Спосіб дистанційного визначення швидкості приводного вітру

Спосіб дистанційного визначення швидкості приводного вітру, який полягає у тому, що водну поверхню опромінюють сигналами при нульовому куті падіння, реєструють відбивні сигнали і по їх рівню визначають швидкість вітру, який відрізняється тим, що ділянку поверхні, розміри якої значно менше довжини домінантних хвиль, опромінюють акустичними сигналами з-під води і вимірюють час проходження відповідно опромінюваного і відбивного сигналів, визначають локальні зміщення водної поверхні, по них розраховують створювані довгими хвилями ухили і враховують внесок цих ухилів в рівень відбивних сигналів. (19) (21) a200809120 (22) 11.07.2008 (24) 11.05.2010 (46) 11.05.2010, Бюл.№ 9, 2010 р. (72) ЗАПЕВАЛОВ ОЛЕКСАНДР СЕРГІЙОВИЧ (73) МОРСЬКИЙ ГІДРОФІЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) Запевалов А.С. О предельной точности альтиметрического определения скорости приводного ветра. Журнал «Исследование Земли из космоса» №3, 2006. Аннотация. US 20060065279 А1, G06F17/00, публ. 23.03. 2006. 3 90572 назад сигналу, співпадають з суттєвими ознаками заявленого винаходу. Недоліком прототипу є обмежена точність вимірювань через фактор впливу довгих поверхневих хвиль. Фізичним обмеженням точності визначення швидкості приводного вітру по відображеному водою випромінюванню є та обставина, що на рівень відображеного назад сигналу впливають ухили, створювані всіма складовими хвильового поля. Енергія короткохвильових компонент, що дають основний внесок в дисперсію ухилів, має високий рівень кореляції із швидкістю вітру. Із збільшенням довжини складової хвильового поля кореляція знижується, оскільки енергія довгих хвиль залежить не від локальної швидкості вітру, а від їх віку і довжини розгону. Ухили, створювані довгими хвилями, в даному випадку є шумом, що знижує точність вимірювання швидкості вітру. Іншим недоліком прототипу є те, що вимірювання здійснюються тільки в період прольоту космічного апарату над досліджуваною зоною. У основу винаходу поставлена задача створення способу дистанційного визначення швидкості приводного вітру, в якому за рахунок ознак, що характеризують особливості опромінювання поверхні води, а також за рахунок інших відмітних операцій, забезпечується технічний результат винаходу - можливість враховувати внесок довгих поверхневих хвиль в рівень відображеного назад випромінювання, що підвищує точність визначення швидкості приводного вітру. Іншим технічним результатом винаходу є можливість проводити вимірювання швидкості вітру в будь-які задані інтервали часу, зокрема вести безперервні вимірювання, що підвищує інформативність досліджень. Поставлена задача вирішується тим, що в способі дистанційного визначення швидкості приводного вітру, в якому водну поверхню опромінюють сигналами при нульовому куті падіння, реєструють відбивні сигнали і по їх рівню визначають швидкість вітру, новим є те, що ділянку поверхні, розміри якої багато менше довжини домінантних хвиль, опромінюють акустичними сигналами з-під води і вимірюють час проходження відповідно опромінюючих і відбивних сигналів визначають локальні зміщення водної поверхні, по них розраховують створювані довгими хвилями ухили і при визначенні швидкості вітру по рівню відбивних сигналів враховують внесок цих ухилів в рівень відбивних сигналів. Сутність запропонованого способу пояснюється наступним. При зондуванні при малих кутах падіння θ (промінь локатора має орієнтацію, близьку до вертикальної) реєстрований сигнал розраховується в наближенні геометричної оптики. Коефіцієнт віддзеркалення визначається двовимірною щільністю вірогідності ухилів морської поверхні P2D і не залежить від інших характеристик поверхні [4]: G AP2D , де А - коефіцієнт; tg , 0 , (1) 4 і ухили морської поверхні відповідно в площині падіння хвилі і в ортогональній площині. Якщо зондування здійснюється строго в надір, 0 то . З виразу (1) видно, що залежність сигналу локатора від швидкості вітру обумовлена тільки наявністю залежності щільності вірогідності ухилів від швидкості вітру. Звичайно при аналізі