Способ определения характеристик аномалий морской поверхности, обусловленных процессами в приповерхностных слоях океана и атмосферы, по ее радиолокационным изображениям Российский патент 2024 года по МПК G01S13/88 

Изобретение относится к области прикладной гидрофизики и может применяться для дистанционного автоматического обнаружения и классификации аномалий на морской поверхности, связанных с взаимодействием ветрового волнения и областей неоднородного течения, которые могут быть вызваны выходом внутренних волн, обтеканием подводного препятствия и т.п.

В значительной части работ, посвященных детектированию аномалий на морской поверхности, в частности, связанных с пленочными загрязнениями (патент RU 2479852 «Способ дальнего определения нефтяного загрязнения морской поверхности с помощью СВЧ-радиолокатора», публикация от 20.04.2013; патент RU 2529886 «Способ обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности», публикация 10.10.2014), используются данные радиолокаторов с синтезированной апертурой, базирующихся на самолетах и спутниках (патент RU 2166774 «Способ и устройство формирования поляризационного портрета земной или морской поверхности в двухчастотной цифровой РСА» публикация 10.01.2001; патент RU 2109304 «Способ обнаружения аномалий морской поверхности», публикация от 20.04.1998). При радиолокационном зондировании морской поверхности из космоса часто невозможно однозначно связать аномалии в радиолокационном изображении с влиянием неоднородного течения, приводного ветра или загрязнений, в результате чего уменьшается вероятность правильного обнаружения и увеличивается вероятность ложных тревог.

Известен способ обнаружения и наблюдения аномалий (неоднородностей волнений водной поверхности) по патенту RU 2503029 «Способ обнаружения аномалий на водной поверхности», публикация 27.12.2013. В данном способе обнаруживают аномалии на поверхности воды с заданной вероятностью ложной тревоги (правильного обнаружения) в условиях неравномерности интенсивности фоновых отражений локационного эхо-сигнала от поверхности воды во времени и в пространстве. Таким образом, в этом способе обнаруживают только пониженный уровень отражения, который считают аномалией.

Уровень мощности радиолокационного сигнала, рассеянного взволнованной поверхностью моря, связан с шероховатостью этой поверхности. За рассеяние зондирующего сигнала отвечает определенная резонансная спектральная компонента ветрового волнения k_рез (Bass, F.G., Fuks, I.M., Kalmykov, А.Е., Ostrovsky, I.E., and Rosenberg A.D.: 1968, "Very High Frequency Radiowave Scattering by a Disturbed Sea Surface", IEEE Trans. AP-16, 554-568), а дополнительные условия приводят к флуктуациям отраженного сигнала. К дополнительным механизмам можно отнести неравномерное распределение в пространстве спектральной компоненты ветрового волнения k_рез, связанное с неоднородностью поля приводного ветра и приповерхностных течений, наличие пленок поверхностно-активных веществ на поверхности, нерезонансные механизмы (обрушения волн, пена, брызги), которые могут существенно влиять на уровень рассеяния. На малых масштабах, порядка длины энергонесущей ветровой волны, проявляется модуляция k_рез орбитальной скоростью длинной волны, известная как гидродинамическая модуляция (J. Schroter, F. Feindt, W. Alpers, W.C. Keller, Measurement of the ocean wave-radar modulation transfer function at 4.3 GHz, Journal of Geophysical Research, 1986, v. 91, NCI, 923-932). Благодаря гидродинамической модуляции на радиолокационных изображениях морской поверхности, полученных с элементом разрешения меньше длины энергонесущей ветровой волны, становятся видны длинные поверхностные волны. На больших масштабах проявляются явления выглаживания на морской поверхности, связанные с присутствием пленок поверхностно-активных веществ. Различают также пространственные неоднородности k_рез, связанные с неоднородностью поля ветра: ветровые тени и др. Неоднородные течения, связанные с обтеканием особенностей рельефа дна, приливными фронтами, внутренними волнами и т.п. приводят к трансформации ветрового волнения в широком диапазоне длин поверхностных волн, что также влияет на интенсивность радиолокационного сигнала. Предлагаемый способ направлен на обнаружение таких областей неоднородности течений.

