RU2548129C1 - Remote determinations of sea surface characteristics - Google Patents
Remote determinations of sea surface characteristics Download PDFInfo
- Publication number
- RU2548129C1 RU2548129C1 RU2014151938/93A RU2014151938A RU2548129C1 RU 2548129 C1 RU2548129 C1 RU 2548129C1 RU 2014151938/93 A RU2014151938/93 A RU 2014151938/93A RU 2014151938 A RU2014151938 A RU 2014151938A RU 2548129 C1 RU2548129 C1 RU 2548129C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sea surface
- radio pulses
- duration
- reflected
- pulses
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния поверхности океана.The invention relates to the field of oceanographic measurements and can mainly be used to monitor the state of the ocean surface.
Спектр морских поверхностных волн является узкополосной функцией волновых чисел (или частот). Практически вся энергия сосредоточена в окрестности спектрального пика. Волны с масштабами, близкими к масштабу волн спектрального пика, принято называть доминантными или энергонесущими. Именно эти волны определяют воздействия на суда и гидротехнические сооружения. Характеристики доминантных волн относятся к числу основных характеристик морской поверхности, определяющих ее состояние.The spectrum of sea surface waves is a narrow-band function of wave numbers (or frequencies). Almost all of the energy is concentrated in the vicinity of the spectral peak. Waves with scales close to the scale of the spectral peak waves are usually called dominant or energy-bearing. It is these waves that determine the impact on ships and hydraulic structures. Characteristics of dominant waves are among the main characteristics of the sea surface that determine its condition.
Регистрируемый при радиозондировании с летательных аппаратов, например, со спутников, сигнал зависит как от доминантных волн, так и от мелкомасштабной ряби, энергия которой на несколько порядков меньше энергии доминантных волн. В общем виде проблема разделения влияния на отражённый радиосигнал составляющих поля морских волн разных масштабов до сих пор не решена.The signal recorded during radiosounding from aircraft, for example, from satellites, depends on both dominant waves and small-scale ripples, whose energy is several orders of magnitude lower than the energy of dominant waves. In general terms, the problem of separation of the influence of the components of the field of sea waves of different scales on the reflected radio signal has not yet been solved.
В качестве одной из основных характеристик поля доминантных волн принято рассматривать значимую высоту волн. Известен способ дистанционного определения значимой высоты волн, путём вертикального зондирования из-под воды морской поверхности [1]. Зондирование осуществляется в акустическом диапазоне. Недостатком аналога является то обстоятельство, что он позволяет получать информацию о поле морских волн только на ограниченной акватории и не позволяет решать проблему мониторинга океана в глобальном масштабе.As one of the main characteristics of the field of dominant waves, it is customary to consider a significant wave height. A known method for remote determination of significant wave heights by vertical sounding from under the water of the sea surface [1]. Sounding is carried out in the acoustic range. The disadvantage of the analogue is the fact that it allows you to obtain information about the field of sea waves only in a limited area and does not allow to solve the problem of ocean monitoring on a global scale.
Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является способ дистанционного определения характеристик морской поверхности путём радиозондирования с космических аппаратов [2]. Такие признаки прототипа, как формирование короткого радиоимпульса постоянной длительности, вертикальное зондирование морской поверхности, регистрация отражённого радиосигнала, определение характеристик волн по форме отражённого радиоимпульса, совпадают с существенными признаками заявленного изобретения.Closest to the invention in terms of essential features, and therefore selected as a prototype, is a method for remote determination of sea surface characteristics by radio sounding from spacecraft [2]. Such features of the prototype as the formation of a short radio pulse of constant duration, vertical sounding of the sea surface, registration of the reflected radio signal, the determination of wave characteristics by the shape of the reflected radio pulse, coincide with the essential features of the claimed invention.
