ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 1, с. 44-55
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
УДК 621.371.165,551.446.3
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ВОЛНЕНИЯ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
© 2008 г. В. Ю. Караев*, М. Б. Каневский, Е. М. Мешков
*Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород Тел. (8312) 16-49-28, e-mail: volody@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 24.05.2007 г.
Разработаны два новых алгоритма восстановления коэффициента корреляции вертикальной составляющей орбитальной скорости и наклонов водной поверхности, а также дисперсии орбитальных скоростей, по ширине доплеровского спектра отраженного радиолокационного (РЛ) сигнала в случае движущегося радиолокатора. Для минимизации погрешности восстановления коэффициента корреляции предлагается применять вариацию входных параметров алгоритма. Обработка данных натурного эксперимента подтвердила работоспособность алгоритмов и продемонстрировала возможность определения средней фазовой скорости поверхностного волнения, средней длины волны и высоты значительного волнения.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время дистанционные радиолокационные (РЛ) методы широко применяются для определения состояния морской поверхности. Собранная информация используется для решения различных прикладных задач, в частности, для предсказания погоды, моделирования взаимодействия Мирового океана и атмосферы, изучения климата Земли, выявления антропогенных загрязнений и т.д. Особенно активны в этом направлении США (NASA) и Европейские страны (ESA), у которых на околоземной орбите на протяжении последних пятнадцати лет постоянно находятся исследовательские спутники: Geo-sat, Topex/Poseidon, ERS, NSCAT, Jason, Envisat, Quiksat и другие. В последнее время аналогичные космические программы приняты и активно развиваются в Индии, Японии, Южной Корее, Китае и других странах [1—4]. В этих странах развитие космической отрасли повторяет путь, который прошли лидеры, т.е. их спутники являются аналогами существующих европейских или американских РЛ-систем. А "законодателями мод" в дистанционном зондировании остаются европейцы и американцы, которые активно работают над созданием новых радиолокаторов.
Рассмотрим, для примера, как происходил прогресс в скаттерометрии:
1) классический скаттерометр, например, NSCAT, имел полосу обзора 1200 км и "мертвую" зону шириной 400 км вдоль траектории движения. Радиолокатор имел четыре антенны и каждая элементарная ячейка в полосе обзора просматривалась под двумя азимутальными углами;
2) скаттерометр следующего поколения Sea-Winds имел полосу обзора 1400 км, и была решена
проблема съема информации вдоль траектории движения за счет вращения двух узких антенн вокруг вертикальной оси и каждая ячейка в полосе обзора наблюдалась под четырьмя азимутальными углами;
3) перспективный скаттерометр с ножевой антенной, разрабатываемый американцами в настоящее время, позволяет существенно улучшить качество исходных данных за счет увеличения периода усреднения (накопления) и расширяет полосу обзора до 1500 км. В этом случае каждая ячейка наблюдается от 6 до 10 раз в зависимости от ее удаления от траектории движения.
В активных РЛ-системах в основном используются энергетические характеристики отраженного сигнала для определения скорости приповерхностного ветра, например, при малых углах падения [5—8].
В результате проведенных нами исследований были разработаны теоретические модели сечения обратного рассеяния и доплеровского спектра для радиолокатора с ножевой диаграммой направленности антенны [9, 10]. В ходе последующего анализа были разработаны алгоритмы восстановления дисперсии наклонов морской поверхности и дисперсии орбитальных скоростей при малых углах падения зондирующего излучения [11, 12]. Новые алгоритмы впервые позволяют определить дисперсию наклонов РЛ-способом без ограничения по высоте полета, свойственного существующим методам.
Для проверки теоретических моделей и разработанных алгоритмов был осуществлен натурный эксперимент. Измерения выполнялись доплеров-ским радиолокатором сантиметрового диапазона с ножевой диаграммой направленности антенны
(16° х 1°), установленным на вертолете. Полет выполнялся над Горьковским водохранилищем.
Во время полета не удалось в полном объеме выполнить программу эксперимента, однако собранная информация позволяет провести первоначальный анализ работоспособности новых алгоритмов.
Первые результаты обработки экспериментальных данных приведены в [13, 14]. Для обработки применялись два алгоритма, которые показали примерно равные результаты при восстановлении дисперсии наклонов. Оба алгоритма использовали мощность отраженного сигнала.
К сожалению, сразу проверить возможность восстановления дисперсии орбитальных скоростей, а также коэффициента корреляции наклонов и вертикальной составляющей орбитальной скорости по доплеровскому спектру оказалось невозможно. Это связано с тем, что во время полета наблюдались значительные колебания высоты и скорости движения вертолета и, следовательно, разработанные ранее алгоритмы нельзя было использовать для обработки экспериментальных данных, так как любые изменения скорости движения радиолокатора оказывают значительное влияние на ширину и смещение допле-ровского спектра, что не учитывалось при выводе формул.
