СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
REMOTE DETERMINATIONS OF SEA SURFACE LEVEL

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно предназначено для определения уровня морской поверхности вдоль трассы космического аппарата.
Известен способ [1] определения уровня морской поверхности с помощью радиолокационного альтиметра, установленного на борту космического аппарата, согласно которому осуществляют зондирование поверхности моря короткими импульсами длительностью порядка нескольких наносекунд. Сходными с признаками заявленного решения являются такие признаки аналога: формирование коротких радиоимпульсов постоянной длительности, облучение морской поверхности и регистрирование отраженного радиоимпульса. То обстоятельство, что в процессе измерений не учитывается влияние состояния морской поверхности на форму отраженного радиоимпульса, обусловливает недостаточную точность измерений.
Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является дистанционный способ [2] определения уровня морской поверхности, основанный на использовании характеристик радиосигнала, получаемого при зондировании поверхности моря в надир с помощью установленного на борту космического аппарата (TOPEX/Poseidon, запущенного в 1992 году) радиолокационного альтиметра, работающего на частоте 5.3 ГГц. По международной классификации эта частота соответствует С-диапазону радиоволн (сантиметровые длины волн).
Следующие признаки прототипа совпадают с существенными признаками заявленного изобретения: формирование коротких радиоимпульсов постоянной длительности, облучение морской поверхности в надир, регистрация отражённого радиоимпульса и определение значимой высоты волн, с учетом которой расчетным путем определяют расстояние от источника облучения до уровня невозмущенной морской поверхности.
Недостаток прототипа заключается в невысокой точности определения уровня моря. Ошибки определения уровня морской поверхности, обусловленные изменением состояния моря, лежат в пределах от нескольких сантиметров до нескольких дециметров [3]. Чтобы иметь возможность эффективно использовать данные альтиметрических измерений, их погрешность должна составлять несколько сантиметров [4]
В основу изобретения поставлена задача создания способа дистанционного определения уровня морской поверхности, в котором за счет увеличения числа определяемых параметров, характеризующих состояние водной поверхности, достигается технический результат - повышение точности определения уровня морской поверхности.
Точность дистанционного определения характеристик морской поверхности, в том числе её рельефа, ограничена неоднозначностью связи между регистрируемым сигналом установленного на космическом аппарате радиолокатора и определяемыми характеристиками. Это означает, что решение таких проблем, как улучшение технических характеристик радиолокатора, уменьшение погрешности, связанной с прохождением радиоволн через атмосферу, внедрение оптимальных алгоритмов получения мгновенных оценок высоты и их сглаживания, в принципе не позволяет поднять точность выше некоторого предела. Необходимо расширять круг определяемых параметров морской поверхности.
Сущность заявленного технического решения поясняется следующим. Для размещённых на космических аппаратах альтиметров форма отраженного от плоской поверхности импульса имеет вид
0
где А - амплитуда; с - скорость света; γ - ширина луча антенны; h - высота космического аппарата относительно уровня невозмущенной морской поверхности; ξ - абсолютное значение угла падения; I - модифицированная функция Бесселя первого рода; H(t) - единичная функция Хевисайда.
Форму зондирующего импульса обычно задают как гауссову
где параметр Dr определяет ширину радиоимпульса.
При вертикальном зондировании (ξ = θ) форму отраженного от взволнованной морской поверхности радиоимпульса можно описать как [5],
где
η
r
η
η
η
n
где D=D+D; θ - ширина луча антенны, определенная по уровню половинной мощности; D, A и Е - соответственно дисперсия, асимметрия и эксцесс возвышений морской поверхности; Н - полиномы Чебышева-Эрмита, порядок которых указан индексом n.
η
η
η
η
Нелинейные эффекты в поле поверхностных волн приводят к отклонению асимметрии и эксцесса распределения возвышений морской поверхности от нулевых значений. Это, как показано на иллюстрации, в свою очередь приводит к изменению формы переднего фронта отражённого импульса. Здесь сплошная кривая соответствует- форме отраженного радиоимпульса, рассчитанной при A=-0.05, Е=-0.2 и  пунктирная кривая рассчитана при A= 0.4, Е=-0.2 и
η
Видно, что изменение асимметрии распределения возвышений морской поверхности приводит к смещению средней точки переднего фронта отраженного радиоимпульса, по которой рассчитывается время его возврата й соответственно расстояние от космического аппарата до морской поверхности. Форма отраженного радиоимпульса также меняется при изменении эксцесса Е.
Таким образом, точность определения уровня морской поверхности будет повышена, если известны асимметрия и эксцесс возвышений взволнованной поверхности, и значения этих параметров будут учтены при определении времени регистрации отражённого импульса.
η
η
Альтиметрические измерения не позволяют непосредственно измерить асимметрию A и эксцесс Е. Их можно оценить, зная параметры, определяющие нелинейность волнового поля. Таким параметром является стадия развития волнового поля, которую принято характеризовать обратным возрастом волн
10
0
где W - скорость приводного ветра на высоте 10 м; С - фазовая скорость доминантных (энергонесущих) волн.
