Способ дистанционного определения скорости морского течения

Авторы патента:

Ермаков Станислав Александрович (RU)

Сергиевская Ирина Андреевна (RU)

G01S13/88 - радиолокационные или аналогичные системы, специально предназначенные для особого применения (G01S 13/89-G01S 13/95 имеют преимущество; электромагнитная разведка или обнаружение объектов, например обнаружение поля в ближней зоне, G01V 3/00)

Владельцы патента RU 2630412:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) (RU)

Изобретение относится к радиолокационным методам мониторинга морской поверхности с целью дистанционного определения скорости морских течений в приповерхностном слое. Достигаемый технический результат – повышение точности измерений малогабаритной и мобильной аппаратурой. Способ позволяет обнаружить морское течение в приповерхностном слое и дистанционно определить его скорость с помощью многочастотного СВЧ радиолокатора L-X-диапазонов, работающего на двух соосных поляризациях (HH-излучение и прием на горизонтальной поляризации, VV-излучение и прием на вертикальной поляризации) и нескольких разнесенных частотах при измерении рассеяния от морской поверхности в двух направлениях: параллельно и перпендикулярно ветру. Способ применим в широком диапазоне скоростей ветра и углах между направлением зондирования и вертикалью от 20-25 до 80-85 градусов со свайных оснований или с судов.

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным методам мониторинга морской поверхности с целью дистанционного определения скорости морских течений в приповерхностном слое.

Способ позволяет обнаружить морское течение в приповерхностном слое и дистанционно определить его скорость с помощью многочастотного СВЧ радиолокатора L-X-диапазонов (L, S, С, X), работающего на двух соосных поляризациях (HH-излучение и прием на горизонтальной поляризации, VV-излучение и прием на вертикальной поляризации) и нескольких разнесенных частотах при измерении рассеяния от морской поверхности в двух направлениях: параллельно и перпендикулярно ветру. Способ применим в широком диапазоне скоростей ветра и углах между направлением зондирования и вертикалью от 20-25 до 80-85 градусов со свайных оснований или с судов.

Из патента RU №2436040 (Пат. 2436040 Российская Федерация, МПК G01C 13/00. Способ определения кинематических характеристик поверхностных волн по пространственно-временным изображениям водной поверхности [Текст] / Зуйкова Э.М., Титов В.И., Троицкая Ю.И.; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН (RU). - №2009140801; заявл. 03.11.2009; опубл. 10.12.2011, Бюл. №34. - 13 с.: ил.) известен способ, позволяющий диагностировать течение в океане. В этом способе с помощью линейки ПЗС-фотодиодов регистрируют вариации яркости морской поверхности, определяющие одномерное изображение волн на поверхности воды, а при накоплении во времени одномерных изображений строят пространственно-временное изображение. По периоду и наклону отображений волн на этих изображениях определяют кинематические характеристики волн длинных волн, в частности дисперсионное соотношение для волн, и на основе сравнения последнего с дисперсионным соотношением для поверхностных гравитационных волн определяют скорость течения. Недостатком этого способа является необходимость определения спектральных компонент длинных ветровых волн с точностью не хуже типичных измеряемых скоростей течений, что требует гораздо большего, чем в предлагаемом способе, времени анализа, кроме того, в данном патенте для формирования оптического изображения морской поверхности используют солнечное освещение, т.е. способ не работает в ночное время и в условиях сплошной облачности. Аналогичный алгоритм возможен и при радиолокационном зондировании, но все равно время анализа (накопления сигнала) остается большим.

Наиболее близким по технической сущности является способ, известный из патента US №6774837 (Пат. 6774837 United States, МПК G01S 13/02, G01S 13/87, G01S 7/02, G01S 13/00, G01S 13/89, G01S 13/86, G01S 7/35, G01S 13/34, G01S 13/58, G01S 13/95, G01S 3/02, G01S 5/14, G01S 3/74. Ocean surface current mapping with bistatic HF radar [Текст] /Barrick D.E., Lilleboe P.M., Lipa B.J., Isaacson J.; заявитель и патентообладатель Codar Ocean Sensors, Ltd. - №10/694,154; заявл. 27.10.2003; опубл. 10.08.2004), в котором осуществляют картирование океанских приповерхностных течений радиолокаторами ВЧ-диапазона с разнесенной базой. В этом патенте используют два разнесенных радиолокатора декаметрового диапазона длин электромагнитных волн с одной поляризацией, одновременно облучающих исследуемый участок морской поверхности. Измеренные доплеровские сдвиги пересчитывают в скорости рассеивателей на морской поверхности в двух направлениях и в предположении, что в ВЧ-диапазоне скорости рассеивателей определяются только скоростью волн с брэгговским значением волнового числа и скоростью течения, рассчитывают проекции скорости приповерхностного течения в двух направлениях, а затем и вектор скорости. Недостатком этого способа является то, что в нем используют для измерений декаметровый диапазон длин электромагнитных волн (10-100 м), и поэтому данный способ реализуется только с берега из-за больших габаритов приемно-излучающих антенн, и, соответственно, его невозможно использовать с небольших свайных оснований, судов и т.д.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание метода измерения скорости течения, который реализуется с помощью достаточно малогабаритной и мобильной аппаратуры и может обеспечить точность производимых измерений.

