Спосіб дистанційного визначення характеристик морської поверхні

Реферат: Винахід належить до області океанографічних вимірювань і переважно може бути використаний для контролю стану поверхні океану. Спосіб дистанційного визначення характеристик морської поверхні полягає в тому, що формують короткі радіоімпульси постійної тривалості і вертикально зондують ними морську поверхню. Реєструють відбиті радіоімпульси і за їх формою визначають характеристики морської поверхні. При цьому додатково формують більш довші радіоімпульси і вертикально зондують ними морську поверхню. Тривалість додатково сформованих радіоімпульсів вибирають з умови одночасного їх відбиття від всієї площі морської поверхні, що опромінюється в межах діаграми спрямованості антени. Визначають амплітуду відбитих більш довгих радіоімпульсів і за нею визначають швидкість вітру, а характеристики морської поверхні визначають з урахуванням швидкості вітру. Спосіб забезпечує підвищення точності визначення характеристик морської поверхні за рахунок розділення дії на відбитий від морської поверхні радіосигнал двох чинників: домінантних вітрових хвиль і дрібномасштабних брижів. UA 98193 C2 (12) UA 98193 C2 UA 98193 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області океанографічних вимірювань і переважно може бути використаний для контролю стану поверхні океану. Спектр морських поверхневих хвиль є вузькосмуговою функцією хвилевих чисел (або частот). Практично вся енергія зосереджена в околиці спектрального піка. Хвилі з масштабами, близькими до масштабу хвиль спектрального піка, прийнято називати домінантними або енергонесучими. Саме ці хвилі визначають дії на судна і гідротехнічні споруди. Характеристики домінантних хвиль належать до основних характеристик морської поверхні, що визначають її стан. Реєстрований при радіозондуванні з літальних апаратів, наприклад, зі супутників, сигнал залежить як від домінантних хвиль, так і від дрібномасштабної брижі, енергія якої на декілька порядків менше енергії домінантних хвиль. У загальному вигляді проблема розділення впливу на відбитий радіосигнал складових поля морських хвиль різних масштабів досі не вирішена. Як одну з основних характеристик поля домінантних хвиль прийнято розглядати значущу висоту хвиль. Відомий спосіб дистанційного визначення значущої висоти хвиль шляхом вертикального зондування з-під води морської поверхні [1]. Зондування здійснюється в акустичному діапазоні. Недоліком аналога є та обставина, що він дозволяє отримувати інформацію про поле морських хвиль тільки на обмеженій акваторії і не дозволяє вирішувати проблему моніторингу океану в глобальному масштабі. Найбільш близьким до винаходу по сукупності ознак, і тому вибраним як прототип, є спосіб дистанційного визначення характеристик морської поверхні шляхом радіозондування з космічних апаратів [2]. Такі ознаки прототипу, як формування короткого радіоімпульсу постійної тривалості, вертикальне зондування морської поверхні, реєстрація відбитого радіосигналу, визначення характеристик хвиль за формою відбитого радіоімпульсу, збігаються з ознаками заявленого винаходу. Недоліком прототипу є наступне. Характеристики морської поверхні визначаються по передньому схилу відбитого радіоімпульсу [3, 4]. В той же час на форму імпульсу впливає щільність точок дзеркального відображення, яка зростає із зростанням швидкості приводного вітру, при цьому також міняється їх розподіл уздовж профілю довгої хвилі. Одночасна дія двох чинників обмежує точність визначення характеристик поля домінантних хвиль. У основу винаходу поставлено задачу створення способу дистанційного визначення характеристик морської поверхні, в якому за рахунок використання зондуючих імпульсів різної тривалості забезпечується нова технічна властивість - розділення дії на відбитий від морської поверхні сигнал двох чинників: домінантних вітрових хвиль і дрібномасштабних брижів. Вказана нова властивість забезпечує властивість технічний результат винаходу - підвищення точності визначення характеристик морської поверхні. Поставлена задача вирішується тим, що в способі дистанційного визначення характеристик морської поверхні, який полягає в тому, що формують короткі радіоімпульси постійної тривалості, морська поверхня вертикально зондується цими радіоімпульсами, реєструється відбитий радіосигнал, за формою переднього фронту якого визначаються характеристики морської поверхні, новим є те, що додатково формуються більш довші радіоімпульси, здійснюють вертикальне зондування морської поверхні цими радіоімпульсами, при цьому тривалість додатково сформованих радіоімпульсів вибирають з умови одночасного відбиття радіоімпульсів від всієї площі морської поверхні, що опромінюється в межах діаграми спрямованості антени, визначають амплітуду відбитих більш