Или нелинейность волнового поля характеризуют средним уклоном
0
где λ - длина доминантных волн.
Фазовая скорость и длина доминантных волн по данным альтиметрических измерений не определяются. Их можно оценить с помощью моделей поля поверхностных волн, входными данными для которых является поле ветра. Альтиметр позволяет определять скорость ветра вдоль трассы космического аппарата только в узкой полосе, ширина которой не превышает 20 км. Он не позволяет определять направление ветра. Данных, получаемых с альтиметра, недостаточно, чтобы с помощью модели построить поле поверхностных волн. Поэтому необходимо дополнительно использовать данные скаттерометрических измерений. Ширина полосы, в которой определяются скорость и направление ветра, составляет несколько сотен километров.
Для реализации предложенного способа может быть использован комплекс аппаратуры, устанавливаемой на океанографических спутниках.
Первым океанографическим космическим аппаратом (КА), оснащенным одновременно радиоальтиметром и скаттерометром, стал KA "Seasat" [6], запущенный на орбиту ИСЗ 26 июня 1978 г. и проработавший на ней до 10 октября 1978 г. На борту КА был установлен многофункциональный радиолокационный комплекс аппаратуры дистанционного зондирования Земли, в том числе импульсный РЛ-альтиметр и микроволновый скаттерометр.
Одночастотный импульсный альтиметр КА "Seasat" зондировал морскую поверхность в надир и работал в частотном диапазоне 13,5 ГГц (Ku-диапазон, длина волны ~2,2 см), длительность излучаемого импульса - 3,1 мкс, длительность сжатого при обработке импульса - 3,3 не, пространственное разрешение по спокойной поверхности моря (ширина следа зондирующего импульса) ~1,7 км, ширина следа диаграммы направленности антенны на морской поверхности ~ 22 км.
Четырехлучевой скаттерометр КА "Seasat" работал в частотном диапазоне 14,6 ГГц (Ku-диапазон, длина волны ~ 2 см) и обеспечивал обзор морской поверхности в двух полосах, расположенных справа и слева симметрично относительно трассы полета КА, имеющих ширину ~ 500 км каждая, и разнесенных на расстояние ~ 400 км (ближняя граница правой и левой полос обзора отстоит от трассы КА на ~ 200 км). Пространственная разрешающая способность скаттерометра ~ 50 км.
Позднее радиолокационные комплексы, включающие альтиметр и скаттеро-метр, были установлены на KA "ERS-1" запущенном на орбиту в 1991 г, а также на KA "ERS-2", запущенном на орбиту в 1995 г. [6].
Способ осуществляют следующим образом.
На расположенном на космическом аппарате радиолокаторе формируют короткие радиоимпульсы постоянной длительности (длительность порядка одной наносекунды), облучают морскую поверхность в надир и регистрируют отражённый радиоимпульс. По наклону переднего фронта отражённого радиоимпульса определяют значимую высоту волн и расчетным путем определяют расстояние от источника облучения до уровня невозмущенной морской поверхности. Дополнительно морскую поверхность зондируют при ненулевых углах падения, регистрируют отражённый сигнал и определяют скорость приводного ветра. С помощью волновой модели определяют длину и фазовую скорость доминантных волн. Определяют асимметрию и эксцесс распределения возвышений морской поверхности. С учетом значимой высоты волн, а также асимметрии и эксцесса корректируют полученное значение расстояния от источника облучения до уровня невозмущенной морской поверхности.
Использованные источники:
1. Barrick, D E., Lipa B.J. Analysis and interpretation of altimeter sea echo // Satellite Oceanic Remote Sensing, Adv. in Geophys. 1985 Vol. 27, P. 61-100.
2. Quartly G. Achieving accurate altimetry across storms: Improved wind and wave estimates from С band // J. Atmos. Oceanic Technol., 1997, Vol. 14, P. 705-715.
3. Gaspar P., Labroue S., Ogor F., Lafitte G., Marchai L., Rafanel M. Improving non-parametric estimates of the sea state bias in radar altimeter measurements of sea level // J. Atmos. Oceanic Technol., 2002, Vol. 19, P. 1690-1707.
4. Tran N., Vandemark D., Chapron В., Labroue S., Feng H., Beckley В., Vincent P. New models for satellite altimeter sea state bias correction developed using global wave model data // J. of Geophysical Research 2006 Vol. 111:C09009, doi: 10.1029/2005JC003406.
5. Hayne G.S. Radar altimeter mean return waveforms from near-normal-incidence ocean surface scattering // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. -1980. - Vol. AP-28. - P. 687-692.
6. Evans D.L., Alpers W., Cazenave Α., Elachi C, Farr T., Glackind D., Holt В., Jones L., Liua W.T., McCandless W., Menardg Y., Moore R., Njokua E. Seasat - A 25-year legacy of success [Электронный ресурс]. http://http.7/trs-new.jpl.nasa.gov/dsρace/bitstream/2014/40868/l/03-3010.pdf.