Способ идентификации поверхности морских течений по ко-поляризационным спутниковым радиолокационным изображениям



Способ идентификации поверхности морских течений по ко-поляризационным спутниковым радиолокационным изображениям

 


Владельцы патента RU 2581395:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" (RU)

Изобретение относится к области океанографии и может быть использовано для определения характеристик поверхностных морских течений. Сущность: двухполяризационные радиолокационные изображения трансформируют в два новых изображения, которые несут информацию о спектре коротких Брэгговских волн и обрушений ветровых волн. Посредством совместной обработки полученных изображений определяют величину дивергенции течений, а также ее продольный и поперечный размеры. Технический результат: возможность определения характеристик поверхностных морских течений в любой точке Мирового океана при любых освещенности и облачности.

 

Настоящее изобретение относится к области физической океанографии и направлено на создание метода оперативной идентификации и определения характеристик поверхностных течений в море по ко-поляризационным (вертикальная и горизонтальная поляризации излучения и приема, т.е. ВВ и ГГ) спутниковым радиолокационных изображениям. Предлагаемый способ применим к анализу данных, поступающих с действующих спутников (например, RADARSAT-2) и самолетных радиолокационных систем.

Известны различные методы идентификации океанических течений по спутниковым данным, к которым можно отнести оптические (видимый и инфракрасный диапазоны) и альтиметрические методы (см. обзор в книге Robinson, 2010). Идентификация течений оптическими методами в видимом диапазоне основывается на перераспределении полем течений концентрации растворенных и взвешенных в воде частиц, что формирует пространственные неоднородности поля цвета морской воды, которое «трассирует» в видимом изображении поле «линий тока» поверхностных течений (см., например, Robinson, 2010). В инфракрасном диапазоне поле течений может быть идентифицировано в поле температуры поверхности моря (ТПО). Мезомасштабные течения в море являются квазигеострофическими, поэтому поле течений отображается на поверхности в виде поля градиентов ТПО. Как показано в (Isern-Fontanet et al., 2008), спутниковые ИК-изображения могут быть использованы для восстановления поля скорости течения. Однако принципиальным недостатком оптических методов, существенно ограничивающих их применение, является то, что они не могут быть применены в облачных условиях, являющихся типичными, например, для северных морей России. Более того, наблюдения морской поверхности в видимом диапазоне зависят от условий освещенности и, очевидно, невозможны в темное время суток. Радиолокационные (РЛ) методы свободны от этих недостатков - они не зависимы от условий освещенности и наличия облачности.

Опыт применения РЛ-методов показывает, что поверхностные течения различной природы могут быть идентифицированы в РЛ-изображениях. Однако это возможно лишь при умеренных скоростях ветра (от 3 м/с до 7-10 м/с), в условиях пространственной однородности поля ветра, и при определенных азимутах РЛ-зондирования по отношению к направлению ветра. Выполнение этих условий существенно ограничивает возможности практического применения РЛ-методов для диагностики морских течений (Jackson and Apel, 2005).

Доступность спутниковых двух ко-поляризационных РЛ-измерений (на ВВ и ГГ поляризациях) открывает принципиально новые возможности идентификации течений. Как показано в работе (Kudryavtsev et al., 2013), РЛ-изображения на ВВ и ГГ поляризациях могут быть преобразованы в два новых изображения, несущих информацию о различных типах «шероховатости» поверхности, отражающих радиоволны: спектр Брэгговской ряби и обрушения ветровых волн. Различная чувствительность этих отражателей к изменчивости скорости ветра и наличию течений, служит физической основой предлагаемого способа (Kudryavtsev et al., 2005).

Наиболее близким по своей технической сущности является «Способ определения параметров течений на морской поверхности» патент №2036430. Этот способ основан на измерениях состояния морской поверхности (запененность) и гидрометеорологических параметров (ветер, температура воздуха и воды). Источник данных не конкретизируется, однако указывается, что входные данные могут поступать из измерений, осуществляемых с борта самолета. Этот способ основан на идее взаимосвязи аномалий запененности с зонами конвергенции течений. Аномалии запененности предлагается находить из его полного поля путем вычитания коррелированной с ветром составляющей. Недостатком данного прототипа являются: (а) неопределенность источников данных о состоянии поверхности и гидрометеорологических параметрах; (б) из описания способа следует, что эти данные должны быть получены при самолетных измерениях с применением оптических методов.

