СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОДВОДНОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ПО СКОРОСТНОМУ РАДИОЛОКАЦИОННОМУ ИЗОБРАЖЕНИЮ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD OF IDENTIFYING AN UNDERWATER HYDRODYNAMIC SOURCE FROM A HIGH-SPEED SEA SURFACE RADAR IMAGE

Изобретение относится к радиолокации поверхности океана с летательных аппаратов и может быть использовано для поиска и обнаружения подводных гидродинамических источников. Предлагаемый способ основан на передаче к поверхности моря импульса, порождаемого возникающими в слое «скачка плотности» внутренними волнами, и формированием «скоростного портрета» поверхности в интерференционном радиолокаторе бокового обзора с синтезированной апертурой (ИРСА).
Задача формирования скоростных радиолокационных изображений морской поверхности не является новой, она рассматривалась в работах [1, 2]. Имеются и патенты [5, 6], где радиальная составляющая скорости измеряется в ИРСА с продольной антенной базой. В нашем патенте [7] предлагается двухлучевой способ, позволяющий измерить обе составляющие скорости. Таким образом, в принципе возможно формировать векторно-скоростные изображения поверхностных (ветровых) и внутренних волн. В то же время, существует проблема обнаружения (идентификации) локальных гидродинамических источников, возбуждающих внутренние волны сложной конфигурации. Следует учитывать и тот факт, что на поверхности существуют ветровые волны, «образ» которых отличается от «образа» внутренних волн, возбуждаемых локальным источником. Предлагаемый способ идентификации (обнаружения) подобного источника, используя известный способ формирования скоростных радиолокационных изображений [7] как прототип, включает специальную (вторичную) обработку формируемых изображений.
Обоснование предлагаемого способа
Внутренние волны (ВВ) возникают в глубинном слое «скачка плотности» при неоднородных движениях под ним масс воды. Например, в Гибралтарском проливе периодически возникает приливная волна, и цуг интенсивных ВВ вызывает на поверхности гармоническое поле течений. В областях наибольших орбитальных скоростей возрастает интенсивность мелких волн - благодаря этому эффекту сформированное в РСА яркостное изображение поверхности содержит четкий «портрет» протяженного цуга внутренних волн (фиг. 1). На фиг. 2 показаны совмещенные амплитудное и скоростное изображения цуга внутренних волн (фрагмент фиг. 1), скоростное изображение получено методом вычисления медианы доплеровского спектра при большом числе независимых отсчетов сигнала на больших площадках [3]. Видно, что при длине ВВ ~5 км, амплитуде орбитальной скорости ~±10 см/с, вариации интенсивности сигнала на переднем склоне внутренней волны однополярны и составляют ~+6 дБ. В настоящее время из космоса получены многочисленные изображения ВВ, при этом используются не только яркостные РСА-изображения, но и скоростные изображения, получаемые в ИРСА - интерференционном радаре с синтезированной апертурой, использующем продольно-разнесенные антенны [1, 2].
Внутренние волны, порождаемые движущимся подводным источником - более короткие и слабые, их скорости на уровне термоклина в безразмерном масштабе показаны на рис. 3 [4]. В то же время, на поверхности могут присутствовать ветровые волны с длиной порядка 100 м и амплитудами орбитальной скорости порядка 1 м/с. Таким образом, проблема состоит в формировании скоростного поля внутренней волны на фоне скоростного поля ветровых волн. В приближении тонкого термоклина, для главной моды ВВ с длиной волны Λ фазовая скорость ВВ составляет
0
где k=2π/Λ,  - перепад плотности в термоклине, h - глубина термоклина. Амплитуда вертикального смещения термоклина ξ=ξехр j(kx-ωt) приводит к вертикальному смещению поверхности на величину
Орбитальная скорость ВВ на уровне термоклина
причем зоны максимальной конвергенции  располагаются над узлами смещений термоклина. Амплитуда горизонтальной скорости поверхности в этих зонах составляет
Таким образом, отношение высоты «горба» ВВ на поверхности к амплитуде ее скорости, в данном приближении составляет
S
0
S
0
S
S
Для условий Гибралтарского пролива (фиг. 2) при h=20 м,  |V|=0,1 м/с, и амплитуда волны в слое скачка плотности должна составить ξ=1,5 м при амплитуде поверхностной волны всего |ξ|~1,5 см. Если же движущимся источником создается внутренняя волна с амплитудой ξ~10 см, то на поверхности можно ожидать амплитуду скорости |V|~2 см/c при амплитуде высоты |ξ|~0,3 см. Таким образом, если в скоростных радиолокационных изображениях представляется возможным - тем или иным способом - выделить столь слабый сигнал, то в яркостных РЛ изображениях с выделением вариаций амплитуд это представляется недостоверным, а при формировании уровенных изображений (с помощью вертикально-базового интерферометра) возникают непреодолимые трудности технологического характера, связанные с размещением антенн на летательном аппарате.
Возможность реализации
x
0
x
x
y
y
Летательный аппарат с радиолокатором бокового обзора визирует морскую поверхность с широкой (ножевой) диаграммой направленности антенны в вертикальной плоскости (фиг. 4). На рисунке обозначены: Н, W - высота и скорость летательного аппарата; γ, R - угол визирования и наклонная дальность площадки; D - продольный размер антенны; L -ширина зоны обзора; r, r - размеры элемента разрешения по азимуту и горизонтальной дальности; V - радиальная (поперечная) скорость площадки. Отраженный сигнал возникает благодаря брэгговскому (резонансному) рассеянию на мелких ветровых волнах, скорость мелкомасштабных течений определяется по радиальному доплеровскому сдвигу частоты сигнала. Крупные ветровые волны и зыбь проявляются через их взаимодействие с мелкими волнами: интенсивность мелких волн изменяется в области склонов крупных волн, где их орбитальные скорости максимальны.
