СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПЕРЕМЕННОГО МОРСКОГО ТЕЧЕНИЯ ПО ДАННЫМ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ Российский патент 2017 года по МПК G01S13/88 

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным методам изучения водной поверхности с целью обнаружения переменных течений.

Способ позволяет идентифицировать переменные во времени и пространстве морские течения, которые на масштабах порядка сотен метров - единиц километров обычно связаны с распространяющимися внутренними волнами. Способ основан на анализе данных наблюдений многочастотным двухполяризационным СВЧ-радиолокатором, последний излучает и принимает обратно рассеянный поверхностью радиосигнал на двух соосных поляризациях (ко-поляризациях) - НН (излучение и прием сигнала на горизонтальной поляризации) и VV (излучение и прием сигнала на вертикальной поляризации) - и на нескольких частотах в диапазоне от 1 ГГц до 20 ГГц, разнесенных по величине не менее чем в 2 раза. Способ применим в условиях умеренных ветров при углах наблюдения 20-80° от вертикали со свайных оснований или с судов.

Известен способ определения параметров течений на морской поверхности (А.с. 2036430 Российская Федерация, МПК G01C 13/00. Способ определения параметров течений на морской поверхности [Текст] / Дулов В.А., Кудрявцев В.Н., Малиновский В.В., Нелепо Б.А., Родин А.В.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "ДВС ЛТД" (UA). - №4924240; заявл. 20.02.1991; опубл. 27.05.1995), в котором переменное морское течение идентифицируется по величине относительного изменения запененности в области течения. Запененность - величина, определяемая частотой обрушений. Недостатком способа является то, что он реализуется только при достаточно сильных ветрах и при больших градиентах течений, когда на морской поверхности появляются обрушения. Кроме того, определение параметров течений в данном способе основано на использовании оптического метода подсчета площади участков поверхности, покрытых пеной, применимого при достаточно благоприятных погодных условиях.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ, известный из патента РФ №2581395 (Пат. 2581395 Российская Федерация, МПК G01W 1/00. Способ идентификации поверхности морских течений по ко-поляризационным спутниковым радиолокационным изображениям [Текст] / Зуйкова Э.М., Кудрявцев В.Н., Шапрон Б.Ж.А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный гидрометеорологический университет» (RU). - №2014145391; заявл. 11.11.2014; опубл. 20.04.2016; Бюл. №11). В этом способе по величине удельного сечения обратного рассеяния неполяризованной компоненты сигнала поляризационного спутникового радиолокатора, определяемой по измерениям интенсивности двух ко-поляризованных компонент, идентифицируют распределение градиентов течений на «мгновенных» радиолокационных изображениях морской поверхности, при этом брэгговскую компоненту сигнала используют для определения скорости ветра. В данном способе по мгновенному изображению нельзя отличить течение стационарное, меняющееся только в пространстве, градиентное течение от течения, переменного в пространстве и времени, создаваемого внутренней волной, с которой связано поле орбитальных скоростей - переменное горизонтальное поверхностное течение, распространяющееся со скоростью внутренней волны. Кроме того, переменные течения, как нестационарные, так и стационарные, могут менять интенсивность не только неполяризованной компоненты (последняя связывается обычно с обрушениями ветровых волн), но и поляризованной (брэгговской) компоненты рассеяния, доминирование степени изменчивости в поле течений одной из двух этих компонент зависит от величины градиента течения, скорости ветра, направления наблюдения. Поэтому предложенным в патенте способом невозможно обнаружить внутренние волны, не модулирующие поляризованную компоненту сигнала радиолокатора. Таким образом, прототип не дает возможности однозначно идентифицировать нестационарное переменное течение и, соответственно, внутреннюю волну, а также стационарное течение в случаях, когда неполяризованная компонента и ее вариации малы по сравнению с поляризованной.

Задачей, на которую направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа, обеспечивающего достоверность выявления переменного течения, создаваемого на морской поверхности распространяющейся внутренней волной.