Технический результат, достигаемый в заявленном способе, заключается в идентификации и определении характеристик поверхностных течений (продольный и поперечный размер зоны градиентов скорости течения, величина дивергенции вектора течений) на основе совместного анализа спутниковых РЛ-изображений на ВВ и ГГ поляризациях. Этот результат достигается путем преобразования ВВ и ГГ РЛ-изображений на два новых изображения, которые несут информацию о разных типах РЛ-отражателей на морской поверхности. Первое изображение (поляризационная разность, PD) получается вычитанием интенсивности () ВВ и ГГ изображений в линейных единицах), которое несет информацию о коротких малоинерционных Брэгговских волнах:

Второе изображение (неполяризованная составляющая, NP) несет информацию только об обрушениях волн:

где pв - Брэгговское поляризационное отношение, рассчитываемое как

где - коэффициенты рассеяния, равные:

коэффициент kR - волновое число радиоволны, U10 - скорость ветра на высоте 10 метров, g - ускорение свободного падения.

В силу малого масштаба релаксации Брэгговские волны не взаимодействуют с течениями, а их амплитуда зависит только от скорости локального ветра. Обрушения волн являются сильно инерционными, поэтому интенсивность их обрушений определяется как скоростью ветра, так и их взаимодействием с течениями. При этом контраст интенсивности обрушений (см. определение контраста (7)) пропорционален дивергенции течений (Kudryavtsev et al., 2012) - важнейшей характеристики морских течений:

где Κ=2π/L - волновое число наблюдаемой неоднородности, L - поперечный размер течения, ∇·u - дивергенция течений. Поэтому, преобразовав ВВ и ГГ РЛ-изображения в два новых изображения PD и NP, мы имеем возможность исключить из поля NP пространственные изменения скорости ветра, сохранив лишь его вариации трассирующие зоны дивергенции поверхностных течений. Таким образом, желаемый результат - определение характеристик течения на фоне пространственных неоднородностей поля ветра, достигается путем (а) выделения в поле NP-изменений, коррелированных с изменениями скорости ветра (NPw), и (б) последующим определением вариаций, вызванных течением: NPc=NP-NPw. Ветровые изменения NPw могут быть определены из линейной регрессии

где члены в угловых скобках обозначают величины, осредненные по изображению. Соответственно, вариации NP-сигнала, трассирующие течения по ко-поляризационным РЛ-измерениям, определяются выражением (в терминах контраста):

Способ работает следующим образом.

1. Исходными данными являются РЛ-изображения морской поверхности на ВВ и ГГ поляризациях.

2. По ΡЛ-изображению на ВВ-поляризации определяется средняя скорость ветра U10 с использованием стандартного алгоритма CMOD4 (Stoffelen and 1997).

3. Исходные ВВ и ГГ изображения трансформируются в два новых PD и NP изображения по формулам (1) и (2).

4. Рассчитывается составляющая поля NPw, обусловленная пространственными изменениями скорости ветра, по формуле (6).

5. Определяется поле контрастов NP-изображений, обусловленное проявлениями поверхностных течений по ф-ле (7).

6. Поле контрастов ΡЛ-сигнала пересчитывается в поле дивергенции течений по формуле (5).

Таким образом, в результате проведения этих операций из двух ко-поляризационных РЛ-изображений мы получаем поле дивергенции поверхностных течений в океане при произвольных ветровых условиях.

Литература

Дулов В., В. Кудрявцев, В. Малиновский, Б. Нелепо, А. Родин (1995). Способ определения течений на морской поверхности. Патент №2036430. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 27 мая 1995. Дата поступления заявки в Роспатент 20 февраля 1991.

Isern-Fontanet, J. G. Lapeyre, P. Klein, B. Chapron, and M.W. Hecht (2008), Three-dimensional reconstruction of oceanic mesoscale currents from surface information, J. Geophys. Res., 113, C09005, doi:10.1029/2007JC004692.

Jackson C.R., J.R. Apel (2005). Synthetic Aperture Radar Marine User′s Manual. NOAA/NESDIS, 457 pp.

