RU2703522C1 - Способ идентификации подводного гидродинамического источника по скоростному радиолокационному изображению морской поверхности - Google Patents

Способ идентификации подводного гидродинамического источника по скоростному радиолокационному изображению морской поверхности Download PDF

Info

Publication number
RU2703522C1
RU2703522C1 RU2018145889A RU2018145889A RU2703522C1 RU 2703522 C1 RU2703522 C1 RU 2703522C1 RU 2018145889 A RU2018145889 A RU 2018145889A RU 2018145889 A RU2018145889 A RU 2018145889A RU 2703522 C1 RU2703522 C1 RU 2703522C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
waves
image
radar
velocity
speed
Prior art date
Application number
RU2018145889A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Владимирович Переслегин
Михаил Леонидович Сбитной
Илья Олегович Карпов
Роман Владимирович Ермаков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук
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 институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук
Priority to RU2018145889A priority Critical patent/RU2703522C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2703522C1 publication Critical patent/RU2703522C1/ru

Links

Images

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
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G01S13/9021—SAR image post-processing techniques
    • G01S13/9029—SAR image post-processing techniques specially adapted for moving target detection within a single SAR image or within multiple SAR images taken at the same time
    • 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
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G01S13/9021—SAR image post-processing techniques
    • G01S13/9027—Pattern recognition for feature extraction
    • 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
    • Y02A90/30—Assessment of water resources

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области радиолокации поверхности океана с летательных аппаратов и может быть использовано для поиска и обнаружения подводных гидродинамических источников. Предлагаемый способ основан на передаче к поверхности моря импульса, порождаемого возникающими в слое «скачка плотности» внутренними волнами, и формированием «скоростного портрета» поверхности в интерференционном радиолокаторе бокового обзора с синтезированной апертурой (ИРСА). Способ идентификации движущегося подводного источника использует формирование скоростного изображения поверхности моря в радиолокаторе бокового обзора с реальной или синтезированной апертурой. Через-периодный суммо-разностный метод выделения сигнала, пропорционального радиальной скорости течения, позволяет сформировать калиброванное по скорости изображение с подавлением как амплитудных вариаций сигнала, так и фазового спекл-шума на площадке заданного размера. Вторичная обработка полученного изображения позволяет разделить близкие к гармоническим поля орбитальной скорости ветровых волн и возбуждаемых подводным источником внутренних волн. По формируемому изображению внутренних волн можно определить местоположение подводного источника. 5 ил.

