RU2274877C2 - Панорамный радиолокационный способ определения состояния приповерхностного слоя океана со спутника - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным методам определения параметров морского волнения, и может быть использовано в метеорологии и океанологии для дистанционного зондирования приповерхностного слоя океанов со спутника. Технический результат заключается в обеспечении оперативного мониторинга состояния приповерхностного слоя океана со спутника. Способ заключается в излучении зондирующих импульсов микроволнового диапазона доплеровским радиолокатором, зондирующие импульсы направляют к поверхности океана в надир и каждым импульсом освещают на водной поверхности пятно с размерами порядка 14×355 км. При приеме отраженных импульсов используют одновременно временную и доплеровскую селекции по дальности для выделения в упомянутом пятне 14×355 км элементарных рассеивающих ячеек (ЭРЯ) с размерами, например 14×14 км, затем определяют для каждых двух последовательных "i"-ой и "i+1"-ой ЭРЯ сечения обратного рассеяния σ₀ (θ_i) и σ₀ (θ_i+1), которые корректируют и определяют дисперсию наклонов σ² _i(φ_j), далее определяют полную дисперсию наклонов σ_i ² для "i"-ой ЭРЯ и направление распространения φ_wi крупномасштабного волнения в "i"-ой ЭРЯ, а упомянутую скорость приповерхностного ветра V определяют с помощью алгоритма V=F[σ₀, σ² _i(φ_j), σ² _i(φ_j+90°)], полученного стандартным методом регрессии. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным методам определения параметров морского волнения, и может быть использовано в метеорологии и океанологии для дистанционного зондирования приповерхностного слоя океанов со спутника.

Обеспечение оперативного мониторинга состояния приповерхностного слоя океана со спутника в возможно более широкой полосе обзора является важным для составления достоверных прогнозов погоды, контроля за глобальными изменениями климата, обеспечения безопасности жизнедеятельности в прибрежных районах, изучения Мирового океана и решения множества других задач. При этом для действительно оперативного мониторинга желательно обеспечить построение с достаточным пространственным разрешением двумерного изображения водной поверхности, для чего необходимо определить (восстановить) в каждой "i"-ой элементарной ячейке полосы обзора дисперсию наклонов σ² _i водной поверхности и направление распространения крупномасштабного волнения φ_wi, а также восстановить в каждой ячейке скорость ветра V.

Известен способ определения параметров водной поверхности со спутника, оснащенного антенной радиолокатора с двухлучевой диаграммой направленности (D.Hauser et all., "Swimsat: A Real-Aperture Radar to Measure Directional Spectra of Ocean Waves from Space - Main Characteristics and Performance Simulation", J. Atmospheric and Oceanic Technology, 2001, v.18, p.p.421-437). Данный способ состоит в том, что с помощью двухлучевой антенны излучают две независимые последовательности коротких зондирующих импульсов в разных направлениях: первый луч (последовательность импульсов) направляют по нормали (т.е. в надир) к подстилающей водной поверхности, направление второго луча составляет 10° по отношению к первому лучу и этот второй луч вращают при движении спутника по отношению к надиру. На водной поверхности оба луча освещают пятна (оставляют след) с характерными размерами 18×18 км, а расстояние между пятнами (т.е. радиус участка, с которого собирают информацию) при высоте орбиты спутника порядка 500 км, составляет 88 км. Отраженную назад от водной поверхности часть мощности каждого зондирующего импульса обоих лучей принимают соответствующей антенной и записывают форму принимаемых отраженных импульсов. При сеансах связи эту информацию передают на станцию слежения, на которой с помощью компьютера проводят обработку принятых импульсов. Принятую последовательность импульсов первого луча обрабатывают по известному алгоритму, как в известных спутниковых альтиметрах (см., например, Alfred R. Zieger at all., NASA Radar Altimeter for TOPEX/POSEIDON Project, Proceedings of the IEEE, Vol.79, NO.6, June 1991), в результате чего по максимальному значению принятой мощности Р_max каждого отраженного импульса (по форме импульса) определяют сечение обратного рассеяния σ_о, по которому определяют (восстанавливают) величину скорости V приповерхностного ветра. При этом скорость ветра V восстанавливают с систематической ошибкой, обусловленной неоднозначностью связи между отраженной мощностью Р_max и скоростью ветра V, поскольку известно, что отраженная мощность зависит также и от дисперсии наклонов σ² _i водной поверхности, которая в свою очередь зависит от присутствия волн зыби, не связанных с ветром в точке измерения. По наклону переднего фронта каждого принятого импульса определяют высоту Н значительного волнения в освещенном пятне. Принятую последовательность импульсов второго луча обрабатывают как в самолетном измерителе спектра волн, однако перенос данного радиолокатора на спутник существенно ухудшает его разрешение, поскольку позволяет измерять лишь спектр волн, длина которых более 70 м, а высота - более 2 м, т.е. теряется информация о высоте и наклонах волн короче 70 м. К недостаткам данного способа относится и то, что в основу всех расчетов положено предположение об однородности волнений в пятне (элементе разрешения) с радиусом 88 км, что является некорректным с точки зрения океанологов, поскольку современные стандартные модели открытого океана используют сетку с элементом разрешения (элементарной ячейкой) для открытого океана 50×50 км и для прибрежных районов 28×28 км (см., например, "Satellites, Oceanography and Society" edited by D.Halpern. Elsevier, Amsterdam, p.p.35-56, 2000).

