СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕКТОРА СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ
METHOD FOR RADAR DETERMINATION OF THE CURRENT VELOCITY VECTOR

Изобретение относится к радиолокации морской поверхности и может быть использовано для определения скорости поверхностных течений. Задача определения скорости течения является одной из наиболее актуальных в современной радиоокеанографии. Ее решение, в частности, позволит улучшить контроль навигационной обстановки в районах морских портов и нефтедобывающих платформ.
Известны способы определения скорости поверхностных течений с космических аппаратов путем зондирования морской поверхности в радиодиапазоне: способ измерения радиальной скорости отражателя в радиолокаторе бокового обзора с синтезированной апертурой [Переслегин С.В., Ивонин Д.В., Шапрон Б.Ж.А., Халиков З.А., Захаров А.И., Достовалов М.Ю. // Патент RU на изобретение №2537788, опубл. 10.01.2015 Бюл. №1], а также способ измерения векторного поля скорости океанских и речных течений в космическом РСА [Переслегин С.В., Халиков З.А., Коваленко А.И., Риман В.В., Шапрон Б.Ж.А., Кудрявцев В.Н., Шилов Д.В. // Патент RU на изобретение №2597148, опубл. 10.09.2016 Бюл. №25]. Указанные способы имеют следующие недостатки. Они позволяют определять скорость поверхностного течения только в период пролета космического аппарата, с установленным на нем радиолокатором бокового обзора с синтезированной апертурой, над контролируемой акваторией. Кроме того, точность пересчета скорости перемещения отражателей в скорость течения невысока, что обусловлено влиянием орбитальных движений волн, обрушениями, а также нелинейными эффектами в поле морских волн.
В настоящее время интенсивно развиваются методы определения скорости поверхностных течений с помощью навигационных и специализированных радаров, работающих в СВЧ-диапазоне.
Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является способ определения скорости течения, предложенный в работе [Ивонин Д.В., Телегин В.А., Азаров А.И., Ермошкин А.В., Баханов В.В. Определение вектора скорости течения по измерениям навигационного радара с широкой диаграммой направленности антенны // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. №4. С. 219-227].
Физической основой способа-прототипа является следующее. Гравитационные поверхностные волны, которые видны на радаре, подчиняются дисперсионному соотношению
где ω - круговая частота;
g - гравитационное ускорение;
k - волновое число;
Н - глубина.
Если глубина Н велика, то можно считать, что tanh(kH)=1, и уравнение (1) принимает вид . Если существует течение, то дисперсионное соотношение видоизменяется:
где U - скорость течения;
α - угол между волновым вектором и направлением течения.
Соответственно трансформируется трехмерный спектр волновых векторов и частот . По трансформации спектра  рассчитывается скорость течения.
Процедура определения скорости течения по радиолокационным изображениям включает несколько этапов. Основными являются следующие этапы:
1. получение серии изображений морской поверхности;
2. пересчет изображений из полярных в декартовы координаты, формирование трехмерного массива, в котором третьей координатой является время;
3. трехмерное преобразование Фурье массива изображений, в результате которого строится спектр волновых векторов и частот
2
4. построение двумерного спектра волновых числа и частот F(k,ω);
2
5. определение скорости течения по трансформации спектра F(k,ω).
Здесь нижние индексы показывает размерность спектра.
Сходными с признаками заявленного изобретения являются следующие признаки прототипа: радиоволнами СВЧ-диапазона зондируют заданный участок морской поверхности и принимают отраженный сигнал.
Недостатком прототипа является низкая точность и низкая оперативность. Ограничение точности обусловлено необходимостью определения частотного спектра поверхностных волн. Частота вращения антенны навигационных радаров составляет около 30 оборотов в минуту, что соответствует дискретности измерений ~ 2 с. На Черном море период доминантных волн в большинстве случаев лежит в пределах 4-6 с. Низкая оперативность вызвана тем, что для получения достоверных спектральных оценок поверхностных волн в частотной области необходим достаточно продолжительный сеанс измерений (~ 10-20 мин).