В качестве прототипа выбран способ определения аномалий на морской поверхности неконтактным радиолокационным методом (патент RU 2582073, публикация 20.04.2016). В способе - прототипе для дешифрирования аномальных участков осуществляют преобразование текстурных признаков изображения в "шероховатость" пространственного волнения. Для этого используют двухчастотное облучение водной поверхности сигналами радиолокационных станций, прием отраженных сигналов, после чего для анализа полученных данных переходят из временной области в частотную область с использованием Вейвлет-преобразования. Об обнаружении аномалии морской поверхности, судят по среднеквадратическому отклонению (СКО) анализируемого сигнала по всему ансамблю анализируемых частот.

Помимо целевых аномалий на морской поверхности наблюдаются фоновые, которые могут присутствовать в достаточно большом количестве. Все эти аномалии морской поверхности могут существенно повлиять на величину среднеквадратического отклонения. Поэтому для уменьшения нежелательного влияния аномалий на пороговый уровень СКО нужно иметь запись принятого сигнала достаточной длительности, что занимает много времени и требует большого объема данных для обработки. Другим недостатком способа - прототипа является невозможность разделения аномалий на фоновые и целевые.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка способа определения характеристик аномалий морской поверхности, обусловленных процессами в приповерхностных слоях океана и атмосферы по ее радиолокационным изображениям, позволяющего обнаружить аномалии морской поверхности по ее радиолокационным изображениям.

Технический результат, определяемый вышеуказанной задачей, достигается благодаря тому, что разработанный способ так же, как и способ, который является ближайшим аналогом, включает облучение водной поверхности сигналом радиолокационной станции, прием отраженного эхосигнала, формирование пространственно-временных радиолокационных изображений морской поверхности на основе принятого сигнала радиолокационной станции и их обработку во временной области, спектральную обработку радиолокационных изображений, принятие решения о наличии или отсутствии аномалии путем сравнения результатов спектральной обработки с помощью порогового метода.

Новым в разработанном способе является то, что используют радиолокационную станцию кругового обзора, формирование пространственно-временных радиолокационных изображений морской поверхности выполняют во всем диапазоне азимутальных углов от 0 до 360°, при этом весь диапазон азимутальных углов делят на секторы и дальнейшую обработку принятого сигнала радиолокационной станции выполняют отдельно для каждого сектора, образуя пространственно-временные радиолокационные изображения, для спектральной обработки радиолокационных пространственно-временных изображений используют оконное преобразование Фурье (А.А. Бочарова, Н.Ю. Зайко. Математические основы обработки сигналов. Учебное электронное издание. Учебное пособие для вузов. Владивосток, Издательство Дальневосточного федерального университета, 2022, с. 34-35) для временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигнала с выбранной дальности, при этом вычисляют текущие значения параметров: интеграла спектра временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигнала W в диапазоне частот от 0 до 0,03 Гц (назовем этот диапазон частот в контексте данной заявки для упрощения отсылок к нему: Низкочастотный диапазон) и максимума спектра временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигнала М в Низкочастотном диапазоне, вычисляют текущие гистограммы этих характеристик спектра за определенный промежуток времени (назовем этот промежуток времени - реализация) для принятия решения о наличии или отсутствии аномалии на морской поверхности. Длительность реализации равна времени, в течение которого не изменяются условия эксперимента - поиска аномалии. Например, прямолинейного движения с постоянной скоростью носителя радиолокатора.

Разработанный способ поясняется следующими фигурами, которые иллюстрирует предлагаемый способ и получены в ходе описанного ниже примера обработки радиолокационных экспериментальных данных.

На фиг. 1 представлен пример радиолокационного изображения сектора морской поверхности в координатах дальность - время суток (для дальности до 1700 м). Справа приведена шкала нормированной на среднее для каждого значения дальности интенсивности изображения I=I_Dist/I_{Aver_Dist}.

На фиг. 2 представлена гистограмма (по оси ординат приведено число повторений в реализации значения W) величины интеграла спектра временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигнала W в Низкочастотном диапазоне для участка морской поверхности в отсутствии аномалий, причем масштаб по оси абсцисс выбран таким образом, чтобы было наглядно видно распределение числа повторений от W.

