RU2630412C1 - Способ дистанционного определения скорости морского течения - Google Patents

Способ дистанционного определения скорости морского течения Download PDF

Info

Publication number
RU2630412C1
RU2630412C1 RU2016146733A RU2016146733A RU2630412C1 RU 2630412 C1 RU2630412 C1 RU 2630412C1 RU 2016146733 A RU2016146733 A RU 2016146733A RU 2016146733 A RU2016146733 A RU 2016146733A RU 2630412 C1 RU2630412 C1 RU 2630412C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
speed
sea
directions
radar
current velocity
Prior art date
Application number
RU2016146733A
Other languages
English (en)
Inventor
Станислав Александрович Ермаков
Ирина Андреевна Сергиевская
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority to RU2016146733A priority Critical patent/RU2630412C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2630412C1 publication Critical patent/RU2630412C1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S13/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/38—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting specially adapted for water-covered areas

Landscapes

  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

Изобретение относится к радиолокационным методам мониторинга морской поверхности с целью дистанционного определения скорости морских течений в приповерхностном слое. Достигаемый технический результат – повышение точности измерений малогабаритной и мобильной аппаратурой. Способ позволяет обнаружить морское течение в приповерхностном слое и дистанционно определить его скорость с помощью многочастотного СВЧ радиолокатора L-X-диапазонов, работающего на двух соосных поляризациях (HH-излучение и прием на горизонтальной поляризации, VV-излучение и прием на вертикальной поляризации) и нескольких разнесенных частотах при измерении рассеяния от морской поверхности в двух направлениях: параллельно и перпендикулярно ветру. Способ применим в широком диапазоне скоростей ветра и углах между направлением зондирования и вертикалью от 20-25 до 80-85 градусов со свайных оснований или с судов.

