RU2631267C2 - Method of remote seawater salinity measurement - Google Patents

Method of remote seawater salinity measurement Download PDF

Info

Publication number
RU2631267C2
RU2631267C2 RU2015142497A RU2015142497A RU2631267C2 RU 2631267 C2 RU2631267 C2 RU 2631267C2 RU 2015142497 A RU2015142497 A RU 2015142497A RU 2015142497 A RU2015142497 A RU 2015142497A RU 2631267 C2 RU2631267 C2 RU 2631267C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
polarization
salinity
sea surface
same
sea
Prior art date
Application number
RU2015142497A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015142497A (en
Inventor
Александр Сергеевич Запевалов
Владимир Владимирович Пустовойтенко
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт 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 учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН"
Priority to RU2015142497A priority Critical patent/RU2631267C2/en
Publication of RU2015142497A publication Critical patent/RU2015142497A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2631267C2 publication Critical patent/RU2631267C2/en

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • G01S13/95—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: in the proposed method, the specified controlled area of the sea surface is irradiated with microwave radio waves of a given vertical polarization frequency, the backscattered signal is recorded at the same polarization (vertical), the polarization of the radiator and receiver is made orthogonal and the same portion of the sea surface is probed at the same frequency, the backscattered signal is registered, after which, according to two successive soundings, the polarization ratio is calculated, according to which the salinity is calculated.
EFFECT: increased accuracy of measuring the salinity of sea water by eliminating the effect of variability in the sea surface roughness on the result of measurements.
1 cl

Description

Изобретение относится к области океанологических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля солености на разных акваториях Мирового океана.The invention relates to the field of oceanological measurements and can mainly be used to control salinity in different areas of the oceans.

Физической основой заявленного способа дистанционного определения солености морской поверхности является следующее.The physical basis of the claimed method for remote determination of salinity of the sea surface is the following.

В случае зондирования морской поверхности при углах падения θ от 25° до 75° рассеянный назад сигнал определяет резонансный (брегговский) механизм рассеяния [Калмыков А.И., Курекин А.С, Лемента Ю.А., Пустовойтенко В.В. Некоторые особенности обратного рассеяния радиоволн СВЧ диапазона поверхностью моря при малых углах скольжения // Препринт ИРЭ АН УССР. - 1974. - № 40]. Рассеяние радиоволн назад создают поверхностные волны, бегущие вдоль направления зондирования в прямом или обратном направлении, у которых волновое число KB связано с волновым числом радиоволн k соотношением KB=2ksinθ.In the case of sounding the sea surface at angles of incidence θ from 25 ° to 75 °, the backscattered signal determines the resonance (Bragg) scattering mechanism [Kalmykov A.I., Kurekin A.S., Lementa Yu.A., Pustovoitenko V.V. Some features of backscattering of microwave waves by the sea surface at small glide angles // Preprint IRE AN SSSR. - 1974. - No. 40]. Backward scattering of radio waves is generated by surface waves traveling along the sounding direction in the forward or reverse direction, in which the wave number K B is related to the wave number of radio waves k by the relation K B = 2ksinθ.

В нулевом приближении, когда резонансные (брегговские) составляющие поля поверхностных волн распространяются по плоской поверхности, сечение обратного рассеяния можно представить в формеIn the zeroth approximation, when the resonant (Bragg) components of the field of surface waves propagate along a flat surface, the backscattering cross section can be represented in the form

Figure 00000001
Figure 00000001

где p - вид поляризации, первый индекс соответствует поляризации излучаемого сигнала, второй - принимаемого;where p is the type of polarization, the first index corresponds to the polarization of the emitted signal, the second - received;

Figure 00000002
- геометрический коэффициент, зависящий от вида поляризации излучаемого и принимаемого радиолокационного сигнала и от электрофизических (диэлектрическая проницаемость) параметров морской воды;
Figure 00000002
- geometrical coefficient, depending on the type of polarization of the radiated and received radar signal and on the electrophysical (dielectric constant) parameters of sea water;

Figure 00000003
- спектр морской поверхности, соответствующий волновому вектору
Figure 00000004
брегговской компоненты.
Figure 00000003
- spectrum of the sea surface corresponding to the wave vector
Figure 00000004
Bragg component.