Технический эффект данного изобретения достигается тем, что излучают и принимают рассеянные морской поверхностью радиолокационные сигналы и определяют вектор скорости морского течения в приповерхностном слое на основе измерений скоростей рассеивателей радиолокационного сигнала в двух направлениях наблюдения.

Новым является то, что для измерений используют один многочастотный и двухполяризационный СВЧ радиолокатор L-X-диапазонов, излучают и принимают рассеянные морской поверхностью радиолокационные сигналы на двух соосных (НН и VV) поляризациях в направлениях наблюдения параллельно и перпендикулярно ветру на нескольких разнесенных по величине в 1,5-2 раза частотах, независимо на каждой частоте по значениям удельной эффективной площади рассеяния радиолокационного сигнала и скорости рассеивателей на морской поверхности на VV и HH поляризациях находят значения скорости брэгговских рассеивателей в упомянутых направлениях, по которым находят вектор скорости течения, окончательное значение вектора скорости течения получают усреднением на разных частотах.

Предлагаемый способ дистанционного определения скорости морского течения средствами многочастотной радиолокации основан на том, что излучают и принимают рассеянные морской поверхностью электромагнитные волны в двух взаимно перпендикулярных направлениях на двух соосных поляризациях и на нескольких разнесенных рабочих частотах, относящихся к L-X-диапазонам. В качестве характеристик принятых сигналов используют удельные эффективные площади рассеяния радиолокационного сигнала (pp - вертикальная VV или горизонтальная HH поляризация) и скорости рассеивателей V_pp, определяемые по величине доплеровского сдвига в отраженном радиолокационном сигнале, на двух поляризациях и нескольких разнесенных в 1,5-2 раза частотах. Удельная эффективная площадь рассеяния радиолокационного сигнала с поляризацией pp в СВЧ-диапазоне складывается из брэгговской (поляризованной) компоненты σ_{B_pp}, определяемой рассеянием на волнах с брэгговским волновым числом, и неполяризованной компоненты σ_NP, которая определяется рассеянием на квазизеркально отражающих участках профиля морской поверхности, обычно связываемых с областями обрушений волн:

Соответственно, скорость рассеивателей радиолокационного сигнала V_pp в направлении наблюдения определяется скоростью брэгговских рассеивателей V_B и неполяризованных рассеивателей V_NP:

где α, β - коэффициенты, которые определяются вкладом соответствующей компоненты в удельную эффективную площадь рассеяния радиолокационного сигнала. Величина скорости неполяризованных рассеивателей, вообще говоря, неизвестна и зависит от скорости ветра, развитости волнения и т.д. Скорость брэгговских рассеивателей V_Bскладывается из радиальной компоненты скорости течения - проекции вектора скорости течения на вертикальную плоскость зондирования - и собственной скорости брэгговских волн, последняя равна скорости гравитационно-капиллярных волн V_gcw с известным брэгговским волновым числом. В итоге V_B может быть описана выражением

Здесь - скорость гравитационно-капиллярных волн, g - ускорение свободного падения, σ - коэффициент поверхностного натяжения воды, - брэгговское волновое число, θ - угол между направлением зондирования и вертикалью, ƒ - рабочая частота радиолокатора, с - скорость света, V_c - скорость течения, - угол между проекцией направления наблюдения на горизонтальную плоскость и направлением скорости течения в приповерхностном слое, в которую включена и скорость ветрового дрейфа. Отметим, что вклад скорости гравитационно-капиллярных волн V_gcw в скорость брэгговских рассеивателей определяется углом между проекцией направления наблюдения на горизонтальную плоскость и направлением ветра и описывается функцией .

