[go: up one dir, main page]

RU2626233C2 - Method of differentiating anomalies on water surface by multi-frequency microwave radar - Google Patents

Method of differentiating anomalies on water surface by multi-frequency microwave radar Download PDF

Info

Publication number
RU2626233C2
RU2626233C2 RU2015149331A RU2015149331A RU2626233C2 RU 2626233 C2 RU2626233 C2 RU 2626233C2 RU 2015149331 A RU2015149331 A RU 2015149331A RU 2015149331 A RU2015149331 A RU 2015149331A RU 2626233 C2 RU2626233 C2 RU 2626233C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
water surface
wind speed
bragg
wave numbers
polarizations
Prior art date
Application number
RU2015149331A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015149331A (en
Inventor
Станислав Александрович Ермаков
Ирина Андреевна Сергиевская
Ольга Владимировна Шомина
Иван Александрович Капустин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority to RU2015149331A priority Critical patent/RU2626233C2/en
Publication of RU2015149331A publication Critical patent/RU2015149331A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2626233C2 publication Critical patent/RU2626233C2/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88Radar or analogous systems specially adapted for specific applications

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: signals are emitted and received, scattered by the water surface in the microwave bands (LX-bands) on two polarizations (HH and VV) for two frequencies separated by not less than one and a half times at a certain observation angle. Herewith the observation angle is chosen in the range of 50-80° from the vertical. As the characteristics of the received signals, the difference of the measured specific effective scattering areas of the received signals on two polarizations for each of the two frequencies is used. The obtained values of the differences determine the experimental values of the wave intensities at the Bragg wave numbers. At the same time, the average wind speed is measured. For the measured average wind speed, theoretical background wave intensities at Bragg wave numbers are calculated using the model spectrum. Spectral contrasts of waves on the water surface are obtained as the ratio of the theoretical background values of the wave intensities at the Bragg wave numbers to the experimental values of the wave intensities at the Bragg wave numbers for both frequencies for the measured average wind speed. A decision is taken on the presence of an anomaly on the water surface on the basis of the magnitude comparison of the spectral contrast of waves on the water surface at the maximum of the Bragg wave numbers with a certain threshold value. The ratio of the obtained spectral contrasts is calculated. It is concluded that there is a film slip or a calm zone on the water surface based on the position of the contrast ratio value found for the measured value of the average wind speed relative to the semiempirical curve of the contrast ratio relationship to the wind speed at a certain observation angle: if the value is above the curve, the film slip is observed, if it is below - the calm zone is observed.
EFFECT: increasing the accuracy of anomalies on the water surface.
2 dwg

Description

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным методам изучения водной поверхности с целью выявления и определения характера присутствующих на ней аномалий (областей с пониженной интенсивностью волнения).The invention relates to radar, and in particular to radar methods for studying the water surface in order to identify and determine the nature of the anomalies present on it (areas with reduced wave intensity).

Способ позволяет различить характер аномалии на водной поверхности, а именно отличить область локального (кратковременного) уменьшения скорости ветра (штилевую зону) от области, покрытой пленкой поверхностно-активного вещества (пленочного слика), по наблюдениям комплексом многочастотной радиолокации, включающим излучение сигналов в СВЧ-диапазоне (L-X-диапазонах) на двух поляризациях НН (излучение и прием на горизонтальной поляризации) и VV (излучение и прием на вертикальной поляризации) для двух разнесенных не менее чем в полтора раза частот. Способ применим для наблюдения водной поверхности в условиях умеренных ветров (скорости ветра до 7 м/с) при не слишком малых углах наблюдения (50-80° от вертикали) со свайных оснований или с судов.The method allows to distinguish the nature of the anomaly on the water surface, namely to distinguish the region of local (short-term) decrease in wind speed (calm zone) from the region covered by a film of surface-active substance (film slick), according to observations by a multi-frequency radar system, including the emission of signals in the microwave range (LX-ranges) on two LV polarizations (emission and reception on horizontal polarization) and VV (emission and reception on vertical polarization) for two spaced no less than one and a half times an hour by. The method is applicable for observing the water surface in moderate winds (wind speeds up to 7 m / s) at not too small viewing angles (50-80 ° from the vertical) from pile bases or from ships.

