Способ измерения векторного поля скорости океанских и речных течений в космическом рса



Способ измерения векторного поля скорости океанских и речных течений в космическом рса
Способ измерения векторного поля скорости океанских и речных течений в космическом рса
Способ измерения векторного поля скорости океанских и речных течений в космическом рса
Способ измерения векторного поля скорости океанских и речных течений в космическом рса

 


Владельцы патента RU 2597148:

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

Способ измерения векторного поля скорости протяженной поверхности относится к радиолокации поверхности Земли с космических аппаратов и может быть использован для одновременного формирования яркостных и векторно-скоростных портретов речных и океанских течений с необходимым пространственным разрешением и привязкой к координатам местности. Способ пригоден для использования в двух известных вариантах радиолокационных скоростных измерений - интерференционном и доплеровском, т.е. в обычном РСА и в ИРСА с продольной антенной базой. Технический результат - одновременное использование двух лучей, симметрично отклоненных на угол ±β от траверса, что позволяет, используя проекции тангенциальной и радиальной составляющих скорости отражателя на оба луча, а также свойства алгоритмов апертурного синтеза, вычислить обе составляющие скорости для каждой из разрешаемых площадок в широкой области по дальности. 2 ил.

 

Изобретение относится к радиолокации поверхности Земли с летательных аппаратов и может быть использовано для формирования скоростных портретов протяженной поверхности - океанских и речных течений. Различные алгоритмы обработки сигнала, принятого антенной радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА), обеспечивают не только высокое пространственное разрешение rx по продольной оси (оси перемещения антенны), но и возможность раздельного формирования яркостного и скоростного радиолокационных изображений (РЛИ). При этом свойства синтезирующего алгоритма не должны препятствовать формированию «четырехмерного» радиолокационного изображения местности, где на обычную (яркостную) картину, отображающую положение неподвижных (природных и искусственных) объектов накладывается изображение движущихся объектов. Направление движения обычно обозначается ориентированной по странам света стрелкой, а модуль скорости - цветом. Подобная задача относится и к формированию в РСА изображений морских и речных течений на фоне береговой линии и стационарных объектов на суше.

В работах [1, 2] предлагаются способы обработки, позволяющие определять вектор скорости локального отражателя с самолета,- но только при высоких значениях скорости, достаточных для смещения отражателя на десятки элементов продольного и поперечного разрешения за время синтезирования. Известны и способы обработки сигналов в РСА, позволяющие измерять малые скорости объектов на поверхности Земли. В том числе способ, позволяющий восстанавливать радиальную скорость морских мезомасштабных течений по смещению медианы доплеровского спектра [3, 4]. В этом случае измеряемая скорость составляет (1-100) см/с, и для ее измерения необходимо накапливать отсчеты сигнала на километровых площадках, включающих несколько тысяч независимых элементов разрешения. Разработан и введен в действие космический аппарат TerraSAR-X, использующий интерферометр с продольной антенной базой [5] для формирования скоростных портретов при малых скоростях объектов с лучшим пространственным разрешением - но только для радиальной составляющей скорости. В работе [6] рассматривались различные аспекты и особенности интерференционного метода. Имеются и патенты [7, 8], где радиальная составляющая скорости измеряется в интерференционном РСА (ИРСА) с продольной базой при традиционном (разностно-фазовом) алгоритме синтеза. Разностно-частотный алгоритм синтеза для ИРСА предложен в недавно полученном патенте [9], где осуществляется некая оптимизации алгоритма обработки при формировании скоростного портрета поверхности, но опять-таки для радиальной составляющей скорости.

В данной заявке предлагается двухлучевой способ, позволяющий измерять обе составляющие скорости при использовании различных алгоритмов обработки сигнала. Сам же по себе многолучевой способ векторных радиолокационных измерений известен - например, он издавна применяется в космических СВЧ скаттерометрах при измерении вектора скорости ветра над морской поверхностью, используя пространственную анизотропию морских волн [10].

Прототипом предлагаемого метода может служить патент [8] для ИРСА.