Для вертикальной (v) и горизонтальной (h) поляризации функция Gpp(θ) соответственно имеет вид [Valenzuela G. Theories for the interaction of electromagnetic and ocean waves. - A Review // Boundary Layer Meteorology. - 1978. - Vol. 13, №1-4. - P. 61-85]:For vertical (v) and horizontal (h) polarizations, the function G pp (θ), respectively, has the form [Valenzuela G. Theories for the interaction of electromagnetic and ocean waves. - A Review // Boundary Layer Meteorology. - 1978. - Vol. 13, No. 1-4. - P. 61-85]:

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

где εr - комплексная относительная диэлектрическая проницаемость среды под границей атмосфера-океан.where ε r is the complex relative permittivity of the medium under the atmosphere-ocean boundary.

Прямое определение величины εr на основе измерений величины

Figure 00000007
приводит к значительным ошибкам, поскольку этот параметр зависит от уровня шероховатости морской поверхности, на величину которого влияет большое число разных по своей физической природе механизмов. В заявленном способе, чтобы исключить влияние этих механизмов, предлагается использовать поляризационное отношениеDirect determination of ε r based on measured values
Figure 00000007
leads to significant errors, since this parameter depends on the level of roughness of the sea surface, the value of which is affected by a large number of mechanisms different in their physical nature. In the claimed method, in order to exclude the influence of these mechanisms, it is proposed to use a polarization ratio

Figure 00000008
Figure 00000008

Поскольку на обеих поляризациях сигнал пропорционален уровню шероховатости, который в данном случае характеризуется спектром

Figure 00000009
, поляризационное отношение определяется двумя параметрами: εr и θ.Since the signal at both polarizations is proportional to the roughness level, which in this case is characterized by a spectrum
Figure 00000009
, the polarization ratio is determined by two parameters: ε r and θ.

Зависимость относительной диэлектрической проницаемости морской воды от ее температуры и солености рассматривалась в работе [Рабинович Ю.И., Мелентьев В.В. Влияние температуры и солености на излучение гладкой водной поверхности в сантиметровом диапазоне // Труды ГГО. 1970. Вып. 235. С. 78-123].The dependence of the relative dielectric constant of sea water on its temperature and salinity was considered in [Rabinovich Yu.I., Melentyev VV The effect of temperature and salinity on the radiation of a smooth water surface in the centimeter range // Proceedings of GGO. 1970. Iss. 235. S. 78-123].

Известен способ дистанционного определения солености морской воды [Арманд Н.А., Тищенко Ю.Г., Аблязов B.C., Халдин А.А. Спутниковые СВЧ радиометры дециметрового диапазона // в кн.: Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов (Сб. научных статей под ред. академика РАН Н.П. Лаверова, д.т.н. Лупяна Е.А., к. ф.-м. н. Лавровой О.Ю.). - М.: ООО «Азбука-200». - 2008. - Выпуск 5, том 1. - С. 214-218]. Этот способ основан на использовании СВЧ радиометрии. Выходные сигналы СВЧ радиометров пропорциональны излучательной способности морской поверхности, которая зависит от характеризующих ее состояние электрофизических параметров. Как правило, этот способ используется для определения солености с борта самолетов и космических аппаратов.A known method for the remote determination of salinity of seawater [Armand N.A., Tishchenko Yu.G., Ablyazov B.C., Khaldin A.A. UHF satellite radiometers // in the book: Current Problems of Remote Sensing of the Earth from Space: Physical Foundations, Methods and Technologies for Monitoring the Environment, Potentially Hazardous Phenomena and Objects (Collection of scientific articles under the editorship of Academician of the RAS N.P. Laverov, Doctor of Technical Sciences E. Lupyana, Ph.D. Lavrova O.Yu.). - M .: LLC "ABC-200". - 2008. - Issue 5, volume 1. - S. 214-218]. This method is based on the use of microwave radiometry. The output signals of microwave radiometers are proportional to the emissivity of the sea surface, which depends on the electrophysical parameters characterizing its state. Typically, this method is used to determine salinity from aircraft and spacecraft.