Существующие способы нахождения аномалий на водной поверхности позволяют определить координаты области аномалии, такой как штилевая зона или пленочный слик, но не позволяют достоверно определять характер аномалии. При этом обычно по умолчанию считается, что область уменьшения удельных эффективных площадей рассеяния принятых сигналов соответствует разливу поверхностно-активного вещества, такого, как нефть или нефтепродукты, и вероятность ложной тревоги не оценивается.Existing methods for locating anomalies on the water surface make it possible to determine the coordinates of the anomaly region, such as a calm zone or film slick, but do not allow to reliably determine the nature of the anomaly. In this case, it is usually assumed by default that the area of decrease in the specific effective scattering areas of the received signals corresponds to a spill of a surfactant, such as oil or oil products, and the probability of false alarm is not evaluated.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является взятый за прототип способ выявления нефтяных загрязнений морской поверхности с помощью когерентного радара (Method of detecting oil spill at the sea by means of an oil spill radar, and such an oil spill radar: Патент на изобретение GB 2511254: МПК G01S 13/34; G01S 13/88; G01S 7/02; G01S 7/41 / Norland Richard; ISPAS AS [NO]. - GB 20140010224; 19.12.2012), включающий излучение и прием СВЧ-сигналов с частотой от 2 до 18 ГГц (S-Ku-диапазоны) в двух поляризационных режимах (НН и VV) под углами наблюдения 60-89,5° от вертикали. В качестве характеристик принятых сигналов используют коэффициенты Френеля, пропорциональные удельным эффективным площадям рассеяния. Находят отношение принятых сигналов для НН и VV поляризаций. Абсолютное значение сигнала-отношения сравнивают с теоретическим фоновым значением, отвечающим за рассеяние от чистой поверхности воды, в случае существенного отклонения от этого значения считают, что в заданной точке наблюдается аномалия, а именно пленочный слик (вернее, пятно поверхностно-активного вещества, а именно нефти). По величине скачка фазы сигнала-отношения определяют толщину пленки.The closest in technical essence to the proposed method is a prototype method for detecting oil pollution of the sea surface using a coherent radar (Method of detecting oil spill at the sea by means of an oil spill radar, and such an oil spill radar: GB patent 2511254: IPC G01S 13/34; G01S 13/88; G01S 7/02; G01S 7/41 / Norland Richard; ISPAS AS [NO]. - GB 20140010224; 12.19.2012), including the emission and reception of microwave signals with a frequency from 2 to 18 GHz (S-Ku bands) in two polarization modes (LV and VV) at viewing angles of 60-89.5 ° from the vertical. Fresnel coefficients proportional to the specific effective scattering areas are used as characteristics of the received signals. Find the ratio of the received signals for HH and VV polarizations. The absolute value of the signal-ratio is compared with the theoretical background value responsible for scattering from a clean water surface, in the case of a significant deviation from this value, it is believed that an anomaly is observed at a given point, namely a film slick (or rather, a spot of a surfactant, namely oil). The magnitude of the phase jump of the signal-ratio determines the thickness of the film.

Недостатком способа-прототипа является недостаточная точность определения областей водной поверхности, покрытых пленками поверхностно-активных веществ. Причина этого в том, что для чистой поверхности воды абсолютное значение сигнала-отношения будет близко к теоретическому фоновому значению (отношению коэффициентов Френеля согласно двухмасштабной модели рассеяния) только если не учитывать вклад в удельную эффективную площадь рассеяния неполяризованной компоненты. В способе-прототипе поляризованная компонента, которую не исключают из расчетов, может давать существенный вклад в значение удельной эффективной площади рассеяния даже для чистой поверхности воды, что приведет к ложному выводу о наличии аномалии - пленочного слика. Дополнительным источником ошибки является то, что к существенному изменению сигнала-отношения на различных поляризациях может привести не пленка поверхностно-активного вещества, а наличие штилевой области на водной поверхности. Известно, что появление и штилевой зоны, и пленочного слика приводит к уменьшению удельных эффективных площадей рассеяния сигналов обратного рассеяния по сравнению с теоретическим фоновым значением.The disadvantage of the prototype method is the lack of accuracy in determining areas of the water surface covered with films of surfactants. The reason for this is that for a clean water surface the absolute value of the signal-ratio will be close to the theoretical background value (the ratio of Fresnel coefficients according to the two-scale scattering model) only if we ignore the contribution to the specific effective scattering area of the non-polarized component. In the prototype method, the polarized component, which is not excluded from the calculations, can make a significant contribution to the value of the specific effective scattering area even for a clean water surface, which will lead to a false conclusion about the presence of an anomaly - film slick. An additional source of error is that a significant change in the signal-ratio at different polarizations can be caused not by a film of a surfactant, but by the presence of a calm region on the water surface. It is known that the appearance of both a calm zone and a film slick leads to a decrease in the specific effective scattering areas of backscattering signals in comparison with the theoretical background value.

