СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОЛЕНОСТИ МОРСКОЙ ВОДЫ Российский патент 2017 года по МПК G01S13/00 G01S13/95 

Изобретение относится к области океанологических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля солености на разных акваториях Мирового океана.

Физической основой заявленного способа дистанционного определения солености морской поверхности является следующее.

В случае зондирования морской поверхности при углах падения θ от 25° до 75° рассеянный назад сигнал определяет резонансный (брегговский) механизм рассеяния [Калмыков А.И., Курекин А.С, Лемента Ю.А., Пустовойтенко В.В. Некоторые особенности обратного рассеяния радиоволн СВЧ диапазона поверхностью моря при малых углах скольжения // Препринт ИРЭ АН УССР. - 1974. - № 40]. Рассеяние радиоволн назад создают поверхностные волны, бегущие вдоль направления зондирования в прямом или обратном направлении, у которых волновое число K_B связано с волновым числом радиоволн k соотношением K_B=2ksinθ.

В нулевом приближении, когда резонансные (брегговские) составляющие поля поверхностных волн распространяются по плоской поверхности, сечение обратного рассеяния можно представить в форме

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

- геометрический коэффициент, зависящий от вида поляризации излучаемого и принимаемого радиолокационного сигнала и от электрофизических (диэлектрическая проницаемость) параметров морской воды;

- спектр морской поверхности, соответствующий волновому вектору брегговской компоненты.

Для вертикальной (v) 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.

Прямое определение величины ε_r на основе измерений величины приводит к значительным ошибкам, поскольку этот параметр зависит от уровня шероховатости морской поверхности, на величину которого влияет большое число разных по своей физической природе механизмов. В заявленном способе, чтобы исключить влияние этих механизмов, предлагается использовать поляризационное отношение

Поскольку на обеих поляризациях сигнал пропорционален уровню шероховатости, который в данном случае характеризуется спектром , поляризационное отношение определяется двумя параметрами: ε_r и θ.

Зависимость относительной диэлектрической проницаемости морской воды от ее температуры и солености рассматривалась в работе [Рабинович Ю.И., Мелентьев В.В. Влияние температуры и солености на излучение гладкой водной поверхности в сантиметровом диапазоне // Труды ГГО. 1970. Вып. 235. С. 78-123].

Известен способ дистанционного определения солености морской воды [Арманд Н.А., Тищенко Ю.Г., Аблязов B.C., Халдин А.А. Спутниковые СВЧ радиометры дециметрового диапазона // в кн.: Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов (Сб. научных статей под ред. академика РАН Н.П. Лаверова, д.т.н. Лупяна Е.А., к. ф.-м. н. Лавровой О.Ю.). - М.: ООО «Азбука-200». - 2008. - Выпуск 5, том 1. - С. 214-218]. Этот способ основан на использовании СВЧ радиометрии. Выходные сигналы СВЧ радиометров пропорциональны излучательной способности морской поверхности, которая зависит от характеризующих ее состояние электрофизических параметров. Как правило, этот способ используется для определения солености с борта самолетов и космических аппаратов.

Сходным с существенными признаками заявленного технического решения является такой признак аналога, как регистрация СВЧ радиоизлучения. Недостатком рассматриваемого аналога является низкая точность определения солености. Этот недостаток является следствием того, что излучательная способность морской поверхности мала.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков и поэтому выбранным в качестве прототипа является способ на основе радиозондирования морской поверхности [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 прототипа, как зондирование заданного участка морской поверхности в СВЧ диапазоне с заданной частотой и регистрация рассеянного в обратном направлении сигнала, а также проведение облучения и регистрации на одной и той же поляризации, являются сходными с существенными признаками заявленного изобретения.

Недостатком прототипа является низкая точность определения солености, поскольку удельная эффективная площадь рассеяния, в соответствии с математическим выражением (1), зависит не только от солености, но и от шероховатости морской поверхности.

Уровень шероховатости меняется в широких пределах [Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Бабий М.В. Измерения параметров шероховатости морской поверхности при переходе от штиля к ветровому волнению // Физика атмосферы и океана. - Изв. АН СССР, 1992. - T. 28 - №4. - С. 424-431]. Изменения шероховатости, в основном, определяются вариациями скорости приводного ветра [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]. Изменения шероховатости морской поверхности приводят к значительно большим изменениям параметра , чем изменения солености, наблюдаемые в Мировом океане.

В основу изобретения поставлена задача создания способа дистанционного определения солености морской воды, в котором за счет того, что исключается влияние на результаты измерений изменчивости шероховатости морской поверхности, достигается технический результат - повышение точности измерения солености морской воды.

Поставленная задача решается тем, что в способе дистанционного определения солености морской воды, согласно которому морскую поверхность облучают радиоволнами СВЧ диапазона заданной частоты и принимают рассеянный назад сигнал, причем облучение и прием осуществляют на одной и той же поляризации, новым является то, что дополнительно морскую поверхность облучают радиоволнами СВЧ диапазона на ортогональной поляризации и на той же поляризации принимают сигнал, вычисляют поляризационное отношение и по нему определяют соленость морской воды.

Способ осуществляют следующим образом.

Контролируемый участок поверхности облучают СВЧ радиоволнами заданной частоты с заданной поляризацией (например, вертикальной). Регистрируют рассеянный назад сигнал на той же поляризации (вертикальной), на которой проводилось облучение. Меняют поляризацию излучателя и приемника на ортогональную (т.е. горизонтальную) и на той же частоте зондируют тот же участок морской поверхности. На той же поляризации принимают рассеянный назад сигнал. Затем по данным двух последовательных зондирований вычисляют поляризационное отношение, по которому рассчитывают соленость.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к океанологическим измерениям, и может быть использовано для контроля солености морской воды на разных акваториях Мирового океана. В предложенном способе заданный контролируемый участок морской поверхности облучают СВЧ радиоволнами заданной частоты вертикальной поляризации, регистрируют рассеянный назад сигнал на той же поляризации (вертикальной), изменяют поляризацию излучателя и приемника на ортогональную и на той же частоте зондируют тот же участок морской поверхности, регистрируют рассеянный назад сигнал, после чего по данным двух последовательных зондирований вычисляют поляризационное отношение, по которому рассчитывают соленость. Повышение точности измерения солености морской воды за счет исключения влияния на результат измерений изменчивости шероховатости морской поверхности, является техническим результатом изобретения.

Способ дистанционного определения солености морской воды, заключающийся в том, что контролируемый участок морской поверхности облучают радиоволнами СВЧ диапазона заданной частоты и принимают рассеянный назад сигнал, причем облучение и прием осуществляют на одной и той же поляризации, отличающийся тем, что затем этот же участок морской поверхности облучают радиоволнами СВЧ диапазона той же частоты на ортогональной поляризации и на той же поляризации принимают рассеянный назад сигнал, вычисляют поляризационное отношение и по нему определяют соленость морской воды.