Для формирования скоростного изображения используют через-периодную суммо-разностную обработку когерентно-импульсного сигнала [1]. Исходный сигнал в каждом канале дальности имеет вид:
0
0
0
x
r
y
Здесь k - порядковый номер импульса относительно траверсного k; ϕ, R - начальная фаза и наклонная дальность; W - тангенциальная (продольная) скорость перемещения антенны; T - период следования импульсов;  доплеровский частотный сдвиг; V - радиальная (поперечная) скорость площадки; γ - угол визирования; λ - длина волны сигнала. Через-периодные сигналы  обладают общей для них фазой  тогда получаем:
x
При неподвижной антенне (W=0) вычитание, сложение и деление комплексных амплитуд (7) друг на друга позволяет получить точное значение доплеровского сдвига:
и тогда измеряемая радиальная скорость
При движущейся антенне и азимутальном синтезе диаграммы направленности используют интерферометр с продольной антенной базой [1], при этом исчезает ошибка в измерении фаз сигналов из-за движения антенны. Общее число независимых отсчетов фазы сравниваемых сигналов на симметричной площадке размером  составляет
x
Σ
S
dy
r
0
5
*
т.е. определяется шириной спектра сигнала Δƒ и продольным размером антенны D. В самолетных условиях получается N ~10, что дает возможность подавить фазовый спекл-шум до величины, меньшей полезного сигнала Δϕ=2πƒT. При плотности распределения спекл-шума δϕ=1/2π и пороговом коэффициенте q=10, осредненная величина спекл-шума оказывается меньше полезного сигнала:
x
Таким образом, в режиме синтезированной апертуры при соответствующем осреднении (r ~100 м) и широкой полосе спектра сигнала (Δƒ≥300 МГц) возможно обнаружение слабых скоростных контрастов, вызываемых внутренними волнами большой длины - типа изображенных на фиг. 3.
Возможно ли распознавать «образ» такого рода волн на фоне ветровых поверхностных волн? Орбитальные скорости ветровых волн лежат в пределах (0,1-1) м/с, что на один-два порядка превышает полезный сигнал. С другой стороны, фоновая обстановка не менее важна для РЛ диагностики явлений на поверхности океана. По-видимому, раздельное наблюдение тех и других волн возможно при использовании известных методов «вторичной» обработки РЛ изображений - например, двумерного Фурье-преобразования с пространственно-частотной фильтрацией (подавлением) ветровых волн, после чего следует обратное Фурье-преобразование и сравнение полученного скоростного изображения с ожидаемым. На базе проведенного тест-анализа следует считать, что при гармоническом характере поля орбитальных скоростей тех и других волн возможно получить необходимое разделение полей.
На фиг. 5 приведена функциональная схема, поясняющая предлагаемый способ. Обозначены: 1 - сжатие сигнала по дальности; 2 - задержка на два периода следования; 3 - суммирование и вычитание комплексных сигналов; 4 - вычислитель амплитуды и радиальной скорости; 5 - формирование яркостного и скоростного изображений с осреднением спекл-шума; 6 - вычислитель вторичной обработки изображений (разделение портретов внутренних и поверхностных волн путем прямого и обратного Фурье-преобразований с пространственно-частотной фильтрацией и калибровкой полученных скоростных изображений); 7 - вычислитель параметров объекта;  - входной сигнал; б - опорный сигнал сжатия по дальности; в - синхроимпульс;  - развертка изображений по дальности и азимуту; ∂ - размер площадки; е - параметры Фурье-преобразований; ж - калиброванное по скорости изображение ветровых волн; з - калиброванное по скорости изображение внутренних волн,  - априорная информация, к - вычисляемые параметры подводного источника.
Источники информации
1. Переслегин С.В., Халиков З.А. Обработка сигналов в радиолокаторах с синтезированной апертурой при формировании скоростных полей поверхности Земли // Изв. ВУЗов. Радиофизика, 2014, т. LVII, №11.
2. Romeiser R., Suchand S., Hartmut R., Steinbrecher U., Grimler S. First Analysis of TerraSAR-X Along-Track InSAR-Derived Current Fields // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing, 2010, v. 48, No 2.
3. Neronsky L.B., Dostovalov M.Ju., Pereslegin S.V. The Extended Algorithms for Doppler Centroid Estimation // Proc. of EUSAR-2004, Ulm, Germany, May 2004, V. 2.
th
4. Rottman J.W., Brucker K.A., Dommermuth D.G., Broutman D. Parametrization of the internal wave field generated by a submarine // 28 Symposium on Naval Hydrodynamics. Pasadena, Cal., 12 - 17 Sept. 2010.
5. Takashi Fujimura. Along-track interferometric synthetic aperture radar / US Patent, Number 5.945.937, Data of patent Aug. 31, 1999.
6. Martin Suss, Werner Wiesbeck. Side-looking synthetic aperture radar system / ER Patent, Number 1.241.487. B1, Data of filing 15.03.2001.
7. Переслегин С.В., Халиков З.A., Коваленко А.И., Риман В.В., Шапрон Б., Кудрявцев В.Н, Шилов Д.В. Способ измерения векторного поля скорости океанских и речных течений в космическом РСА / Российский патент №2597148, приоритет 20.03.2015, опубл. 16.08.2016.