Цель данной работы — разработка новых алгоритмов определения дисперсии орбитальных скоростей и коэффициента корреляции наклонов и вертикальной составляющей орбитальной скорости, учитывающих возможные изменения скорости и высоты полета во время проведения измерений. В работе выполнена оценка точности алгоритмов восстановления и их чувствительности к возможным погрешностям входных данных. Новые восстановленные параметры позволяют дополнить полученную ранее информацию о поверхностном волнении [14, 15] и определить ряд дополнительных характеристик поверхностного волнения.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рассмотрим схему организации эксперимента, показанную на рис. 1. Радиолокатор движется в плоскости YZ со скоростью V Угол падения равен нулю и доминирующим является квазизеркальный механизм рассеяния. Подробно исходная постановка задачи обсуждается, например, в [14].
Приведем формулу для ширины доплеровско-го спектра в рассматриваемой схеме измерений [9, 12]:
А/10 =
^ДпГо
1 .38 V2
к2Ь2х
+ 2 а2,
2К
2
■2
2КУ
у,
+
ах
Яу
+
2^52
2§2 я] у
(1)
ахх( 5.52 а
+ 5у)
(5.52 а2уу + 52х )ча
- ^ ^
УУ
0,5
Рис. 1. Схема измерений.
где к = 2яД — волновое число падающего излучения, До — расстояние до центра рассеивающей площадки, в данном случае совпадающее с высотой полета. Диаграмма направленности антенны предполагается гауссовой, причем 5Х и 5у — ширины диаграммы направленности на уровне 0.5 по мощности вдоль осей X и Y соответственно.
Для описания взволнованной водной поверхности используются следующие статистические
22
характеристики: ахх и ауу — дисперсии наклонов крупномасштабного (по сравнению с длиной волны падающего излучения) волнения вдоль осей X и Y соответственно, дисперсия орбитальных скоростей а],, коэффициенты корреляции наклонов и вертикальной составляющей орбитальной скорости Кх(т) и Ку((т) в точке т = 0. Коэффициент корреляции наклонов Кху(0) вдоль осей X и Y равен 0 при условии распространения волнения вдоль оси X или X
Таким образом, формула для ширины допле-ровского спектра (1) содержит пять неизвестных. Для восстановления параметров волнения необходимо иметь систему уравнений, и самый простой способ увеличения числа уравнений состоит в проведении измерений для разных ориентаций антенны по отношению к направлению распространения волнения.
В нашем эксперименте измерения под разными углами относительно направления распространения волнения осуществлялись за счет изменения направления полета вертолета. После пролета над участком поверхности вертолет разворачивался и совершал пролет над тем же участком водохранилища по траектории, перпендикулярной первой.
Оказалось, что выдержать с высокой точностью высоту и скорость полета для двух разнесенных по времени измерений сложно. В результате, несмотря на то, что измерения относились к од-
+
ному участку поверхности, высота и скорость движения различались для разных пролетов. Именно это помешало проверить уже разработанные алгоритмы определения дисперсии орбитальных скоростей и коэффициента корреляции. Главной целью данной работы является разработка новых алгоритмов восстановления интересующих нас характеристик волнения, учитывающих возможные изменения высоты и скорости полета в ходе проведения измерений.
АЛГОРИТМ
Проведенная обработка экспериментальных данных позволила определить дисперсию наклонов в двух взаимно перпендикулярных направлениях [13, 14]. Алгоритмы использовали энергетические характеристики отраженного РЛ-сигнала. Восстановление других статистических характеристик поверхности возможно по доплеровскому спектру отраженного РЛ-сигнала.
После восстановления дисперсии наклонов в уравнении (1) остается три неизвестных. За счет выполнения измерений в двух взаимно перпендикулярных направлениях (вдоль и поперек направления распространения волнения), в нашем распоряжении окажется два уравнения. В результате мы получим систему из двух уравнений с тремя неизвестными. Для случая распространения волнения вдоль оси X(индекс "а" в формуле) получим следующее выражение:
Д/1
10 a
_ 4Vïnï0
1 .38 va 2 2 2 K--гл-2 + 2 Gtt - —
LR0ak 5x Gii
+
+
2 Kl-]
2-2 G^va
0,5
(2)
Gii( 5.52 g
ll + -y ) ( 5.52 g; + 52 )J
Высота и скорость полета могут изменяться от одного измерения к другому, поэтому индексом "а" обозначены величины, относящиеся к рассматриваемому случаю.
Несмотря на присутствие трех неизвестных (ап, Кх( и Ку), система из двух уравнений разрешима. Дело в том, что мы анализируем два случая: 1) направление распространения волнения вдоль оси X; и 2) направление распространения волнения вдоль оси У В этом случае на поверхности присутствует одно и то же волнение и поэтому возможно провести замены и перейти к одним переменным в обеих формулах. Поясним данное утверждение.
Пу
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.