Недостатком прототипа является следующее. Характеристики морской поверхности определяются по переднему склону отражённого радиоимпульса [3, 4]. В то же время на форму импульса влияет плотность точек зеркального отражения, которая растёт с ростом скорости приводного ветра, при этом также меняется их распределение вдоль профиля длинной волны. Одновременное воздействие двух факторов ограничивает точность определения характеристик поля доминантных волн.The disadvantage of the prototype is the following. The characteristics of the sea surface are determined by the front slope of the reflected radio pulse [3, 4]. At the same time, the shape of the pulse is affected by the density of specular reflection points, which increases with increasing drive wind speed, and their distribution along the long wave profile also changes. The simultaneous influence of two factors limits the accuracy of determining the characteristics of the field of dominant waves.
В основу изобретения поставлена задача создания способа дистанционного определения характеристик морской поверхности, в котором за счёт использования зондирующих импульсов разной длительности обеспечивается новое техническое свойство - разделение воздействия на отражённый от морской поверхности сигнал двух факторов: доминантных ветровых волн и мелкомасштабной ряби. Указанное новое свойство обусловливает достижение технического результата изобретения -повышение точности определения характеристик морской поверхности.The basis of the invention is the task of creating a method for remote determination of the characteristics of the sea surface, in which by using sounding pulses of different durations, a new technical property is provided - separation of the effect of two factors on the signal reflected from the sea surface: dominant wind waves and small-scale ripples. The specified new property determines the achievement of the technical result of the invention — improving the accuracy of determining the characteristics of the sea surface.
Поставленная задача решается тем, что в способе дистанционного определения характеристик морской поверхности, который заключается в том, что формируются короткие радиоимпульсы постоянной длительности, морская поверхность вертикально зондируется этими радиоимпульсами, регистрируется отражённый радиосигнал, по форме переднего фронта которого определяются характеристики волн, новым является то, что дополнительно формируются более длинные радиоимпульсы, длительность которых обеспечивает одновременное отражение радиоимпульсов от всей площади морской поверхности, освещаемой в пределах диаграммы направленности антенны, осуществляют вертикальное зондирование морской поверхности этими дополнительными радиоимпульсами, определяют их амплитуду, по ней определяют скорость ветра, и с учетом полученной скорости вера определяют характеристики волн.The problem is solved in that in the method for remote determination of the characteristics of the sea surface, which consists in the formation of short radio pulses of constant duration, the sea surface is vertically probed by these radio pulses, the reflected radio signal is recorded, the shape of the leading edge of which determines the wave characteristics, new is that longer radio pulses are additionally formed, the duration of which provides simultaneous reflection of radio pulses from the sun the sea surface area illuminated within the antenna radiation pattern, they perform vertical sounding of the sea surface with these additional radio pulses, determine their amplitude, determine the wind speed from it, and taking into account the obtained velocity, the wave characteristics are determined.
Сущность способа поясняется с помощью иллюстрации, на которой схематично изображена геометрия освещаемой поверхности. При вертикальном зондировании морской поверхности короткими импульсами длительностью порядка несколько наносекунд (обозначим эту длительность символом τ) на временном интервале 0<t≤τ освещаемая область представляет собой расширяющийся круг [5]. При t>τ освещаемая область ограничена двумя концентрическими окружностями, радиусы которых растут с ростом времени t. Дополнительно осуществляется вертикальное зондирование импульсом длительностью τD, причем τD>τ. Длительность τD выбирается из условия, что в момент времени t=τD должна быть освещена вся область, соответствующая углу α, определяющему ширину диаграммы направленности антенны. На поверхности освещаемая область в момент времени tτD должна являться кругом с радиусом R, определяемым выражениемThe essence of the method is illustrated using the illustration, which schematically shows the geometry of the illuminated surface. In vertical sounding of the sea surface with short pulses of a duration of the order of several nanoseconds (we denote this duration by the symbol τ) in the
R≥R0Htg(α/2),R≥R 0 Htg (α / 2),
где H - расстояние от радара до морской поверхности, например, высота орбиты спутника.where H is the distance from the radar to the sea surface, for example, the satellite’s orbit.