довгих радіоімпульсів, по ній визначають швидкість вітру, а характеристики морської поверхні визначають з урахуванням швидкості вітру. Суть способу пояснюється за допомогою ілюстрації, на якій схемно зображена геометрія освітлюваної поверхні. При вертикальному зондуванні морської поверхні короткими імпульсами тривалістю близько декілька наносекунд (позначимо цю тривалість символом ) на часовому інтервалі 0  освітлювана область обмежена двома концентричними колами, радіуси яких зростають із зростанням часу t. Додатково здійснюється вертикальне зондування імпульсом тривалістю D, причому D>t. Тривалість D вибирається з умови, що у момент часу t = D має бути освітлена вся область, відповідна куту , що визначає ширину діаграми спрямованості антени. На поверхні освітлювана область у момент часу t = D має бути кругом з радіусом R, визначуваним виразом R = H tg(/2), де H - відстань від радара до морської поверхні, наприклад висота орбіти супутника. Калібрування радарів, що визначають значущу висоту хвиль, здійснюється шляхом зіставлення даними прямих вимірювань хвиль, здійснюваними за допомогою хвилеграфічних буїв [6]. Визначивши амплітуду AD відбитого тривалішого радіосигналу в момент t = D, ми 1 UA 98193 C2 5 10 15 20 25 30 отримуємо параметр, який не залежить від домінантних хвиль, і в основному визначається короткими вітровими брижами. Оскільки енергія коротких вітрових брижів залежить від швидкості вітру, амплітуда AD є однозначною функцією швидкості вітру. Далі для різних значень амплітуд AD (різних швидкостей вітру) будуються регресійні залежності, що зв'язують характеристики переднього фронту імпульсу тривалістю  з характеристиками домінантних хвиль. Технічно реалізація запропонованого способу може бути здійснена, наприклад, шляхом розміщення радара на супутнику і послідовним зондуванням радіоімпульсами тривалістю  і D. При висоті орбіти супутника 700 км і радіусі освітлюваної площі 10 км. (параметри, характерні для радіоальтиметра RA-2, що встановлені на супутнику ENVISAT) різниця ходу радіохвиль до центру круга і до його межі складає 0.071 км. Відповідно затримка в часі - 240 нс. Звідси тривалість імпульсу повинна задовольняти умові D > 240 нс. Для порівняння: типова тривалість імпульсів на супутникових альтиметрах складає  = 1-3 нc. Здійснимо калібрування встановленого на супутнику радара шляхом зіставлення даних його вимірювань з даними прямих вимірювань хвиль, що отримуються за допомогою хвилеграфічних буїв. Далі залежності значущої висоти хвилі від характеристик короткого імпульсу тривалістю  розбиваються на групи, відповідні різним швидкостям вітру. По імпульсу тривалістю D визначають швидкість вітру. І по відповідній цій швидкості вітру залежності визначають значущу висоту хвиль. Джерела інформації: 1. Запевалов А.С., Шаповалов Ю.И. Акустический волнограф. Результаты натурных испытаний // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа, Севастополь, МГИ НАНУ. -2007.- Вып. 15.-С. 386-391. 2. Gómez-Enri J., Gommenginger С.Р., Challenor P.G., Srokosz M.A., Drinkwater M.R. ENVISAT radar altimeter tracker bias // Marine Geodesy. - 2006. - Vol. 29. - P. 19-38 - прототип. 3. Hayne G.S. Radar altimeter mean return waveforms from near-normal-incidence ocean surface scattering // IEЕЕ Transactions on Antennas and Propagation. - 1980. -Vol. AP-28. - P. 687-692. 4. Gómez-Enri J., Gommenginger С.Р., Srokosz M.A., Challenor P.G., Benveniste J. Measuring global ocean wave skewness by retracking RA-2 Envisat waveforms // J. of Atmospheric and Oceanic Technology. - 2007. - Vol. 24. - P. 1102-1116. 5. Walsh E.J., Uliana E.A., Yaplee B.S. Ocean wave heights measured by a high resolution pulselimited radar altimeter // Boundary-Layer Meteorology. - 1978. - Vol. 13. -P. 263-276. 6. Queffeulou P. Long-term validation of wave height measurements from altimeters // Marine Geodesy. - 2004. - Vol. 27. - P. 495-510. 35 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 Спосіб дистанційного визначення характеристик морської поверхні, який полягає в тому, що формують короткі радіоімпульси постійної тривалості, вертикально зондують ними морську поверхню, реєструють відбиті радіоімпульси і за їх формою визначають характеристики морської поверхні, який відрізняється тим, що додатково формують більш довгі радіоімпульси і вертикально зондують ними морську поверхню, при цьому тривалість додатково сформованих радіоімпульсів вибирають з умови одночасного їх відбиття від всієї площі морської поверхні, що опромінюється в межах діаграми спрямованості антени, визначають амплітуду відбитих більш довгих радіоімпульсів і за нею визначають швидкість вітру, а характеристики морської поверхні визначають з урахуванням швидкості вітру. 2 UA 98193 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3