Наиболее близким к заявленному способу по технической сущности является панорамный способ определения величины и направления скорости приповерхностного ветра над водной поверхностью со спутника с помощью скаттерометра (радиолокатора для определения скорости ветра), который выбран в качестве прототипа (пат. США №6137437 МПК⁷ G 01 S 13/60, публ. 24.10.2000). Способ - прототип заключается в том, что с помощью однолучевой вращающейся антенны с ножевой диаграммой направленности, т.е. узкой (1°-3°) в поперечном направлении и широкой протяженной (20°-25°) в продольном направлении, осуществляют наклонное зондирование (при углах падения от 28° до 51°) водной поверхности, что позволяет получить широкую (порядка 1500 км) полосу обзора, т.е. осуществить панорамный режим работы радиолокатора. Этой же антенной радиолокатора принимают последовательность отраженных импульсов, с помощью регистрирующего устройства записывают их форму и передают информацию на станцию слежения. Для обработки полученной информации используют временную селекцию по дальности, с помощью которой формируют элемент разрешения 50×50 км. Для восстановления скорости ветра (и его направления) применяется псевдооднопараметрический алгоритм, который получен методом регрессионного анализа измеряемых со спутника скаттерометрических данных о величине одного параметра - сечения обратного рассеяния σ_o и буйковых данных о соответствующих скоростях ветра V, при этом второй параметр - дисперсия наклонов σ² _i водной поверхности, также влияющий на зависимость σ_o от скорости ветра V не учитывается, поскольку в настоящее время его еще не умеют измерять из космоса.

Таким образом, недостатком способа-прототипа является то, что он позволяет измерять (восстанавливать) только параметры ветра и не дает информацию о параметрах волнения водной поверхности. При этом для восстановления скорости ветра V используется полученная опытным путем зависимость V=f(σ_o), которая не является однозначной и поэтому дает систематическую ошибку.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка панорамного радиолокационного способа определения состояния приповерхностного слоя океана, обеспечивающего измерение в каждой "i"- ой элементарной ячейке широкой полосы обзора следующих параметров: дисперсии наклонов σ_i ² водной поверхности, направления распространения φ_wi крупномасштабного волнения, а также более точное восстановление скорости V приповерхностного ветра за счет исключения вышеуказанной систематической ошибки.

Технический результат в разработанном способе достигается тем, что разработанный панорамный радиолокационный способ определения параметров состояния приповерхностного слоя океана со спутника, включает излучение зондирующих импульсов микроволнового диапазона доплеровским радиолокатором, снабженным однолучевой вращающейся антенной с ножевой диаграммой направленности, прием отраженных от водной поверхности импульсов, регистрацию их формы определение сечения обратного рассеяния σ_O и последующее вычисление по алгоритму скорости приповерхностного ветра V.