Задачей, на которую направлено изобретение, является создание способа, позволяющего повысить точность выявления пленок поверхностно-активных веществ (пленочных сликов) на водной поверхности радиолокационными методами за счет отсеивания случаев локального понижения скорости ветра (штилевых зон), сходным образом проявляющихся при радиолокационном зондировании.The objective of the invention is to create a method that allows to increase the accuracy of detection of films of surface-active substances (film slicks) on the water surface by radar methods by eliminating cases of local decrease in wind speed (calm zones), similarly manifested during radar sensing.

Технический эффект достигается тем, излучают и принимают рассеянные водной поверхностью сигналы в СВЧ-диапазоне на двух поляризациях НН и VV, сравнивают характеристики принятых сигналов для обеих поляризаций с их теоретическими фоновыми значениями и на основании сравнения делают вывод о наличии или отсутствии аномалии.The technical effect is achieved by emitting and receiving signals scattered by the water surface in the microwave range at two polarizations of LV and VV, comparing the characteristics of the received signals for both polarizations with their theoretical background values and, based on the comparison, make a conclusion about the presence or absence of an anomaly.

Новым является то, что излучают и принимают рассеянные водной поверхностью сигналы в СВЧ-диапазоне (L-X-диапазонах) на двух поляризациях для двух разнесенных не менее чем в полтора раза частот под определенным углом наблюдения, угол наблюдения выбирают в диапазоне 50-80° от вертикали, в качестве характеристик принятых сигналов используют разность измеренных удельных эффективных площадей рассеяния принятых сигналов на двух поляризациях для каждой из двух частот, по полученным величинам разностей определяют экспериментальные значения интенсивностей волнения на брэгговских волновых числах, одновременно измеряют среднюю скорость ветра, для измеренной средней скорости ветра рассчитывают теоретические фоновые значения интенсивностей волнения на брэгговских волновых числах с использованием модельного спектра, находят спектральные контрасты волнения на водной поверхности как отношения теоретических фоновых значений интенсивностей волнения на брэгговских волновых числах к экспериментальным значениям интенсивностей волнения на брэгговских волновых числах для обеих частот для измеренного значения средней скорости ветра, принимают решение о наличии аномалии на водной поверхности на основании сравнения величины спектрального контраста волнения на водной поверхности на максимальном из брэгговских волновых чисел с некоторой пороговой величиной, вычисляют отношение полученных спектральных контрастов, после чего делают вывод о наличии на водной поверхности пленочного слика или штилевой зоны исходя из положения значения найденного отношения контрастов для измеренного значения средней скорости ветра относительно полуэмпирической кривой зависимости отношения контрастов от скорости ветра при определенном угле наблюдения: если значение выше кривой - наблюдают пленочный слик, если ниже - штилевую зону.What is new is that the signals scattered by the water surface in the microwave range (LX ranges) are emitted and received at two polarizations for two frequencies spaced no less than one and a half times at a certain viewing angle, the viewing angle is chosen in the range of 50-80 ° from the vertical , as the characteristics of the received signals, use the difference of the measured specific effective areas of scattering of the received signals at two polarizations for each of the two frequencies, the experimental values of the inte For the measured average wind speed, the theoretical background values of the wave intensities on the Bragg wave numbers are calculated using the model spectrum, and the spectral contrasts of the waves on the water surface are found as the ratios of the theoretical background values of the wave intensities on the Bragg wave numbers numbers to the experimental values of the wave intensities at the Bragg wave numbers for both frequency for the measured average wind speed, decide on the presence of anomalies on the water surface by comparing the magnitude of the spectral contrast of the waves on the water surface at the maximum of the Bragg wave numbers with a certain threshold value, calculate the ratio of the obtained spectral contrasts, and then conclude that the water surface of a film slick or a calm zone based on the position of the value of the found contrast ratio for the measured value of the average wind speed relative to the semi-empirical curve of the relationship of contrasts to wind speed at a certain viewing angle: if the value is higher than the curve, film slick is observed, if lower, the calm zone.