На фиг. 3 представлены гистограммы (по оси ординат приведено число повторений в реализации значения W) величины интеграла спектра временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигнала в Низкочастотном диапазоне W для участка морской поверхности: а) в отсутствии аномалий, при этом легко заметить, что это та же гистограмма, что и на фиг. 2, только в другом масштабе по оси абсцисс; б) при наличии аномалий. При выбранном масштабе стало легко сравнить гистограммы на фиг. 3а и 3б: наличие аномалий характеризуется возникновением больших значений W.

На фиг. 4 представлено изменение во времени: а) интеграла спектра временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигнала W в Низкочастотном диапазоне, б) максимума спектра временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигналам в Низкочастотном диапазоне, при прохождении аномалии.

Единицы представления величин W и М на фигурах, обозначенные, как «уе», опишем ниже.

Способ определения характеристик аномалий морской поверхности, обусловленных процессами в приповерхностных слоях океана и атмосферы по ее радиолокационным изображениям, реализуют следующим образом.

Предлагаемый способ использует радиоволновое излучение сверхвысокочастотного диапазона, в котором работают судовые и береговые радиолокационные станции, а также авиационные и спутниковые радиолокаторы с синтезированной апертурой, что обеспечивает эффективность способа в сложных метеорологических условиях, в том числе в ночное время.

В предлагаемом способе применяют радиолокационное зондирование при скользящих углах с борта движущегося судна. В качестве радиолокационной системы, работающей под скользящими углами, может выступать судовая радиолокационная станция. Ширина полосы обзора радиолокационной станции, установленной на судне, значительно ниже, чем у аналогичных систем, расположенных на самолетах и спутниках, однако размещение на борту судна дает более полную картину явлений, протекающих в океане. Судовая радиолокационная станция имеет высокое пространственное разрешение и дает возможность в течение длительного времени наблюдать небольшие участки исследуемой поверхности и, следовательно, обнаруживать, в том числе, медленные процессы.

В предлагаемом способе анализируют радиолокационные изображения морской поверхности в координатах дальность-время, являющиеся результатом обработки серии круговых панорам, полученных с помощью радиолокационной станции кругового обзора. При формировании пространственно-временных радиолокационных изображений морской поверхности весь диапазон азимутальных углов 0°-360° делят на секторы с определенным угловым разрешением (обработка данных многочисленных экспериментальных исследований показала, что оптимальная ширина сектора составляет 20°. Ниже приведен пример использования предлагаемого способа обработки для выбранного значения ширины сектора). В каждом секторе производят усреднение сигнала по азимутальному углу для всей серии полученных круговых панорам - тем самым реализуют режим бокового обзора с временным разрешением, определяемым периодом вращения антенны. Пример полученного изображения морской поверхности в координатах дальность-время для одного сектора приведен на фиг. 1. Подобные изображения морской поверхности получают отдельно для каждого сектора по всему диапазону азимутальных углов 0°-360°. Морская поверхность на радиолокационных изображениях проявляется в виде полосатой структуры с меняющейся интенсивностью при условии присутствия ветровой волны или волны зыби с длиной больше двух разрешений радиолокационной станции по дальности.

Полученные отдельно для каждого сектора радиолокационные изображения подвергают спектральной обработке по времени на заданной дальности, используя оконное преобразование Фурье. Далее проводят анализ полученного спектра Фурье для временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигнала с выбранной дальности в Низкочастотном диапазоне от 0 до 0,03 Гц в предположении, что искомые аномалии проявляются в этом указанном диапазоне спектра. Решение о наличии аномалии принимают, используя пороговый метод.

