Способ дистанционного определения относительной диэлектрической проницаемости морской воды под границей океан-атмосфера

Использование: для исследования любых акваторий Мирового океана. Сущность изобретения заключается в том, что заданный участок морской поверхности облучают, при углах падения, когда рассеянный назад сигнал определяет резонансный механизм, радиоволнами СВЧ диапазона на вертикальной и на горизонтальной поляризациях, причем на одной и той же частоте принимают рассеянный назад сигнал на вертикальной и на горизонтальной поляризациях, вычисляют поляризационное отношение, этот же участок морской поверхности облучают радиоволнами на той же частоте при малых углах падения, когда рассеянный назад сигнал определяет механизм квазизеркального отражения, определяют дисперсию локальных углов наклона морской поверхности, по полученным значениям дисперсии пересчитывают поляризационное отношение на ситуацию, когда резонансные волны распространяются по плоской поверхности, и по нему вычисляют относительную диэлектрическую проницаемость. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерений.

 

Изобретение относится к области океанологических измерений и может быть использовано при исследовании любых акваторий Мирового океана.

Известен способ дистанционного определения физико-химических характеристик (относительной диэлектрической проницаемости, температуры и солености) морской воды [Арманд Н.А., Тищенко Ю.Г., Аблязов B.C., Халдин А.А. Спутниковые СВЧ радиометры дециметрового диапазона // в кн.: Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов (Сб. научных статей под ред. академика РАН Н.П. Лаверова, д.т.н. Лупяна Е.А., к.ф.-м.н. Лавровой О.Ю.). -М.: ООО «Азбука-200». - 2008. - Выпуск 5, том 1. - С. 214-218]. Этот способ основан на использовании СВЧ радиометрии. Выходные сигналы СВЧ радиометров пропорциональны излучательной способности морской поверхности, которая зависит от характеризующих ее состояние электрофизических параметров. Как правило, этот способ используется для определения солености с борта самолетов и космических аппаратов.

Сходным с существенными признаками заявленного технического решения является такой признак аналога - регистрация СВЧ радиоизлучения. Недостатком рассматриваемого аналога является низкая точность определения солености и плохое пространственное разрешение. Этот недостаток является следствием того, что излучательная способность морской поверхности мала.

Физической основой предложенного способа дистанционного определения относительной диэлектрической проницаемости морской среды под границей вода-воздух является следующее. В случае зондирования морской поверхности при углах падения θ от 25° до 75° рассеянный назад сигнал определяет резонансный (брегговский) механизм рассеяния.

При резонансном рассеянии длина радиоволны λ, и длина резонансной поверхностной волны Λ_R связаны соотношением [Valenzuela G. Theories for the interaction of electromagnetic and ocean waves.- A Review // Boundary Layer Meteorology. 1978. Vol.13, №1-4. P. 61-85]:

где θ - угол падения.

Если резонансные составляющие поля поверхностных волн распространяются по плоской поверхности, нормированное сечение обратного рассеяния можно представить в форме

где р - вид поляризации, первый индекс соответствует поляризации излучаемого сигнала, второй - принимаемого;

k - волновое число радиоволны;

- геометрический коэффициент, зависящий от вида поляризации излучаемого и принимаемого радиолокационного сигнала и от электрофизических (диэлектрическая проницаемость) параметров морской воды, первый индекс соответствует поляризации падающей радиоволны, второй - отраженной;

- спектр морской поверхности, соответствующий волновому вектору резонансной компоненты.

Из выражения (2) следует, что уровень резонансно рассеянного сигнала является функцией коэффициента рассеяния . Коэффициент рассеяния зависит от угла падения радиоволн на морскую поверхность, вида поляризации и относительной диэлектрической проницаемости воды. Для вертикальной (ν) и горизонтальной (h) поляризации функции G_pp(θ), соответственно, имеют вид [Valenzuela G. Theories for the interaction of electromagnetic and ocean waves.- A Review // Boundary Layer Meteorology. 1978. Vol.13, №1-4. P. 61-85]:

где ε_r - комплексная относительная диэлектрическая проницаемость среды под границей океан-атмосфера.

Вследствие того, что входящий в (1) спектр подвержен сильной изменчивости, при прямом определении величины ε_r, на основе дистанционных измерений, возникает ошибка. Для исключения влияния изменчивости спектра на определяемую величину ε_r в источнике известности [Патент Российской Федерации №2631267 на изобретение «Способ дистанционного измерения солености морской воды», авторы Запевалов А.С., Пустовойтенко В.В.] было предложено использовать поляризационное отношение R сигналов, измеренных на вертикальной и горизонтальной поляризациях, соответственно:

Поскольку при зондировании на обеих поляризациях сигнал пропорционален уровню шероховатости, который в данном случае характеризуется спектром , поляризационное отношение определяется тремя параметрами: ε_r, θ и длиной (частотой) зондирующих радиоволн. При этом угол падения и длина зондирующей волны являются известными параметрами, так что, зная поляризационное отношение, можно рассчитать величину ε_r.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является способ дистанционного определения относительной диэлектрической проницаемости морской воды под границей океан-атмосфера, который заложен в основу вышеупомянутого способа дистанционного определения солености морской воды [Патент Российской Федерации №2631267 на изобретение «Способ дистанционного измерения солености морской воды», авторы Запевалов А.С., Пустовойтенко В.В.] - на основе радиозондирования морской поверхности по поляризационному отношению вычисляется относительная диэлектрическая проницаемость ε_r, и по ней рассчитывается соленость.

