Способ идентификации подводного гидродинамического источника (гди) по квазизеркальному радиолокационному изображению морской поверхности
Владельцы патента RU 2763947:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН (RU)
Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для идентификации движущегося под водой источника. Технический результат состоит в повышении ширины зоны обзора морской поверхности при поиске и обнаружении подводных гидродинамических источников. Для этого используют двухпозиционное зондирование морской поверхности квазизеркальным радиолокатором бокового обзора с синтезированной апертурой. Возможность выделения малых вариаций среднего уклона поверхности с осреднением случайного поля уклонов мелких волн на площадке значительного размера (с предварительным подавлением гармонического поля уклонов энергонесущих ветровых волн) позволяет обнаружить возникающие над движущимся источником склоны «горба вытеснения». Идентификация источника с определением скорости и направления его движения могут осуществляться путем формирования нескольких последовательных кадров РЛ изображений - например, с использованием малых космических аппаратов. 4 ил.
Изобретение относится к радиолокации поверхности океана с летательных аппаратов и может быть использовано для поиска и обнаружения подводных гидродинамических источников. Геометрия двухпозиционного визирования морской поверхности в режиме квазизеркального рассеяния показана на фиг. 1. Известные РЛ способы обнаружения ГДИ.
Задача формирования квазизеркального РЛ изображения морской поверхности не является новой, она рассматривалась в работе [1] и защищена патентами РФ [2,3]. Возможность РЛ обнаружения движущегося источника по возмущениям поверхности моря также не нова, из имеющихся патентов достаточно указать патент США «Underwater object locating system» №3.903.520, 1975 [6]. Таким образом, новизна предлагаемого способа идентификации движущегося источника состоит в сочетании известных способов: квазизеркального радиолокационного зондирования морской поверхности (патенты [2,]) и таких способов вторичной обработки РЛ изображений, как осреднение на заданной площадке большого числа независимых реализаций сигнала, прямого и обратного Фурье-преобразований с пространственно-частотной селекцией и сравнение последовательных РЛ изображений. Представляется, что подобное сочетание позволит обеспечить оперативное обнаружение источника на больших акваториях, ибо имеющиеся в настоящее время РЛ технологии обеспечивают необходимую ширину зоны обзора (порядка ЗН) и необходимое пространственное разрешение на морской поверхности (порядка 10 м по обеим осям) при эффективном осреднении спекл-шума и случайного поля уклонов мелких волн на заданной площадке. В качестве прототипа предлагаемого способа следует указать патент [2].
Обоснование предлагаемого способа
Два аппарата движутся с одинаковой скоростью Wx на одинаковых высотах Н. Излучающая и приемная антенны бокового обзора A1 и А2 имеют широкие (ножевые) диаграммы направленности антенн в вертикальной плоскости. На поверхности моря образуется «квазизеркальная» дорожка, угол визирования взволнованной поверхности γ0 для зеркальной точки y0 остается практически тем же во всей зоне обзора, ширина которой L достигает ~3Н при γ0=65° и наклонной дальности в зеркальной точке R0=2,AH. Область наименьшей суммарной дальности вблизи зеркальной точки стробируется в приемнике, а рабочие области слева и справа от зеркальной точки 
разделяются по знаку доплеровского сдвига при наличии искусственного (малого) угла сноса α [1, 2, 3]. Область возмущения поверхности (симметричная площадка размером d<<L) характеризуется малым приращением среднего наклона поверхности Δθ<<1. Важнейшее свойство данного способа зондирования морской поверхности заключается в том, что основной вклад в отраженный сигнал вносит плоская поверхность (френелевский коэффициент отражения). При квазизеркальном зондировании морской поверхности случайное поле мелких ветровых волн с дисперсией уклонов 
определяет ширину зоны обзора, а крупные (энергонесущие) ветровые волны и зыбь изменяют интенсивность отраженного сигнала в областях своих вершин и впадин.
