Спосіб дистанційного визначення швидкості приводного вітру

Спосіб дистанційного визначення швидкості приводного вітру, який полягає у тому, що встановленим на космічному апараті радіоальтиметром опромінюють водну поверхню, реєструють відображений назад сигнал, по фронту радіоімпульсу визначають значущу висоту поверхневих хвиль і визначають швидкість вітру по величині відображеного назад сигналу з урахуванням значущої висоти хвиль, який відрізняється тим, що визначають великомасштабний рельєф поверхні за часом проходження сигналу до водної поверхні і назад, при цьому по рельєфу поверхні розраховують поле поверхневої течії і враховують вплив поля течії на величину відображеного назад сигналу. Винахід відноситься до області океанографічних вимірювань і переважно призначений для визначення швидкості вітру над морською поверхнею. В даний час загальновизнано, що визначення швидкості вітру засобами дистанційного зондування є єдиною можливістю отримання в глобальному масштабі інформації про поле вітру над морською поверхнею. У основі радіолокаційного визначення швидкості приводного вітру лежить проста і наочна схема: вітер змінює шорсткість морської поверхні - зміна шорсткості приводить до зміни рівня розсіяного назад радіосигналу. Передбачається, що перетин зворотного розсіяння а зв'язаний із швидкістю вітру W функціональною залежністю =F(W). Визначення виду цієї функціональної залежності (калібрування встановлених на космічних апаратах радіолокаторів як вимірників швидкості вітру) здійснюється шляхом зіставлення даних радіолокаційних і прямих вимірювань швидкості вітру, що виконуються з метеорологічних буїв або судів. Як оцінка точності супутникових вимірювань зазвичай використовується середньоквадратична погрішність між значеннями швидкості вітру, значеннями за даними радіолокаційних вимірювань і значеннями швидкості, зміряними з буїв. Досягнута точність складає приблизно 1,7м/с [1]. Вона була отримана вже в перших алгоритмах, де як єдиний предиктор використовувався перетин зворотного розсіяння, і для однопараметричних моделей не покращувана до цих пір. Окрім вітру існує ще ряд фізичних факторів, що впливають на рівень шорсткості морської поверхні, - це поверхневі течії, забруднення, зміни стратифікації приводного шару атмосфери і так далі Обмеження граничної точності дистанційного визначення швидкості приводного вітру обумовлене тим, що одної і той ж швидкості вітру можуть відповідати структури морської поверхні з різними характеристиками [2, 3]. Природним шляхом підвищення точності визначення швидкості приводного вітру є збільшення числа визначуваних параме (19) UA (11) 90950 (13) C2 (21) a200813182 (22) 13.11.2008 (24) 10.06.2010 (46) 10.06.2010, Бюл.№ 11, 2010 р. (72) ЗАПЕВАЛОВ ОЛЕКСАНДР СЕРГІЙОВИЧ (73) МОРСЬКИЙ ГІДРОФІЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) Glazman R.E., Greysukh A. Satellite altimeter measurments of surface wind// J. Geophys.Res.1993, Vol.98, № С2, p.2473-2483 UA 75804 C2, 15.05.2006 RU 2235344, 27.08.2004 RU 2274877, 20.04.2006 US 6137437, 24.10.2000 Некрасов А. В.. Расширение возможностей бортового альтиметра по измерению скорости и направления ветра над морской поверхностью с борта гидросамолѐта // Информационное противодействие угрозам терроризма. - 2007. - №9. №9, 2007. 3 трів, що характеризують стан морської поверхні. Відомий однопараметричний спосіб визначення швидкості приводного вітру [4] за допомогою радіолокаційного альтиметра. У цьому способі швидкість вітру визначається по рівню відображеного назад водною поверхнею радіосигналу. Ця ознака є схожою з ознакою заявленого винаходу. Проте рівень відображеного сигналу є єдиним параметром, на основі якого в приведеному аналогу визначається швидкість. Це обумовлює недостатню точність визначення швидкості вітру таким методом унаслідок впливу на рівень шорсткості відзеркалювальної водної поверхні фізичних факторів, що слабо корелюються із швидкістю вітру, таких, як поверхнева течія. Найбільш близьким до винаходу по сукупності ознак, і тому вибраним як прототип, є дистанційний спосіб вимірювання швидкості приводного вітру [5], заснований на використанні характеристик радіосигналу, що отримується при зондуванні поверхні моря в надир, реалізований за допомогою радіолокаційних альтиметрів. Наступні ознаки прототипу збігаються з суттєвими ознаками заявленого винаходу: опромінювання морської поверхні в надир, реєстрація відображеного сигналу, розрахунок по крутизні переднього фронту відображеного радіосигналу значущої висоти хвилі [6], визначення швидкості вітру по рівню розсіяного назад сигналу з урахуванням значущої висоти хвилі. Недоліком прототипу є обмежена точність вимірювань швидкості вітру через фактор впливу поверхневої течії на поверхневі хвилі. Короткі вітрові хвилі є основними елементами морської поверхні, що формують відображений від неї радіосигнал. Ці хвилі під впливом течії змінюють свої характеристики, що приводить до зміни характеристик відображеного сигналу. Відповідно одній і тій же швидкості приводного вітру в присутності або у відсутності поверхневої течії відповідатимуть різні рівні відображеного водою випромінювання, що приводить до погрішності визначення швидкості вітру. Фізичний механізм дії течій на спектр короткоперіодних поверхневих хвиль, які є