СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСИИ УКЛОНОВ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD OF REMOTE DETERMINATION OF SEA SURFACE SLOPE DISPERSION

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля загрязнений морской поверхности нефтепродуктами и другими поверхностно-активными веществами, меняющими уровень ее шероховатости.
В настоящее время для оптического определения характеристик морской поверхности с помощью аппаратуры, установленной на космических аппаратах, используются два метода: пассивный и активный. Первый из аналогов изобретения способ, являющийся пассивным, основан на регистрации рассеянного в сторону космического аппарата солнечного излучения [Bréon F.M., Henriot N. Spaceborne observations of ocean glint reflectance and modeling of wave slope distributions // J. Geoph. Res. 2006. Vol. 111. No 6. С06005]. Второй способ, являющийся активным, который выбран в качестве прототипа, основан на лазерном зондировании морской поверхности [Hu, Y., Stamnes, K., Vaughan, М., Pelon, J., Weimer, С, Wu, D., Cisewski, M., Sun, W., Yang, P., Lin, В., Omar, A., Flittner, D., Hostetler, C, Trepte, C, Winker, D., Gibson, G., and Santa-Maria, M. Sea surface wind speed estimation from space-based lidar measurements // Atmospheric Chemistry and Physics. 2008. No. 8. P. 3593-3601]. Как правило, расчет дисперсии уклонов морской поверхности в активных и пассивных способах основан на том, что регистрируемый сигнал зависит от двумерного распределения уклонов морской поверхности.
Такие признаки аналога, как отражение света от морской поверхности и расчет по характеристикам отраженного света дисперсии уклонов морской поверхности, совпадают с признаками заявляемого решения. Недостатком аналога является то, что он может быть реализован только в светлое время суток. При этом облачность, туман и другие атмосферные процессы существенно влияют на точность определения характеристик морской поверхности.
Прототип реализуется с помощью лидара CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization), установленного на космическом аппарате CALIPSO. Вертикальное зондирование осуществлялось импульсами длительностью 20 нс. Недостатком прототипа является то, что при средних и больших скоростях ветра, когда высоты волн велики, он имеет низкую точность.
1
2
1
2
Причина снижения точности заключается в следующем. При импульсном зондировании необходимо учитывать, что отражающие элементы в основном создают короткие волны, которые распространяются по поверхности более длинных волн. Поэтому они расположены на разной высоте. При этом, как иллюстрирует рисунок, если импульс короткий, часть отражающих элементов может не попадать в область, освещенную в данный момент зондирующим импульсом. На рисунке штриховыми и пунктирными линиями показано положение верхней и нижней границ зондирующего импульса для двух моментов времени t и t соответственно. Причем t<t. Верхние границы обозначены цифрой 1, нижние - 2. Стрелками показано направление движения зондирующего импульса. Рисунок построен для случая, когда отражающие элементы расположены на синусоидальной поверхности, показанной сплошной линией.
Протяженность импульса в направлении зондирования L определяется его длительностью τ
где с - скорость света.
Если протяженность импульса L равна высоте волны h, то одновременно будут освещены все отражающие элементы, находящиеся на ее поверхности. Однако на фото приемник свет, отраженный от гребня и от впадины, поступит с временной задержкой Δt=h/c. Чтобы одновременно зафиксировать отражение от всех элементов поверхности, необходимо, чтобы выполнялось условие
s
В качестве параметра, характеризующего высоты морских волн, в океанологии принято использовать значимую высоту h. Данный параметр равен среднему значению высот одной трети волн, имеющих наибольшую высоту волн.
s
Исключим относительно редко наблюдаемые экстремальные волны (их также называют волны-убийцы). К волнам-убийцам относятся те волны, высота которых более чем в два раза превышает h.
Таким образом, условие (2) можно представить в виде
Из выражения (3) следует, что имеющий длительность импульса 20 нс способ-прототип позволяет корректно проводить измерения только при значимой высоте волн менее 1.5 м.
В основу изобретения поставлена задача создания способа определения дисперсии уклонов морской поверхности, совокупностью отличительных признаков которого, совокупностью не известных в данном уровне техники приемов достигается новое техническое свойство - согласование длительности зондирующего импульса лидара с высотой морских волн, что позволяет в некоторый момент освещать все точки зеркального отражения в пределах лазерного пятна. Под лазерным пятном здесь подразумевается область, освещаемая лазером при зондировании невозмущенной поверхности.
Указанное новое техническое свойство обеспечивает технический результат изобретения - повышение точности определения дисперсии уклонов морской поверхности.
Отличительными операциями способа являются:
s
- предварительное определение значимой высоты волн h;
m
- вычисление минимальной длительности импульса τ из условия
m
- формирование с учетом полученного значения τ импульсов рассчитанной длительности;
- вертикальное зондирование морской поверхности этими сформированными импульсами рассчитанной длительности.
Способ реализуется следующим образом.
Сначала контролируемая акватория зондируется радиоальтиметром. Современные радиоальтиметры наряду с информацией о расстоянии от космического аппарата до морской поверхности дают информацию о значимой высоте волн [Пустовойтенко В.В., Запевалов А.С. Оперативная океанография: Спутниковая альтиметрия - современное состояние, перспективы и проблемы // Серия. Современные проблемы океанологии, Севастополь: НПЦ "ЭКОСИ-Гидрофизика". 2012. Вып. №11. 218 с.].
Радиоальтиметр может быть установлен на том же космическом аппарате, на котором установлен лидар. Или на другом космическом аппарате, движущемся по той же орбите, что и аппарат с лидаром. Так, например, в прототипе используется информация с двух космических аппаратов, дисперсии уклонов морской поверхности определялись по данным лидара, установленного на космическом аппарате CALIPSO, а скорость ветра - по показаниям микроволнового радиометра AMSR-E спутника AQUA, движущегося за 75 с до CALIPSO по той же орбите.
Поскольку энергонесущие волны, дающие основной вклад в значимую высоту волн, медленно меняются во времени, сдвигом во времени в несколько десятков секунд можно пренебречь.
m
Определив значимую высоту волны, в соответствии с выражением (3) рассчитывают минимальную длительность зондирующего импульса τ.
Подстраивают лидар под значимую высоту волн, формируя зондирующие импульсы заданной длительности.
Далее осуществляют вертикальное лазерное зондирование заданного участка морской поверхности этими сформированными импульсами.
Регистрируют отраженные импульсы.
По отраженным импульсам рассчитывают дисперсию уклонов морской поверхности.