Description

Изобретение относится к радиолокации поверхности океана с летательных аппаратов и может быть использовано для поиска и обнаружения подводных гидродинамических источников. Предлагаемый способ основан на передаче к поверхности моря импульса, порождаемого возникающими в слое «скачка плотности» внутренними волнами, и формированием «скоростного портрета» поверхности в интерференционном радиолокаторе бокового обзора с синтезированной апертурой (ИРСА).
Задача формирования скоростных радиолокационных изображений морской поверхности не является новой, она рассматривалась в работах [1, 2]. Имеются и патенты [5, 6], где радиальная составляющая скорости измеряется в ИРСА с продольной антенной базой. В нашем патенте [7] предлагается двухлучевой способ, позволяющий измерить обе составляющие скорости. Таким образом, в принципе возможно формировать векторно-скоростные изображения поверхностных (ветровых) и внутренних волн. В то же время, существует проблема обнаружения (идентификации) локальных гидродинамических источников, возбуждающих внутренние волны сложной конфигурации. Следует учитывать и тот факт, что на поверхности существуют ветровые волны, «образ» которых отличается от «образа» внутренних волн, возбуждаемых локальным источником. Предлагаемый способ идентификации (обнаружения) подобного источника, используя известный способ формирования скоростных радиолокационных изображений [7] как прототип, включает специальную (вторичную) обработку формируемых изображений.
Обоснование предлагаемого способа
Внутренние волны (ВВ) возникают в глубинном слое «скачка плотности» при неоднородных движениях под ним масс воды. Например, в Гибралтарском проливе периодически возникает приливная волна, и цуг интенсивных ВВ вызывает на поверхности гармоническое поле течений. В областях наибольших орбитальных скоростей возрастает интенсивность мелких волн - благодаря этому эффекту сформированное в РСА яркостное изображение поверхности содержит четкий «портрет» протяженного цуга внутренних волн (фиг. 1). На фиг. 2 показаны совмещенные амплитудное и скоростное изображения цуга внутренних волн (фрагмент фиг. 1), скоростное изображение получено методом вычисления медианы доплеровского спектра при большом числе независимых отсчетов сигнала на больших площадках [3]. Видно, что при длине ВВ ~5 км, амплитуде орбитальной скорости ~±10 см/с, вариации интенсивности сигнала на переднем склоне внутренней волны однополярны и составляют ~+6 дБ. В настоящее время из космоса получены многочисленные изображения ВВ, при этом используются не только яркостные РСА-изображения, но и скоростные изображения, получаемые в ИРСА - интерференционном радаре с синтезированной апертурой, использующем продольно-разнесенные антенны [1, 2].
Внутренние волны, порождаемые движущимся подводным источником - более короткие и слабые, их скорости на уровне термоклина в безразмерном масштабе показаны на рис. 3 [4]. В то же время, на поверхности могут присутствовать ветровые волны с длиной порядка 100 м и амплитудами орбитальной скорости порядка 1 м/с. Таким образом, проблема состоит в формировании скоростного поля внутренней волны на фоне скоростного поля ветровых волн. В приближении тонкого термоклина, для главной моды ВВ с длиной волны Λ фазовая скорость ВВ составляет
Figure 00000001
где k=2π/Λ,
Figure 00000002
- перепад плотности в термоклине, h - глубина термоклина. Амплитуда вертикального смещения термоклина ξ=ξ0ехр j(kx-ωt) приводит к вертикальному смещению поверхности на величину
Figure 00000003
Орбитальная скорость ВВ на уровне термоклина
Figure 00000004
причем зоны максимальной конвергенции
Figure 00000005
располагаются над узлами смещений термоклина. Амплитуда горизонтальной скорости поверхности в этих зонах составляет
Figure 00000006
Таким образом, отношение высоты «горба» ВВ на поверхности к амплитуде ее скорости, в данном приближении составляет
Figure 00000007
Для условий Гибралтарского пролива (фиг. 2) при h=20 м,
Figure 00000008
|VS|=0,1 м/с, и амплитуда волны в слое скачка плотности должна составить ξ0=1,5 м при амплитуде поверхностной волны всего |ξS|~1,5 см. Если же движущимся источником создается внутренняя волна с амплитудой ξ0~10 см, то на поверхности можно ожидать амплитуду скорости |VS|~2 см/c при амплитуде высоты |ξS|~0,3 см. Таким образом, если в скоростных радиолокационных изображениях представляется возможным - тем или иным способом - выделить столь слабый сигнал, то в яркостных РЛ изображениях с выделением вариаций амплитуд это представляется недостоверным, а при формировании уровенных изображений (с помощью вертикально-базового интерферометра) возникают непреодолимые трудности технологического характера, связанные с размещением антенн на летательном аппарате.
Возможность реализации
Летательный аппарат с радиолокатором бокового обзора визирует морскую поверхность с широкой (ножевой) диаграммой направленности антенны в вертикальной плоскости (фиг. 4). На рисунке обозначены: Н, Wx - высота и скорость летательного аппарата; γ, R0 - угол визирования и наклонная дальность площадки; Dx - продольный размер антенны; L -ширина зоны обзора; rx, ry - размеры элемента разрешения по азимуту и горизонтальной дальности; Vy - радиальная (поперечная) скорость площадки. Отраженный сигнал возникает благодаря брэгговскому (резонансному) рассеянию на мелких ветровых волнах, скорость мелкомасштабных течений определяется по радиальному доплеровскому сдвигу частоты сигнала. Крупные ветровые волны и зыбь проявляются через их взаимодействие с мелкими волнами: интенсивность мелких волн изменяется в области склонов крупных волн, где их орбитальные скорости максимальны.
