СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ СРЕДЫ ПОД ГРАНИЦЕЙ АТМОСФЕРА-ОКЕАН Российский патент 2017 года по МПК G01N27/06 G01R27/26 

Изобретение относится к области океанологических измерений и преимущественно может быть использовано для дистанционного контроля относительной диэлектрической проницаемости среды под границей атмосфера-океан на разных акваториях Мирового океана.

Физической основой предложенного способа дистанционного определения относительной диэлектрической проницаемости среды под границей вода-воздух является следующее. В случае зондирования морской поверхности при углах падения θ от 25 до 75° рассеянный назад сигнал определяет резонансный (брегговский) механизм рассеяния. Если резонансные составляющие поля поверхностных волн распространяются по плоской поверхности, нормированное сечение обратного рассеяния можно представить в формуле

где p - вид поляризации, первый индекс соответствует поляризации излучаемого сигнала, второй - принимаемого;

k - волновое число радиоволны;

- геометрический коэффициент, зависящий от вида поляризации излучаемого и принимаемого радиолокационного сигнала и от электрофизических (диэлектрическая проницаемость) параметров морской воды, первый индекс соответствует поляризации падающей радиоволны, второй - отраженной;

- спектр морской поверхности, соответствующий волновому вектору резонансной компоненты.

Из выражения (1) следует, что уровень резонансно рассеянного сигнала является функцией геометрического коэффициента . Геометрический коэффициент зависит от угла падения радиоволн на морскую поверхность, вида поляризации и относительной диэлектрической проницаемости воды. Для вертикальной (ν) и горизонтальной (h) поляризации функция G_pp(θ) соответственно имеет вид [Valenzuela G. Theories for the interaction of electromagnetic and ocean waves. – A. Review // Boundary Layer Meteorology. 1978. Vol. 13, №1-4. P. 61-85]:

где ε_r - комплексная относительная диэлектрическая проницаемость среды под границей атмосфера-океан.

В выражение (1) входит спектр морской поверхности , на который влияет большое число физических факторов, среди которых основным является изменчивость поля скорости ветра. Вследствие этого спектр подвержен сильной изменчивости [Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е. О предельной точности скаттерометрического определения со спутника скорости ветра над океаном // Исследование Земли из космоса. 1987. №2. С. 57-65]. В результате при прямом определении величины ε_r на основе дистанционных измерений возникает ошибка. Для исключения влияния изменчивости спектра на определяемую величину ε_r в работе [Заявка №2015142497 на выдачу патента Российской Федерации на изобретение «Способ дистанционного определения солености морской воды», авторы Запевалов А.С. и Пустовойтенко В.В., дата поступления заявки в ФИПС 06.10.2015, входящий №065683] было предложено использовать отношение (поляризационное отношение) R сигналов, измеренных на вертикальной и горизонтальной поляризациях, соответственно:

Поскольку на обеих поляризациях сигнал пропорционален уровню шероховатости, который в данном случае характеризуется спектром , поляризационное отношение определяется тремя параметрами: ε_r, θ и длиной (частотой) зондирующих радиоволн. Поскольку при радиозондировании морской поверхности угол падения и длина зондирующей волны являются известными параметрами, зная поляризационное отношение, можно рассчитать величину ε_r.

Известен способ дистанционного определения солености морской воды, основанный на определении относительной диэлектрической проницаемости среды под границей атмосфера-океан [Терехин Ю.В., Пустовойтенко В.В. Влияние температуры и солености морской воды на характеристики радиолокационного сигнала СВЧ-диапазона // Исследование Земли из Космоса. 1986. №2. С. 16-20]. Такие признаки аналога, как зондирование морской поверхности в СВЧ-диапазоне, регистрация сигнала, рассеянного в обратном направлении, являются сходными с существенными признаками заявленного технического решения. Недостатком аналога является низкая точность определения относительной диэлектрической проницаемости воды, поскольку удельная эффективная площадь рассеяния зависит не только от относительной диэлектрической проницаемости воды, но и от шероховатости морской поверхности. Изменения шероховатости морской поверхности приводят к значительно большим изменениям параметра , чем изменения относительной диэлектрической проницаемости воды, наблюдаемые в Мировом океане.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является способ, в котором на основе радиозондирования морской поверхности по поляризационному отношению вычисляется относительная диэлектрическая проницаемость ε_r, и по ней рассчитывается соленость [Заявка №2015142497 на выдачу патента Российской Федерации на изобретение «Способ дистанционного определения солености морской воды», авторы Запевалов А.С. и Пустовойтенко В.В., дата поступления заявки в ФИПС 06.10.2015, входящий №065683].