Сходным с существенными признаками заявленного технического решения является такой признак аналога, как регистрация СВЧ радиоизлучения. Недостатком рассматриваемого аналога является низкая точность определения солености. Этот недостаток является следствием того, что излучательная способность морской поверхности мала.Similar to the essential features of the claimed technical solution is such a sign of an analogue as the registration of microwave radiation. The disadvantage of this analogue is the low accuracy of determining salinity. This disadvantage is due to the fact that the emissivity of the sea surface is small.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков и поэтому выбранным в качестве прототипа является способ на основе радиозондирования морской поверхности [Терехин Ю.В., Пустовойтенко В.В. Влияние температуры и солености морской воды на характеристики радиолокационного сигнала СВЧ диапазона // Исследование Земли из Космоса. 1986. №2. С. 16-20].Closest to the invention in terms of features and therefore selected as a prototype is a method based on radar sensing of the sea surface [Terekhin Yu.V., Pustovoitenko V.V. The influence of temperature and salinity of sea water on the characteristics of the microwave radar signal // Research of the Earth from Space. 1986. No. 2. S. 16-20].

Такие признаки прототипа, как зондирование заданного участка морской поверхности в СВЧ диапазоне с заданной частотой и регистрация рассеянного в обратном направлении сигнала, а также проведение облучения и регистрации на одной и той же поляризации, являются сходными с существенными признаками заявленного изобретения.Such features of the prototype, as sounding a given section of the sea surface in the microwave range with a given frequency and registering a backscattered signal, as well as irradiation and registration on the same polarization, are similar to the essential features of the claimed invention.

Недостатком прототипа является низкая точность определения солености, поскольку удельная эффективная площадь рассеяния

Figure 00000010
, в соответствии с математическим выражением (1), зависит не только от солености, но и от шероховатости морской поверхности.The disadvantage of the prototype is the low accuracy of determining salinity, since the specific effective dispersion area
Figure 00000010
, in accordance with the mathematical expression (1), depends not only on salinity, but also on the roughness of the sea surface.

Уровень шероховатости меняется в широких пределах [Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Бабий М.В. Измерения параметров шероховатости морской поверхности при переходе от штиля к ветровому волнению // Физика атмосферы и океана. - Изв. АН СССР, 1992. - T. 28 - №4. - С. 424-431]. Изменения шероховатости, в основном, определяются вариациями скорости приводного ветра [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]. Изменения шероховатости морской поверхности приводят к значительно большим изменениям параметра

Figure 00000011
, чем изменения солености, наблюдаемые в Мировом океане.The level of roughness varies widely [Khristoforov G.N., Zapevalov A.S., Babiy M.V. Measurement of roughness parameters of the sea surface during the transition from calm to wind waves // Atmospheric and Ocean Physics. - Izv. USSR Academy of Sciences, 1992. - T. 28 - No. 4. - S. 424-431]. Roughness changes are mainly determined by variations in the driving wind speed [Khristoforov GN, Zapevalov AS, Smolov V.E. On the extreme accuracy of satellite scatterometric determination of wind speed over the ocean // Earth Exploration from Space. 1987. No. 2. S. 57-65]. Changes in the roughness of the sea surface lead to significantly larger changes in the parameter
Figure 00000011
than salinity changes observed in the oceans.

В основу изобретения поставлена задача создания способа дистанционного определения солености морской воды, в котором за счет того, что исключается влияние на результаты измерений изменчивости шероховатости морской поверхности, достигается технический результат - повышение точности измерения солености морской воды.The basis of the invention is the task of creating a method for remote determination of salinity of sea water, in which due to the fact that the influence on the measurement results of variability of roughness of the sea surface is eliminated, a technical result is achieved - increasing the accuracy of measuring salinity of sea water.