Калибровка радаров, одределяющих значимую высоту волн, осуществляется путём сопоставления с данными прямых измерений волн, осуществляемыми с помощью волнографических буёв [6]. Определив амплитуду AD отражённого более длительного радиосигнала в момент t=τD, мы получаем параметр, который не зависит от доминантных волн, и в основном определяется короткой ветровой рябью. Поскольку энергия короткой ветровой ряби зависит от скорости ветра, амплитуда AD является однозначной функцией скорости ветра. Далее для разных значений амплитуд AD (разных скоростей ветра) строятся регрессионные зависимости, связывающие характеристики переднего фронта импульса длительностью τ с характеристиками доминантных волн.Calibration of radars that determine the significant wave height is carried out by comparing with the data of direct wave measurements carried out using waveographic buoys [6]. Having determined the amplitude A D of the reflected longer radio signal at the moment t = τ D , we obtain a parameter that is independent of dominant waves and is mainly determined by short wind ripples. Since the energy of a short wind ripple depends on wind speed, the amplitude A D is a single-valued function of wind speed. Then, for different values of the amplitudes A D (different wind speeds), regression dependences are constructed that connect the characteristics of the leading edge of the pulse of duration τ with the characteristics of dominant waves.
Технически реализация предложенного способа может быть осуществлена, например, путём размещения радара на спутнике и последовательным зондированием радиоимпульсами длительностью τ и τD. При высоте орбиты спутника 700 км и радиусе освещаемой площади 10 км (параметры, характерные для радиоальтиметра RA-2, установленного на спутнике ENVISAT) разность хода радиоволн до центра круга и до его границы составляет 0.071 км. Соответственно задержка во времени - 240 не. Отсюда длительность импульса должна удовлетворять условию τD>240 нс. Для сравнения: типичная длительность импульсов на спутниковых альтиметрах составляет τ=1-3 нс.Technically, the implementation of the proposed method can be carried out, for example, by placing the radar on the satellite and sequentially sensing radio pulses of duration τ and τ D. With a satellite orbit altitude of 700 km and a radius of the illuminated area of 10 km (parameters specific to the RA-2 radio altimeter installed on the ENVISAT satellite), the difference in the path of the radio waves to the center of the circle and to its boundary is 0.071 km. Accordingly, the time delay is 240 ns. Hence, the pulse duration should satisfy the condition τ D > 240 ns. For comparison: a typical pulse duration on satellite altimeters is τ = 1-3 ns.
Осуществим калибровку установленного на спутнике радара путем сопоставления данных его измерений с данными прямых измерений волн, полученными с помощью волнографических буёв. Далее зависимости значимой высоты волны от характеристик короткого импульса длительностью τ разбиваются на группы, соответствующие разным скоростям ветра. По импульсу длительностью τD определяют скорость ветра. И по соответствующей этой скорости зависимости определяют значимую высоту волн.We carry out the calibration of the radar installed on the satellite by comparing the data of its measurements with the data of direct wave measurements obtained using waveographic buoys. Further, the dependences of a significant wave height on the characteristics of a short pulse of duration τ are divided into groups corresponding to different wind speeds. An impulse of duration τ D determines the wind speed. And according to this speed, the dependencies determine a significant wave height.
Использованные источники:Used sources:
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. 386-391.1. Zapevalov A.S., Shapovalov Yu.I. Acoustic wave recorder. Results of full-scale tests // Ecological safety of coastal and shelf zones and integrated use of shelf resources, Sevastopol, MGI NASU. -2007. 15.-S. 386-391.
2. Gómez-Enri J., Gommenginger СР., Challenor P.G., Srokosz M A., Drinkwater M.R. ENVISAT radar altimeter tracker bias // Marine Geodesy. - 2006. - Vol. 29. - P. 19-38 - прототип.2. Gómez-Enri J., Gommenginger CP., Challenor P.G., Srokosz M A., Drinkwater M.R. ENVISAT radar altimeter tracker bias // Marine Geodesy. - 2006. - Vol. 29. - P. 19-38 - prototype.
3. Hayne G.S. Radar altimeter mean return waveforms from near-normal-incidence. ocean surface scattering // ШЕЕ Transactions on Antennas and Propagation. - 1980. - Vol. AP-28. - P. 687-692.3. Hayne G.S. Radar altimeter mean return waveforms from near-normal-incidence. ocean surface scattering // NEX Transactions on Antennas and Propagation. - 1980. - Vol. AP-28. - P. 687-692.