Способ поясняется следующими чертежами.The method is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 приведена зависимость спектрального контраста от частоты в пленочных сликах (сплошные кривые, цифры у кривых - упругости пленки поверхностно-активного вещества) и в штилевых зонах (пунктир, цифры у кривых - гашение ветра в процентах по отношению к средней скорости ветра).In FIG. Figure 1 shows the frequency dependence of spectral contrast in film slicks (solid curves, the numbers on the curves show the elasticity of the surfactant film) and in calm zones (dashed lines, the numbers on the curves show wind damping as a percentage of the average wind speed).

На фиг. 2 приведен пример полуэмпирической кривой зависимости отношения контрастов от скорости ветра для случая использования С- и S-диапазонов зондирования при угле наблюдения 60°. Кривая обозначает разделение случая штилевой зоны при падении скорости ветра на 40% и случая пленочного слика при упругости пленки поверхностно-активного вещества более 3 мН/м.In FIG. Figure 2 shows an example of a semi-empirical curve of the relationship between contrasts and wind speed for the use of C- and S-sensing ranges at an observation angle of 60 °. The curve indicates the separation of the case of a calm zone when the wind speed drops by 40% and the case of film slick when the elasticity of the surfactant film is more than 3 mN / m.

Способ поясняется следующим образом. Интенсивность мелкомасштабного ветрового волнения на водной поверхности сильно зависит от скорости ветра и наличия пленок поверхностно-активных веществ. Здесь и далее штилевой зоной условимся называть область кратковременного локального уменьшения скорости ветра не более 40%, пленочным сликом - область водной поверхности, покрытую пленкой поверхностно-активного вещества с не слишком малой упругостью, а именно более 3 мН/м. При локальном и кратковременном уменьшении скорости ветра, так же как и при наличии пленок поверхностно-активных веществ, ветровое волнение дм-см-диапазона ослабляется, образуя аномалии - области с пониженной интенсивностью волнения. Степень ослабления поверхностного волнения с заданной длиной волны характеризуется спектральным контрастом (отношением теоретического фонового значения интенсивности волнения к экспериментальному значению интенсивности волнения в области аномалии на заданном волновом числе). Характер зависимости спектрального контраста от длины поверхностных волн существенно различается для пленочных сликов и штилевых зон, характерный пример приведен на фиг. 1 (Sergievskaya, I. On discrimination between film slicks and "look-alikes" on the sea surface in multifrequency radar images / I. Sergievskaya; S.A. Ermakov, I. Kapustin // Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions. Proc. SPIE 9638, 2015. Doi: 10.1117/12.2195031; http://dx.doi.org/10.1117/12.2195031).The method is illustrated as follows. The intensity of small-scale wind waves on the water surface strongly depends on the wind speed and the presence of films of surface-active substances. Hereinafter, we call the calm zone the region of short-term local wind speed reduction of not more than 40%, film slick - the region of the water surface covered with a film of a surfactant with not too low elasticity, namely more than 3 mN / m. With a local and short-term decrease in wind speed, as well as in the presence of films of surface-active substances, the wind wave of the dm-cm range is weakened, forming anomalies - regions with a reduced wave intensity. The degree of attenuation of surface waves with a given wavelength is characterized by spectral contrast (the ratio of the theoretical background value of the wave intensity to the experimental value of the wave intensity in the anomaly region at a given wave number). The nature of the dependence of spectral contrast on the surface wavelength varies significantly for film slicks and calm zones, a typical example is shown in FIG. 1 (Sergievskaya, I. On discrimination between film slicks and "look-alikes" on the sea surface in multifrequency radar images / I. Sergievskaya; SA Ermakov, I. Kapustin // Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions. Proc. SPIE 9638, 2015. Doi: 10.1117 / 12.2195031; http://dx.doi.org/10.1117/12.2195031).

В связи с этим одновременное измерение характеристик поверхностных волн разной длины с помощью многочастотной радиолокации дает возможность отличить штилевую зону от пленочного слика. Для пленочного слика, в отличие от штилевой зоны, значительные (в несколько раз) изменения спектрального контраста имеют место на масштабах изменения длины поверхностных волн в 1,5-2 раза. Поэтому для измерений предпочтительно разнесение частот зондирующего радиолокационного излучения как минимум в полтора раза, что обеспечит необходимое (легко детектируемое) различие контрастов на анализируемых длинах поверхностных волн.In this regard, the simultaneous measurement of the characteristics of surface waves of different lengths using multi-frequency radar makes it possible to distinguish a calm zone from film slick. For a film slick, in contrast to the calm zone, significant (several times) changes in spectral contrast occur on the scales of changes in the surface wavelength by 1.5–2 times. Therefore, for measurements, it is preferable that the frequencies of the probing radar radiation are spaced at least one and a half times, which will provide the necessary (easily detectable) difference in contrasts at the analyzed surface wavelengths.