Скорость брэгговских рассеивателей при зондировании параллельно направлению ветра V_B// можно записать как

где ϕ - угол между направлением ветра и направлением скорости течения в приповерхностном слое, откуда, измерив V_B//, можно определить V_c⋅cos ϕ.

При зондировании перпендикулярно ветру в силу равенства интенсивностей брэгговских волн, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях. Скорость брэгговских рассеивателей V_B⊥ в этом случае равна:

Для того чтобы найти скорость брэгговских рассеивателей, используют данные об удельной эффективной площади рассеяния и скоростях рассеивателей на двух поляризациях. Поскольку вклад неполяризованной компоненты в удельную эффективную площадь рассеяния одинаков на вертикальной и горизонтальной поляризации, то скорость брэгговских рассеивателей можно определить следующим образом

Таким образом, измерение удельных эффективных площадей рассеяния радиолокационного сигнала и скоростей брэгговских рассеивателей на двух поляризациях позволяет найти скорости брэгговских рассеивателей в направлении наблюдения. При известной величине скорости гравитационно-капиллярных волн в этом направлении можно определить проекцию скорости течения.

Последовательное (на масштабах времени, за которое течение не меняется) измерение скоростей брэгговских рассеивателей в двух направлениях - параллельно V_B// и перпендикулярно V_B⊥ направлению ветра - позволяет определить вектор скорости течения (модуль скорости течения и направление) для одной частоты многочастотного радиолокатора из формул (4) и (5):

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Многочастотным двухполяризационным СВЧ радиолокатором L-X-диапазонов излучают и принимают рассеянные морской поверхностью сигналы на двух соосных (НН и VV) поляризациях в направлениях наблюдения параллельно и перпендикулярно ветру на нескольких разнесенных в 1,5-2 раза частотах.

Затем независимо на каждой частоте по значениям удельной эффективной площади рассеяния радиолокационного сигнала и скорости рассеивателей на морской поверхности на VV и НН поляризациях, измеренным в этих двух направлениях наблюдения, находят значения скорости брэгговских рассеивателей в двух направлениях (по формуле (6)).

Находят вектор скорости течения по формулам (7), рассчитывая скорость течения параллельно ветру по формуле (4) и используя значение скорости течения перпендикулярно ветру из формулы (5).

Затем окончательное значение вектора скорости течения получают усреднением на разных частотах. Так как измерения скоростей течений на разных частотах независимы, усреднение позволяет также дополнительно повысить точность определения скорости приповерхностного течения.

Предлагаемый способ за счет работы в L-X-диапазонах позволяет использовать для измерений приемо-передающую антенну с диаметром порядка 1 м, что дает возможность уменьшить габариты и, соответственно, повысить мобильность всей измерительной системы.

Способ дистанционного определения скорости морского течения, в котором излучают и принимают рассеянные морской поверхностью радиолокационные сигналы и определяют вектор скорости морского течения в приповерхностном слое на основе измерений скоростей рассеивателей радиолокационного сигнала в двух направлениях наблюдения, отличающийся тем, что для измерений используют один многочастотный и двухполяризационный СВЧ радиолокатор L-X-диапазонов, излучают и принимают рассеянные морской поверхностью радиолокационные сигналы на двух соосных (НН и VV) поляризациях в направлениях наблюдения параллельно и перпендикулярно ветру на нескольких разнесенных по величине в 1,5-2 раза частотах, независимо на каждой частоте по значениям удельной эффективной площади рассеяния радиолокационного сигнала и скорости рассеивателей на морской поверхности на VV и НН поляризациях находят значения скорости брэгговских рассеивателей в упомянутых направлениях, по которым находят вектор скорости течения, окончательное значение вектора скорости течения получают усреднением на разных частотах.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для выявления и определения характера присутствующих на водной поверхности аномалий (областей с пониженной интенсивностью волнения).

Способ обнаружения границы локального подземного торфяного пожара и робот для проведения разведки подземных торфяных пожаров // 2625602

Изобретение относится к способам георадиолокационного подповерхностного зондирования всех слоев отложений торфяного пласта в режиме реального времени с целью обнаружения границы локального подземного торфяного пожара георадаром, установленным на платформе робота.

Способ устранения несоответствия динамичности подсистем в составе сложных технических систем и система обеспечения бессрывного сопровождения интенсивно маневрирующей цели // 2617870

Изобретение относится к системам управления. Способ формирования сигнала управления для сопровождения цели заключается в том, что сигнал управления формируется по закону на основе динамических матриц внутренних связей систем, обобщенного вектора состояния системы и вектора сигналов управления.