В способе - прототипе решение о наличии аномалии также принимают, используя пороговый метод, причем в качестве порога для принятия решения используют рассчитанную величину среднего квадратичного отклонения. Целевая аномалия морской поверхности, связанная, например, с проявлением внутренних волн, вносит значимый вклад в расчет величины среднеквадратичного отклонения. Кроме того, помимо целевых (искомых) аномалий на морской поверхности наблюдаются фоновые, связанные, например, с неоднородным полем ветра, пленочными загрязнениями и т.п., которые могут присутствовать в достаточно большом количестве и также существенно влияют на величину среднеквадратичного отклонения, тем самым завышая рассчитываемый порог. В предлагаемом способе вместо расчета порога по величине СКО расчет ведут по уровню невозмущенного сигнала. Даже при условии частого наблюдения аномалий на морской поверхности область, которую они занимают, будет меньше невозмущенной области. На основании этого разработан алгоритм, вычисляющий уровень сигнала без учета вклада аномалий. В основе метода лежит построение гистограммы величины, для которой требуется установить значение порога. При условии, что время наблюдения аномалий значительно меньше длительности обрабатываемой реализации, аномалии будут проявлять себя в хвосте полученного распределения (см. фиг. 3б). Невозмущенный (фоновый) уровень рассматриваемой величины вычисляется как половина ширины гистограммы на заданном уровне. Для вычисления порога величина фонового уровня умножается на коэффициент, подбираемый экспериментально в зависимости от гидро-, метеоусловий для каждого из искомых параметров W и М. Подобный подход также позволяет решить проблему с некалиброванным уровнем сигнала РЛС, который может зависеть от гидрометеорологических условий.

В разработанном способе определение области аномалии радиолокационного сигнала производят на основе анализа характеристик Низкочастотного диапазона спектра временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигнала: интеграла W, определяемого как площадь под спектром в интервале частот 0-0,03 Гц и максимума спектра М в полосе 0-0,03 Гц, а также размера области, для которой наблюдается одновременное превышение порогового уровня величинами W и M.

Как было упомянуто выше, на фиг. 3 представлены гистограммы величины интеграла спектра временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигнала Wb Низкочастотном диапазоне для участка морской поверхности: а) в отсутствии аномалий, б) при наличии аномалий. Как видно, большие значения величины интеграла, связанные с аномалией, встречаются намного реже, чем значения величины фонового уровня. По максимуму гистограммы определяют уровень невозмущенного (фонового) значения каждого параметра низкочастотного диапазона спектра. Значение порога устанавливают, например, равным значению невозмущенного уровня каждого параметра (см. фиг. 3а и 4а).

Решение о наличии аномалии принимают в случае превышения вычисленного порогового уровня величинами W и М (фиг. 4). Горизонтальные линии на фиг. 4а и 4б показывают величину порога, вычисленного по гистограммам характеристик спектра (см. фиг. 3а и 3б).

Параметры аномалий морской поверхности включают в себя время, координаты обнаружения аномалии, размер занимаемой области по времени, величины W и М, спектр временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигнала в Низкочастотном диапазоне. Все параметры найденных аномалий формируют массив данных, который в дальнейшем может использоваться для настройки алгоритма классификации аномалий.

Пример реализации предлагаемого способа.

Предложенный авторами способ был проверен в ходе проведения натурных экспериментов в условиях присутствия фоновых аномалий. В качестве радиолокационной станции кругового обзора использовали судовую радиолокационную станцию X-диапазона ICOM - MR1200RII, работающую в импульсном режиме с длительностью импульса около 80 не, что обеспечивает пространственное разрешение 12 м. Угловое разрешение определяется шириной диаграммы направленности антенны, которая составляла 4 градуса. После излучения импульса радиолокационной станцией осуществляют прием эхосигнала на ту же антенну. Частота следования импульсов составляла 2 кГц, скорость вращения антенны - 36 оборотов в минуту. С помощью соединенного с радиолокационной станцией компьютера, имеющего в составе блок с модулем оцифровки (включающий АЦП с разрядностью 16 бит) и модулем предварительной обработки (разделяющего эхосигнал кругового обзора на данные, соответствующие секторам шириной 20°) производили запись видеосигнала с судовой радиолокационной станции с частотой квантования 25 МГц. Выполняли запись в файл 1000 последовательных значений принятого сигнала для каждого импульса излучения, что соответствует дальности до 6 км. В результате последующей обработки файла радиолокационных изображений морской поверхности в координатах дальность-время с помощью компьютерной программы оконного Фурье-преобразования в диапазоне низких временных частот определяли наличие или отсутствие аномалии на морской поверхности. Для этого анализировали величины интеграла Низкочастотного диапазона спектра, определяемого как площадь под спектром в интервале частот 0-0,03 Гц и максимума спектра в полосе 0-0,03 Гц, для которой наблюдается одновременное превышение порогового уровня величинами W и М. Имея вышеприведенную информацию, можно также определить размер и расположение области аномалии.

