Способ различения аномалий на водной поверхности средствами многочастотной СВЧ-радиолокации
METHOD OF DIFFERENTIATING ANOMALIES ON WATER SURFACE BY MULTI-FREQUENCY MICROWAVE RADAR

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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Способ поясняется следующими чертежами.
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).
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.
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).
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.
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  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:
-5
-5
где α=4.62⋅10±2⋅10 - эмпирический коэффициент, ν - вязкость воды, . Условие справедливо, если .
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.
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.
Находят интенсивность волнения на брэгговском волновом числе , (где  - 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):
где индекс i=1, 2 отвечает одной из рабочих частот.
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.
фон
braggi
Одновременно проводят измерение средней скорости ветра, по значению которой рассчитывают теоретическое фоновое значение интенсивности волнения на брэгговском волновом числе F (k) для каждой из частот с использованием модельного спектра
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.
,
braggi
где F (k) - 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.
Затем находят отношение спектральных контрастов  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.
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.
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.