В работе [6] показано, что азимутальный отклик скоростного канала ИРСА, в первом приближении и без использования оптимизации [9], имеет вид:

где U0 - амплитуда сигнала при реальной (несинтезированной) апертуре; N=Lx/WxTr - число когерентно накапливаемых импульсов при размере синтезированной апертуры Lx, скорости аппарата Wx и периоде следования импульсов Tr; rx=λRn/Lx - продольная (азимутальная) разрешающая способность при длине волны сигнала λ и наклонной дальности Rn визируемой площадки; xV=VyRn(sinγn)/Wx - пространственный сдвиг, обусловленный радиальной скоростью Vy площадки, визируемой под углом γn; ψn=arctg(2πfdyTr) - регистрируемый фазовый сдвиг внутри амплитудного пика, где fdy=2Vysinγn/λ - радиальный доплеровский сдвиг. При измерении малых скоростей с космического аппарата допустимо принять sinψn: ψn=2πfdyTr. Видно, что измеряемая скорость Vy в данном случае влияет как на фазу синтезированного сигнала, так и на его пространственный (азимутальный) сдвиг. При типовых значениях Tr=(0,1-0,3)·10-3 с для космического ИРСА и малых измеряемых скоростей Vy<3 м/с доплеровский сдвиг не превышает 100 Гц, а фазовый не превышает 10 град. Что же касается пространственного сдвига, то в данных условиях он значителен, составляя ~200 м при скорости Vy=3 м/с. Это означает, что пренебречь им можно, измеряя скорость слабых течений при соответствующем азимутальном разрешении (rx>>xV).

Формирование яркостного РЛ изображения в РСА или ИРСА определяется экспоненциальным множителем в выражении (1), который может быть представлен в функции пространственной координаты (x), а также временной координаты (t=x/Wx) и частотной координаты (f=2xWx/λRn). В последнем случае амплитудный пик в выражении (1) выглядит следующим образом:

где величина играет роль разрешающей способности по частоте. Таким образом, можно измерить сдвиг fdy и без помощи интерферометра, что известно из работ [3, 4].

Для измерения обеих составляющих вектора скорости предлагается использовать азимутальный разворот плоскости излучения на небольшой угол (β~15°), т.е. искусственный угол сноса. Решение заключается в формировании двух лучей, на каждый из которых проектируются как измеряемые скорости отражателя (Vx, Vy), так и подлежащие компенсации скорость аппарата (Wx) и скорость вращения Земли (WE) (фиг. 1). Как следует из фиг. 1, суммарные радиальные доплеровские сдвиги с учетом скорости аппарата Wx и скорости вращения Земли WE=WE0 cosα (WE0=462 м/с, α - широта места) - для левого и правого лучей антенны составляют

Введем компенсацию скорости вращения Земли WE и скорости аппарата Wx путем соответствующих частотных сдвигов сигнала в левом и правом приемных каналах:

и .

Тогда, в соответствии с выражением (2), на выходах двух независимых каналов ИРСА получим фазовые сдвиги

Складывая и вычитая эти сдвиги, можно получить обе составляющие скорости для каждой площадки с достижимой точностью при заданном разрешении:

Имеются и определенные ограничения. Задержка во времени между измерениями в двух лучах составляет , что в космических условиях составляет ~30 с, т.е. на два порядка превышает время синтеза. При малой скорости площадки, когда соблюдается условие Vx<rx/Δt, данный метод, по-видимому, позволяет измерить вектор скорости течения. Расчеты показывают, что современный космический ИРСА сможет измерить вектор скорости течения с точностью ~3 см/с - при достижимом в этом случае размере симметричной площадки d=rx~100 м [6]. Такие параметры являются намного лучшими по сравнению с параметрами, реализованными с использованием сдвига доплеровского спектра в РСА [3].