Проведенный анализ (Sergievskaya, I. On discrimination between film slicks and "look-alikes" on the sea surface in multifrequency radar images / I. Sergievskaya; S.A. Ermakov, I. Kapustin // Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions. Proc. SPIE 9638, 2015. Doi: 10.1117/12.2195031; http://dx.doi.org/10.1117/12.2195031) показывает, что отношение контрастов на двух разных волновых числах поверхностного волнения

Figure 00000001
в штилевых зонах с заданным уменьшением скорости ветра ΔV не может превышать некоторую критическую величину A, зависящую от скорости ветра V и волновых чисел k1<k2 волн на водной поверхности:Analysis (Sergievskaya, I. On discrimination between film slicks and "look-alikes" on the sea surface in multifrequency radar images / I. Sergievskaya; SA Ermakov, I. Kapustin // Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters , and Large Water Regions. Proc. SPIE 9638, 2015. Doi: 10.1117 / 12.2195031; http://dx.doi.org/10.1117/12.2195031) shows that the ratio of contrasts on two different wave numbers of surface waves
Figure 00000001
in calm zones with a given decrease in wind speed ΔV cannot exceed a certain critical value A, depending on the wind speed V and wave numbers k1 <k2 of waves on the water surface:

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

где α=4.62⋅10-5±2⋅10-5 - эмпирический коэффициент, ν - вязкость воды,

Figure 00000004
. Условие справедливо, если
Figure 00000005
.where α = 4.62⋅10 -5 ± 2⋅10 -5 is the empirical coefficient, ν is the viscosity of water,
Figure 00000004
. The condition is true if
Figure 00000005
.

Таким образом, если отношение контрастов для двух частот излучения для измеренного значения средней скорости ветра при определенном угле наблюдения превышает критическую величину A, можно делать вывод о наличии пленочного слика, т.е. пленки поверхностно-активного вещества на поверхности, в противном случае можно считать, что наблюдается штилевая зона.Thus, if the ratio of contrasts for two radiation frequencies for the measured value of the average wind speed at a certain viewing angle exceeds a critical value A, we can conclude that there is a film slick, i.e. surfactant films on the surface; otherwise, it can be considered that a calm zone is observed.

Способ осуществляют следующим образом. Излучают и принимают рассеянные водной поверхностью сигналы в СВЧ-диапазоне (L-X-диапазонах) под определенным углом наблюдения на двух поляризациях VV (излучение и прием на вертикальной поляризации) и НН (излучение и прием на горизонтальной поляризации) для двух разнесенных не менее чем в полтора раза частот излучения.The method is as follows. The signals scattered by the water surface radiate and receive signals in the microwave range (LX ranges) at a certain viewing angle at two polarizations VV (radiation and reception on vertical polarization) and LV (radiation and reception on horizontal polarization) for two spaced no less than one and a half times radiation frequencies.

Находят интенсивность волнения на брэгговском волновом числе

Figure 00000006
, (где
Figure 00000007
- частота излучения СВЧ-радиолокатора, а θ - угол наблюдения), которая пропорциональна разности удельных эффективных площадей рассеяния принятых сигналов на поляризациях НН и VV, для каждой частоты (см., например, Kudryavtsev, V. Quad-polarized SAR measurements of ocean currents in C-and L-bands / V. Kudryavtsev, I. Kozlov, B. Chapron, J.A. Johannessen // Proc. Geosci. Remote Sens. Symp (IGARSS), IEEE International, 2015. P. 4212-4215):Find the intensity of the waves on the Bragg wave number
Figure 00000006
, (where
Figure 00000007
is the microwave radiation frequency, and θ is the observation angle), which is proportional to the difference in the specific effective scattering areas of the received signals at the HH and VV polarizations, for each frequency (see, for example, Kudryavtsev, V. Quadratic polarized SAR measurements of ocean currents in C-and L-bands / V. Kudryavtsev, I. Kozlov, B. Chapron, JA Johannessen // Proc. Geosci. Remote Sens. Symp (IGARSS), IEEE International, 2015. P. 4212-4215):

Figure 00000008
Figure 00000008

где индекс i=1, 2 отвечает одной из рабочих частот.where the index i = 1, 2 corresponds to one of the working frequencies.