Новым в разработанном панорамном радиолокационном способе является то, что ножевую диаграмму направленности антенны вращают вокруг вертикальной оси симметрии антенны, проходящей через ее центр, зондирующие импульсы направляют к поверхности океана в надир и каждым импульсом освещают на водной поверхности пятно с размерами, например, 14×355 км, а при приеме отраженных импульсов используют одновременно временную и доплеровскую селекции по дальности для выделения в упомянутом пятне 14×355 км элементарных рассеивающих ячеек с размерами, например 14×14 км. Затем определяют для каждых двух последовательных "i"-ой и "i+1"-ой ячеек сечения обратного рассеяния σ₀ (θ_i) и σ₀ (θ_i+1), которые корректируют с учетом гауссовой диаграммы направленности антенны в соответствии с выражением

δ_xi - ширина диаграммы направленности на уровне 0,5 по мощности вдоль направления зондирования, θ_i - угол падения для "i"-ой элементарной ячейки, σ₀ (θ_i) - сечение обратного рассеяния "i"-ой элементарной ячейки. Затем определяют дисперсию наклонов σ_i ²(φ_j) вдоль азимутального направления зондирования φ_j для каждой "i"-ой ячейки:

где θ_i и θ_i+1 - углы падения для двух последовательных элементарных ячеек, σ_0к (θ_i) и σ_0к (θ_i+1) скорректированные сечения обратного рассеяния этих ячеек соответственно, j - номер азимутального направления, под которым наблюдается каждая элементарная ячейка.

После чего полную дисперсию наклонов для "i"-ой ячейки σ_i ² определяют из соотношения σ_i ²=σ_i ²(φ_j)+σ² _i(φ_j+90°). Далее по графику азимутальной зависимости дисперсии наклонов σ_i ²(φ_j) определяют направление φ_wi распространения в "i"-ой ячейке крупномасштабного волнения, а упомянутую скорость приповерхностного ветра V определяют по сечению обратного рассеяния σ₀ и дисперсиям наклонов σ² _i(φ_j) и σ² _i(φ_j+90°) с помощью алгоритма V=F[σ₀, σ² _i(φ_j), σ² _i(φ_j), σ² _i(φ_j+90°)], полученного стандартным методом регрессии.

Целесообразно для более детального изучения отдельных участков водной поверхности сначала с помощью дополнительной временной селекции по дальности сформировать элементарные ячейки с размерами, например, 14×1 км, затем с помощью дополнительной доплеровской селекции по азимутальному углу φ_j выделить элементарные ячейки с размерами, например, 5×1 км.

В другом частном случае для определения средней длины волны L_m крупномасштабного волнения в каждой "i"-ой элементарной ячейке полосы обзора целесообразно создать по доплеровским скоростям с помощью дополнительных частотных фильтров, установленных в радиолокаторе, начальную точку отсчета для регистрации отраженных импульсов в каждой "i"-ой ячейке. После этого прием отраженных от водной поверхности импульсов и регистрацию их формы провести для каждой "i"-ой ячейки отдельно и стандартным алгоритмом по тангенсу угла наклона в средней точке переднего фронта импульса, зарегистрированного в "i"-ой ячейке, определить высоту Н значительного волнения в этой ячейке. Уточненное значение высоты Н значительного волнения в "i"-ой ячейке полосы обзора целесообразно получить путем вычисления среднего значения высоты Н по нескольким упомянутым измерениям в данной ячейке. После чего по упомянутому измеренному максимальному значению дисперсии наклонов σ_w ² в "i"-ой ячейке на графике фиг.6 и по уточненному значению высоты Н значительного волнения среднюю длину L_m крупномасштабного волнения следует определить из соотношения L_m=H/σ_w.

На фиг.1 представлен вариант блок-схемы устройства для реализации разработанного способа.