Для формирования скоростного изображения используют через-периодную суммо-разностную обработку когерентно-импульсного сигнала [1]. Исходный сигнал в каждом канале дальности имеет вид:
Figure 00000009
Здесь k - порядковый номер импульса относительно траверсного k0; ϕ0, R0 - начальная фаза и наклонная дальность; Wx - тангенциальная (продольная) скорость перемещения антенны; Tr - период следования импульсов;
Figure 00000010
доплеровский частотный сдвиг; Vy - радиальная (поперечная) скорость площадки; γ - угол визирования; λ - длина волны сигнала. Через-периодные сигналы
Figure 00000011
обладают общей для них фазой
Figure 00000012
тогда получаем:
Figure 00000013
При неподвижной антенне (Wx=0) вычитание, сложение и деление комплексных амплитуд (7) друг на друга позволяет получить точное значение доплеровского сдвига:
Figure 00000014
и тогда измеряемая радиальная скорость
Figure 00000015
При движущейся антенне и азимутальном синтезе диаграммы направленности используют интерферометр с продольной антенной базой [1], при этом исчезает ошибка в измерении фаз сигналов из-за движения антенны. Общее число независимых отсчетов фазы сравниваемых сигналов на симметричной площадке размером
Figure 00000016
составляет
Figure 00000017
т.е. определяется шириной спектра сигнала Δƒ и продольным размером антенны Dx. В самолетных условиях получается NΣ ~105, что дает возможность подавить фазовый спекл-шум до величины, меньшей полезного сигнала ΔϕS=2πƒdyTr. При плотности распределения спекл-шума δϕ*=1/2π и пороговом коэффициенте q0=10, осредненная величина спекл-шума оказывается меньше полезного сигнала:
Figure 00000018
Таким образом, в режиме синтезированной апертуры при соответствующем осреднении (rx ~100 м) и широкой полосе спектра сигнала (Δƒ≥300 МГц) возможно обнаружение слабых скоростных контрастов, вызываемых внутренними волнами большой длины - типа изображенных на фиг. 3.
Возможно ли распознавать «образ» такого рода волн на фоне ветровых поверхностных волн? Орбитальные скорости ветровых волн лежат в пределах (0,1-1) м/с, что на один-два порядка превышает полезный сигнал. С другой стороны, фоновая обстановка не менее важна для РЛ диагностики явлений на поверхности океана. По-видимому, раздельное наблюдение тех и других волн возможно при использовании известных методов «вторичной» обработки РЛ изображений - например, двумерного Фурье-преобразования с пространственно-частотной фильтрацией (подавлением) ветровых волн, после чего следует обратное Фурье-преобразование и сравнение полученного скоростного изображения с ожидаемым. На базе проведенного тест-анализа следует считать, что при гармоническом характере поля орбитальных скоростей тех и других волн возможно получить необходимое разделение полей.
На фиг. 5 приведена функциональная схема, поясняющая предлагаемый способ. Обозначены: 1 - сжатие сигнала по дальности; 2 - задержка на два периода следования; 3 - суммирование и вычитание комплексных сигналов; 4 - вычислитель амплитуды и радиальной скорости; 5 - формирование яркостного и скоростного изображений с осреднением спекл-шума; 6 - вычислитель вторичной обработки изображений (разделение портретов внутренних и поверхностных волн путем прямого и обратного Фурье-преобразований с пространственно-частотной фильтрацией и калибровкой полученных скоростных изображений); 7 - вычислитель параметров объекта;
Figure 00000019
- входной сигнал; б - опорный сигнал сжатия по дальности; в - синхроимпульс;
Figure 00000020
- развертка изображений по дальности и азимуту; ∂ - размер площадки; е - параметры Фурье-преобразований; ж - калиброванное по скорости изображение ветровых волн; з - калиброванное по скорости изображение внутренних волн,
Figure 00000021
- априорная информация, к - вычисляемые параметры подводного источника.
Источники информации
1. Переслегин С.В., Халиков З.А. Обработка сигналов в радиолокаторах с синтезированной апертурой при формировании скоростных полей поверхности Земли // Изв. ВУЗов. Радиофизика, 2014, т. LVII, №11.
2. Romeiser R., Suchand S., Hartmut R., Steinbrecher U., Grimler S. First Analysis of TerraSAR-X Along-Track InSAR-Derived Current Fields // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing, 2010, v. 48, No 2.
3. Neronsky L.B., Dostovalov M.Ju., Pereslegin S.V. The Extended Algorithms for Doppler Centroid Estimation // Proc. of EUSAR-2004, Ulm, Germany, May 2004, V. 2.
4. Rottman J.W., Brucker K.A., Dommermuth D.G., Broutman D. Parametrization of the internal wave field generated by a submarine // 28th Symposium on Naval Hydrodynamics. Pasadena, Cal., 12 - 17 Sept. 2010.
5. Takashi Fujimura. Along-track interferometric synthetic aperture radar / US Patent, Number 5.945.937, Data of patent Aug. 31, 1999.
6. Martin Suss, Werner Wiesbeck. Side-looking synthetic aperture radar system / ER Patent, Number 1.241.487. B1, Data of filing 15.03.2001.
7. Переслегин С.В., Халиков З.A., Коваленко А.И., Риман В.В., Шапрон Б., Кудрявцев В.Н, Шилов Д.В. Способ измерения векторного поля скорости океанских и речных течений в космическом РСА / Российский патент №2597148, приоритет 20.03.2015, опубл. 16.08.2016.

