Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния поверхности океана.

Спектр морских поверхностных волн является узкополосной функцией волновых чисел (или частот). Практически вся энергия сосредоточена в окрестности спектрального пика. Волны с масштабами, близкими к масштабу волн спектрального пика, принято называть доминантными или энергонесущими. Именно эти волны определяют воздействия на суда и гидротехнические сооружения. Характеристики доминантных волн относятся к числу основных характеристик морской поверхности, определяющих ее состояние.

Регистрируемый при радиозондировании с летательных аппаратов, например, со спутников, сигнал зависит как от доминантных волн, так и от мелкомасштабной ряби, энергия которой на несколько порядков меньше энергии доминантных волн. В общем виде проблема разделения влияния на отражённый радиосигнал составляющих поля морских волн разных масштабов до сих пор не решена.

В качестве одной из основных характеристик поля доминантных волн принято рассматривать значимую высоту волн. Известен способ дистанционного определения значимой высоты волн, путём вертикального зондирования из-под воды морской поверхности [1]. Зондирование осуществляется в акустическом диапазоне. Недостатком аналога является то обстоятельство, что он позволяет получать информацию о поле морских волн только на ограниченной акватории и не позволяет решать проблему мониторинга океана в глобальном масштабе.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является способ дистанционного определения характеристик морской поверхности путём радиозондирования с космических аппаратов [2]. Такие признаки прототипа, как формирование короткого радиоимпульса постоянной длительности, вертикальное зондирование морской поверхности, регистрация отражённого радиосигнала, определение характеристик волн по форме отражённого радиоимпульса, совпадают с существенными признаками заявленного изобретения.

Недостатком прототипа является следующее. Характеристики морской поверхности определяются по переднему склону отражённого радиоимпульса [3, 4]. В то же время на форму импульса влияет плотность точек зеркального отражения, которая растёт с ростом скорости приводного ветра, при этом также меняется их распределение вдоль профиля длинной волны. Одновременное воздействие двух факторов ограничивает точность определения характеристик поля доминантных волн.

В основу изобретения поставлена задача создания способа дистанционного определения характеристик морской поверхности, в котором за счёт использования зондирующих импульсов разной длительности обеспечивается новое техническое свойство - разделение воздействия на отражённый от морской поверхности сигнал двух факторов: доминантных ветровых волн и мелкомасштабной ряби. Указанное новое свойство обусловливает достижение технического результата изобретения -повышение точности определения характеристик морской поверхности.

Поставленная задача решается тем, что в способе дистанционного определения характеристик морской поверхности, который заключается в том, что формируются короткие радиоимпульсы постоянной длительности, морская поверхность вертикально зондируется этими радиоимпульсами, регистрируется отражённый радиосигнал, по форме переднего фронта которого определяются характеристики волн, новым является то, что дополнительно формируются более длинные радиоимпульсы, длительность которых обеспечивает одновременное отражение радиоимпульсов от всей площади морской поверхности, освещаемой в пределах диаграммы направленности антенны, осуществляют вертикальное зондирование морской поверхности этими дополнительными радиоимпульсами, определяют их амплитуду, по ней определяют скорость ветра, и с учетом полученной скорости вера определяют характеристики волн.

Сущность способа поясняется с помощью иллюстрации, на которой схематично изображена геометрия освещаемой поверхности. При вертикальном зондировании морской поверхности короткими импульсами длительностью порядка несколько наносекунд (обозначим эту длительность символом τ) на временном интервале 0<t≤τ освещаемая область представляет собой расширяющийся круг [5]. При t>τ освещаемая область ограничена двумя концентрическими окружностями, радиусы которых растут с ростом времени t. Дополнительно осуществляется вертикальное зондирование импульсом длительностью τ_D, причем τ_D>τ. Длительность τ_D выбирается из условия, что в момент времени t=τ_D должна быть освещена вся область, соответствующая углу α, определяющему ширину диаграммы направленности антенны. На поверхности освещаемая область в момент времени tτ_D должна являться кругом с радиусом R, определяемым выражением

R≥R₀Htg(α/2),

где H - расстояние от радара до морской поверхности, например, высота орбиты спутника.

Калибровка радаров, одределяющих значимую высоту волн, осуществляется путём сопоставления с данными прямых измерений волн, осуществляемыми с помощью волнографических буёв [6]. Определив амплитуду A_D отражённого более длительного радиосигнала в момент t=τ_D, мы получаем параметр, который не зависит от доминантных волн, и в основном определяется короткой ветровой рябью. Поскольку энергия короткой ветровой ряби зависит от скорости ветра, амплитуда A_D является однозначной функцией скорости ветра. Далее для разных значений амплитуд A_D (разных скоростей ветра) строятся регрессионные зависимости, связывающие характеристики переднего фронта импульса длительностью τ с характеристиками доминантных волн.

Технически реализация предложенного способа может быть осуществлена, например, путём размещения радара на спутнике и последовательным зондированием радиоимпульсами длительностью τ и τ_D. При высоте орбиты спутника 700 км и радиусе освещаемой площади 10 км (параметры, характерные для радиоальтиметра RA-2, установленного на спутнике ENVISAT) разность хода радиоволн до центра круга и до его границы составляет 0.071 км. Соответственно задержка во времени - 240 не. Отсюда длительность импульса должна удовлетворять условию τ_D>240 нс. Для сравнения: типичная длительность импульсов на спутниковых альтиметрах составляет τ=1-3 нс.

Осуществим калибровку установленного на спутнике радара путем сопоставления данных его измерений с данными прямых измерений волн, полученными с помощью волнографических буёв. Далее зависимости значимой высоты волны от характеристик короткого импульса длительностью τ разбиваются на группы, соответствующие разным скоростям ветра. По импульсу длительностью τ_D определяют скорость ветра. И по соответствующей этой скорости зависимости определяют значимую высоту волн.

Использованные источники:

1. Запевалов А.С., Шаповалов Ю.И. Акустический волнограф. Результаты натурных испытаний // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа, Севастополь, МГИ НАНУ. -2007.-Вып. 15.-С. 386-391.

2. Gómez-Enri J., Gommenginger СР., Challenor P.G., Srokosz M A., Drinkwater M.R. ENVISAT radar altimeter tracker bias // Marine Geodesy. - 2006. - Vol. 29. - P. 19-38 - прототип.

3. Hayne G.S. Radar altimeter mean return waveforms from near-normal-incidence. ocean surface scattering // ШЕЕ Transactions on Antennas and Propagation. - 1980. - Vol. AP-28. - P. 687-692.

4. Gómez-Enri J., Gommenginger C.P., Srokosz M.A., Challenor P.G., Benveniste J. Measuring global ocean wave skewness by retracking RA-2 Envisat waveforms // J. of Atmospheric and Oceanic Technology. - 2007. - Vol. 24. - P. 1102-1116.

5. Walsh E.J., Uliana E.A., Yaplee B.S. Ocean wave heights measured by a high resolution pulse-limited radar altimeter // Boundary-Layer Meteorology. - 1978. - Vol. 13. -P. 263-276.

6. Queffeulou P. Long-term validation of wave height measurements from altimeters // Marine Geodesy. - 2004. - Vol. 27. - P. 495-510.