Description

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным методам мониторинга морской поверхности с целью дистанционного определения скорости морских течений в приповерхностном слое.
Способ позволяет обнаружить морское течение в приповерхностном слое и дистанционно определить его скорость с помощью многочастотного СВЧ радиолокатора L-X-диапазонов (L, S, С, X), работающего на двух соосных поляризациях (HH-излучение и прием на горизонтальной поляризации, VV-излучение и прием на вертикальной поляризации) и нескольких разнесенных частотах при измерении рассеяния от морской поверхности в двух направлениях: параллельно и перпендикулярно ветру. Способ применим в широком диапазоне скоростей ветра и углах между направлением зондирования и вертикалью от 20-25 до 80-85 градусов со свайных оснований или с судов.
Из патента RU №2436040 (Пат. 2436040 Российская Федерация, МПК G01C 13/00. Способ определения кинематических характеристик поверхностных волн по пространственно-временным изображениям водной поверхности [Текст] / Зуйкова Э.М., Титов В.И., Троицкая Ю.И.; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН (RU). - №2009140801; заявл. 03.11.2009; опубл. 10.12.2011, Бюл. №34. - 13 с.: ил.) известен способ, позволяющий диагностировать течение в океане. В этом способе с помощью линейки ПЗС-фотодиодов регистрируют вариации яркости морской поверхности, определяющие одномерное изображение волн на поверхности воды, а при накоплении во времени одномерных изображений строят пространственно-временное изображение. По периоду и наклону отображений волн на этих изображениях определяют кинематические характеристики волн длинных волн, в частности дисперсионное соотношение для волн, и на основе сравнения последнего с дисперсионным соотношением для поверхностных гравитационных волн определяют скорость течения. Недостатком этого способа является необходимость определения спектральных компонент длинных ветровых волн с точностью не хуже типичных измеряемых скоростей течений, что требует гораздо большего, чем в предлагаемом способе, времени анализа, кроме того, в данном патенте для формирования оптического изображения морской поверхности используют солнечное освещение, т.е. способ не работает в ночное время и в условиях сплошной облачности. Аналогичный алгоритм возможен и при радиолокационном зондировании, но все равно время анализа (накопления сигнала) остается большим.
Наиболее близким по технической сущности является способ, известный из патента US №6774837 (Пат. 6774837 United States, МПК G01S 13/02, G01S 13/87, G01S 7/02, G01S 13/00, G01S 13/89, G01S 13/86, G01S 7/35, G01S 13/34, G01S 13/58, G01S 13/95, G01S 3/02, G01S 5/14, G01S 3/74. Ocean surface current mapping with bistatic HF radar [Текст] /Barrick D.E., Lilleboe P.M., Lipa B.J., Isaacson J.; заявитель и патентообладатель Codar Ocean Sensors, Ltd. - №10/694,154; заявл. 27.10.2003; опубл. 10.08.2004), в котором осуществляют картирование океанских приповерхностных течений радиолокаторами ВЧ-диапазона с разнесенной базой. В этом патенте используют два разнесенных радиолокатора декаметрового диапазона длин электромагнитных волн с одной поляризацией, одновременно облучающих исследуемый участок морской поверхности. Измеренные доплеровские сдвиги пересчитывают в скорости рассеивателей на морской поверхности в двух направлениях и в предположении, что в ВЧ-диапазоне скорости рассеивателей определяются только скоростью волн с брэгговским значением волнового числа и скоростью течения, рассчитывают проекции скорости приповерхностного течения в двух направлениях, а затем и вектор скорости. Недостатком этого способа является то, что в нем используют для измерений декаметровый диапазон длин электромагнитных волн (10-100 м), и поэтому данный способ реализуется только с берега из-за больших габаритов приемно-излучающих антенн, и, соответственно, его невозможно использовать с небольших свайных оснований, судов и т.д.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание метода измерения скорости течения, который реализуется с помощью достаточно малогабаритной и мобильной аппаратуры и может обеспечить точность производимых измерений.
Технический эффект данного изобретения достигается тем, что излучают и принимают рассеянные морской поверхностью радиолокационные сигналы и определяют вектор скорости морского течения в приповерхностном слое на основе измерений скоростей рассеивателей радиолокационного сигнала в двух направлениях наблюдения.
Новым является то, что для измерений используют один многочастотный и двухполяризационный СВЧ радиолокатор L-X-диапазонов, излучают и принимают рассеянные морской поверхностью радиолокационные сигналы на двух соосных (НН и VV) поляризациях в направлениях наблюдения параллельно и перпендикулярно ветру на нескольких разнесенных по величине в 1,5-2 раза частотах, независимо на каждой частоте по значениям удельной эффективной площади рассеяния радиолокационного сигнала и скорости рассеивателей на морской поверхности на VV и HH поляризациях находят значения скорости брэгговских рассеивателей в упомянутых направлениях, по которым находят вектор скорости течения, окончательное значение вектора скорости течения получают усреднением на разных частотах.
Предлагаемый способ дистанционного определения скорости морского течения средствами многочастотной радиолокации основан на том, что излучают и принимают рассеянные морской поверхностью электромагнитные волны в двух взаимно перпендикулярных направлениях на двух соосных поляризациях и на нескольких разнесенных рабочих частотах, относящихся к L-X-диапазонам. В качестве характеристик принятых сигналов используют удельные эффективные площади рассеяния радиолокационного сигнала
Figure 00000001
(pp - вертикальная VV или горизонтальная HH поляризация) и скорости рассеивателей Vpp, определяемые по величине доплеровского сдвига в отраженном радиолокационном сигнале, на двух поляризациях и нескольких разнесенных в 1,5-2 раза частотах. Удельная эффективная площадь рассеяния радиолокационного сигнала
Figure 00000002
с поляризацией pp в СВЧ-диапазоне складывается из брэгговской (поляризованной) компоненты σB_pp, определяемой рассеянием на волнах с брэгговским волновым числом, и неполяризованной компоненты σNP, которая определяется рассеянием на квазизеркально отражающих участках профиля морской поверхности, обычно связываемых с областями обрушений волн:
Figure 00000003
Соответственно, скорость рассеивателей радиолокационного сигнала Vpp в направлении наблюдения определяется скоростью брэгговских рассеивателей VB и неполяризованных рассеивателей VNP:
Figure 00000004
где α, β - коэффициенты, которые определяются вкладом соответствующей компоненты в удельную эффективную площадь рассеяния радиолокационного сигнала. Величина скорости неполяризованных рассеивателей, вообще говоря, неизвестна и зависит от скорости ветра, развитости волнения и т.д. Скорость брэгговских рассеивателей VB складывается из радиальной компоненты скорости течения - проекции вектора скорости течения на вертикальную плоскость зондирования - и собственной скорости брэгговских волн, последняя равна скорости гравитационно-капиллярных волн Vgcw с известным брэгговским волновым числом. В итоге VB может быть описана выражением
Figure 00000005
Здесь
Figure 00000006
- скорость гравитационно-капиллярных волн, g - ускорение свободного падения, σ - коэффициент поверхностного натяжения воды,
Figure 00000007
- брэгговское волновое число, θ - угол между направлением зондирования и вертикалью, ƒ - рабочая частота радиолокатора, с - скорость света, Vc - скорость течения,
Figure 00000008
- угол между проекцией направления наблюдения на горизонтальную плоскость и направлением скорости течения в приповерхностном слое, в которую включена и скорость ветрового дрейфа. Отметим, что вклад скорости гравитационно-капиллярных волн Vgcw в скорость брэгговских рассеивателей определяется углом между проекцией направления наблюдения на горизонтальную плоскость и направлением ветра и описывается функцией
Figure 00000009
.
Скорость брэгговских рассеивателей при зондировании параллельно направлению ветра VB// можно записать как
Figure 00000010
где ϕ - угол между направлением ветра и направлением скорости течения в приповерхностном слое, откуда, измерив VB//, можно определить Vc⋅cos ϕ.
При зондировании перпендикулярно ветру
Figure 00000011
в силу равенства интенсивностей брэгговских волн, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях. Скорость брэгговских рассеивателей VB⊥ в этом случае равна:
Figure 00000012
Для того чтобы найти скорость брэгговских рассеивателей, используют данные об удельной эффективной площади рассеяния и скоростях рассеивателей на двух поляризациях. Поскольку вклад неполяризованной компоненты в удельную эффективную площадь рассеяния одинаков на вертикальной и горизонтальной поляризации, то скорость брэгговских рассеивателей можно определить следующим образом
Figure 00000013
Таким образом, измерение удельных эффективных площадей рассеяния радиолокационного сигнала и скоростей брэгговских рассеивателей на двух поляризациях позволяет найти скорости брэгговских рассеивателей в направлении наблюдения. При известной величине скорости гравитационно-капиллярных волн в этом направлении можно определить проекцию скорости течения.
Последовательное (на масштабах времени, за которое течение не меняется) измерение скоростей брэгговских рассеивателей в двух направлениях - параллельно VB// и перпендикулярно VB⊥ направлению ветра - позволяет определить вектор скорости течения (модуль скорости течения и направление) для одной частоты многочастотного радиолокатора из формул (4) и (5):
Figure 00000014
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Многочастотным двухполяризационным СВЧ радиолокатором L-X-диапазонов излучают и принимают рассеянные морской поверхностью сигналы на двух соосных (НН и VV) поляризациях в направлениях наблюдения параллельно и перпендикулярно ветру на нескольких разнесенных в 1,5-2 раза частотах.
Затем независимо на каждой частоте по значениям удельной эффективной площади рассеяния радиолокационного сигнала и скорости рассеивателей на морской поверхности на VV и НН поляризациях, измеренным в этих двух направлениях наблюдения, находят значения скорости брэгговских рассеивателей в двух направлениях (по формуле (6)).
Находят вектор скорости течения по формулам (7), рассчитывая скорость течения параллельно ветру по формуле (4) и используя значение скорости течения перпендикулярно ветру из формулы (5).
Затем окончательное значение вектора скорости течения получают усреднением на разных частотах. Так как измерения скоростей течений на разных частотах независимы, усреднение позволяет также дополнительно повысить точность определения скорости приповерхностного течения.
Предлагаемый способ за счет работы в L-X-диапазонах позволяет использовать для измерений приемо-передающую антенну с диаметром порядка 1 м, что дает возможность уменьшить габариты и, соответственно, повысить мобильность всей измерительной системы.

