Способ дистанционного определения скорости приводного ветра

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно предназначено для определения скорости ветра над зоной шельфа. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения скорости приводного ветра и повышение информативности исследований. Согласно способу участок водной поверхности, минимальные размеры которого много меньше длины доминантных волн, облучают акустическими сигналами из-под воды при нулевом угле падения. Регистрируют отраженные назад сигналы. Одновременно с облучением измеряют времена прохождения сигналов до водной поверхности и обратно. Определяют локальные смещения водной поверхности и по ним рассчитывают создаваемые длинными волнами уклоны. Скорость приводного ветра определяют по уровню отраженных назад поверхностью воды сигналов с учетом вклада в этот уровень уклонов, создаваемых длинными волнами.

 

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно предназначено для определения скорости ветра над зоной шельфа.

Контроль гидрологических и метеорологических характеристик в шельфовой зоне является сложной, но крайне актуальной задачей. Зона шельфа характерна высокой интенсивностью судоходства, в ней ведется активная хозяйственная деятельность, которая из-за месторождений углеводородов на шельфе будет только возрастать. При определении в этой области скорости приводного ветра преимущество отдается дистанционным методам исследований, поскольку стандартные метеорологические приборы устанавливаются на стационарных основаниях или метеорологических буях, размещение которых в зоне интенсивного судоходства затруднительно.

Идея использовать для измерения скорости приводного ветра установленный на космическом аппарате прибор, регистрирующий мощность отраженного морской поверхностью сигнала, впервые была предложена в докладе Мура и Пирсона на международном симпозиуме "Electromagnetic Sensing of the Earth from Satellites" в 1966 г. [1]. В последующие годы работы этой направленности были продолжены на океанографических ИСЗ "SeaSat", ERS, ADEOS, ENVISAT, TOPEX/POSEIDON и др., а методики измерений и реализующие их комплексы дистанционного зондирования уже давно изменили свой статус с экспериментальных на эксплуатационные. В основе этого метода лежит простая и наглядная схема. Ветер изменяет шероховатость морской поверхности, изменение шероховатости приводит к изменению отраженного сигнала.

Известен способ определения скорости приводного ветра, основанный на использовании характеристик радиосигнала, получаемого при наклонном зондировании морской поверхности. Он реализуется с помощью скаттерометров (SASS, NSCAT и др.) и радиолокационных станций бокового обзора [2]. Данный способ базируется на использовании закономерностей, вытекающих из резонансной теории рассеяния волн взволнованной морской поверхностью. Такие признаки аналога, как облучение морской поверхности, регистрация отраженного сигнала, определение скорости ветра по уровню рассеянного назад сигнала, совпадают с существенными признаками заявленного изобретения.

Приведенному аналогу свойственна недостаточная точность вследствие влияния на уровень отраженного сигнала длинных поверхностных волн, энергия которых слабо коррелированна со скоростью ветра. Кроме того, измерения могут быть проведены только во время пролета космического аппарата над контролируемой акваторией.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков и поэтому выбранным в качестве прототипа является дистанционный способ измерения скорости приводного ветра, основанный на использовании характеристик радиосигнала, получаемого при зондировании поверхности моря в надир, реализованный с помощью радиолокационных альтиметров [3]. Он базируется на закономерностях зеркального отражения радиоволн от морской поверхности. Такие признаки прототипа, как облучение морской поверхности в надир, регистрация отраженного сигнала, определение скорости ветра по уровню рассеянного назад сигнала, совпадают с существенными признаками заявленного изобретения.

Недостатком прототипа является ограниченная точность измерений из-за фактора влияния длинных поверхностных волн. Физическим ограничением точности определения скорости приводного ветра по отраженному водою излучению является то обстоятельство, что на уровень отраженного назад сигнала влияют уклоны, создаваемые всеми составляющими волнового поля.

Энергия коротковолновых компонент, дающих основной вклад в дисперсию уклонов, имеет высокий уровень корреляции со скоростью ветра. С увеличением длины составляющей волнового поля корреляция снижается, так как энергия длинных волн зависит не от локальной скорости ветра, а от их возраста и длины разгона. Уклоны, создаваемые длинными волнами, в данном случае являются шумом, снижающим точность измерения скорости ветра.

Другим недостатком прототипа является то, что измерения осуществляются только в период пролета космического аппарата над исследуемой зоной.

В основу изобретения поставлена задача создания способа дистанционного определения скорости приводного ветра, в котором за счет признаков, характеризующих особенности облучения поверхности воды, а также за счет других отличительных операций, обеспечивается технический результат изобретения - возможность учитывать вклад длинных поверхностных волн в уровень отраженного назад излучения, что повышает точность определения скорости приводного ветра.

Другим техническим результатом изобретения является возможность проводить измерения скорости ветра в любые заданные интервалы времени, в том числе вести непрерывные измерения, что повышает информативность исследований.

Поставленная задача решается тем, что в способе дистанционного определения скорости приводного ветра, в котором водную поверхность облучают при нулевом угле падения, регистрируют отраженные назад сигналы и по их уровню определяют скорость ветра, новым является то, что участок поверхности, размеры которого много меньше длины доминантных волн, облучают акустическими сигналами из-под воды и измеряют времена прохождения сигналов до водной поверхности и обратно, определяют локальные смещения водной поверхности, по ним рассчитывают создаваемые длинными волнами уклоны и при определении скорости ветра по уровню отраженных назад сигналов учитывают вклад этих уклонов в уровень отраженных сигналов.