За счет нахождения разности измеренных удельных эффективных площадей рассеяния принятых сигналов на двух поляризациях для каждой из двух частот происходит исключение из дальнейших расчетов неполяризованной компоненты рассеяния.By finding the difference in the measured specific effective scattering areas of the received signals at two polarizations for each of the two frequencies, an unpolarized scattering component is excluded from further calculations.

Одновременно проводят измерение средней скорости ветра, по значению которой рассчитывают теоретическое фоновое значение интенсивности волнения на брэгговском волновом числе Fфон (kbraggi) для каждой из частот с использованием модельного спектраAt the same time, the average wind speed is measured, the value of which is used to calculate the theoretical background value of the wave intensity at the Bragg wave number F background (k braggi ) for each of the frequencies using the model spectrum

волнения (Elfouhaily, T.B. A unified directional spectrum for long and short wind-driven waves / T.B. Elfouhaily, B. Chapron, K.B. Katsaros, D.J. Vandemark // J. Geophys. Res. 1997. V.107. P. 15781-15796). Затем для каждой из частот рассчитывают контраст.disturbances (Elfouhaily, TB A unified directional spectrum for long and short wind-driven waves / TB Elfouhaily, B. Chapron, KB Katsaros, DJ Vandemark // J. Geophys. Res. 1997. V.107. P. 15781-15796) . Then, contrast is calculated for each of the frequencies.

Figure 00000009
,
Figure 00000009
,

где F (kbraggi) - полученное из эксперимента значение интенсивности волнения на брэгговском волновом числе в каждый момент времени. Решение о наличие аномалии принимают при превышении контрастом на максимальном из брэгговских волновых чисел некоторой пороговой величины, значение которой лежит в пределах 1,15-1,25 и уточняется непосредственно в процессе измерений.where F (k braggi ) is the experimentally obtained value of the intensity of the waves on the Bragg wave number at each moment in time. The decision on the presence of anomalies is made when the contrast exceeds the maximum of the Bragg wave numbers of a certain threshold value, the value of which lies in the range 1.15-1.25 and is specified directly in the measurement process.

Затем находят отношение спектральных контрастов

Figure 00000010
в области аномалии, определяют его положение относительно полуэмпирической кривой зависимости отношения контрастов от скорости ветра при определенном угле наблюдения. Кривую рассчитывают на основе проверенной в натурных условиях (Ермаков, Влияние пленок на динамику гравитационно-капиллярных волн / С.А. Ермаков. - Н. Новгород: ИПФ РАН, 2010. - 165 с.) модели локального баланса. Пример такой кривой для случая использования С- и S-диапазонов зондирования при угле наблюдения 60° приведен на фиг. 2. Кривая обозначает разделение случая штилевой зоны при падении скорости ветра на 40% и случая пленочного слика при упругости пленки поверхностно-активного вещества более 3 мН/м.Then find the ratio of spectral contrasts
Figure 00000010
in the region of the anomaly, determine its position relative to the semi-empirical curve of the relationship of contrasts to wind speed at a certain viewing angle. The curve is calculated on the basis of a model tested in natural conditions (Ermakov, Influence of films on the dynamics of gravitational-capillary waves / S. A. Ermakov. - N. Novgorod: IAP RAS, 2010. - 165 p.) Local balance model. An example of such a curve for the case of using C- and S-sensing ranges at a viewing angle of 60 ° is shown in FIG. 2. The curve indicates the separation of the case of a calm zone when the wind speed drops by 40% and the case of film slick with a film elasticity of the surfactant exceeding 3 mN / m.

Если значение отношения контрастов лежит выше кривой, то делают вывод, что на водной поверхности наблюдают пленочный слик (т.е. водная поверхность в области аномалии покрыта пленкой поверхностно-активного вещества), если ниже, - то локальную штилевую зону.If the value of the contrast ratio lies above the curve, then we conclude that a film slick is observed on the water surface (i.e. the water surface in the anomaly region is covered with a film of a surfactant), if lower, then a local calm zone.