Claims (1)

  1. Способ дистанционного определения скорости морского течения, в котором излучают и принимают рассеянные морской поверхностью радиолокационные сигналы и определяют вектор скорости морского течения в приповерхностном слое на основе измерений скоростей рассеивателей радиолокационного сигнала в двух направлениях наблюдения, отличающийся тем, что для измерений используют один многочастотный и двухполяризационный СВЧ радиолокатор L-X-диапазонов, излучают и принимают рассеянные морской поверхностью радиолокационные сигналы на двух соосных (НН и VV) поляризациях в направлениях наблюдения параллельно и перпендикулярно ветру на нескольких разнесенных по величине в 1,5-2 раза частотах, независимо на каждой частоте по значениям удельной эффективной площади рассеяния радиолокационного сигнала и скорости рассеивателей на морской поверхности на VV и НН поляризациях находят значения скорости брэгговских рассеивателей в упомянутых направлениях, по которым находят вектор скорости течения, окончательное значение вектора скорости течения получают усреднением на разных частотах.
RU2016146733A 2016-11-29 2016-11-29 Способ дистанционного определения скорости морского течения RU2630412C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016146733A RU2630412C1 (ru) 2016-11-29 2016-11-29 Способ дистанционного определения скорости морского течения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016146733A RU2630412C1 (ru) 2016-11-29 2016-11-29 Способ дистанционного определения скорости морского течения

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2630412C1 true RU2630412C1 (ru) 2017-09-07

Family

ID=59797455

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016146733A RU2630412C1 (ru) 2016-11-29 2016-11-29 Способ дистанционного определения скорости морского течения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2630412C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2747963C1 (ru) * 2020-08-18 2021-05-18 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Морской гидрофизический институт РАН" (ФГБУН ФИЦ МГИ) Способ радиолокационного определения вектора скорости течения