Технический эффект достигается тем, что проводят анализ удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) брэгговской В и неполяризованной NP компонент отраженного от морской поверхности радиолокационного сигнала, определенных по данным наблюдений СВЧ-радиолокатором на вертикальной VV и горизонтальной НН поляризациях.

Новым является то, что используют многочастотный СВЧ-радиолокатор с рабочими частотами в диапазоне от 1 ГГц до 20 ГГц включительно, разнесенными по величине не менее чем в два раза, анализируют характеристики радиолокационного сигнала, отраженного от ограниченной области морской поверхности, в зависимости от времени, формируют временные ряды УЭПР и скоростей рассеивателей для брэгговской и для неполяризованной компонент и вычисляют нормированные функции взаимной корреляции этих рядов для каждой из компонент на каждой рабочей частоте ƒ радиолокатора, для каждой из компонент и каждой из рабочих частот находят максимальные значения нормированной функций взаимной корреляции K_{NP_ƒ} и K_{B_ƒ}, сравнивают найденные максимальные значения с заданными величинами K_{1_ƒ}, K_{2_ƒ} и при условии K_{NP_ƒ}>K_{1_ƒ} и/или K_{B_ƒ}>K_{2_ƒ} для всех рабочих частот радиолокатора делают вывод о наличии переменного течения, обусловленного внутренней волной.

Способ поясняется следующим образом.

Способ идентификации переменного морского течения по данным радиолокационных наблюдений основан на том, что интенсивность спектральных составляющих мелкомасштабного волнения и, следовательно, и брэгговская компонента удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР), и/или неоднородности на водной поверхности (обрушения и т.д), приводящие к появлению неполяризанных рассеивателей и неполяризованной компоненты УЭПР, сильно модулируются переменным течением, создаваемым на морской поверхности при прохождении внутренней волны, а скорости брэгговских и неполяризованных рассеивателей определяются орбитальными скоростями частиц в том же переменном течении. Скорости рассеивателей определяются доплеровским сдвигом временного спектра обратно рассеянного радиолокационного сигнала. Таким образом, высокая корреляция брэгговской и неполяризованной компонент УЭПР и соответствующих скоростей рассеивателей может служить признаком присутствия внутренней волны.

Поскольку УЭПР радиолокационного сигнала с поляризацией рр складывается из УЭПР неполяризованной компоненты (σ_NP) и УЭПР брэгговской компоненты (σ_{B_pp}), связанной с рассеянием на резонансной длине волны, т.е.

то и скорость рассеивателей V_pp в направлении наблюдения определяется скоростью неполяризованных рассеивателей V_NP и скоростью брэгговских рассеивателей V_B.

Вклад неполяризованной компоненты в УЭПР одинаков на вертикальной и горизонтальной поляризации, поэтому брэгговскую компоненту УЭПР и скорость брэгговских рассеивателей можно определить следующим образом:

Здесь , а и - коэффициенты Френеля для вертикальной и горизонтальной поляризаций соответственно, θ - угол между вертикалью и направлением наблюдения.

Неполяризованную компоненту УЭПР и скорость неполяризованных рассеивателей можно определить следующим образом:

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Осуществляют измерения двухполяризационным многочастотным СВЧ радиолокатором, рабочие частоты которого лежат в диапазоне от 1 ГГц до 20 ГГц и различаются друг от друга не менее чем в 2 раза. Анализируют характеристики радиолокационного сигнала, отраженного от ограниченной области морской поверхности, в зависимости от времени. В качестве исходных данных используют временные ряды УЭПР радиолокационного сигнала и скоростей рассеивателей на водной поверхности на VV и НН поляризациях. По исходным данным рассчитывают брэгговскую (формула (3)) и неполяризованную (формула (5)) компоненты УЭПР и скорости брэгговских (формула (4)) и неполяризованных (формула (6)) рассеивателей.