4. Gómez-Enri J., Gommenginger C.P., 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. 1102-1116.4. Gómez-Enri J., Gommenginger C.P., 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 pulse-limited radar altimeter // Boundary-Layer Meteorology. - 1978. - Vol. 13. -P. 263-276.5. Walsh E.J., Uliana E.A., Yaplee B.S. Ocean wave heights measured by a high resolution pulse-limited 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. 495-510.6. Queffeulou P. Long-term validation of wave height measurements from altimeters // Marine Geodesy. - 2004. - Vol. 27. - P. 495-510.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014151938/93A RU2548129C1 (en) | 2014-12-18 | 2014-12-18 | Remote determinations of sea surface characteristics |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014151938/93A RU2548129C1 (en) | 2014-12-18 | 2014-12-18 | Remote determinations of sea surface characteristics |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2548129C1 true RU2548129C1 (en) | 2015-04-10 |
Family
ID=53296644
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014151938/93A RU2548129C1 (en) | 2014-12-18 | 2014-12-18 | Remote determinations of sea surface characteristics |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2548129C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2631267C2 (en) * | 2015-10-06 | 2017-09-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" | Method of remote seawater salinity measurement |
-
2014
- 2014-12-18 RU RU2014151938/93A patent/RU2548129C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2631267C2 (en) * | 2015-10-06 | 2017-09-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" | Method of remote seawater salinity measurement |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Coulter et al. | Two decades of progress in SODAR techniques: a review of 11 ISARS proceedings | |
| Hocking et al. | Aspect sensitivity of stratospheric VHF radio wave scatterers, particularly above 15‐km altitude | |
| RU2633962C1 (en) | Method for determining location of scanning radar station with passive multilayer pelengator | |
| Titchenko et al. | Peculiarities of the Acoustic Pulse Formation Reflected by the Water Surface: a Numerical Experiments and the Results of Long-term Measurements Using the" Kalmar" Sonar | |
| RU2352909C1 (en) | Method for radiolocating measurement of vessel hull vibration and device for its realisation | |
| Titchenko et al. | Measuring the variance of the vertical orbital velocity component by an acoustic wave gauge with a single transceiver antenna | |
| RU2548129C1 (en) | Remote determinations of sea surface characteristics | |
| CN111239742B (en) | MBMC-based low-altitude wind shear wind speed estimation method under sea clutter background | |
| Fissel et al. | Advances in upward looking sonar technology for studying the processes of change in Arctic Ocean ice climate | |
| Moran et al. | The accuracy of RASS temperature measurements corrected for vertical air motion | |
| RU2548120C1 (en) | Remote determination of surface wind velocity | |
| RU2414723C1 (en) | Method of measuring attenuation of radar radiation by clouds and precipitations | |
| RU2541733C1 (en) | Parametric profile recorder | |
| Kulikova et al. | Analysis of the Sea Surface Parameters by Doppler X-Band Radar in the Coastal Zone of the Black Sea | |
| RU2523102C2 (en) | Gadget to measure sea wave parameters | |
| Lhermitte et al. | Turbulent flow microstructures observed by sonar | |
| Abileah et al. | Coherent ranging with Envisat radar altimeter: A new perspective in analyzing altimeter data using Doppler processing | |
| RU2548127C1 (en) | Remote determinations of sea surface level | |
| RU2548113C1 (en) | Remote determination of sea surface characteristics | |
| RU2807331C1 (en) | Method for determining range and radial speed of target using pulse-doppler radar station | |
| JP2000310678A (en) | Wave observation system with radar | |
| Karaev et al. | Experiment at the international space station: A microwave radar with scanning fan beam antenna at nadir probing | |
| RU2813634C1 (en) | Method for detecting sound-scattering layers in seas and oceans | |
| Domps et al. | Rapid Scale Wind Profiling with Autoregressive Modeling and L-Band Doppler Radar | |
| RU2761955C1 (en) | Method for determining the flight altitude of a low-flying target of a monopulse tracking radar |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190724 |