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6774837B2 (en) * 2001-07-26 2004-08-10 Codar Ocean Sensors, Ltd. Ocean surface current mapping with bistatic HF radar
RU2274877C2 (ru) * 2003-08-07 2006-04-20 Институт прикладной физики РАН Панорамный радиолокационный способ определения состояния приповерхностного слоя океана со спутника
US20060262004A1 (en) * 2005-05-18 2006-11-23 Buck Christopher H Method for producing map images of surface sea current velocity vectors and altimetric radar system using the method
RU2297007C2 (ru) * 2004-12-29 2007-04-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") Измеритель скорости и направления морского течения
CN102353946A (zh) * 2011-06-29 2012-02-15 哈尔滨工程大学 一种基于x波段雷达图像的海表面流反演方法
JP2013181943A (ja) * 2012-03-05 2013-09-12 Toshiba Corp 海面流観測装置
RU2593384C2 (ru) * 2014-12-24 2016-08-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" Способ дистанционного определения характеристик морской поверхности

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6774837B2 (en) * 2001-07-26 2004-08-10 Codar Ocean Sensors, Ltd. Ocean surface current mapping with bistatic HF radar
RU2274877C2 (ru) * 2003-08-07 2006-04-20 Институт прикладной физики РАН Панорамный радиолокационный способ определения состояния приповерхностного слоя океана со спутника
RU2297007C2 (ru) * 2004-12-29 2007-04-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") Измеритель скорости и направления морского течения
US20060262004A1 (en) * 2005-05-18 2006-11-23 Buck Christopher H Method for producing map images of surface sea current velocity vectors and altimetric radar system using the method
CN102353946A (zh) * 2011-06-29 2012-02-15 哈尔滨工程大学 一种基于x波段雷达图像的海表面流反演方法
JP2013181943A (ja) * 2012-03-05 2013-09-12 Toshiba Corp 海面流観測装置
RU2593384C2 (ru) * 2014-12-24 2016-08-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" Способ дистанционного определения характеристик морской поверхности

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2747963C1 (ru) * 2020-08-18 2021-05-18 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Морской гидрофизический институт РАН" (ФГБУН ФИЦ МГИ) Способ радиолокационного определения вектора скорости течения

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20200326230A1 (en) Interferometric vibration observation device, vibration observation program, recording medium, vibration observation method and vibration observation system
JP6349937B2 (ja) 変動検出装置、変動検出方法および変動検出用プログラム
JP6349938B2 (ja) 測定点情報提供装置、変動検出装置、方法およびプログラム
Nwogu et al. Surface-wavefield estimation from coherent marine radars
Carrasco et al. A simple method for retrieving significant wave height from Dopplerized X-band radar
CN110988884B (zh) 一种基于高频地波雷达的中纬度电离层探测方法
Gong et al. Low-frequency target strength and abundance of shoaling Atlantic herring (Clupea harengus) in the Gulf of Maine during the Ocean Acoustic Waveguide Remote Sensing 2006 Experiment
US20180196163A1 (en) Stand alone system for determining the locations of lightning strikes
Yang et al. Analysis on the characteristic of cross-correlated field and its potential application on source localization in deep water
Lyzenga et al. Real-time estimation of ocean wave fields from marine radar data
Haus et al. Wind speed dependence of single-site wave-height retrievals from high-frequency radars
RU2630412C1 (ru) Способ дистанционного определения скорости морского течения
RU2623668C1 (ru) Способ дистанционного определения относительной диэлектрической проницаемости среды под границей атмосфера-океан
RU2346266C1 (ru) Способ дистанционного определения коэффициента отражения электромагнитной волны от границы раздела "воздух - горизонтальная поверхность подстилающей среды"
US10809369B2 (en) Radar signal processing apparatus and radar signal processing method
Titchenko et al. Measurements of the sea surface parameters using a new modification of underwater sonar on a marine platform in the Black Sea
Yurovsky et al. How fast are fast scatterers associated with breaking wind waves?
RU2566662C1 (ru) Способ измерения скорости и азимутальной координаты надводных целей радиолокаторами с синтезированной апертурой антенны
RU2529886C1 (ru) Способ обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности
Titchenko et al. Sub-satellite validation using ultrasonic wave gauge: In-situ measurements of surface waves slope variance and other parameters of surface waves
RU2231037C1 (ru) Способ определения места утечки жидкости или газа из трубопровода, находящегося в грунте
RU2414723C1 (ru) Способ измерения ослабления радарного излучения облаками и осадками
RU2655610C1 (ru) Способ бескалибровочного радиометрического измерения эффективного коэффициента излучения шероховатой подстилающей поверхности
RU2456635C1 (ru) Способ измерения расстояния до контролируемого объекта
RU2619311C1 (ru) Способ автоматического определения параметров айсберга гидролокационным методом

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20201217

Effective date: 20201217