Приведенные выше рассуждения можно расширить на случай увеличения количества частот СВЧ-зондирования в пределах L-X-диапазонов, что позволит повысить достоверность различения пленочных сликов и штилевых зон.The above reasoning can be extended to the case of an increase in the number of microwave sounding frequencies within the L-X ranges, which will improve the reliability of distinguishing between film slicks and calm zones.

Claims (1)

Способ различения аномалий на водной поверхности средствами многочастотной СВЧ-радиолокации, в котором излучают и принимают рассеянные водной поверхностью сигналы в СВЧ-диапазоне на двух поляризациях НН и VV, сравнивают характеристики принятых сигналов для обеих поляризаций с их теоретическими фоновыми значениями и на основании сравнения делают вывод о наличии или отсутствии аномалии, отличающийся тем, что излучают и принимают рассеянные водной поверхностью сигналы в СВЧ-диапазоне (L-X-диапазонах) на двух поляризациях для двух разнесенных не менее чем в полтора раза частот под определенным углом наблюдения, угол наблюдения выбирают в диапазоне 50-80° от вертикали, в качестве характеристик принятых сигналов используют разность измеренных удельных эффективных площадей рассеяния принятых сигналов на двух поляризациях для каждой из двух частот, по полученным величинам разностей определяют экспериментальные значения интенсивностей волнения на брэгговских волновых числах, одновременно измеряют среднюю скорость ветра, для измеренной средней скорости ветра рассчитывают теоретические фоновые значения интенсивностей волнения на брэгговских волновых числах с использованием модельного спектра, находят спектральные контрасты волнения на водной поверхности как отношения теоретических фоновых значений интенсивностей волнения на брэгговских волновых числах к экспериментальным значениям интенсивностей волнения на брэгговских волновых числах для обеих частот для измеренного значения средней скорости ветра, принимают решение о наличии аномалии на водной поверхности на основании сравнения величины спектрального контраста волнения на водной поверхности на максимальном из брэгговских волновых чисел с некоторой пороговой величиной, вычисляют отношение полученных спектральных контрастов, после чего делают вывод о наличии на водной поверхности пленочного слика или штилевой зоны, исходя из положения значения найденного отношения контрастов для измеренного значения средней скорости ветра относительно полуэмпирической кривой зависимости отношения контрастов от скорости ветра при определенном угле наблюдения: если значение выше кривой - наблюдают пленочный слик, если ниже - штилевую зону.A method for distinguishing anomalies on the water surface by means of multi-frequency microwave radar, in which signals in the microwave range are emitted and received by the water surface scattered by two HH and VV polarizations, the characteristics of the received signals for both polarizations are compared with their theoretical background values and, based on the comparison, they conclude the presence or absence of anomalies, characterized in that they emit and receive signals scattered by the water surface in the microwave range (LX ranges) at two polarizations for two separated no less than one and a half times the frequencies at a certain viewing angle, the viewing angle is selected in the range of 50-80 ° from the vertical, the characteristics of the received signals use the difference of the measured specific effective scattering areas of the received signals at two polarizations for each of the two frequencies, according to the received the values of the differences determine the experimental values of the intensities of the waves at the Bragg wave numbers, at the same time measure the average wind speed, for the measured average wind speed calculate t The theoretical background values of the wave intensities on the Bragg wave numbers using the model spectrum find the spectral contrasts of the waves on the water surface as the ratio of the theoretical background values of the wave intensities on the Bragg wave numbers to the experimental values of the wave intensities on the Bragg wave numbers for both frequencies for the measured average wind speed , decide on the presence of anomalies on the water surface based on a comparison of the spectral of the total contrast of waves on the water surface at the maximum of the Bragg wave numbers with a certain threshold value, the ratio of the obtained spectral contrasts is calculated, and then a conclusion is made on the presence of a film slick or a calm zone on the water surface based on the position of the value of the found contrast ratio for the measured average speed wind relative to the semi-empirical curve of the relationship of contrasts to wind speed at a certain viewing angle: if the value is higher than the curve - film slick is observed, if below - a calm zone.
RU2015149331A 2015-11-18 2015-11-18 Method of differentiating anomalies on water surface by multi-frequency microwave radar RU2626233C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015149331A RU2626233C2 (en) 2015-11-18 2015-11-18 Method of differentiating anomalies on water surface by multi-frequency microwave radar

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015149331A RU2626233C2 (en) 2015-11-18 2015-11-18 Method of differentiating anomalies on water surface by multi-frequency microwave radar