Сущность предложенного способа поясняется следующим. При зондировании при малых углах падения θ (луч локатора имеет ориентацию, близкую к вертикальной) регистрируемый сигнал рассчитывается в приближении геометрической оптики. Коэффициент отражения определяется двумерной плотностью вероятностей уклонов морской поверхности Р_2D и не зависит от других характеристик поверхности [4]:

где А - коэффициент;

ξ_↑ и ξ_⊥ - уклоны морской поверхности соответственно в плоскости падения волны и в ортогональной плоскости.

Если зондирование осуществляется строго в надир, то ξ_↑=0. Из выражения (1) видно, что зависимость сигнала локатора от скорости ветра обусловлена только наличием зависимости плотности вероятностей уклонов от скорости ветра.

Обычно при анализе уклонов морской поверхности определяют продольную, относительно вектора скорости ветра, и поперечную компоненты. Обозначим их как ξ_u и ξ_c соответственно. Между собой параметры ξ_u и ξ_c не коррелированны. Приняв, что уклоны морской поверхности подчиняются распределению Гаусса, двумерную плотность вероятностей продольной и поперечной компонент уклонов можно представить в виде

где и - дисперсии компонент уклонов.

Если угол падения равен нулю, то

где

Чтобы определить дисперсию уклонов морской поверхности, создаваемых длинными волнами, достаточно знать спектр возвышения морской поверхности длинноволновой области. Спектр возвышения поверхности можно определить с помощью дополнительного канала, в котором измеряется время прохождения излучения от локатора до поверхности и обратно. При этом локатор должен облучать на поверхности участок, линейные размеры которого много меньше длины доминантных волн. Это требование обусловлено тем, что чем меньше облучаемый участок поверхности, тем более короткие ветровые волны мы можем измерить. Информации о времени прохождения излучения достаточно для определения спектра возвышения поверхности.

Заявленный способ осуществляется следующим образом. Акустический локатор устанавливается в подводном положении так, чтобы его луч был ориентирован перпендикулярно линии невозмущенной морской поверхности. Аппаратура может быть установлена на неподвижном основании морской платформы или на подповерхностном заякоренном буе. В последнем случае период перемещений буя должен быть много больше периода доминантных волн. Облучают участок взволнованной морской поверхности, линейные размеры которого много меньше длины доминантных волн. На Черном море доминантные волны, как правило, имеют длину 30-60 м. Линейные размеры облучаемой на морской поверхности площадки могу быть выбраны порядка ~0.5 м. При этом спектр возвышений морской поверхности будет определен на масштабах метровых волн, которые, в отличие от дециметровых и сантиметровых волн, слабо коррелированны со скоростью ветра. При падении луча на взволнованную поверхность часть энергии рассеивается, часть отражается в обратном направлении. Регистрируют отраженные назад сигналы. Одновременно с облучением измеряют времена распространения акустических сигналов от локатора до морской поверхности и назад. По ним рассчитывают локальные смещения морской поверхности. По полученным значениям локальных смещений вычисляют спектр поверхностных волн. Зная спектр поверхностных волн, используя дисперсионное соотношение для гравитационных поверхностных волн, рассчитывают спектр уклонов морской поверхности, создаваемых длинными волнами. После интегрирования спектра уклонов на масштабах длинных волн получают их дисперсию. Входящие в выражение (3) дисперсии компонент уклонов морской поверхности представляют в виде суммы дисперсий, созданных длинноволновыми и коротковолновыми компонентами поля поверхностных волн. В данном случае к длинноволновыми относятся волны длиной более 1 м. Известным расчетным путем определяют вклад этих уклонов в рассеяние акустического излучения морской поверхностью. И при определении скорости ветра по уровню отраженных назад сигналов учитывают рассчитанный вклад уклонов в этот уровень сигналов.

Источники информации

1. Moore R.K., Pierson W.J. Measuring sea state and estimating surface winds from a polar orbiting satellite // Proc. Inter. Symp. Electromagnetic Sensing of the Earth from Satellites, Miami Beach, FL. - 1966. - Nov. 22-24. - P.R1-R28.

2. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е. О предельной точности скаттерометрического определения со спутника скорости ветра над океаном // Исследование Земли из космоса. - 1987. - №2. - С.57-65.

3. Аброскин А.Г., Бункин А.Ф., Власов Д.В. и др. Натурные эксперименты по лазерному зондированию на установке "Чайка" // Труды ИОФАН. Дистанционное зондирование океана. - 1986. - Т.1. - С.23-39 (прототип).

4. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. - М.: Наука. - 1972. - 424 с.

Способ дистанционного определения скорости приводного ветра, заключающийся в том, что водную поверхность облучают при нулевом угле падения, регистрируют отраженные назад сигналы и по их уровню определяют скорость ветра, отличающийся тем, что участок поверхности, размеры которого много меньше длины доминантных волн, облучают акустическими сигналами из-под воды и измеряют времена прохождения сигналов до водной поверхности и обратно, определяют локальные смещения водной поверхности, по ним рассчитывают создаваемые длинными волнами уклоны и учитывают вклад этих уклонов в уровень отраженных назад сигналов.