Сходными с существенными признаками заявленного технического решения являются такие признаки прототипа: заданный участок морской поверхности облучают, при углах падения, когда рассеянный назад сигнал определяет резонансный механизм, радиоволнами СВЧ диапазона на вертикальной и на горизонтальной поляризациях, причем на одной и той же частоте, принимают рассеянный назад сигнал на вертикальной и на горизонтальной поляризациях, вычисляют поляризационное отношение и по нему вычисляют относительную диэлектрическую проницаемость.

Прототип имеет недостаточную точность. Связано это с тем, что на морской поверхности всегда присутствуют волны более длинные, чем резонансные. Поэтому резонансные волны распространяются не по плоской, а по криволинейной поверхности, что приводит к изменению локального угла падения. Локальный угол падения θ изменяется на угол наклона морской поверхности

где β - локальный угол наклона морской поверхности в плоскости зондирования.

Наклон создан волнами более длинными, чем резонансные волны. В свою очередь изменение локального угла падения приводит, согласно (1), к изменению длины резонансной волны и изменению величины коэффициента рассеяния . Таким образом, регистрируемое с помощью установленного на космическом аппарате нормированное сечение обратного рассеяния оказывается интегральной функцией угла β [Запевалов А.С. Моделирование брегговского рассеяния электромагнитного излучения сантиметрового диапазона морской поверхностью. Влияние волн более длинных, чем брегговские составляющие // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45, №2. С. 266-275]

где Р(β) - плотности вероятностей угла β.

Различие между поляризационным отношением R⁰ и поляризационным отношением при рассеянии на криволинейной поверхности зависят от плотности вероятностей параметра β. Значения угла наклона морской поверхности β распределены по нормальному закону. Таким образом, когда дисперсия параметра β известна, определив по данным радиозондирования R^L, можно рассчитать поляризационное отношение для случая, когда резонансные волны распространяются по плоской поверхности.

В основу изобретения поставлена задача создания дистанционного определения относительной диэлектрической проницаемости среды под границей океан-атмосфера, совокупностью существенных признаков которого достигается новое техническое свойство - устранение фактора влияния криволинейности поверхности, по которой распространяются резонансные волны, формирующие поле рассеянных назад радиоволн (путем учета этого фактора). Указанное новое техническое свойство обеспечивает достижение технического результата изобретения - повышение точности.

Поставленная задача решается тем, что в способе дистанционного определения относительной диэлектрической проницаемости морской среды под границей океан-атмосфера, который характеризуется вышеуказанными общими с прототипом существенными признаками, новым является то, что этот же участок морской поверхности облучают радиоволнами на той же частоте при углах падения, когда рассеянный назад сигнал определяет механизм квазизеркального отражения, определяют дисперсию локальных углов наклона морской поверхности, по полученным значениям дисперсии пересчитывают поляризационное отношение на ситуацию, когда резонансные волны распространяются по плоской поверхности, и по нему вычисляют относительную диэлектрическую проницаемость.

Сущность изобретения заключается в следующем. Морскую поверхность зондируют радиоволнами одной и той же длины при малых углах падения, когда рассеянный назад сигнал определяет квазизеркальный механизм отражения. По данным зондирования под малыми углами по известным методикам определяют дисперсию углов наклона морской поверхности, создаваемых длинными волнами [Караев В.Ю., Панфилова М.А., Баландина Г.Н., Чу К. Восстановление дисперсии наклонов крупномасштабных волн по радиолокационным измерениям в СВЧ-диапазоне // Исследование Земли из космоса. 2012. №4. С. 62-77]. Полученные по данным зондирования под малыми углами значения дисперсии β используют для построения входящей в (7) функции Р(β). Затем криволинейность морской поверхности, которая характеризуется плотностью вероятностей уклонов, создаваемых длинными волнами, используется для коррекции расчетов поляризационного отношения.

Способ осуществляют следующим образом.

Исследуемый участок морской поверхности облучают радиоволнами СВЧ диапазона и принимают рассеянный назад радиосигнал на двух поляризациях (νν и hh). Радиозондирование осуществляется на углах падения радиоволн, при которых рассеянный назад сигнал определяет резонансный механизм рассеяния. Вычисляют поляризационное отношение на реальной криволинейной поверхности R^L. Тот же участок морской поверхности облучают радиоволнами той же длины при малых углах падения, при которых рассеянный назад радиосигнал определяет механизм квазизеркального отражения. По этим данным рассчитывают дисперсию углов наклона морской поверхности . Далее, зная , пересчитывают поляризационное отношение на ситуацию, когда резонансные волны распространяются по плоской поверхности, и по нему определяют относительную диэлектрическую проницаемость.

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме №0827-2014-0011 «Исследования закономерностей изменений состояния морской среды на основе оперативных наблюдений и данных системы диагноза, прогноза и реанализа состояния морских акваторий».

Способ дистанционного определения относительной диэлектрической проницаемости морской воды под границей океан-атмосфера, заключающийся в том, что заданный участок морской поверхности облучают, при углах падения, когда рассеянный назад сигнал определяет резонансный механизм, радиоволнами СВЧ диапазона на вертикальной и на горизонтальной поляризациях, причем на одной и той же частоте принимают рассеянный назад сигнал на вертикальной и на горизонтальной поляризациях, вычисляют поляризационное отношение и по нему вычисляют относительную диэлектрическую проницаемость, отличающийся тем, что этот же участок морской поверхности облучают радиоволнами на той же частоте при углах падения, когда рассеянный назад сигнал определяет механизм квазизеркального отражения, определяют дисперсию локальных углов наклона морской поверхности, по полученным значениям дисперсии пересчитывают поляризационное отношение на ситуацию, когда резонансные волны распространяются по плоской поверхности, и по нему вычисляют относительную диэлектрическую проницаемость.