основними розсіювачами електромагнітного випромінювання для засобів дистанційного зондування, досить добре вивчений (наприклад, [7]). Отримані аналітичні вирази, що описують зміну енергії окремих спектральних складових залежно від швидкості і напряму течії. У основу винаходу поставлено завдання створення способу дистанційного визначення швидкості вітру над акваторією по рівню відображених водною поверхнею радіосигналів, якому присутня нова технічна властивість - збільшення числа визначуваних параметрів, що характеризують стан водної поверхні. За рахунок цього забезпечується технічний результат винаходу - можливість враховувати внесок поверхневої течії в рівень відображених радіосигналів, що підвищує точність визначення швидкості приводного вітру. Поставлене завдання вирішується тим, що в способі дистанційного визначення швидкості приводного вітру, згідно якому встановленим на кос 90950 4 мічному апараті радіоальтиметром опромінюють водну поверхню, реєструють відображений назад сигнал, по фронту радіоімпульсу визначають значущу висоту хвиль і визначають швидкість вітру по величині відображеного назад сигналу з урахуванням значущої висоти хвиль, новим є те, що за часом проходження сигналу до поверхні і назад визначають великомасштабний рельєф поверхні, по ньому розраховують поле поверхневої течії і враховують вплив поля течії на величину відображеного назад сигналу. Альтиметричні вимірювання з супутників за допомогою радіолокаторів, що стали доступними в останні десятиліття, суттєво розширюють можливості досліджування процесів в морі. Знаючи визначений за допомогою альтиметра рівень (великомасштабний рельєф) морської поверхні, розраховують поле поверхневої течії. Так, на основі даних альтиметричних вимірювань з супутників ERS-1 і TOPEX/Poseidon розраховувався динамічний рівень з точністю, яка дозволяє вивчати динаміку поверхневого шару Чорного моря [8]. В даний час для Чорного моря розроблені моделі, в яких засвоюються альтиметричні дані про рівень Чорного моря, що дозволяє з високою точністю описувати поле поверхневих течій [9]. Для здійснення заявленого способу заздалегідь проводиться, за допомогою метеорологічних буїв, калібрування супутникових альтиметрів як вимірників швидкості вітру. Процедура зіставлення з даними прямих in situ вимірювань різних параметрів є найбільш поширеною процедурою калібрування засобів дистанційного зондування [1, 5, 10]. У даному випадку в результаті калібрування укладаються регресійні рівняння, в яких швидкість вітру є функцією трьох параметрів: рівня відображеного назад радіосигналу, крутизни фронту і швидкості течії. Це дозволяє додатково враховувати залежність відображеного від морської поверхні радіосигналу від швидкості поверхневої течії, яка у прототипі не враховувалась. Спосіб реалізується таким чином. Супутник зі встановленим на нім альтиметром пролітає над морем. Альтиметром опромінюється морська поверхня і реєструється відображений назад радіосигнал. За формою фронту реєстрованого радіоімпульсу визначають значущу висоту поверхневих хвиль. Вимірюючи час проходження радіоімпульсу від космічного апарату до морської поверхні і назад, визначають рельєф поверхні на масштабах, більших, ніж довжина домінантних поверхневих хвиль. Знаючи рельєф поверхні, розраховують поле поверхневої течії. Далі по величині відображеного назад сигналу за допомогою попередніх укладених калібрувальних кривих визначають швидкість вітру, враховуючи при цьому висоту значущих хвиль і швидкість поверхневої течії. Використані джерела: 1. Караев В.Ю., Каневский М.Б., Баландина Г.Н., Коттон Д. Трехпараметрический алгоритм определения скорости приповерхностного ветра по данным радиоальтиметрических измерений // Исследование Земли из космоса. - 1999. - №6. С.33-41. 5 90950 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. Запевалов А.С., Пустовойтенко В.В. О точности скаттерометрического определения скорости приводного ветра // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа, Севастополь, МГИ НАНУ. - 2004. - Вып.11. - С.262267. 4. Brown G.S., Stanley H.R., Roy N.A. The wind speed measurements capability of spaceborne radar altimetry I l / І ЕЕЕ J. Oceanic Eng. - 1981. - OE-6. P.59-63. 5. Glazman R.E., Greysukh A. Satellite altimeter measurements of surface wind I l J. Geophys. Res. 1993. - Vol.98, №C2. - P.2475-2483 - прототип. Комп’ютерна верстка А. Рябко 6 6. Hayne G. Radar altimeter mean return waveforms from near-normalincidence ocean surface scattering I l ГЕЕЕ Trans. Antennas and Propagation. - 1980. - Vol. 28, № 5. - P. 687-692. 7. Филлипс O.M. Динамика верхнего слоя океана: Пер. с англ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 319с. 8. Korotaev G.K., Saenko О.A., Koblinsky C.J. Satellite altimetry observations of the Black Sea level // J. Geoph. Res. - 2001. - 106. №C1. - P.917-933. 9. Дорофеев В.Л., Коротаев Г.К. Ассимиляция данных спутниковой альтиметрии в вихреразрешающей модели циркуляции Черного моря // Морской гидрофизический журн. - 2004. - №1. - С.5268. 10. Dobson E., Monaldo F., Goldhirsh J., Wilkerson J. Validation of Geosat altimeter-derived wind speeds and significant wave heights using buoy data I l Johns Hopkins APL Tech. Dig. - 1987. - 8. P.222-233. Підписне Тираж 28 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