Kudryavtsev V., B. Chapron, A. Myasoedov, F. Collard and J. Johannessen (2013), On dual co-polarized SAR measurements of the Ocean surface, IEEE Geosci. Remote Sens. Lett., 10(4), 761-765, doi:10.1109/LGRS.2012.2222341.

Kudryavtsev V., D. Akimov, J.A. Johannessen and B. Chapron (2005), On radar imaging of current features: 1. Model and comparison with observations, J. Geophys. Res., 110, C07016, doi:10.1029/2004JC002505.

Kudryavtsev V., A. Myasoedov, B. Chapron, J. Johannessen and F. Collard (2012), Imaging meso-scale upper ocean dynamics using SAR and optical data, J. Geophys. Res., 117, C04029, doi: 10.1029/2011JC007492.

Robinson, I., (2010). Discovering the Ocean from Space: The unique applications of satellite oceanography. Springer Praxis Books / Geophysical Sciences. 619 pp.

Stoffelen Α., and D. Anderson (1997), Scatterometer data interpretation: Estimation and validation of the transfer function CMOD4, J. Geophys. Res., 102(C3), 5767-5780, doi:10.1029/96JC02860.

Способ идентификации поверхности морских течений по ко-поляризационным спутниковым радиолокационным изображениям, основанный на взаимосвязи контрастов обрушений волн с дивергенцией поверхностных течений, отличающийся тем, что данный способ основан на использовании двухполяризационных радиолокационных изображений, которые далее разделяются на два новых изображения, несущих информацию о спектре коротких Брэгговских волн и обрушений ветровых волн, обладающих разной чувствительностью к изменениям ветра и поверхностным течениям, что позволяет при их взаимной обработке определять следующие характеристики поверхностных течений на наблюдаемой акватории: величину дивергенции течений, ее продольный и поперечный размеры, что позволяет осуществлять спутниковый мониторинг поверхностных течений в любой точке Мирового океана при любых условиях освещенности и любой облачности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области физики атмосферы и атмосферного электричества и может быть использовано для обнаружения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы и определения их пространственно-временных масштабов.

Изобретение относится к области дистанционного мониторинга природной среды и касается способа определения объема выбросов в атмосферу от природных пожаров. Способ включает синхронную съемку поверхности установленными на космическом носителе цифровой видеокамерой и гиперспектрометром, выделение методами пространственного дифференцирования функции яркости видеоизображения контура пожара, калибровку яркости пикселей внутри контура, расчет по измерениям гиперспектрометра концентрации вредных выбросов от пожара по эталонному затуханию дважды прошедшего атмосферу светового луча в полосе поглощения кислорода 761…767 нм и его затуханию в видимом диапазоне.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки интегральной влажности атмосферы над океаном. Сущность: получают значения радиояркостных температур по четырем радиометрическим каналам, имеющим частоты 18,7 ГГц и 36,5ГГц горизонтальной поляризации и 23,8 ГГц вертикальной и горизонтальной поляризаций.

Изобретение относится к области океанологии и может быть использовано для получения полей температуры океана в оперативном режиме. Заявлен способ оценки температуры поверхности океана по измерениям спутниковых микроволновых радиометров путем получения значений радиояркостных температур (Тя) по радиометрическим каналам и вычисления значения температуры поверхности океана (Ts) с использованием зависимости, учитывающей значение радиояркостных температур и коэффициентов настроенной Нейронной Сети.

Изобретение относится к способам специализированного гидрометеорологического прогнозирования и может быть использовано для прогнозирования температуры рельса.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения высот изотерм в мощных конвективных облаках. Сущность: измеряют наименьшую радиационную температуру теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, температуру воздуха у поверхности Земли, соответствующую этому же району, приземное атмосферное давление и высоту нижней границы облачности.

Изобретение относится к метеорологическому приборостроению и может быть использовано для предупреждения экипажа воздушного суда (ВС) о слепящем воздействии низко расположенного над горизонтом солнца при посадке.
Изобретение относится к дистанционным способам радиационных исследований и может быть использовано для выявления радиационных загрязнений поверхности Земли. Сущность: на основе анализа излучений в инфракрасном диапазоне частот 8-14 мкм создают карты распределения латентного тепла в атмосфере.

Изобретение может быть использовано для определения океанографических характеристик и выявления их пространственного распределения. Сущность: система включает подспутниковые (судовые) и спутниковые средства измерений океанографических характеристик.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения вертикального профиля концентрации различных газов в атмосфере. Сущность: измеряют собственное излучение атмосферы и фона на некотором наборе частот в окрестности линии поглощения измеряемого газа.