Равномерно-движущийся под водой источник вызывает на поверхности горб вытеснения (т.н. «горб Бернулли»), перемещающийся со скоростью V. В плоскости YOZ имеем следующую упрощенную картину возвышений относительно невозмущенной поверхности:
где 
- безразмерная функция, описывающая форму горба, D1 и L1 - диаметр и длина источника, Н1 - глубина, y - продольное расстояние на поверхности от проекции центра источника. Первая составляющая (волна Кельвина) в наших условиях, когда {gH1/V2)>1 - мала по сравнению со второй (горб Бернулли). Высота горба максимальна непосредственно над центром источника:
На фиг. 2 представлена функция F(y/H1), рассчитанная для осесимметричного цилиндра, применительно к источнику типа «Огайо», для глубин 82 м и 162 м [4]. Эта функция слабо зависит от глубины Н. Максимальный наклон горба составляет
а максимальная орбитальная скорость в этой же точке (y=±H1) составляет
При типовых параметрах источников приведенные величины весьма малы и составляют единицы см, сотые доли радиана и единицы см/с. При медленных колебаниях источника возникают быстро-расходящиеся волны, которые образуют своеобразную картину в полях уровня, скорости и наклона поверхности, величины их уклонов имеют тот же порядок.
Поле горизонтальных скоростей поверхности в двухпозиционном радаре восстанавливать затруднительно из-за изменения знака доплеровского сдвига в зеркальной точке и зависимости этого сдвига от положения точки в зоне обзора. Если же площадка достаточно велика по сравнению с малыми длинами морских волн, образующих случайное поле уклонов - то появляется возможность выделить средние уклоны, образуемые «горбом вытеснения» (рис. 2б). При этом возникает задача измерения (аппаратурной калибровки) среднего уклона, которая решается путем использования соосной (горизонтальной) и перекрестной поляризационных составляющих отраженного сигнала. На фиг. 3 показано, как деполяризуется сигнал, отраженный малой площадкой поверхности Sn. Обозначены: 
- нормаль площадки, γ0 - угол визирования, θn - угловое отклонение площадки в вертикальной плоскости (ZOX), ϕn - угловое отклонение в горизонтальной плоскости (XOY), δ - угол деполяризации.
Примем двухосевое нормальное распределение уклона, тогда при ξ=tgθn оно записывается в виде 
угол деполяризации δ=ξsinθn. Соосная и перекрестная составляющие УЭПР получаются осреднением по ξ и ϕn, условной элементарной площадкой является dSn=ξdξdϕn:
Поляризационные составляющие оказываются следующими: 
Их отношение определяется дисперсией поперечного уклона:
Таким образом, малую величину приращения уклона можно получить, используя отношение интенсивностей поляризационных составляющих отраженного сигнала. Однако, выражение (7) выполняется только при отсутствии крупных (энергонесущих) ветровых волн, поэтому выделению среднего уклона должна предшествовать операция подавления крупных волн. Расчеты, проведенные для подобной операции при гармоническом характере поля уклонов крупных волн показывают, что подавление возможно (имеется в виду прямое и обратное двумерное Фурье-преобразование РЛ изображения с отсечением высокочастотной составляющей поля).
Известные РЛ способы обнаружения ГДИ.
Задача формирования квазизеркального РЛ изображения морской поверхности не является новой, она рассматривалась в работе [1] и защищена патентами РФ [2, 3]. Возможность РЛ обнаружения движущегося источника по возмущениям поверхности моря также не нова, из имеющихся патентов достаточно указать патент США «Underwater object locating system» №3.903.520, 1975 [6]. Таким образом, новизна предлагаемого способа идентификации движущегося источника состоит в сочетании известных способов: квазизеркального радиолокационного зондирования морской поверхности (патенты [2, 3]) и таких способов вторичной обработки РЛ изображений, как осреднение на заданной площадке большого числа независимых реализаций сигнала, прямого и обратного Фурье-преобразований с пространственно-частотной селекцией и сравнение последовательных РЛ изображений. Представляется, что подобное сочетание позволит обеспечить оперативное обнаружение источника на больших акваториях, ибо имеющиеся в настоящее время РЛ технологии обеспечивают необходимую ширину зоны обзора (порядка 3Н) и необходимое пространственное разрешение на морской поверхности (порядка Юм по обеим осям) при эффективном осреднении спекл-шума и случайного поля уклонов мелких волн на заданной площадке. В качестве прототипа предлагаемого способа следует указать патент [2].