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015149331A RU2015149331A (en) 2017-05-24
RU2626233C2 true RU2626233C2 (en) 2017-07-24

Family

ID=58873967

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015149331A RU2626233C2 (en) 2015-11-18 2015-11-18 Method of differentiating anomalies on water surface by multi-frequency microwave radar

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2626233C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2751177C1 (en) * 2020-12-07 2021-07-09 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ "ЛЭТИ") Method for detecting oil films on the water surface
RU2794213C2 (en) * 2018-07-30 2023-04-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им.П.П.Ширшова Российской академии наук Method for operational search and detection of underwater sound source

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2479852C1 (en) * 2011-08-02 2013-04-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Method for remote determination of oil contamination of sea surface using microwave radar
RU2503029C2 (en) * 2011-12-28 2013-12-27 Игорь Федорович Шишкин Method of detecting anomalies on water surface
GB2511254A (en) * 2011-12-19 2014-08-27 Ispas As Method of detecting oil spill at the sea by means of an oil spill radar, and such an oil spill radar

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2479852C1 (en) * 2011-08-02 2013-04-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Method for remote determination of oil contamination of sea surface using microwave radar
GB2511254A (en) * 2011-12-19 2014-08-27 Ispas As Method of detecting oil spill at the sea by means of an oil spill radar, and such an oil spill radar
RU2503029C2 (en) * 2011-12-28 2013-12-27 Игорь Федорович Шишкин Method of detecting anomalies on water surface

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2794213C2 (en) * 2018-07-30 2023-04-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им.П.П.Ширшова Российской академии наук Method for operational search and detection of underwater sound source
RU2751177C1 (en) * 2020-12-07 2021-07-09 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ "ЛЭТИ") Method for detecting oil films on the water surface
WO2022124931A1 (en) * 2020-12-07 2022-06-16 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ") Method for detecting oil slicks on a water surface

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015149331A (en) 2017-05-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Melnikov et al. Mapping Bragg scatter with a polarimetric WSR-88D
RU2467347C1 (en) Method of detection and high-accuracy determination of marine ice floes and radiolocating system that implements it
NO20111748A1 (en) Portable radar for determining oil spill advantageous and thickness
KR101538368B1 (en) method of hydrometeor classification using raw data of X band dual polarization radar
EP3916352A1 (en) Inundation detection device, inundation detection system, and inundation detection method
Scott et al. The use of simultaneous horizontal and vertical transmissions for dual-polarization radar meteorological observations
Chuang et al. A simple ship echo identification procedure with SeaSonde HF radar
RU2626233C2 (en) Method of differentiating anomalies on water surface by multi-frequency microwave radar
Yang et al. An analysis of the radar backscatter fromoil-covered sea surfaces usingmomentmethod andMonte-Carlo simulation: preliminary results
RU2479852C1 (en) Method for remote determination of oil contamination of sea surface using microwave radar
RU2549192C1 (en) Target recognition method (versions)
RU2623668C1 (en) Method of remote determination of the relative dielectric permeability of the environment under the atmosphere-ocean border
Li et al. Oil spill detection on the ocean surface using hybrid polarimetric SAR imagery
RU2506614C2 (en) Method to detect icebergs
Gao et al. Performance comparison between reflection symmetry metric and product of multilook amplitudes for ship detection in dual-polarization SAR images
Ivonin et al. On classification of sea surface oil films using TerraSAR-X satellite polarization data
Velotto et al. Analysis of oceanic features from dual-polarization high resolution X-band SAR imagery for oil spill detection purposes
Haus et al. Wind speed dependence of single-site wave-height retrievals from high-frequency radars
RU2202779C2 (en) Passive method for remote detection of actual dielectric constant portion of oil film spilled over water surface
Ryzhkov et al. Discrimination between weather and sea clutter using Doppler and dual-polarization weather radars
Kulikova et al. Analysis of the Sea Surface Parameters by Doppler X-Band Radar in the Coastal Zone of the Black Sea
Johansson et al. Multi-mission remote sensing of low concentration produced water slicks
US8044838B1 (en) Methods and systems for determining the phase constant for a dielectric medium
Zhang et al. An efficient object-oriented method of Azimuth ambiguities removal for ship detection in SAR images
RU2548121C1 (en) Radar determination of sea water surface contamination with oil or other surfactants

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210421

Effective date: 20210421