В основу заявленного изобретения поставлено решение технической проблемы: создание способа дистанционного определения скорости морского поверхностного течения, совокупностью существенных признаков которого обеспечивается технический результат изобретения - повышение точности и оперативности (сокращение времени измерений скорости течения).
Согласно изобретению, радиоволнами СВЧ-диапазона зондируют заданный исследуемый участок морской поверхности и принимают отраженный сигнал. Новым в изобретении является то, что предварительно для этого заданного участка морской поверхности определяют глубину. Затем зондируют этот участок в двух направлениях под заданными азимутальными углами. Причем зондирование участка осуществляют одним из альтернативных приемов (т.е. с использованием одного из эквивалентных признаков изобретения), а именно: или одним радаром (с вращающейся антенной), или двумя разнесенными в пространстве радарами (не лежащими на одной прямой с зондируемым участком). Затем принимают отраженный сигнал на каждом из этих двух направлений. Осуществляют последовательно два таких зондирования и для каждого из этих двух направлений восстанавливают два профиля морской поверхности. По полученным профилям путем кросс-спектрального анализа и с учетом данных о глубине определяют фазовые скорости поверхностных волн для каждого из направлений, по которым рассчитывают проекции скорости течения, и определяют вектор скорости течения.
T
Физической основой заявленного способа является следующее. В отсутствии течения фазовая скорость распространения поверхностных волн (обозначим ее как C) определяется дисперсионным соотношением (1). Если присутствует течение, то фазовая скорость меняется (обозначим ее как С):
где U - скорость течения;
α - угол между волновым вектором и направлением течения.
T
T
Таким образом, зная теоретическое значение фазовой скорости C, и зная ее измеренное значение С, можно определить проекцию скорости течения U на направление α. Чтобы определить скорость течения U надо определить С и C для другого направления.
Сущность изобретения поясняется конкретными примерами его реализации со ссылками на иллюстрации, на которых изображено: фиг. 1 - с использованием одного радара; фиг. 2 - с использованием двух радаров.
Способ осуществляется следующим образом.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Сначала для заданного исследуемого участка морской поверхности определяется глубина. Затем (фиг. 1) этот исследуемый участок зондируется навигационным радаром с вращающейся антенной в двух направлениях под заданными азимутальными углами α и α. В фиксированные моменты времени, соответствующие ориентации антенны в направлении углов α и α, определяются профили изображения морской поверхности. На следующем обороте антенны при тех же углах α и α определяются еще два профиля. По паре последовательно полученных профилей для каждого азимутального угла α и α путем кросс-спектрального анализа рассчитываются проекции фазовых скоростей поверхностных волн, соответственно С и С, в выбранных направлениях. Фазовая скорость, согласно уравнению (2), зависит от двух факторов: от скорости течения и от глубины. Поэтому при расчете С и С учитывают влияние глубины. Далее определяются проекция скорости течения на направления α и α, по которым восстанавливается полный вектор скорости течения. Достоинством этого варианта является то, что он может быть реализован с помощью одного навигационного радара.
1
2
Согласно второму варианту исполнения изобретения, (фиг. 2), исследуемый участок поверхности моря облучается двумя разнесенными по пространству радарами 1 и 2 (радары и облучаемый участок не находятся на одной прямой). Затем осуществляются те же операции, что описаны выше (в соответствии с фиг. 1). Одним из достоинств этого варианта является то, что нет необходимости использовать радар с вращающейся антенной. Это дает возможность проводить измерения с меньшим интервалом времени, что в свою очередь позволяет определять фазовые скорости более коротких волн (имеющих меньший период). В случае использования радара с вращающейся антенной минимальный период ограничен периодом вращения антенны. Еще одним преимуществом этого варианта является то, что он сближает в пространстве проекции скорости течения на направления α и α.
Работа создана при выполнении государственного задания по теме №0827-2018-0003 «Фундаментальные исследования океанологических процессов, определяющих состояние и эволюцию морской среды под влиянием естественных и антропогенных факторов, на основе методов наблюдения и моделирования» (шифр «Океанологические процессы»).