На фиг.2 представлена схема наблюдения поверхности океана в соответствии с разработанным способом. Направление полета выбрано вдоль оси Y и введена вторая система координат X₁ и Y₁, связанная с антенной и вращающаяся вместе с ней. Ось X₁ ориентирована вдоль продольной оси освещенного пятна на водной поверхности. Угол поворота φ_j оси X₁ относительно первой системы координат XY является азимутальным углом.

Фиг.3 иллюстрирует вращение антенны по азимутальному углу φ_j во время движения спутника и дискретные измерения в элементарной "i"-ой ячейке полосы обзора под тремя азимутальными углами. Полоса обзора показана пунктирными линиями.

Фиг.4 иллюстрирует наблюдение двух последовательных "i"-ой и "i+1"-ой элементарных ячеек вдоль взаимно перпендикулярных направлений зондирования под углом φ_j и φ_j+90° во время движения спутника для определения дисперсии σ² _i(φ_j) и σ² _i(φ_j+90°).

На фиг.5 представлен пример разбиения полосы обзора на элементарные рассеивающие ячейки.

На фиг.6 представлен график азимутальной зависимости дисперсии наклонов σ² _i(φ_j) в "i"-ой элементарной ячейке.

Один из вариантов устройства для реализации разработанного способа, представленный на фиг.1, содержит антенну 1, выполненную в виде фазированной антенной решетки с ножевой вращающейся диаграммой направленности. Антенна 1 через блок 2 электронного управления вращением диаграммы направленности соединена с импульсным доплеровским радиолокатором 3 сантиметрового диапазона, который в свою очередь соединен с регистрирующим устройством 4, выход которого соединен со входом приемопередатчика 5, обеспечивающего связь со станцией слежения (на чертеже не показана) на Земле. При этом управление всеми элементами устройства для реализации разработанного способа осуществляется с помощью блока управления 6, который имеет соединение с блоком 2 электронного управления, с радиолокатором 3, регистрирующим устройством 4 и приемопередатчиком 5.

В качестве антенны 1 с вращающейся ножевой диаграммой направленности может быть использована, например, фазированная антенная решетка, разработанная Опытно-конструкторским бюро Московского энергетического института. В другом варианте изготовления устройства для реализации разработанного способа может быть использована вращающаяся однолучевая, щелевая антенна МИУС отечественного производства или однолучевая, щелевая антенна PR-5 чешского производства (фирма TESLA). Ножевая диаграмма направленности антенны обеспечивается за счет выбора размеров щели, например может быть сформирована ножевая диаграмма направленности с угловыми размерами 1°×25°. При высоте полета 800 км такая антенна освещает пятно на поверхности океана с размерами 14×355 км. Вращение диаграммы направленности антенны 1 вокруг вертикальной оси осуществляют с угловой скоростью порядка 6 об/мин.

В качестве доплеровского радиолокатора 3 может быть использован, например, доплеровский измеритель скорости и сноса ДИИС (г.Каменск-Уральский) или доплеровский радиолокатор, изготавливаемый в ЦНИИ "Комета" г.Москва. В качестве регистрирующего устройства 4 и приемопередатчика 5 могут быть использованы любые стандартные устройства подобного назначения, эксплуатируемые на спутниках в настоящее время для записи информации и передачи ее на Землю. Импульсный доплеровский радиолокатор 3 обеспечивает длительность зондирующих импульсов от 100 нс до 2000 нс с частотой повторения порядка 5 кГц при длине волны радиолокатора 2,1 см.

Разработанный панорамный радиолокационный способ определения параметров состояния приповерхностного слоя океана осуществляют следующим образом.