Поставленная задача решается тем, что в способе дистанционного определения солености морской воды, согласно которому морскую поверхность облучают радиоволнами СВЧ диапазона заданной частоты и принимают рассеянный назад сигнал, причем облучение и прием осуществляют на одной и той же поляризации, новым является то, что дополнительно морскую поверхность облучают радиоволнами СВЧ диапазона на ортогональной поляризации и на той же поляризации принимают сигнал, вычисляют поляризационное отношение и по нему определяют соленость морской воды.The problem is solved in that in the method for remotely determining the salinity of sea water, according to which the sea surface is irradiated with microwave waves of a given frequency and receive a backscattered signal, and irradiation and reception are carried out on the same polarization, it is new that the sea surface irradiated with microwave waves in the orthogonal polarization and receive the signal at the same polarization, calculate the polarization ratio and determine the salinity of the sea dy.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Контролируемый участок поверхности облучают СВЧ радиоволнами заданной частоты с заданной поляризацией (например, вертикальной). Регистрируют рассеянный назад сигнал на той же поляризации (вертикальной), на которой проводилось облучение. Меняют поляризацию излучателя и приемника на ортогональную (т.е. горизонтальную) и на той же частоте зондируют тот же участок морской поверхности. На той же поляризации принимают рассеянный назад сигнал. Затем по данным двух последовательных зондирований вычисляют поляризационное отношение, по которому рассчитывают соленость.The controlled surface area is irradiated with microwave radio waves of a given frequency with a given polarization (for example, vertical). The backscattered signal is recorded at the same polarization (vertical) on which the irradiation was carried out. The polarization of the emitter and receiver is changed to orthogonal (i.e. horizontal) and the same section of the sea surface is probed at the same frequency. At the same polarization, a backscattered signal is received. Then, according to the data of two successive soundings, the polarization ratio is calculated, according to which the salinity is calculated.

Claims (1)

Способ дистанционного определения солености морской воды, заключающийся в том, что контролируемый участок морской поверхности облучают радиоволнами СВЧ диапазона заданной частоты и принимают рассеянный назад сигнал, причем облучение и прием осуществляют на одной и той же поляризации, отличающийся тем, что затем этот же участок морской поверхности облучают радиоволнами СВЧ диапазона той же частоты на ортогональной поляризации и на той же поляризации принимают рассеянный назад сигнал, вычисляют поляризационное отношение и по нему определяют соленость морской воды.A method for remotely determining the salinity of sea water, namely, that the monitored section of the sea surface is irradiated with microwave waves of a given frequency and receive a backscattered signal, the irradiation and reception being carried out on the same polarization, characterized in that then this same section of the sea surface they irradiate with microwave waves of the same frequency range at the orthogonal polarization and receive the backscattered signal at the same polarization, calculate the polarization ratio and determine divide the salinity of seawater.
RU2015142497A 2015-10-06 2015-10-06 Method of remote seawater salinity measurement RU2631267C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015142497A RU2631267C2 (en) 2015-10-06 2015-10-06 Method of remote seawater salinity measurement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015142497A RU2631267C2 (en) 2015-10-06 2015-10-06 Method of remote seawater salinity measurement

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015142497A RU2015142497A (en) 2017-04-10
RU2631267C2 true RU2631267C2 (en) 2017-09-20

Family

ID=58505243

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015142497A RU2631267C2 (en) 2015-10-06 2015-10-06 Method of remote seawater salinity measurement

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2631267C2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111707349B (en) * 2020-06-25 2021-10-29 河南理工大学 Remote sensing water multi-angle polarization monitoring devices
CN117990662A (en) * 2024-04-07 2024-05-07 国家海洋局北海预报中心((国家海洋局青岛海洋预报台)(国家海洋局青岛海洋环境监测中心站)) Non-contact radar seawater salinity measurement method