Claims (1)

  1. Способ идентификации движущегося локального подводного источника при формировании скоростного изображения морской поверхности в интерференционном радиолокаторе бокового обзора с синтезированной апертурой при вертикально-соосной поляризации отраженного сигнала, когерентной суммо-разностной через-периодной обработкой сигнала в каждом элементе дальности с подавлением амплитудных флуктуаций и определением радиальной скорости, отличающийся тем, что после некогерентного накопления сигналов на площадке по дальности и азимуту с подавлением спекл-шума, формируемый кадр скоростного изображения подвергается двойному Фурье-преобразованию с пространственно-частотной селекцией внутренних волн, после обратного Фурье-преобразования формируемый образ внутренней волны сравнивается с ожидаемым образом волн источника, принимается решение о наличии и местоположении источника.
RU2018145889A 2018-12-21 2018-12-21 Способ идентификации подводного гидродинамического источника по скоростному радиолокационному изображению морской поверхности RU2703522C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018145889A RU2703522C1 (ru) 2018-12-21 2018-12-21 Способ идентификации подводного гидродинамического источника по скоростному радиолокационному изображению морской поверхности

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018145889A RU2703522C1 (ru) 2018-12-21 2018-12-21 Способ идентификации подводного гидродинамического источника по скоростному радиолокационному изображению морской поверхности

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2703522C1 true RU2703522C1 (ru) 2019-10-18

Family

ID=68280158

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018145889A RU2703522C1 (ru) 2018-12-21 2018-12-21 Способ идентификации подводного гидродинамического источника по скоростному радиолокационному изображению морской поверхности