В ходе полета спутника над акваторией океана посредством антенны 1 с вращающейся ножевой диаграммой направленности, управляемой блоком 2 электронного управления, и доплеровского радиолокатора 3, управляемого блоком 6 (см. фиг.1), излучают последовательность зондирующих импульсов по нормали к водной поверхности (см. фиг.2). При вращении ножевой диаграммы направленности с указанными угловыми размерами 1°×25° и скоростью вращения 6 об/мин на водной поверхности освещают полосу обзора шириной 355 км (для указанной высоты полета 800 км), что позволяет получить изображение происходящего на поверхности океана процесса. При этом каждый отдельный импульс излучения радиолокатора 3 освещает при указанной высоте полета пятно с размерами порядка 14×355 км (см. фиг.3). Этой же антенной 1 с радиолокатором 3 принимают последовательность отраженных от водной поверхности импульсов, которые обрабатывают и запоминают в регистрирующем устройстве 4 до очередного сеанса связи со станцией слежения на Земле. С помощью приемопередатчика 5 осуществляют обмен информацией со станцией слежения, при этом принятые команды поступают в блок управления 6, с помощью которого координируют работу всего устройства для реализации разработанного способа.

Обработка с помощью регистрирующего устройства 4 отраженных от водной поверхности зондирующих импульсов заключается в том, что с помощью известных временной и доплеровской селекции по дальности делят упомянутое освещенное пятно с размерами 14×355 км на элементарные "i"-ые (i меняется от 1 до N) рассеивающие ячейки, т.е. деление освещенного пятна проводят вдоль упомянутой (см. фиг.2) продольной оси X₁ этого пятна, которая вращается вместе с антенной 1 по азимутальному углу φ_j (см. фиг.3 и 4). Для каждой "i"-ой ячейки определяют мощность отраженного сигнала и сечение обратного рассеяния σ₀ (θ_i), где θ_i - угол падения зондирующего излучения на "i"-ую ячейку (см. фиг.2). Эта информация, как было отмечено выше, хранится в регистрирующем устройстве 4 до очередного сеанса связи со станцией слежения. Выбрав шаг по углу падения θ примерно равным 1°, получают деление полосы обзора на элементарные ячейки размером, например, 14×14 км (см. фиг.5). Далее уже на станции слежения проводят коррекцию по мощности принятого сигнала от каждой "i"-ой ячейки с учетом формы диаграммы направленности антенны 1, которая принята гауссовой и задается следующим выражением:

и

- ширина диаграммы направленности на уровне 0,5 по осям X₁ и Y₁ соответственно, R₀ - высота полета спутника. Для коррекции умножают мощность отраженного сигнала в "i"-ой элементарной ячейке (сечение обратного рассеяния σ₀ (θ_i)) на коэффициент, связанный с диаграммой направленности антенны 1. Формула перерасчета имеет следующий вид:

После выполнения коррекции, как установлено авторами, дисперсия наклонов вдоль направления зондирования (оси X₁) вычисляется по следующей формуле:

θ_i и θ_i+1 - углы падения для двух последовательных "i"-ой и "i+1"-ой элементарных ячеек вдоль направления зондирования (азимутального угла φ_j) см. фиг.4; σ_0к (θ_i) и σ_0к (θ_i+1) - скорректированные сечения обратного рассеяния этих ячеек соответственно, j - номер азимутального направления, под которым наблюдается каждая элементарная ячейка.

Как видно из приведенной формулы (в знаменателе формулы сечение обратного рассеяния σ_0к(θ_i+1) в "i+1"-ой ячейке делится на сечение обратного рассеяния σ_0к(θ_j) в "i"-ой ячейке) при обработке экспериментальных данных со спутника в разработанном способе важны (используются) не абсолютные значения отраженной мощности (сечения обратного рассеяния) в каждой элементарной отражающей ячейке, а относительные изменения отраженной мощности - в соседних ячейках. За счет этого в разработанном способе удается избавиться от таких существенных проблем, как необходимость регулярной калибровки радиолокатора по мощности, необходимость учета ослабления отраженного сигнала дождевыми облаками, необходимость поддержания стабильной мощности радиолокатора в течение всего срока эксплуатации.