Ранее уже было отмечено, что все приведенные в качестве поясняющих предлагаемый способ фигуры 1-4, получены в ходе обработки экспериментальных данных. Для простоты восприятия в качестве единиц, для отображения величин W и М на фигурах выбраны условные единицы: «уе». В ходе описываемого натурного эксперимента измерялись величины электрического напряжения, выводимые из упомянутого выше блока компьютера, соединенного с радиолокационной станцией, которые определяют величины W и М, для построения соответствующих графиков. Эти величины и обозначены на графиках, как «уе».

Следует также упомянуть, что соединение компьютера с радиолокационной станцией, создание описанного выше блока, программ обработки данных не представляют большой сложности для специалистов в данных областях.

Таким образом, разработанный способ определения характеристик аномалий морской поверхности, обусловленных процессами в приповерхностных слоях океана и атмосферы по ее радиолокационным изображениям позволяет обнаружить аномалии морской поверхности по ее радиолокационным изображениям.

Использование: изобретение относится к области прикладной гидрофизики и может применяться для дистанционного автоматического обнаружения и классификации аномалий на морской поверхности, связанных с взаимодействием ветрового волнения и областей неоднородного течения. Сущность: в способе используют радиолокационную станцию кругового обзора, формирование пространственно-временных радиолокационных изображений морской поверхности выполняют во всем диапазоне азимутальных углов от 0 до 360°, при этом весь диапазон делят на секторы и дальнейшую обработку принятого сигнала радиолокационной станции выполняют отдельно для каждого сектора. Далее проводят оконное преобразование Фурье по времени для временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигнала с выбранной дальности, при этом вычисляют текущие значения интеграла спектра временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигнала в диапазоне частот от 0 до 0,03 Гц и максимума спектра временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигнала в том же частотном диапазоне, вычисляют текущие гистограммы этих характеристик спектра за определенный промежуток времени и по гистограммам определяют пороговые значения, при превышении которых принимают решения о присутствии аномалии на морской поверхности. Технический результат: обеспечение возможности обнаружений аномалий морской поверхности, обусловленных процессами в приповерхностных слоях океана и атмосферы, по ее радиолокационным изображениям. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения характеристик аномалий морской поверхности, обусловленных процессами в приповерхностных слоях океана и атмосферы по ее радиолокационным изображениям, включающий в себя облучение водной поверхности сигналом радиолокационной станции, прием отраженного эхосигнала, формирование пространственно-временных радиолокационных изображений морской поверхности на основе принятого сигнала радиолокационной станции и их обработку во временной области, спектральную обработку радиолокационных изображений,

отличающийся тем, что

с помощью радиолокационной станции кругового обзора формируют радиолокационные изображения морской поверхности во всем диапазоне азимутальных углов от 0 до 360°, при этом весь диапазон азимутальных углов делят на секторы и дальнейшую обработку принятого сигнала радиолокационной станции выполняют отдельно для каждого сектора, образуя пространственно-временные радиолокационные изображения, проводят спектральную обработку радиолокационных пространственно-временных изображений используя оконное преобразование Фурье для временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигнала с выбранной дальности, при этом вычисляют текущие значения параметров: интеграла спектра и максимума спектра временной зависимости мощности принятого радиолокационного сигнала в диапазоне частот от 0 до 0,03 Гц, вычисляют текущие гистограммы этих характеристик спектра за определенный промежуток времени и по гистограммам определяют их пороговые значения, при превышении которых принимают решения о присутствии аномалии на морской поверхности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пороговые значения вычисляют умножением невозмущенного уровня соответствующего параметра на коэффициент, подбираемый экспериментально.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пороговые значения устанавливают равными значению невозмущенного уровня соответствующего параметра.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сектор, на который делят диапазон азимутальных углов, равен 20°.