Тем не менее, предлагаемый двухлучевой метод выгоден для использования не только в ИРСА, но и в обычном РСА. Помимо рассмотренного эффекта, т.е. измерения обеих составляющих скорости вместо одной, оказывается ненужным сравнение измеренного доплеровского сдвига со сдвигом неподвижной площадки, ибо эту роль выполняет второй луч антенны. В этом случае, используя выражение (3) при такой же компенсации скоростей аппарата (Wx) и вращения Земли (WE), находим для левого и правого лучей их суммарный и разностный доплеровские сдвиги: , , а затем - составляющие скорости

Функциональная схема предлагаемого способа измерений вектора скорости течений в РСА представлена фиг. 2, где обозначены: 1 - двухлучевая антенна, 2 - смесители левого и правого каналов; 3 - синтезаторы левого и правого каналов; 4 - генератор опорного сигнала; 5 - вычислители выходных параметров левого и правого каналов; 6 - вычислитель измеряемых параметров с формированием азимутальной строки яркостного и скоростного изображений; 7 - многомерный дисплей; 8 - временной синхронизатор; 9 - датчик навигационных параметров, 10 - ввод навигационных параметров, 11 - ввод заданных параметров РЛ изображения.

Формирование азимутальной строки яркостного и векторно-скоростного изображений происходит следующим образом. Сигналы от двухлучевой антенны (1) поступают в смесители (2), где им придаются компенсирующие частотные сдвиги FE и Fx. Затем каждый из этих сигналов поступает на синтезатор (3), куда также поступает опорный сигнал от генератора (4). Затем в каждом из каналов вступает в действие вычислитель (5), вырабатывающий видеосигналы с амплитудами, пропорциональными амплитуде и доплеровскому сдвигу отклика движущейся площадки. В результате для левого и правого лучей образуются по две пары сигналов, определяющих, помимо интенсивности отраженного сигнала, модуль и направление скоростного вектора. В вычислителе (6) производится разделение составляющих скорости (Vx, Vy), их калибровка, калибровка интенсивности сигнала и формирование строки яркостного и скоростного изображений с учетом задержки при зондировании одной и той же площадки левым и правым лучами. Сформированные таким образом сигналы поступают на многомерный дисплей (7), тем или иным способом отображающий одновременно интенсивность (яркость) каждого элемента изображения, величину и направление скорости элемента. Для обеспечения согласованности и точности измерений служат временной синхронизатор (8) и датчик навигационных параметров (9), управляющие азимутальной разверткой дисплея, меняющимися по дальности задержкой Δt, частотой опорного сигнала и вырабатывающие частотные сдвиги FE и Fx. При измерении вектора скорости в ИРСА, где антенна имеет две секции, функциональная схема фиг. 2 не изменяется - конечно, при более сложных принципиальных схемах собственно антенны (1), синтезаторов (3) и блока синхронизации (8), что известно из литературы [6].

Источники информации

1. Объекты радиолокации. Обнаружение и распознавание, п/ред. А.В. Соколова / М., Радиотехника, 2007, глава 4: Радиолокационное изображение цели при апертурном синтезе со сверхвысоким разрешением радиолокатора с синтезированной апертурой, с. 117-128.

2. Pettersson M.I. Detection of Moving Targets in Wideband SAR // IEEE Trans, on Aerospace and Electronic Systems, 2004, v. 40, №3, pp. 780-786.

3. Достовалов М.Ю., Неронский Л.Б., Переслегин С.В. Исследование поля скорости океанских течений по фазометрическим данным, полученным РСА космического аппарата «ERS» // Океанология, 2003, т. 43, №3, с. 473-480.

4. Neronsky L.B., Dostovalov M.Ju., Pereslegin S.V. The extended algorithms for Doppler centroid estimation // Proc. EUSAR-2004, Ulm, Germany, May 2004, v. 2, pp. 709-712.

5. Romeiser R., Suchand S., Hartmut R., Steinbrecher U., Grimier S. First Analysis of TerraSAR-X Along-Track InSAR-Derived Current Fields // IEEE Trans, on Geoscience and Remote Sensing, v. 48, No 2, pp. 820-829.

6. Переслегин С.В., Халиков З.А. Обработка сигналов в радиолокаторах с синтезированной апертурой при восстановлении скоростных полей поверхности Земли // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2014, №1, с. 1-13.

7. Martin Suss, Werner Wiesbeck. Side-looking synthetic aperture radar system / ER Patent, Number 1.241.487. B1, Data of filing 15.03.2001.