Известно, что с достаточной степенью точности полная дисперсия наклонов поверхности представляет собой сумму дисперсий наклонов, измеренных в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Поэтому для определения полной дисперсии наклонов σ_i ² поверхности в каждой "i"-ой элементарной ячейке измеряют дисперсию наклонов в этой ячейке под разными азимутальными углами φ_j, используя вращение антенны 1 во время движения спутника (см. фиг.3 и 4). Квадраты на фиг.4 изображают "i"-ую и "i+1"-ую ячейки вдоль направлений зондирования под углами φ_j и φ_j+90°. Таким образом, определив дисперсию наклонов для двух взаимно перпендикулярных направлений, определяют полную дисперсию наклонов для "i"-ой ячейки σ_i ² из соотношения: σ² _i=σ² _i(φ_j)+σ² _i(φ_j+90°).

Следующим шагом при обработке данных является определение направления распространения φ_wi крупномасштабного волнения в "i"-ой ячейке. Поскольку в каждой "i"-ой ячейке дисперсия наклонов σ² _i(φ_j) определена для нескольких (разных) азимутальных углов φ_j, то по экспериментально измеренным точкам с помощью алгоритма, используемого в скаттерометрии, восстанавливают азимутальную зависимость дисперсии наклонов (см. фиг.6). Максимальное значение дисперсии σ_w ² на данном графике указывает искомое направление распространения крупномасштабного волнения φ_wi в "i"-ой ячейке.

Скорость приповерхностного ветра V в "i"-ой ячейке определяют по измеренному с помощью регистрирующего устройства 4 в каждой ячейке сечению обратного рассеяния σ₀ (θ_i) и по измеренным во взаимно перпендикулярных направлениях в каждой ячейке дисперсиям наклонов σ² _i(φ_j) и +σ² _i(φ_j+90°) (см. выше). Для вычисления искомой скорости ветра V используют новый регрессионный алгоритм V=F[σ₀, σ² _i(φ_j), σ² _i(φ_j+90°)], который должен быть получен на начальном этапе калибровки радиолокатора спутника по стандартной методике (см., например, Witter and Chelton, A Geosat altimeter wind speed algorithm and a method for altimeter wind speed algorithm development, J. Geophysical Research, v.96, NC5, 1995, pp.8853-8860) с учетом упомянутых измеренных дисперсий наклонов σ² _i(φ_j) и σ² _i(φ_j+90°). Дисперсии наклонов σ² _i(φ_j) и σ² _i,(φ_j+90°) зависят не только от скорости ветра V, но и от присутствия в "i"-ой ячейке волн зыби, не связанных с ветром в данной ячейке, но влияющих на связь σ₀ со скоростью ветра V. Известные и используемые на сегодняшний день алгоритмы вычисления скорости приповерхностного ветра V учитывают только одну переменную - сечение обратного рассеяния σ₀ и не учитывают дисперсии наклонов водной поверхности в "i"-ой ячейке во взаимно перпендикулярных направлениях, которые существенно влияют на корреляцию σ_O со скоростью ветра V и поэтому, если их не учитывать, постоянно вносят ошибку в измерения. Точность определения скорости ветра V по новому алгоритму с учетом упомянутых дисперсий наклонов будет выше, что следует из математической статистики. Методика получения регрессионного алгоритма также известна (см. например, Г.Корн и Т.Корн "Справочник по математике для научных работников и инженеров", Москва, издательство "Наука", 1977 г. стр.553-557).

Таким образом, разработанный панорамный радиолокационный способ определения состояния приповерхностного слоя океана обеспечивает измерение в каждой "i"-ой элементарной ячейке широкой полосы обзора (шириной 355 км) следующих параметров: дисперсии наклонов σ_i ², направления распространения φ_wi крупномасштабного волнения, а также более точное восстановление скорости приповерхностного ветра V, т.е. позволяет решить поставленную задачу и получить двумерное изображение рассеивающей водной поверхности в широкой полосе обзора.

