Спосіб дистанційного визначення характеристик морської поверхні

Реферат: Винахід належить до області океанологічних вимірювань і може бути використаний для контролю стану поверхні океану. Спосіб дистанційного визначення характеристик морської поверхні полягає в тому, що формують короткі радіоімпульси постійної тривалості, зондують ними морську поверхню в надир, реєструють відображені радіоімпульси і по змінах кута нахилу на різних ділянках переднього фронту відображеного радіоімпульсу визначають асиметрію зрізаного розподілу підвищень морської поверхні. Згідно з винаходом, додатково на контрольованій акваторії моря здійснюють прямі хвилеграфічні вимірювання підвищень морської поверхні. За даними вимірювань укладають залежність асиметрії розподілу підвищень морської поверхні, визначеної при хвилеграфічних вимірюваннях, від асиметрії зазначеного зрізаного розподілу і отриману залежність враховують при розрахунку асиметрії повного розподілу підвищень морської поверхні. Спосіб забезпечує підвищення точності вимірювань. UA 104075 C2 (12) UA 104075 C2 UA 104075 C2 5 10 15 Винахід належить до області океанологічних вимірювань і переважно може бути використаний для контролю стану поверхні океану. В даний час основний потік інформації про процеси, що протікають в Світовому океані, у тому числі про стан його поверхні, надходить з приладів для дистанційного зондування, встановлених на космічних апаратах [1]. Застосовуються три види радіолокаційних систем: - радіолокаційні станції бокового огляду, за допомогою яких отримують радіолокаційні (РЛ-) зображення морської поверхні різного ступеня деталізації [2]; - скатерометри, за допомогою яких отримують непряму інформацію про поле вітру поблизу морської поверхні (напрямок і швидкість вітру); - радіолокаційні альтиметри, за допомогою яких отримують основний потік інформації безпосередньо про параметри морської поверхні, такі як реальна її топографія і значуща висота морських хвиль [1]. Фізичною основою запропонованого способу дистанційного визначення характеристик морської поверхні є наступне. При вертикальному радіозондуванні морської поверхні всю інформацію про характеристики морської поверхні несе передній фронт відображеного радіоімпульсу. Відображений радіоімпульс описується згорткою трьох функцій [3] V (t) = f1*f2*f3 20 25 30 35 40 45 (1) де f1 і f2 - функції, що залежать від характеристик радіолокатора, що встановлений на космічному апараті; f3 - функція, що визначається розподілом підвищень морської поверхні; * - символ, що позначає згортку. Залежність форми відображеного сигналу від функції f 3 створює принципову можливість визначення статистичних характеристик схвильованої морської поверхні за даними вимірів радіолокатором, встановленим на космічному апараті. Відомий спосіб [4] визначення значущої висоти морських хвиль за допомогою радіолокаційного альтиметра, встановленого на борту космічного апарата, згідно з яким здійснюють зондування поверхні моря короткими імпульсами тривалістю близько декількох наносекунд. Подібними з ознаками заявленого технічного рішення є такі ознаки аналога: формування коротких радіоімпульсів постійної тривалості, опромінення морської поверхні і реєстрування відображеного радіоімпульсу. Недоліком аналога є та обставина, що в процесі вимірювань визначається тільки одна характеристика морських хвиль - значуща висота хвиль, що обмежує область океанографічного застосування даного способу. Найбільш близьким до винаходу за сукупністю ознак, і тому вибраним як прототип, є дистанційний спосіб [5] визначення характеристик морської поверхні, що дозволяє визначати асиметрію розподілу підвищень поверхні. Спосіб заснований на використанні характеристик радіосигналу, одержуваного при зондуванні поверхні моря в надир за допомогою радіолокатора, встановленого на борту космічного апарата. Такі ознаки прототипу, як формування коротких радіоімпульсів постійної тривалості і зондування ними морської поверхні в надир, реєстрація відображених радіоімпульсів, визначення асиметрії зрізаного розподілу підвищень морської поверхні за змінюванням кута нахилу на різних ділянках переднього фронту відбитого радіоімпульсу, є спільними з суттєвими ознаками заявленого технічного рішення. Недоліком прототипу є низька точність визначення асиметрії. Цей недолік є наслідком того, що відображений радіоімпульс в основному формує піднесення поверхні, висота яких задовольняє виразу   m s , (2) 2 50 де σ s - дисперсія підвищень морської поверхні; m - безрозмірний коефіцієнт. Значення коефіцієнта m лежать в межах від 2,5 до 3 [6]. Це означає, що відображений імпульс містить інформацію не про весь розподіл підвищень морської поверхні P() , а тільки про Pm () зрізаний. Між собою ці розподіли зв'язані співвідношенням 1 UA 104075 C2 0,   ms  Pm ()  NmP(),   ms ,  0,   m s  (3) де Nm - нормуючий множник. Цей параметр визначається з умови нормування ms  Pm ()d  1. ms (4) 5 З виразу (2) випливає, що, відновлюючи за даними альтиметричних вимірювань асиметрію розподілу, ми отримуємо асиметрію зрізаного розподілу. При розрахунку асиметрії розподілу підвищень схвильованої морської поверхні  за даними альтиметричних вимірювань використовується функція щільності ймовірностей в формі [5] 10 P()   2         .  