8. Takashi Fujimura. Along-track interferometric synthetic aperture radar / US Patent, Number 5.945.937, Data of patent Aug. 31, 1999.

9. Переслегин С.В., Захаров А.И., Халиков З.А., Ивонин Д.В., Достовалов М.Ю., Шапрон А. Способ измерения радиальной скорости отражателя в радиолокаторе бокового обзора с синтезированной апертурой // Патент на изобретение №2537788, приоритет 10.09.2013.

10. А.И. Баскаков, Т.С. Жутяева, Ю.И. Лукашенко. Локационные методы исследования объектов и сред / М., ИЦ «Академия», 2011, глава 5.

Способ измерения векторного поля скорости океанских и речных течений космическим радиолокатором с синтезированной апертурой, использующий интерференционный либо доплеровский методы измерения радиальной скорости, отличающийся тем, что в антенне формируют два независимых луча, симметрично отклоненных по азимуту на угол ±β, в каждом из независимых каналов производят программируемый вдоль траектории сдвиг несущей частоты на определенную величину, зависящую от угла β, угла визирования площадки, скорости аппарата и скорости вращения Земли на данной широте, после операций синтеза азимутальной диаграммы направленности и измерения скорости площадки в каждом канале получают пару сигналов, амплитуды которых отображают интенсивность рассеяния и вектор скорости площадки, расположенной на заданной дальности, путем сравнения амплитуд двух пар скоростных сигналов вычисляют радиальную и тангенциальную составляющие скорости каждой площадки, формируют азимутальную строку яркостного и векторно-скоростного изображения местности на многомерном дисплее с учетом задержки, определяемой скоростью аппарата, углом β и углом визирования площадки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области авиационного метеорологического оборудования. Бортовая система измерения параметров вектора скорости ветра содержит неподвижное ветроприемное устройство, преобразователи информативных сигналов, канал аналого-цифрового преобразования, вычислительное устройство, соединенные определенным образом.

Изобретение относится к области метеорологии и касается способа определения профиля ветра в атмосфере. Способ включает в себя излучение приемопередатчиком длинных когерентных импульсов, регистрацию отраженного сигнала, получение доплеровского сигнала на различных высотах в различных направлениях зондирования.

Изобретение относится к устройствам для измерения величины (модуля) и угла направления (аэродинамического угла) вектора истинной воздушной скорости, а также других высотно-скоростных параметров летательного аппарата (ЛА), определяющих движение ЛА относительно окружающей воздушной среды.

Изобретение относится к устройствам для измерения величины (модуля) и угла направления (аэродинамического угла) вектора истинной воздушной скорости, а также других высотно-скоростных параметров летательного аппарата, определяющих движение относительно окружающей воздушной среды.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения величины (модуля) и угла направления (аэродинамического угла) вектора истинной воздушной скорости, а также других высотно-скоростных параметров летательного аппарата.

Изобретение относится к области для регистрации микроперемещений морской воды. Устройство для реализации заявленного способа для измерения скорости течений и волновых процессов в океане выполнено в виде прямоугольного отрезка, открытого с торцов для воды, на одной стороне отрезка находится плоский оптический излучатель, а на противоположной стороне выполнены отверстия разного диаметра для оптических датчиков.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для исследования измерителей потока насыщенного и влажного пара. Заявлен способ определения истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока влажного пара в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды, включающий измерение расхода, статического давления и температуры входящего в узел смешения потока перегретого пара, измерение расхода, статического давления и температуры входящего в узел смешения потока воды, измерение статического давления и температуры в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды.

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно предназначено для определения скорости ветра над морской поверхностью. Технический результат - обеспечение возможности учитывать вклад поверхностного течения в уровень отраженных водной поверхностью радиосигналов, что повышает точность определения скорости ветра. Сущность: установленным на космическом аппарате радиоальтиметром облучают водную поверхность, регистрируют отражённый назад сигнал, по фронту радиоимпульса определяют значимую высоту поверхностных волн, по времени прохождения сигнала до поверхности и обратно определяют крупномасштабный рельеф поверхности, по нему рассчитывают поле поверхностного течения, и определяют скорость ветра по величине отраженного назад сигнала с учётом значимой высоты волн и влияния поля течения на величину отражённого назад сигнала. .