В одном частном случае реализации разработанного способа, когда необходимо повысить пространственное разрешение, т.е. когда необходимо более детальное исследование состояния приповерхностного слоя океана и требуется рассмотреть более мелкие элементарные ячейки чем, 14×14 км, целесообразно с помощью дополнительной временной селекции по дальности сначала сформировать элементарные ячейки с размером, например, 14×1 км. Такая элементарная рассеивающая ячейка будет представлять собой сегмент (отрезок) кольца шириной 1 км и длиной 14 км, благодаря чему оказывается зафиксированным для данной ячейки (сегмента кольца) угол падения θ₀, при этом разность доплеровских смещений V_допл. внутри данной ячейки оказывается зависящей, как это следует из известной формулы для доплеровского смещения V_допл=2V₀sin θ_i·sin φ_j, только от изменений азимутального угла φ_j внутри данной ячейки 14×1 км:

V_допл=2V₀sinθ₀[sin(φ_j+1°)-sin(φ_j)], где

V₀ - скорость перемещения спутника, оснащенного устройством для реализации разработанного способа (ширина диаграммы направленности антенны 1 в азимутальном направлении выбрана 1°). Как установлено авторами, сильное изменение разности доплеровских смещений V_допл внутри ячейки 14×1 км происходит даже при изменении азимутального угла φ_j всего на 0,5-1° в следующих интервалах углов φ_j при каждом обороте антенны 1: в интервале φ_j от -45° до 45° и в интервале от 135° до 225°. Поэтому целесообразно использовать эту дополнительную доплеровскую селекцию по азимутальному углу φ_j для деления ячейки 14×1 км на 2-3 части по азимуту, т.е. для формирования элементарных ячеек с размерами, например, 5×1 км.

В другом частном случае реализации разработанного способа, когда необходимо измерить среднюю длину волны L_m крупномасштабного волнения в каждой элементарной "i"-ой ячейке, размерами, например, 14×14 км, вначале по доплеровским скоростям с помощью дополнительных частотных фильтров, установленных в радиолокаторе 3, создают начальную точку отсчета для регистрации отраженных импульсов в каждой "i"-ой ячейке. После этого прием отраженных от водной поверхности импульсов и регистрацию их формы с помощью упомянутой временной селекции проводят для каждой "i"-ой ячейки отдельно и стандартным алгоритмом по тангенсу угла наклона в средней точке переднего фронта импульса, зарегистрированного в "i"-ой ячейке, определяют высоту H значительного волнения для нескольких азимутальных направлений в "i"-ой ячейке. Затем определяют уточненное значение высоты Н значительного волнения в "i"-ой ячейке путем определения среднего значения высоты Н по нескольким упомянутым измерениям в данной ячейке. После чего по упомянутому измеренному максимальному значению дисперсии наклонов σ_w ² в "i"-ой ячейке на графике фиг.6 и по уточненному значению высоты Н значительного волнения определяют среднюю длину волны L_m крупномасштабного волнения из соотношения L_m=H/σ_w. Высота Н и длина волны L_m крупномасштабного волнения имеют важное значение для численных моделей приповерхностного слоя океана, кроме того, от длины волны L_m напрямую зависит скорость распространения крупномасштабного волнения, т.е., например, насколько быстро зародившийся шторм достигнет прибрежной зоны.

Таким образом, разработанный панорамный радиолокационный способ определения параметров состояния приповерхностного слоя океана позволяет построить двумерное изображение водной поверхности, что открывает возможности для анализа волновых процессов на поверхности океана, изучения их структуры и временной динамики при повторных наблюдениях, что необходимо для составления долгосрочных прогнозов погоды, для изучения Мирового океана и решения множества других прикладных задач.

