ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 6, с. 8-18
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОТЫ ЗНАЧИТЕЛЬНОГО ВОЛНЕНИЯ В ШИРОКОЙ ПОЛОСЕ ОБЗОРА РАДИОЛОКАТОРОМ С НОЖЕВОЙ ДИАГРАММОЙ
НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ © 2012 г. В. Ю. Караев*, Е. М. Мешков
Институт прикладной физики Российской академии наук, Нижний Новгород *Е-таИ: volody@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 11.03.2012 г.
Рассмотрены особенности формирования формы отраженного импульса при надирном зондировании радиоальтиметрами с узкой и широкой диаграммами направленности антенны. Предложена концепция радиолокатора с ножевой диаграммой направленности антенны, обеспечивающего панорамный режим измерения высоты значительного волнения в широкой полосе обзора вдоль траектории полета с заданным пространственным разрешением. Использование в приемном тракте радиолокатора частотных фильтров позволит разделить широкую полосу обзора на элементарные рассеивающие ячейки заданного размера и записать форму отраженного импульса для каждой ячейки. В этом случае форма отраженного импульса будет состоять из трех участков: переднего фронта, плато и заднего фронта. Численное моделирование показало, что передний фронт отраженного импульса сохранил информацию о высоте значительного волнения, и высота значительного волнения в каждой рассеивающей ячейке может быть восстановлена с помощью стандартного алгоритма, применяемого при обработке радиоальтиметрических данных.
Ключевые слова: радиоальтиметр, дистанционное зондирование, форма отраженного импульса, обратное рассеяние электромагнитных волн взволнованной водной поверхностью, полоса обзора, высота значительного волнения
ВВЕДЕНИЕ
Радиоальтиметр измеряет высоту значительного волнения вдоль траектории движения, и эта информация активно используется в численных моделях при изучении волнового климата и в метеорологии. Существенным недостатком является то, что расстояние между витками (траекториями) превышает 100 км, а цикл измерений занимает около 10 сут (Ьее-Ьиеп§ Би, Аппу Са2епауе, 2001). На рис. 1 показан пример расположения треков радиоальтиметра Торех/Ро8е1ёоп для Каспийского моря при 10-дневном цикле (Лебедев, Костяной, 2005). В то же время, разрешение вдоль траектории движения существенно выше и обычно составляет 4—8 км в зависимости от интенсивности волнения.
В результате с помощью радиоальтиметра может быть получено только сечение процесса на поверхности океана по высоте значительного волнения и скорости ветра с хорошим разрешением вдоль траектории полета, а не пространственная структура этого процесса, что было бы интереснее потребителям информации.
Ситуация несколько улучшается за счет присутствия на орбите нескольких радиоальтиметров
и, следовательно, их показания могут объединяться при проведении анализа в заданных регионах. Существенными недостатками такого объединения являются значительная разнесенность измерений разных радиоальтиметров по времени, которая может достигать нескольких суток, а также то, что, в лучшем случае, получаем еще одно сечение.
Сформированное радиоальтиметрами глобальное поле высот содержит информацию о волнении, относящуюся к разным дням, причем информацию фрагментарную из-за большого расстояния между витками и "трековостью" измерений, т.е. без полосы обзора. Поэтому построенные карты высот имеют в основном статистическую ценность, выявляя долговременную изменчивость интенсивности волнения на различных участках Мирового океана.
Решением задачи исследования пространственной структуры процессов на морской поверхности может стать измерение высоты значительного волнения в широкой полосе обзора с заданным пространственным разрешением. Так работают скаттерометры, которые измеряют скорость и направление ветра в широкой полосе обзора с заданным пространственным разрешением
Рис. 1. Пример прохождения треков по Каспийскому морю (10-дневный цикл) радиоальтиметра Topex/Poseidon (Лебедев, Костяной, 2005).
и формируют поля приповерхностного ветра, активно используемые, например, в метеорологии.
К сожалению, скаттерометры не способны восстанавливать параметры морского волнения, что обусловлено резонансным механизмом обратного рассеяния электромагнитных волн сан-
тиметрового диапазона морской поверхностью на средних углах падения.
Интерес к восстановлению параметров волнения дистанционными методами всегда привлекал внимание исследователей, и было разработано несколько радиолокационных систем, которые
Спутник
Л
Л t
2h
Рис. 2. Схема измерения радиоальтимера (Лебедев, 2010).
хорошо зарекомендовали себя при измерении с самолета, например (Walsh et al., 1998; Hwang etal., 2000; Hauser, Caudal, 1996; Jackson et al., 1985). Однако по техническим причинам предложенные решения не могут быть перенесены на спутник для проведения глобального мониторинга.
В данной работе рассматривается возможность применения модифицированного радиоальтиметра для выполнения измерений высоты значительного волнения в широкой полосе обзора в элементарных ячейках заданного размера. Исследуется влияние ширины диаграммы направленности антенны на форму отраженного импульса при условии доплеровской селекции и обсуждаются алгоритмы восстановления высоты значительного волнения.