Такие признаки прототипа, как зондирование заданного участка морской поверхности в СВЧ-диапазоне, регистрация на вертикальной и горизонтальной поляризациях сигналов, рассеянных в обратном направлении, расчет отношения сигналов, регистрируемых на разных поляризациях, и определение по этому поляризационному отношению относительной диэлектрической проницаемости среды под границей атмосфера-океан, являются сходными с существенными признаками заявленного технического решения.

Недостатком прототипа является то, что измерения на разных поляризациях осуществляются последовательно во времени. Следствием расхождений во времени сеансов измерений является то, что подверженный сильной пространственно-временной изменчивости спектр различается для разных сеансов [Христофоров Г.Н., Запевалов А.С, Бабий М.В. Измерения параметров шероховатости морской поверхности при переходе от штиля к ветровому волнению // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 1992. Т. 28, №4. С. 424-431]. Кроме того, при измерении с движущихся носителей последовательно полученные величины соответствуют разным участкам морской поверхности.

В основу изобретения поставлена задача создания способа дистанционного определения относительной диэлектрической проницаемости среды под границей атмосфера-океан, в котором за счет того, что величины удельной эффективной площади рассеяния на разных поляризациях определяются одновременно, достигается технический результат - повышение точности измерений.

Поставленная задача решается тем, что в способе дистанционного определения относительной диэлектрической проницаемости среды под границей атмосфера-океан, который характеризуется вышеуказанными общими с прототипом признаками, новым является то, что морскую поверхность зондируют радиоволнами, которые имеют две составляющие с ортогональной поляризацией (горизонтальную и вертикальную), т.е. зондирование осуществляется на наклонной поляризации, а прием осуществляется на горизонтальной и на вертикальной поляризациях одновременно.

Способ осуществляют следующим образом.

Контролируемый участок морской поверхности облучают СВЧ-адиоволнами, на наклонной поляризации. Регистрируют рассеянный назад сигнал одновременно на вертикальной и горизонтальной поляризациях. Затем вычисляют поляризационное отношение, по которому, согласно выражениям (2)-(4), рассчитывают относительную диэлектрическую проницаемость среды под границей атмосфера-океан.

Использование: для дистанционного контроля относительной диэлектрической проницаемости среды под границей атмосфера-океан на разных акваториях Мирового океана. Сущность изобретения заключается в том, что контролируемый участок морской поверхности облучают СВЧ-радиоволнами на наклонной поляризации, регистрируют рассеянный назад сигнал одновременно на вертикальной и горизонтальной поляризациях, затем вычисляют поляризационное отношение, по которому рассчитывают относительную диэлектрическую проницаемость среды под границей атмосфера-океан. Технический результат - повышение точности измерений за счет того, что величины удельной эффективной площади рассеяния на разных поляризациях определяются одновременно.

Способ дистанционного определения относительной диэлектрической проницаемости среды под границей атмосфера-океан, заключающийся в том, что заданный участок морской поверхности облучают радиоволнами СВЧ-диапазона, принимают рассеянный назад сигнал на вертикальной и на горизонтальной поляризациях, вычисляют поляризационное отношение и по нему определяют относительную диэлектрическую проницаемость, отличающийся тем, что этот участок морской поверхности облучают радиоволнами СВЧ-диапазона на наклонной поляризации и рассеянный назад сигнал принимают одновременно на вертикальной и горизонтальной поляризациях.