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2703522C1 (ru)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5945937A (en) * 1996-11-18 1999-08-31 Nec Corporation Along-track interferometric synthetic aperture radar
EP1241487A1 (en) * 2001-03-15 2002-09-18 Astrium Gmbh Side-looking synthetic aperture radar system
CN101140324A (zh) * 2007-10-11 2008-03-12 上海交通大学 海域合成孔径雷达图像点目标提取的方法
RU2009133568A (ru) * 2009-09-07 2011-03-20 Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова (RU) Двухпозиционный радиолокатор для оперативного мониторинга океанских явлений из космоса
RU2447457C2 (ru) * 2009-09-07 2012-04-10 Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН Радиолокационный способ оперативной диагностики океанских явлений из космоса
RU2582073C2 (ru) * 2014-07-01 2016-04-20 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Способ определения аномалий на морской поверхности неконтактным радиолокационным методом
RU2597148C1 (ru) * 2015-03-20 2016-09-10 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" Способ измерения векторного поля скорости океанских и речных течений в космическом рса

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5945937A (en) * 1996-11-18 1999-08-31 Nec Corporation Along-track interferometric synthetic aperture radar
EP1241487A1 (en) * 2001-03-15 2002-09-18 Astrium Gmbh Side-looking synthetic aperture radar system
CN101140324A (zh) * 2007-10-11 2008-03-12 上海交通大学 海域合成孔径雷达图像点目标提取的方法
RU2009133568A (ru) * 2009-09-07 2011-03-20 Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова (RU) Двухпозиционный радиолокатор для оперативного мониторинга океанских явлений из космоса
RU2447457C2 (ru) * 2009-09-07 2012-04-10 Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН Радиолокационный способ оперативной диагностики океанских явлений из космоса
RU2582073C2 (ru) * 2014-07-01 2016-04-20 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Способ определения аномалий на морской поверхности неконтактным радиолокационным методом
RU2597148C1 (ru) * 2015-03-20 2016-09-10 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" Способ измерения векторного поля скорости океанских и речных течений в космическом рса

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Egido et al. Fully focused SAR altimetry: Theory and applications
EP2160628A2 (en) Method for processing multi-pass radar data for sensing and analysing multiple components of non-stationary scatterers
Berizzi et al. Radar imaging for maritime observation
Martorella Introduction to inverse synthetic aperture radar
Hou et al. An automatic SAR-GMTI algorithm based on DPCA
Yang et al. Analysis on the characteristic of cross-correlated field and its potential application on source localization in deep water
Biondi et al. Measurements of surface river doppler velocities with along-track InSAR using a single antenna
RU2597148C1 (ru) Способ измерения векторного поля скорости океанских и речных течений в космическом рса
Castelletti et al. Layer optimized SAR processing and slope estimation in radar sounder data
Garren Theory of two-dimensional signature morphology for arbitrarily moving surface targets in squinted spotlight synthetic aperture radar
RU2669702C2 (ru) Радиолокационный способ обнаружения и определения параметров движения маловысотных малозаметных объектов в декаметровом диапазоне радиоволн
Anghel et al. Scattering centers detection and tracking in refocused spaceborne SAR images for infrastructure monitoring
RU2703522C1 (ru) Способ идентификации подводного гидродинамического источника по скоростному радиолокационному изображению морской поверхности
Liu et al. A new azimuth ambiguity suppression algorithm for surface current measurement in coastal waters and rivers with along-track InSAR
JP6978049B2 (ja) 潮位推定装置および潮位推定方法
Chiu et al. RADARSAT-2 moving object detection experiment (MODEX)
Noviello et al. ISAR motion compensation based on a new Doppler parameters estimation procedure
Huang et al. Some uncertain factor analysis and improvement in spaceborne synthetic aperture radar imaging
Liu et al. Slant-range velocity estimation based on small-FM-rate chirp
RU2468384C1 (ru) Способ определения скорости и направления движения наземной цели с помощью рлс с синтезированием апертуры антенны
RU2537788C1 (ru) Способ измерения радиальной скорости отражателя в радиолокаторе бокового обзора с синтезированной апертурой
Kovorotniy et al. ATI SAR simulation shows signatures of complex objects
Rosenberg et al. Analysis of maritime X-band velocity SAR imagery
Yilmaz et al. Detection and Localization of a Moving Person behind the Wall based on Bilateration Technique
Kersten et al. Estimating surface water flow speeds using time–frequency methods