Способ ведения спутниковой съемки при дистанционном зондировании // 2616719

Изобретение относится к способам ведения спутниковой съемки. Сущность: на борту спутника синхронно выполняют целевую спутниковую съемку заданных районов и съемку полей облачности над заданными районами.

Система для определения уровня налива, основанная на оценке расстояния многочастотным импульсным радаром // 2603126

Изобретение относися к радиолокации и может использоваться для определения уровня налива. Технический результат состоит в повышении точности определения уровня налива.

Способ обужения приемной диаграммы направленности антенны и многофункциональная радиолокационная станция для летательных аппаратов, реализующая этот способ // 2599932

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для использования на летательных аппаратах. Техническим результатом изобретения является разработка средств многофункциональной бортовой радиолокационной станции, обеспечивающих обнаружение малоразмерных неподвижных наземных и надводных целей на фоне отражений от подстилающей поверхности.

Способ определения загрязнения морской поверхности // 2596628

Изобретение относится к способам дистанционных исследований морских акваторий и может быть использовано для определения загрязнения морской поверхности. Сущность: по трассам, содержащим тестовые участки, проводят дистанционное зондирование морской поверхности автодинным радиоволновым измерителем, установленным на авиационном носителе.

Способ поиска и обнаружения объекта // 2596610

Изобретение относится к способам поиска и обнаружения объекта на местности по монохромному цифровому изображению этой местности, например по радиолокационному изображению (РЛИ), формируемому в радиолокаторах с синтезированной антенной (PCА).

Устройство зондирования строительных конструкций // 2589886

Устройство относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к устройствам определения расположения и формы неоднородностей и включений в строительных конструкциях и сооружениях, и может найти применение в различных областях жизнедеятельности.

Георадарный способ определения влажности, загрязненности и толщины слоев железнодорожной и автодорожной насыпи с использованием отражательного геотекстиля // 2577624

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации и контроля насыпи железных дорог и автодорог. Влажность, загрязненность и толщину слоев насыпи определяют с помощью георадара.

Способ идентификации переменного морского течения по данным радиолокационных наблюдений // 2634592

Изобретение относится к радиолокационным методам изучения водной поверхности с целью обнаружения переменных течений. Достигаемый технический результат заключается в том, что способ позволяет идентифицировать переменные во времени и пространстве морские течения, которые на масштабах порядка сотен метров - единиц километров обычно связаны с распространяющимися внутренними волнами. Способ основан на анализе данных наблюдений многочастотным двухполяризационным сверхвысокочастотным радиолокатором, который излучает и принимает обратно рассеянный поверхностью радиосигнал на двух соосных поляризациях (ко-поляризациях) - НН (излучение и прием сигнала на горизонтальной поляризации) и VV (излучение и прием сигнала на вертикальной поляризации) - и на нескольких рабочих частотах в диапазоне от 1 ГГц до 20 ГГц, разнесенных по величине не менее чем в 2 раза. Способ применим в условиях умеренных ветров при углах наблюдения 20-80° от вертикали со свайных оснований или с судов.

Устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности // 2640291

Изобретение относится к классу геофизических приборов, предназначенных для исследований, не нарушающих структуры грунта, на глубины от нескольких десятков до нескольких сотен метров. Достигаемый технический результат - расширение диапазона обрабатываемых значений сигналов, поступающих в ответ на подачу зондирующих импульсов, что позволяет без искажений принимать информацию с различных глубин зондирования, практически исключая искажения, связанные с нелинейностью входных характеристик приемных элементов. Указанный результат достигается за счет того, что устройство содержит передающую часть и приемную часть. Передающая часть включает в себя последовательно связанные высоковольтный источник питания, формирователь зондирующих импульсов и передающую антенну, а приемная часть - последовательное связанные приемную антенну, средство обработки сигналов, средство представления результатов обработки сигналов. Средство обработки сигналов содержит двухканальный аналого-цифровой преобразователь, выходы которого подключены к входам средства объединения канальных сигналов преобразователя для передачи средству представления результатов обработки. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