Изобретение относится к способам исследований атмосферных электрических полей. Сущность: осуществляют мониторинг характеристик рассеянного атмосферой поляризованного солнечного света в плоскости, нормальной к вектору, ориентированному от контролируемой области пространства в направлении на Солнце. Сравнивают характеристики поляризованного света, регистрируемые аппаратурой мониторинга в двух взаимно ортогональных плоскостях. Причем мониторинг осуществляют с платформы наведения, установленной на борту высотного летательного аппарата или естественного спутника планеты. В процессе мониторинга для разных моментов времени синхронно вычисляют параметры двух векторов: вектора, ориентированного от контролируемой области пространства, в том числе над облаками, в направлении на Солнце, и вектора, ориентированного от аппаратуры мониторинга в направлении на контролируемую область пространства. Ориентируют аппаратуру мониторинга по вектору, ориентированному в направлении на контролируемую область пространства. Осуществляют мониторинг характеристик рассеянного атмосферой поляризованного солнечного света в периоды, когда угол между синхронно вычисленными векторами находится в пределах не менее 45° и не более 135°. Технический результат: повышение оперативности, расширение функциональных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для прогнозирования штормовых подъемов уровней воды или наводнений. Сущность: создают архив наводнений (дата-уровень) за максимально возможный период. Создают архив полей приземного атмосферного давления по срочным данным (за два срока) в районе формирования штормовых циклонов над морским устьевым участком реки. Рассчитывают повторяемость наводнений по всем месяцам года. По величине повторяемости наводнений выделяют “наводненческий период” (повторяемость больше 1%) и “ненаводненческий период” года. Для месяцев, вошедших в “ненаводненческий период”, наводнения считаются маловероятным событием, поэтому автоматически делают вывод о ненаступлении “наводненческой ситуации”. Для каждого месяца “наводненческого периода” определяют эмпирические ортогональные функции (ЭОФ) по всему архиву срочных наблюдений полей приземного атмосферного давления. Затем для каждого месяца “наводненческого периода” рассчитывают эмпирические ортогональные составляющие (ЭОС). Выделяют диапазон трех первых ЭОС от минимального до максимального значения для дат наводнений каждого месяца “наводненческого периода”, формируют эталонную область ЭОС для каждого месяца. После этого по результатам оперативного гидродинамического прогноза поля приземного атмосферного давления рассчитывают ЭОС по ранее созданным ЭОФ для данного месяца. Определяют принадлежность ЭОС прогностического поля к эталонной области ЭОС наводнений прогнозируемого месяца. Делают вывод о наступлении/ненаступлении на анализируемый прогностический срок “наводненческой ситуации”. При анализе прогностического срока “наводненческой ситуации” рассчитывают число штормов с заданной непрерывной продолжительностью для заданной доверительной вероятности штормовых условий. Выявляют промежуток времени, в пределах которого скорость ветра позволяет выполнить безопасный переход судна. Определяют пространственное распределение фазы колебаний акватории по измерениям высоты уровня моря посредством альтиметрических спутников. Выделяют приливные и сейшевые колебания уровня моря. Технический результат: расширение функциональных возможностей. 8 ил.
Изобретение относится к системам освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности. Сущность: система включает средства мониторинга гидрометеорологической обстановки в регионе размещения морских объектов хозяйственной деятельности, средства определения характеристик ледовых образований, средства защиты от воздействия ледовых образований, средства отображения ледовых образований, систему контроля состояния кессона, командно-управляющий комплекс, соединенный со средствами мониторинга гидрометеорологической обстановки, средствами определения характеристик ледовых образований и средствами защиты от воздействия ледовых образований. Причем средства защиты от воздействия ледовых образований выполнены способными выдерживать нагрузку, сравнимую с критической нагрузкой, возникающей при ударе ледяного массива. Система контроля состояния кессона включает датчик деформации для измерения ледовых нагрузок на кессон, инклинометр для измерения наклонов кессона, грунтовой динамометр для измерения нагрузки на грунт, преобразователь давления (пьезометр) для измерения и оценки возможного повышения избыточного давления в грунтах от динамических горизонтальных нагрузок. Средства защиты от воздействия ледовых образований выполнены в виде подводных и надводных модулей. При этом подводные модули снабжены холодильными агрегатами. Надводные модули выполнены в виде выдвижных конструкций и беспилотных летательных аппаратов, снабженных устройствами автоматического дозирования химических реагентов, наносимых на ледовое образование, в виде карбида кальция. Технический результат: повышение надежности защиты морских объектов хозяйственной деятельности в периоды льдообразования, дрейфа и торошения ледяных полей, расположенных в условиях как мелкого, так и глубокого морей. 2 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к сфере космических исследований и технологий и может быть использовано для изучения вулканического состояния Марса. На Марсе осуществляют вскрытие бурением закупоренных фумарол. С помощью газоаналитической и/или видеоаппаратуры устанавливают наличие или отсутствие струи истечения фумарольных газов. Обеспечивается исследование ресурсов Марса в аспекте возможности увеличения массы и объема его атмосферы за счет фумарольных газов.
Изобретение относится к сфере космических исследований. Осуществляют распыление водяного пара в атмосфере Марса. Водяной пар получают нагреванием из водяного льда сезонно убывающих полярных шапок Марса. Обеспечивается локальное увеличение встречного теплового излучения атмосферы Марса.