Claims (3)

1. Панорамный радиолокационный способ определения параметров состояния приповерхностного слоя океана со спутника, включающий излучение зондирующих импульсов микроволнового диапазона доплеровским радиолокатором, снабженным однолучевой вращающейся антенной с ножевой диаграммой направленности, прием отраженных от водной поверхности зондирующих импульсов микроволнового диапазона, регистрацию их формы, определение сечения обратного рассеяния σ₀ и последующее вычисление по алгоритму скорости приповерхностного ветра V, отличающийся тем, что ножевую диаграмму направленности антенны вращают вокруг вертикальной оси симметрии антенны, проходящей через ее центр, упомянутые зондирующие импульсы направляют к поверхности океана в надир и каждым зондирующим импульсом микроволнового диапазона освещают на водной поверхности пятно с размерами, зависящими от высоты полета спутника, например, 14×355 км, а при приеме отраженных от водной поверхности зондирующих импульсов микроволнового диапазона используют одновременно временную и доплеровскую селекции по дальности для выделения в упомянутом пятне 14×355 км элементарных рассеивающих ячеек с размерами, например, 14×14 км, затем определяют для каждых двух последовательных i-й и i+1-й ячеек сечения обратного рассеяния σ₀ (θ_i) и σ₀ (θ_i+1), которые корректируют с учетом гауссовой формы диаграммы направленности антенны в соответствии с выражением

,

где δ_x - ширина диаграммы направленности на уровне 0,5 по мощности вдоль направления зондирования, θ_i - угол падения для i-й элементарной рассеивающей ячейки, σ₀ (θ_i) - сечение обратного рассеяния i-й элементарной рассеивающей ячейки, затем определяют дисперсию наклонов σ² _i (φ_j) вдоль азимутального направления зондирования φ_j для каждой i-й ячейки

,

где θ_i и θ_i+1 - углы падения для двух последовательных элементарных ячеек, σ_0к(θ_i) и σ_0к(θ_i+1) скорректированные сечения обратного рассеяния этих ячеек соответственно, j - номер азимутального направления, под которым наблюдается элементарная рассеивающая ячейка, после чего полную дисперсию наклонов для i-й ячейки σ_i ² определяют из соотношения σ² _i=σ² ₀(φ_j)+σ² _i(φ_j+90°), и далее по графику азимутальной зависимости дисперсии наклонов σ² _i(φ_j) определяют направление распространения φ_wi крупномасштабного волнения в i-й элементарной рассеивающей ячейке, а упомянутую скорость приповерхностного ветра V определяют по сечению обратного рассеяния σ₀ и дисперсиям наклонов σ² _i(φ_j) и σ² _i(φ_j+90°) с помощью алгоритма V=F[σ₀, σ² _i(φ_j), σ_i ²(φ_j+90°)], полученного стандартным методом регрессии.

2. Панорамный радиолокационный способ по п.1, отличающийся тем, что с помощью дополнительной временной селекции по дальности формируют элементарные рассеивающие ячейки с размерами, например, порядка 14×1 км, затем с помощью дополнительной доплеровской селекции по азимутальному углу φ_j выделяют элементарные ячейки с размерами, например, порядка 5×1 км.

3. Панорамный радиолокационный способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что, для измерения средней длины волны L_m крупномасштабного волнения в каждой i-й элементарной рассеивающей ячейке полосы обзора, вначале по доплеровским скоростям с помощью дополнительных частотных фильтров, установленных в радиолокаторе, создают начальную точку отсчета для регистрации отраженных импульсов в каждой i-й ячейке, после этого прием отраженных от водной поверхности импульсов и регистрацию их формы с помощью упомянутой временной селекции проводят для каждой i-й элементарной рассеивающей ячейки отдельно и стандартным алгоритмом по тангенсу угла наклона в средней точке переднего фронта импульса, зарегистрированного в данной i-й ячейке, определяют высоту Н значительного волнения для нескольких азимутальных направлений в этой i-й ячейке, затем определяют уточненное значение высоты Н значительного волнения в i-й ячейке полосы обзора путем определения среднего значения высоты Н по нескольким упомянутым измерениям в данной ячейке, после чего по измеренному максимальному значению дисперсии наклонов σ_w ² в i-й элементарной рассеивающей ячейке на упомянутом графике азимутальной зависимости дисперсии наклонов σ² _i(φ_j) и по уточненному значению высоты Н значительного волнения среднюю длину волны L_m крупномасштабного волнения определяют из соотношения L_m=H/σ_w.

Images