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2047874C1 (en) * 1993-08-18 1995-11-10 Черный Игорь Владимирович Method of remote diagnosis of condition of system "ocean-atmosphere" and device for its realization
JP2005291782A (en) * 2004-03-31 2005-10-20 National Institute Of Information & Communication Technology Ice thickness estimation method by sar
JP2011027713A (en) * 2009-06-22 2011-02-10 Central Res Inst Of Electric Power Ind Measuring method for water quality of marine surface layer, water quality measuring device, and water quality measuring program
RU2548120C1 (en) * 2014-12-18 2015-04-10 Морской гидрофизический институт Remote determination of surface wind velocity
RU2548129C1 (en) * 2014-12-18 2015-04-10 Морской гидрофизический институт Remote determinations of sea surface characteristics
RU2551902C1 (en) * 2014-03-25 2015-06-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук Method of detecting linear non-uniformities in opaque media

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2047874C1 (en) * 1993-08-18 1995-11-10 Черный Игорь Владимирович Method of remote diagnosis of condition of system "ocean-atmosphere" and device for its realization
JP2005291782A (en) * 2004-03-31 2005-10-20 National Institute Of Information & Communication Technology Ice thickness estimation method by sar
JP2011027713A (en) * 2009-06-22 2011-02-10 Central Res Inst Of Electric Power Ind Measuring method for water quality of marine surface layer, water quality measuring device, and water quality measuring program
RU2551902C1 (en) * 2014-03-25 2015-06-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук Method of detecting linear non-uniformities in opaque media
RU2548120C1 (en) * 2014-12-18 2015-04-10 Морской гидрофизический институт Remote determination of surface wind velocity
RU2548129C1 (en) * 2014-12-18 2015-04-10 Морской гидрофизический институт Remote determinations of sea surface characteristics

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015142497A (en) 2017-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6567162B2 (en) Underground physical property exploration system and underground physical property analysis method using the same
CN106569208A (en) Clutter map-based airport runway foreign matter detection method
RU2631267C2 (en) Method of remote seawater salinity measurement
RU2495448C1 (en) Method of detecting underwater objects
Vierinen et al. High latitude artificial periodic irregularity observations with the upgraded EISCAT heating facility
RU2623668C1 (en) Method of remote determination of the relative dielectric permeability of the environment under the atmosphere-ocean border
Pasternak et al. Stepped frequency continuous wave GPR unit for unexploded ordnance and improvised explosive device detection
Shipilov et al. Ultra-wideband radio tomographic imaging with resolution near the diffraction limit
RU2526222C1 (en) Method for radar-location determination of ice thickness
Berthelier et al. The GPR experiment on NETLANDER
Brooker Sensors and signals
Qu et al. Measuring the sound speed in deep-sea first sediment layer using a high-frequency submersible sub-bottom profiler: Method and sea trial application
RU2672759C1 (en) Method of remote determination of relative dielectric permeability of sea water under the ocean-atmosphere boundary
RU2614854C2 (en) Method of measuring depth and echo sounder therefor
RU2452978C1 (en) Method of measuring distance to monitored facility
RU2545065C2 (en) Method to measure acoustic speed in water
RU2630412C1 (en) Method of remote determination of sea current speed
Le Breton et al. Monitoring snow water equivalent using the phase of RFID signals
RU2452979C1 (en) Method of measuring distance to monitored facility
RU2529886C1 (en) Detection method of oil films on water surface
Zhang et al. A Novel Through‐the‐Wall Imaging Algorithm Combined with Phase Shift Migration and NUFFT
RU2452977C1 (en) Method of measuring distance to monitored facility
Huang et al. Advances in coastal HF and microwave (S-or X-band) radars
RU2456635C1 (en) Method of measuring distance to monitored facility
Thomas et al. A Comparative study on calibration technique for SFCW ground penetrating radar