Радиолокационные методы определения степени взволнованности морской поверхности с борта ИСЗ

• Автор: Терехов, Владимир Алексеевич
• Шифр специальности: 05.12.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 228 с. : ил.

Аннотация
В диссертационной работе автором предложен и экспериментально проверен метод измерения высоты морских волн в облучаемой области по форме фронта отраженного от морской поверхности сигнала при обработке его как во временной, так и в частотной области в текущем реальном времени на борту ИСЗ. В качестве альтернативного предложен и исследован более простой метод, позволяющий получить информацию о характеристиках морского волнения - высоте морских волн путем вычисления взаимной двухчастотной корреляционной функции сигнала, отраженного от морской поверхности, и их крутизне путем оценки ширины доплеровского спектра, связанной со скоростью поверхностного ветра.
Произведена оценка потенциальных точностных характеристик обоих разработанных методов. Проанализирован выбор оптимальных параметров измерителей для получения потенциальных точностных характеристик систем к высоте морских волн. Разработана структура измерителей космического базирования.

ВВЕДЕНИЕ
Космические средства дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и наземная инфраструктура, предназначенная для приема, обработки, хранения и распространения космической информации ДЗЗ, должны создаваться и совершенствоваться в максимальном соответствии с задачами и требованиями хозяйственных и научных организаций-потребителей космических данных. Задачи, стоящие перед хозяйством страны, по освоению ресурсов Земли и Мирового океана требуют разработки принципиально новых средств и методов исследования [1]. В рамках общей проблемы исследования поверхности Земли дистанционными методами большое значение имеет исследование Мирового океана. При этом актуальными являются задачи, связанные с созданием методов и технических средств неконтактного измерения параметров морского волнения. Космические системы дистанционного зондирования в радиодиапазоне позволяют обеспечить глобальный мониторинг поверхности Земли вне зависимости от состояния атмосферы и времени суток.
Теоретические и экспериментальные исследования статистических характеристик радиосигналов, отраженных от морской поверхности (МП), анализ их связи с основными параметрами морского волнения - высотой, наклонами, направлением распространения волн, скорости и направления ветра над поверхностью моря открывают возможности для создания радиотехнических средств измерения этих параметров с искусственных спутников Земли (ИСЗ). Информация о состоянии МП, скорости и направлении ветра над ней, степени взволнованности необходима для повышения достоверности прогноза погоды на континентах и морях, для океанологических научных исследований, для обеспечения навигации судовождения, для строительства и эксплуатации различных гидротехнических сооружений (буровые вышки, порты и т.п.), для экологического мониторинга и т.д.
Космические средства позволяют регулярно получать океанологическую информацию с огромных территорий и в настоящее время стали важнейшими источниками информации об океане наряду с судовыми и другими контактны-
ми исследованиями. Развитие спутниковой океанологии дополнительно стимулируется удорожанием эксплуатации и вынужденным сокращением исследовательского флота России.
В настоящее время бортовым прибором космического базирования, позволяющим оперативно получать сведения о степени взволнованности МП радиолокационным методом, является прецизионный океанографический радиовысотомер (ПРВ). ПРВ обеспечивает прецизионные точностные измерения при работе по МП, давая информацию для широкого круга задач: уточнение морского геоида, картирование гравитационных аномалий, контроля уровня поверхности (приливов, отливов, штормовых нагонов, вихрей, цунами), контроля морских течений, определение высоты морских волн (MB), и скорости поверхностного ветра и многих других процессов в Мировом океане, связанных изменением уровня МП. ПРВ обеспечивает прецизионную точность измерения высоты над средним уровнем морской поверхности, а при известной орбите ИСЗ — топографии МП в подспутниковой области с флуктуационной погрешностью не более 10см. В целях получения представляющей интерес информации необходимо иметь очень высокую разрешающую способность орбитального ПРВ. Повышение разрешающей способности до 10см на 100км подспутниковой трассы /уклон 10'6/ позволяет определить отклонения уровня поверхности моря от геоида, детально исследовать вихревую структуру общей океанической циркуляции и обнаруживать разрушительные волны цунами задолго до их приближения к берегу.
Экспериментальные результаты, полученные с помощью ПРВ, установленных на борту ИСЗ “Skylab”, “Geos-C”, “Seasat”, “Topex-Poseidon”, “Jasion” подтвердили перспективность их использования для дистанционных океанографических измерений [2] - [6]. В известных зарубежных публикациях Ж. Брауна, JI. Миллера, Ж. Хейна, Т. Бергера и работах отечественных авторов
А.П. Жуковского, С.Г. Зубковича, А.И. Баскакова, H.A. Важенина и др. показано, что для достижения высокой точности измерения высоты и чувствительности к слабому волнению требуются зондирующие радиосигналы с наносе-
3. Получено аналитическое выражение для корреляционной функции (КФ) отраженных от МП радиосигналов ПРВ, позволяющее исследовать зависимость КФ от режима облучения с учетом возможных отклонений оси ДНА от вертикали, выбранных параметров ПРВ и степени взволнованности МП и одновременно проанализировать вид информационного сигнала ПРВ.
4. В данной главе также подробно исследовано поведение корреляционной функции отраженного сигнала, корреляционных интервалов быстрых и межпериодных флуктуаций от ширины спектра зондирующего сигнала, режима облучения и степени взволнованности МП.
5. Проведен анализ информационных сигналов для широкого диапазона исходных данных: ширина ДНА, отклонение ДНА от вертикали, высота волн МП, длительность зондирующего сигнала и его девиация в случае ЛЧМ.