Возможность реализации
На фиг. 4 представлена функциональная схема, поясняющая предлагаемый способ. Обозначены: 1, 2 - сжатие по наклонной дальности в двух поляризационных каналах; 3 - поимпульсное переключение каналов, операция деления сигналов друг на друга; 4 - азимутальный синтез диаграмм направленности с разделением левой и правой зон обзора; 5 - формирование кадра РЛ изображения со стробированием области вблизи зеркальной точки; 6 - вычислитель вторичной обработки, производящий осреднение случайного поля уклонов ветровых волн; 7 - вычислитель вторичной обработки, производящий отсечение поля энергонесущих ветровых волн; 8 - межкадровая обработка с определением вектора скорости объекта; а, б - сигналы соосной и перекрестной поляризации от приемной антенны; в - опорный сигнал сжатия по дальности; г - опорные сигналы азимутального синтеза; д, е, ж - синхроимпульсы для переключения каналов приема, формирования кадра и стробирования области вблизи зеркальной точки; з, и - развертка РЛ изображения по дальности и азимуту; к - размер осредняющей площадки; л - параметры Фурье-преобразований; м - параметры фильтрации энергонесущих волн; н - параметры сравнения последовательных кадров; о - исходное яркостное изображение; п - яркостное изображение с подавлением энергонесущих волн; р - решение о наличии источника; с -векторная скорость источника.
Расчет показывает, что при скорости ветра W=10 м/с, λ=3⋅10-2 м, размере симметричной площадки в=100 м и дисперсии уклонов мелких ветровых волн σθ~0,23, осредненная величина отклонения составляет 
В то же время, при реальных параметрах подводного объекта следует ожидать на один-два порядка большей величины «полезного» уклона (3). Таким образом, решается задача формирования РЛ кадра, отображающего поле осредненных уклонов ветровых волн при наличии в этом поле некоего отклика, вызванного присутствием движущегося источника. Отличительным признаком (помимо двух - полярной формы отклика (3)) является значительная скорость перемещения отклика. Поэтому целесообразно формировать два или более последовательных РЛ кадров, и по перемещению отклика определять векторную скорость источника.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки
1. Переслегин С.В., Халиков З.А. Двухпозиционная квазизеркальная радиолокация морской поверхности // Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2011, т. 47, №4, с. 517-530.
2. Переслегин С.В., Халиков З.А., Риман В.В., Коваленко А.И., Неронский Л.Б. Радиолокационный способ оперативной диагностики океанских явлений из космоса / Патент РФ №2447457, 2009.
3. Переслегин С.В., Ивонин Д.В., Халиков З.А., Шапрон Б. Устройство формирования зон обзора в двухпозиционном радиолокаторе с синтезированной апертурой / Патент РФ №135816, 2013.
4. Stefanic Т. Strategic Antisubmarine Warfare and Naval Strategy. // Institute for Defence and Disarmement Studies, Library of Congress Catalog Card No 86-45596, 1987.
5. Переслегин С.В. О пространственно-временном осреднении вариаций высот, уклонов и скоростей развитых ветровых волн при дистанционном зондировании поверхности океана // Исследование Земли из космоса, 1985, №6, с. 3-7.
6. Shostak A. Underwater object locating system / US Patent №3.903.520, 1975.
Способ идентификации подводного гидродинамического источника (ГДИ) по квазизеркальному радиолокационному изображению (РЛИ) морской поверхности со сформированными полями уклонов морской поверхности, заключающийся в том, что излучающая антенна облучает морскую поверхность, а приемная антенна с синтезированной апертурой принимает сигнал, используя квазизеркальный режим рассеяния сигнала на морской поверхности, отличающийся тем, что излучающая и приемная антенны расположены на двух аппаратах, движущихся с одинаковой скоростью и на одинаковых высотах, излучают сигнал горизонтальной поляризации и принимают соосную и перекрестную поляризационные составляющие отраженного сигнала, определяется радиальный уклон поверхности путем деления поляризационных составляющих друг на друга, формируется РЛИ поля уклонов волн путем прямого и обратного Фурье-преобразований с отсечением области спектра регулярных ветровых волн, производится накопление реализаций полученного сигнала по дальности и азимуту на площадке заданного размера, формируется РЛИ средних уклонов с присутствием в нем отклика источника, формируются несколько отстоящих во времени РЛИ морской поверхности, идентификация и определение скорости источника производится по форме отклика и смещению его координат в последовательных кадрах РЛИ.