1  H3  exp 2      2  6  2      1 (5) На наведеному графіку показано, як пов'язана справжня асиметрія  з асиметрією m , отриманою для зрізаного розподілу, при двох значеннях параметра m. Пунктирною лінією, для порівняння, показана залежність m   . Видно, що розрахунок 15 20 25 30 35 40 45 асиметрії по зрізаній моделі призводить до суттєвого заниження розрахункової величини m порівняно з істинною асиметрією. Слід додати, що, оскільки реальний розподіл підвищень поверхневих хвиль має не нульовий ексцес, який змінюється в значних межах, зв'язок між m i  є стохастичним. В основу винаходу поставлена задача створення такого способу дистанційного визначення характеристик морської поверхні, в якому за рахунок того, що враховується особливість формування відображеного радіоімпульсу, досягається технічний результат - підвищення точності визначення асиметрії розподілу підвищень морської поверхні. Поставлена задача вирішується тим, що в способі дистанційного визначення характеристик морської поверхні, який полягає в тому, що формують короткі радіоімпульси постійної тривалості, зондують ними морську поверхню в надир, реєструють відображені радіоімпульси і за змінюванням кута нахилу на різних ділянках переднього фронту відображеного радіоімпульсу визначають асиметрію зрізаного розподілу підвищень морської поверхні, згідно з винаходом, додатково на контрольованій акваторії моря здійснюють прямі хвилеграфічні вимірювання підвищень морської поверхні, за даними вимірювань укладають залежність асиметрії розподілу підвищень морської поверхні, визначеної при хвилеграфічних вимірюваннях, від асиметрії зазначеного зрізаного розподілу і отриману залежність враховують при розрахунку асиметрії повного розподілу підвищень морської поверхні. Для реалізації запропонованого способу може бути використаний комплекс апаратури, який встановлюється на альтиметричних океанографічних супутниках. Вперше можливість отримання океанографічної інформації за допомогою альтиметричної системи була продемонстрована в 1973 р. в експерименті S-193, проведеному на пілотованій довгостроковій орбітальній космічній станції "SkyLab". У подальшому короткоімпульсні радіоальтиметри різних модифікацій працювали на борту космічних апаратів "GEOS-3", "SeaSat", "GeoSat", "TOPEX / Poseidon", "ERS-1,-2", "Jason-1,-2", "EnviSat" та інш. Найближчим часом очікується запуск в космос альтиметричних систем на борту космічних апаратів сімейства "Sentinel" [1]. Спосіб здійснюють наступним чином. За допомогою радіолокатора, розташованого на космічному апараті, формують короткі радіоімпульси постійної тривалості (близько одної наносекунди), опромінюють морську поверхню в надир і реєструють відображені радіоімпульси. По змінах кута нахилу на різних ділянках переднього фронту відображеного радіоімпульсу визначають асиметрію зрізаного розподілу підвищень морської поверхні m . 2 UA 104075 C2 5 Додатково на контрольованій акваторії моря проводять прямі хвилеграфічні вимірювання підвищень морської поверхні (наприклад за допомогою хвилеграфічних буїв типу "Waverider"). За результатами цих вимірів укладають залежність асиметрії повного розподілу підвищень морської поверхні  від асиметрії, отриманої для зрізаного розподілу. І за допомогою цієї залежності перераховують асиметрію зрізаного розподілу m в асиметрію повного розподілу  підвищень морської поверхні. 10 15 20 Джерела інформації: 1. Пустовойтенко В.В., Запевалов А.С. Оперативная океанография: Спутниковая альтиметрия - Современное состояние, перспективы и проблемы // Серия Современные проблемы океанологии. - Севастополь, МГИ НАН Украины. - 2012.- Вып. № 11. - 217 с. 2. Верба B.C., Неронский Л.Б., Осипов И.Г., Турук В.Э. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования. - М.: Радиотехника, 2010. - 680 с. 3. Hayne G.S. Radar altimeter mean return waveforms from near-normal-incidence ocean surface scattering // IEEE Transactions on Antennas and Propagation.-1980. - Vol. AP-28. - P. 687-692. 4. 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. 5. Gomez-Enri J., Gommenginger СР., 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. - прототип. 6. Запевалов А.С, Пустовойтенко В.В. К вопросу определения асимметрии распределения возвышений морской поверхности по данным альтиметрических измерений // Исследования Земли из космоса. - 2012. - № 4. - С. 4-13. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 Спосіб дистанційного визначення характеристик морської поверхні, який полягає в тому, що формують короткі радіоімпульси постійної тривалості, зондують ними морську поверхню в надир, реєструють відображені радіоімпульси і по змінах кута нахилу на різних ділянках переднього фронту відображеного радіоімпульсу визначають асиметрію зрізаного розподілу підвищень морської поверхні, який відрізняється тим, що додатково на контрольованій акваторії моря здійснюють прямі хвилеграфічні вимірювання підвищень морської поверхні, за даними вимірювань укладають залежність асиметрії розподілу підвищень морської поверхні, визначеної при хвилеграфічних вимірюваннях, від асиметрії зазначеного зрізаного розподілу і отриману залежність враховують при розрахунку асиметрії повного розподілу підвищень морської поверхні. 3 UA 104075 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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 4