длительности отраженного импульса. Это связано с тем, что сечение обратного рассеяния не меняется.

Для измерения длительности переднего фронта отраженного импульса необходимо определить начало и конец переднего фронта отраженного импульса. Начало импульса определим как момент превышения мощностью отраженного сигнала уровня шумов или заданного уровня.

Передний фронт отраженного импульса заканчивается при условии достижения максимума и это легко определяется по форме отраженного импульса. Для вычисления длительности переднего фронта отраженного импульса необходимо задать начальный уровень сигнала, начиная с которого будем регистрировать приходящий сигнал.

Как показал анализ, в явном виде выразить высоту значительного волнения и дисперсию наклонов из формулы (4) нельзя без существенного упрощения выражения. Поэтому был выбран вариант решения трансцендентного уравнения, что и было сделано численно. Полученные зависимости для высоты волнения и средней дисперсии наклонов были аппроксимированы, и полученные зависимости использовались при разработке алгоритмов восстановления. Исходная формула (4) использовалась при численном моделировании формы отраженного импульса.

Для оценки высоты значительного волнения по длительности переднего фронта отраженного импульса τ можно использовать следующее выражение:

Сравнение измеренной по длительности переднего фронта отраженного импульса высоты значительного волнения H_в с использованными при численном моделировании значениями H_S приведено на Фиг. 4. В модельных расчетах использовалась антенна с широкой диаграммой направленности, равной 30°, дисперсии наклонов 0,012 и 0,018 вдоль осей X и Y соответственно, высота значительного волнения 1 м, длительность зондирующего импульса 50 мкс, глубина погружения 50 м.

При вычислении длительности переднего фронта отраженного импульса были заданы два уровня отсечки: 5% и 1% от величины максимума. Из чертежа видно, что связь между измеренной по длительности переднего фронта отраженного импульса высотой значительного волнения H_в и использованными при численном моделировании значениями H_S близка к линейной и может быть описана следующими уравнениями:

Таким образом, предлагаемым способом с помощью описанной акустической системы можно с высокой точностью (порядка нескольких сантиметров) измерять высоту значительного волнения. Высокая точность обусловлена коротким импульсом и невысокой скоростью акустических волн в воде. В электромагнитном диапазоне точность существенно хуже.

Данные формулы не являются универсальными и коэффициенты зависят от многих факторов, среди которых основными являются ширина диаграммы направленности антенны, длительность импульса, глубина погружения акустического оборудования. Для восстановления высоты волнения необходима их корректировка для конкретных условий измерений и параметров акустической системы.

Длительность заднего фронта отраженного импульса зависит от средней дисперсии наклонов крупномасштабного волнения, что хорошо видно из Фиг. 5.

Для глубины погружения 50 м, длительности импульса 50 мкс и ширины диаграммы направленности антенны среднее значение дисперсии наклонов крупномасштабного волнения можно оценить по следующей формуле:

где T_s - длительность заднего фронта отраженного импульса на уровне 10% от максимума.

Коэффициенты формулы также нуждаются в уточнении для конкретной схемы измерения.

Таким образом, используя для измерений предлагаемую акустическую систему и анализируя форму отраженного импульса, можно восстановить всю необходимую информацию.

Способ осуществляется следующим образом.

Импульсный акустический излучатель размещают под водой на дне или на подводной неподвижной плавучей платформе, с помощью одной приемо-передающей антенны с широкой симметричной диаграммой направленности, которая направлена вертикально вверх к взволнованной водной поверхности, производят излучение акустического сигнала и прием отраженного взволнованной водной поверхностью акустического сигнала. Оцифровку отраженного импульса осуществляют с высоким разрешением по времени (при измерениях с помощью радиоальтиметра разрешение хуже, т.к. скорость электромагнитных волн выше) и, таким образом, формируют форму отраженного импульса.

Наличие на водной поверхности волн приводит к расширению переднего фронта отраженного импульса, и этот эффект позволяет измерить высоту значительного волнения. По заднему фронту отраженного импульса можно оценить среднюю дисперсию наклонов поверхностного волнения.

Так как для измерений используют приемо-передающую антенну с широкой диаграммой направленности, то не требуется высокой точности при установке.

С помощью предлагаемого способа возможно измерять параметры волнения длиннее 4-10 длин волн излучения, т.е., например, 8-миллиметровая акустическая система измеряет волнение длиннее 8 см.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет измерить высоту значительного волнения и определить среднюю дисперсию наклонов водной поверхности с помощью простой акустической системы по простому алгоритму с высокой точностью.

Предлагается способ определения высоты значительного волнения и оценки средней дисперсии наклонов крупномасштабного, по сравнению с длиной волны акустического излучения, волнения с помощью акустической системы, включающей импульсный акустический излучатель с одной приемо-передающей антенной с симметричной широкой диаграммой направленности. Акустическую систему размещают на дне или на неподвижной подводной платформе и излучают вертикально вверх. Для такой конфигурации измерительной системы разработан способ восстановления значений высоты значительного волнения и средней дисперсии наклонов крупномасштабного волнения по форме отраженного импульса. 5 ил.

Способ измерения характеристик волнения водной поверхности, в котором излучают короткий импульс по направлению к водной поверхности, принимают отраженный от водной поверхности импульс, регистрируют его форму и определяют по переднему фронту отраженного импульса высоту значительного волнения водной поверхности, отличающийся тем, что для измерений используют размещенную на дне или на неподвижной подводной платформе акустическую систему, включающую импульсный акустический излучатель и одну приемо-передающую антенну с симметричной широкой диаграммой направленности (порядка 30-40 градусов), импульс длительностью порядка 20-100 мкс излучают по направлению к водной поверхности вертикально вверх, форму отраженного импульса записывают с требуемым пространственным разрешением, после чего измеряют высоту значительного волнения по длительности переднего фронта отраженного импульса и оценивают среднюю дисперсию наклонов крупномасштабного волнения по длительности заднего фронта отраженного импульса.