Изобретение относится к области экологии, а именно к дистанционным методам мониторинга природных сред и к санитарно-эпидемиологическому контролю промышленных регионов. Способ включает измерение спектра падающего светового потока, прошедшего толщу атмосферы, фотометрами глобальной сети наблюдений «AERONET» с одновременным синхронным зондированием территории региона бортовым гиперспектрометром с возможностью получения изображения в любом спектральном канале видимого диапазона, совместную обработку регистрируемых сигналов фотометра и орбитальных средств, определение индекса состояния атмосферы q∑ по регрессионной зависимости: q∑=1,2(λ/λэт)1,5·(Wэт/W)2,6, где λ/λэт - относительное изменение средневзвешенной длины волны солнечного потока, регистрируемого фотометрами сети «AERONET», по отношению к средневзвешенной длине волны (λэт) эталонного, по Планку, солнечного потока; Wэт/W - относительное затухание светового потока, вычисляемое по сигналу, регистрируемому бортовым гиперспектрометром. Изобретение позволяет разделить эффекты взаимодействия светового потока с атмосферой и подстилающей поверхностью и, как следствие, повысить точность определения индекса состояния. 8 ил.

Изобретение относится к устройствам для распознавания количества облачности по пространственно-временной структуре излучения в видимой области и может быть использовано при морских наблюдениях общего балла облачности видимой полусферы неба. Устройство для определения общего балла облачности содержит систему регистрации данных в виде цифровой камеры с широкоугольным объективом, блока контроля положения системы регистрации, включающий трехосевой датчик ускорения свободного падения, трехосевой датчик вращения и датчик географического положения, блок управления регистрацией и обработки данных. Блок управления регистрацией данных связан цифровыми линиями связи с системой регистрации данных и с блоком контроля положения, последние жестко соединены между собой с образованием единой установки наружного монтажа. Цифровая камера закреплена на корпусе блока контроля положения системы регистрации, который выполнен в виде мини-компьютера в компактном ударопрочном пыле-влагозащищенном корпусе, а цифровые линии выполнены в виде единого кабеля. Технический результат - повышение достоверности, объективности и точности определения общего балла облачности, и возможность регистрации видимой пространственной структуры облачности в цифровом формате. 7 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к области гляциологии и может быть использовано для коррекции результатов реечных снегомерных наблюдений на эффект оседания снежной толщи. Сущность: измеряют длину снегомерной рейки перед установкой ее в снежную толщу. Измеряют превышение рейки над снегом сразу после установки. Вычисляют глубину заглубления рейки. Устанавливают рядом с основной рейкой дополнительную рейку таким образом, чтобы глубина ее основания была как можно меньше. Определяют с помощью точного уровня вертикальное положение реек относительно друг друга. Повторно определяют относительное вертикальное положение реек спустя достаточно большой промежуток времени. Рассчитывают величину поправки на прирост высоты снежной толщи, равную опусканию дополнительной рейки относительно основной рейки. Технический результат: упрощение и повышение точности коррекции. 1 ил.
Наверх