Многопозиционная сетевая система метеорологической радиолокации // 2645905

Изобретение относится к системам метеорологической радиолокации и может быть использовано для мониторинга метеорологических условий. Достигаемый технический результат – уменьшение массогабаритных размеров элементов системы, уменьшение энергопотребления, отсутствие необходимости постоянного обслуживания, возможность получения информации о локальных метеоусловиях через интернет, возможность анализа низких слоев атмосферы, которые обладают более высокой информативностью. Сущность изобретения заключается в том, что многопозиционная сетевая система метеорологической радиолокации содержит объединенные коммуникационно-вычислительной сетью, выполненные определенным образом и распределенные по территории ведения мониторинга: по меньшей мере одно передающее устройство, по меньшей мере одно приемное устройство, устройство управления, обработки и интерпретации радиолокационных данных, метеорологическую сенсорную сеть, причем коммуникационно-вычислительная сеть выполнена с возможностью: обеспечения синхронного поворота диаграмм направленности передающих и приемных антенных систем таким образом, что обеспечивается возможность: пересечения диаграмм направленности по меньшей мере одной передающей и одной принимающей антенных систем в полупространстве, расположенном над земной поверхностью, синхронного приема приемными устройствами излучения, генерируемого блоками генерации сигнала передающих устройств, при этом передающие и приемные антенные системы выполнены с возможностью сканирования по всем направлениям полупространства, расположенного над земной поверхностью. 8 з.п. ф-лы.

Способ формирования изображений объектов в радиометре с двумя антеннами // 2646434

Изобретение относится к пассивным радиотеплолокационным системам наблюдения за объектами с помощью сканирующего радиометра с двумя антеннами, принимающими сигналы в двух частотных диапазонах. Достигаемый технический результат – повышение пространственного разрешения изображения в первой матрице, полученной для широкой диаграммы направленности (ДНА), до разрешения второй матрицы, полученной для узкой ДНА, с сохранением температурных характеристик частотного диапазона первой. Указанный результат достигается тем, что в способе формирования изображения используют две антенны, одна из которых имеет широкую диаграмму направленности, а другая антенна - узкую ДНА. Наличие двух антенн необходимо для определения излучающих свойств объектов в разных частотных диапазонах. 4 ил.

Способ формирования изображений объектов в радиометре с двумя антеннами // 2646434

Способ оценки эффективности радиоподавления сигнала спутниковой связи // 2647872

Изобретение относится к области радиотехники, и может быть использовано для оценки эффективности радиоподавления линий спутниковой связи в условиях, исключающих деструктивное воздействие на сигналы линий спутниковой связи, а также для подготовки и тренировки экипажей станции помех. Технический результат - оценка эффективности радиоподавления, при котором не будет происходить нарушение работы спутниковой связи, и обеспечение возможности проводить обучение, подготовку и тренировку экипажей станции помех без нанесения деструктивного урона системам спутниковой связи. Для этого в способе оценки эффективности радиоподавления сигнала спутниковой связи при воздействии помехи по входу приемной системы ретранслятора вычисляют также уровень шума в линии спутниковой связи, а перед воздействием помех излучаемую мощность помехи снижают до такого уровня, чтобы уровень помехи в линии спутниковой связи не превышал измеренный уровень шума. Причем сформированную помеху запоминают, а уровень мощности сигнала спутниковой связи и расстройку несущей частоты сигнала спутниковой связи при воздействии помех измеряют только после процедуры определения уровня корреляции сигнала спутниковой связи при воздействии помех с запомненной сформированной помехой. 5 ил.

Способ поиска и обнаружения объекта // 2648234

Изобретение относится к способам поиска и обнаружения объекта на местности по монохромному цифровому (с градациями яркости в каждом пикселе) изображению этой местности, например по радиолокационному изображению, формируемому в радиолокаторах с синтезированной антенной за счет многократного излучения на интервале синтезирования зондирующего сигнала и формирования при движении летательного аппарата виртуальной синтезированной антенной решетки. Достигаемый технический результат - увеличение эффективности обнаружения объекта при существенном уменьшении объема вычислений. Указанный технический результат достигается за счет того, что всю зону поиска разбивают на неперекрывающиеся квадраты поиска размером Nп×Nп пикселей, в каждом квадрате поиска вычисляют выборочные среднее значение и среднеквадратическое отклонение распределения яркости изображения, затем вычисляют их отношение q и сравнивают его с порогом qпор и, если отношение меньше порога, то принимают решение об обнаружении в этом квадрате поиска кандидата на искомый объект, и во всех квадратах поиска, в которых принято решение об обнаружении кандидата, проводят его допоиск и уточнение его положения. 6 з.п. ф-лы, 9 табл.

Способ поиска и обнаружения объекта // 2648234