ухилів морської поверхні визначають подовжню, відносно вектора швидкості вітру, і поперечну компоненти. Позначимо їх як, u і c відповідно. Між собою параметри u і c не корельовані. Прийнявши, що ухили морської поверхні підкоряються розподілу Гауса, двовимірну щільність вірогідності подовжньої і поперечної компонент ухилів можна представити у вигляді P2D 1 u, c 2 2 u c 2 2 2 u 2 u 2 c 2 c (2) , 2 ~ exp 1 де u і c - дисперсії компонент ухилів. Якщо кут падіння рівний нулю, то G A 2 2 u c ~ A (3) , A 2 де Щоб визначити дисперсію ухилів морської поверхні, створюваних довгими хвилями, достатньо знати спектр піднімання морської поверхні довгохвильової області. Спектр піднімання поверхні можна визначити за допомогою додаткового каналу, в якому вимірюється час проходження випромінювання від локатора до поверхні і назад. При цьому локатор повинен опромінювати на поверхні ділянку, лінійні розміри якої багато менше довжини домінантних хвиль. Ця вимога обумовлена тим, що чим менше опромінювана ділянка поверхні, тим більше короткі вітрові хвилі ми можемо зміряти. Інформації про час проходження випромінювання достатньо для визначення спектру піднімання поверхні. Заявлений спосіб здійснюється таким чином. Акустичний локатор встановлюється в підводному положенні так, щоб його промінь був орієнтований перпендикулярно лінії необуреної морської поверхні. Апаратура може бути встановлена на нерухомій основі морської платформи або на підповерхневому заякореному буї. У останньому випадку період переміщень буя повинен бути багато більше періоду домінантних хвиль. Опромінюють ділянку схвильованої морської поверхні, лінійні розміри якої багато менше довжини домінантних хвиль. На Чорному морі домінантні хвилі, як правило, мають довжину 30-60м. Лінійні розміри опромінюваної на морській поверхні площадки можуть бути вибрані порядка ~0.5м. При цьому спектр піднімання морської поверхні буде визначений на масштабах метрових хвиль, які, на відміну від дециметрових і сантиметрових хвиль, слабко корельовані із швидкістю вітру. При падінні проме 5 90572 ня на схвильовану поверхню частина енергії розсіваються, частина відображається у зворотному напрямку. Реєструють відбивні назад сигнали. Одночасно з опромінюванням вимірюють час розповсюдження відповідно опромінюючих і відбивних акустичних сигналів. По них розраховують локальні зміщення морської поверхні. По набутих значеннях локальних зміщень обчислюють спектр поверхневих хвиль. Знаючи спектр поверхневих хвиль, використовуючи дисперсійне співвідношення для гравітаційних поверхневих хвиль, розраховують спектр ухилів морської поверхні, створюваних довгими хвилями. Після інтеграції спектру ухилів на масштабах довгих хвиль одержують їх дисперсію. Вхідні у вираз (3) дисперсії компонент ухилів морської поверхні представляють у вигляді суми дисперсій, створених довгохвильовими і короткохвильовими компонентами поля поверхневих хвиль. В даному випадку до довгохвильових відносяться хвилі завдовжки більше 1м. Відомим розрахунковим шляхом визначають внесок цих ухилів в розсіяння акустичного випромінювання морською поверхнею. І при визначенні швидкості Комп’ютерна верстка Л. Купенко 6 вітру по рівню відбивних сигналів враховують визначений внесок ухилів в цей рівень сигналів. Використані джерела: 1. Moore R.К., Pierson WJ. Measuring sea state and estimating surface winds from a polar orbiting satellite //Proc. Inter. Symp. Electromagnetic Sensing of the Earth from Satellites, Miami Beach, FL. - 1966. - Nov. 22-24. - P.R1-R28. 2. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е. О предельной точности скаттерометрического определения со спутника скорости ветра над океаном //Исследование Земли из космоса. - 1987. №2. - С.57-65. 3. Аброскин А.Г., Бункин А.Ф., Власов Д.В. и др. Натурные эксперименты по лазерному зондированию на установке "Чайка" //Труды ИОФАН, Дистанционное зондирование океана. - 1986. - Т. 1. - С.23-39 - прототип. 4. Басе Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. - М.: Наука. - 1972. - 424с. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601