Формируют временные ряды УЭПР и скоростей рассеивателей для брэгговской и для неполяризованной компонент. По временным рядам брэгговских и неполяризованных компонент УЭПР и временным рядам соответствующих скоростей рассеивателей рассчитывают нормированные функции взаимной корреляции «компонента УЭПР - скорость рассеивателей», находят максимальные значения этих функций для неполяризованной K_{NP_ƒ} и брэгговской K_{B_ƒ} компонент для каждой из рабочих частот радиолокатора ƒ.

Для того чтобы обнаружить течение, сравнивают найденные максимальные значения нормированной функции взаимной корреляции K_{NP_ƒ} и K_{B_ƒ} с заданными величинами K_{1_ƒ}, K_{2_ƒ} соответственно. Значения K_{1_ƒ}, K_{2_ƒ} определяют по данным натурных экспериментов, когда при прохождении внутренней волны, зафиксированной независимыми контактными методами, определяют максимальные значения функции взаимной корреляции между УЭПР и скоростью рассеивателей для брэгговской и неполяризованной компонент. Если K_{NP_ƒ}>K_{1_ƒ} и/или K_{B_ƒ}>K_{2_ƒ} для всех рабочих частот радиолокатора, то делают вывод о наличии переменного течения, обусловленного внутренней волной.

Таким образом, за счет использования дополнительной информации о брэгговской компоненте рассеяния и скорости брэгговских и неполяризованных рассеивателей, а также за счет проведения измерений на нескольких независимых частотах и привлечения данных натурных экспериментов повышается достоверность обнаружения переменного течения на морской поверхности.

Изобретение относится к радиолокационным методам изучения водной поверхности с целью обнаружения переменных течений. Достигаемый технический результат заключается в том, что способ позволяет идентифицировать переменные во времени и пространстве морские течения, которые на масштабах порядка сотен метров - единиц километров обычно связаны с распространяющимися внутренними волнами. Способ основан на анализе данных наблюдений многочастотным двухполяризационным сверхвысокочастотным радиолокатором, который излучает и принимает обратно рассеянный поверхностью радиосигнал на двух соосных поляризациях (ко-поляризациях) - НН (излучение и прием сигнала на горизонтальной поляризации) и VV (излучение и прием сигнала на вертикальной поляризации) - и на нескольких рабочих частотах в диапазоне от 1 ГГц до 20 ГГц, разнесенных по величине не менее чем в 2 раза. Способ применим в условиях умеренных ветров при углах наблюдения 20-80° от вертикали со свайных оснований или с судов.

Способ идентификации переменного морского течения по данным радиолокационных наблюдений, в котором проводят анализ удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) брэгговской В и неполяризованной NP компонент отраженного от морской поверхности радиолокационного сигнала, определенных по данным наблюдений СВЧ-радиолокатором на вертикальной VV и горизонтальной НН поляризациях, отличающийся тем, что используют многочастотный СВЧ-радиолокатор с рабочими частотами в диапазоне от 1 ГГц до 20 ГГц включительно, разнесенными по величине не менее чем в два раза, анализируют характеристики радиолокационного сигнала, отраженного от ограниченной области морской поверхности, в зависимости от времени, формируют временные ряды УЭПР и скоростей рассеивателей для брэгговской и для неполяризованной компонент и вычисляют нормированные функции взаимной корреляции этих рядов для каждой из компонент на каждой рабочей частоте ƒ радиолокатора, для каждой из компонент и каждой из рабочих частот находят максимальные значения нормированной функций взаимной корреляции K_{NP_ƒ} и K_{B_ƒ}, сравнивают найденные максимальные значения с заданными величинами K_{1_ƒ}, K_{2_ƒ} и при условии K_{NP_ƒ}>K_{1_ƒ} и/или K_{B_ƒ}>K_{2_ƒ} для всех рабочих частот радиолокатора делают вывод о наличии переменного течения, обусловленного внутренней волной.