Изобретение относится к методам расчета экстремальных значений гидрометеорологических параметров окружающей среды, которые используются при оценках риска индустриальной деятельности человека.

Настоящее изобретение относится к области измерения параметров потока текучей среды, протекающей по трубопроводу. Измерительное устройство для измерения скорости потока текучей среды, протекающей в трубопроводе в основном направлении потока, содержащее соединенный с трубопроводом отклоняющий узел, выполненный с возможностью отклонения потока текучей среды от оси основного направления потока трубопровода и направления потока в измерительный участок, при этом отклоняющий узел представляет собой герметичный резервуар, имеющий входную часть, соединенную с входным трубопроводом, выходную часть, соединенную с выходным трубопроводом, и отклоняющую часть, соединенную с входной частью и выходной частью, и содержащий трубчатый элемент, расположенный, по меньшей мере частично, в отклоняющей части и выходной части, причем трубчатый элемент имеет измерительный участок, снабженный средствами измерения скорости потока текучей среды, и соединительный участок, соединяющий трубчатый элемент с выходным трубопроводом, причем отношение площади поперечного сечения каждой из входной части, выходной части и отклоняющей части к площади поперечного сечения трубопровода составляет от 1:1 до 4:1.

Изобретение относится к неконтактным океанографическим измерениям и может быть использовано для определения статистических характеристик морского волнения с борта движущегося судна.

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 неконтактным океанографическим измерениям и может быть использовано для определения статистических характеристик морского волнения с борта движущегося судна.

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 гидрологии и может быть использовано при мониторинге, моделировании, количественной оценке водных ресурсов. Сущность: реку и ее притоки на цифровой топографической карте разбивают на квадраты размером δ.

Изобретение относится к области океанографических измерений и предназначено преимущественно для определения характеристик коротких морских ветровых волн. Технический результат изобретения - повышение точности измерений за счет устранения фактора воздействия водного потока на струнные волнографические датчики, что обеспечивает их неподвижность даже в условиях штормового моря, а также за счет уменьшения длины погруженной в воду части штанги, несущей волнографические датчики, и одновременно с этим - обеспечения требуемого заглубления датчиков. Сущность: устройство содержит установленный над водной поверхностью выстрел с вертикальной штангой, пересекающей границу раздела воздух-вода.

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля изменения состояния поверхности открытых водоемов, вызванного их загрязнением поверхностно-активными веществами, при проведении экологических и природоохранных мероприятий. Техническим результатом изобретения является возможность при осуществлении анализа характеристик бликов зеркального отражения учитывать фактор влияния, ветра, что обеспечивает повышение точности определения наличия загрязнения, а также степени его интенсивности. Согласно изобретению поверхность облучают лазером, регистрируют блики зеркального отражения и определяют их характеристики.

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля загрязнения поверхности открытых водоемов при проведении экологических и природоохранных мероприятий. Технический результат - обеспечение возможности учитывать влияние длинных, по сравнению с брегговскими компонентами, поверхностных волн на характеристики рассеяния радиоволн, по которым оценивают изменения в пространстве спектра поверхностных волн, что повышает достоверность определения загрязнения акватории. Сущность: контролируемую область морской поверхности облучают одновременно радиоволнами разной длины с помощью скаттерометра и альтиметра, которые размещены на двух летательных аппаратах.

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля загрязнения поверхности открытых водоемов при проведении экологических и природоохранных мероприятий. Технический результат изобретения - повышение вероятности обнаружения загрязнения и снижение вероятности ложных тревог за счет разделения на радиолокационных изображениях участков, созданных поверхностным загрязнением, и участков, созданных вариациями поверхностного течения. Сущность: контролируемую область поверхности облучают под азимутальным углом α1, регистрируют рассеянный назад сигнал и по изменению уровня сигнала выявляют аномальный участок поверхности, от которого рассеянный назад сигнал имеет более низкий уровень по сравнению с фоновым значением сигнала.

Изобретение относится к области гидрографии и может быть использовано для гидрографической оценки речной сети. Сущность: определяют количество притоков реки.
Наверх