Для формирования полосы обзора предлагается применять радиолокатор с ножевой диаграммой направленности антенны, а для достижения необходимого пространственного разрешения использовать спектральные характеристики отраженного сигнала.
В результате новый доплеровский радиоальтиметр с ножевой диаграммой направленности антенны будет измерять высоту значительного волнения и скорость приповерхностного ветра в широкой полосе обзора с заданным разрешением.
ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОТЫ ЗНАЧИТЕЛЬНОГО ВОЛНЕНИЯ
В настоящее время измерение высоты значительного волнения выполняется космическими радиоальтиметрами с узкой симметричной диаграммой направленности антенны при надирном зондировании морской поверхности, например JASON, ENVISAT. Известная теоретическая модель описывает форму отраженного импульса для таких радиолокаторов (Brown, 1977; Chelton et al., 1989; Зубкович, 1968).
Разработанный алгоритм позволяет восстанавливать высоту значительного волнения по переднему фронту отраженного импульса. Сравнение с данными контактных измерений показало хорошую точность алгоритма — ошибка измерения высоты значительного волнения не превосходит 10%, или 0.5 м (что больше) (Lee-Lueng Fu, Anny Casenave, 2001).
Схема измерения показана на рис. 2 (Лебедев, 2010): короткий импульс излучается вертикально вниз и достигает морской поверхности. Часть излученной энергии отражается обратно и попадает в приемную антенну, где записывается форма отраженного импульса.
Процесс формирования отраженного импульса показан на рис. 3 (Лебедев, 2010). С увеличением времени задержки происходит увеличение площади освещенной (отражающей) поверхности, и мощность принятого сигнала, пропорциональная этой площади, тоже растет.
После достижения задним фронтом падающего импульса отражающей поверхности площадь освещенной площадки достигает максимальной величины и в дальнейшем перестает меняться, так как площадь отражающего кольца (освещенной поверхности) во времени сохраняется. При использовании приемной антенны с узкой диаграммой направленности происходит ослабление мощности принимаемого сигнала при увеличении угла падения, поэтому в существующих радиоальтиметрах после достижения максимума наблюдается спад на заднем фронте отраженного импульса.
В отраженном импульсе, измеренном радиоальтиметром, можно выделить передний фронт длительностью ти, когда происходит увеличение амплитуды принимаемого сигнала, и задний фронт, на котором происходит спад при учете в модели формы импульса диаграммы направленности антенны.
На рис. 3 приведена форма импульса при отражении от плоской поверхности. При наличии волнения форма импульса исказится, в частности, передний фронт станет длиннее, так как первый отраженный сигнал придет при достижении
t
c
¿0 ¿0 + т/2 ¿0 + т ¿0 + т + т/2
Рис. 3. Зависимость формы отраженного импульса от времени (Лебедев, 2010).
Gaussian Wave Height Distribution
3 -
S
w
■a 2 e
13
te at
n
S
u
1 -
30 -20 -10 0 10 20 30 Time Relative to ?1//2 (nsec)
60
Рис. 4. Зависимость освещенной площади от времени при длительности импульса 3.125 нс и высоте значительного волнения 1, 5, 10 и 15 м (Lee-Lueng Fu, Anne Cazenave, 2001).
передним фронтом гребней волн, а завершится Как отмечалось выше, мощность принятого при достижении задним фронтом падающего им- сигнала пропорциональна площади освещенной пульса впадин. площадки, поэтому вместо формы принятого им-
0
Полоса обзора
Рис. 5. Ориентация диаграммы направленности антенны в панорамном режиме.
пульса в качестве иллюстрации эффекта можно привести изменение освещенной площадки в зависимости от высоты значительного волнения из известной работы (Lee-Lueng Fu, Anny Casenave, 2001). Как видно из рис. 4, изменение высоты значительного волнения приводит к значительному увеличению площади засветки (длительности импульса).
Наблюдаемая трансформация переднего фронта отраженного импульса открывает возможность измерения высоты значительного волнения. В стандартном алгоритме восстановления высоты значительного волнения входным параметром является тангенс угла наклона переднего фронта отраженного импульса в средней точке.
Принципиальная возможность измерения высоты значительного волнения связана с существованием точки отсчета при приеме отраженного сигнала.
Если взять радиоальтиметр с узкой диаграммой направленности антенны и проводить измерения не в надир, а под небольшим углом падения, то будет сложнее точно измерить средний уровень океана. В то же время точность определения высоты значительного волнения не ухудшится. Дело в том, что при наклонном зондировании высота значительного волнения по-прежнему будет влиять на длительность переднего склона отраженного импульса.
Если для радиолокатора с узкой диаграммой направленности антенны, например 1° х 1°, использовать сканирующий режим работы от надира по 15° в обе стороны с шагом по у
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.