RU2235344C2 - Radiolocation method for determining parameters of condition of surface-adjacent ocean layer from a satellite - Google Patents

Radiolocation method for determining parameters of condition of surface-adjacent ocean layer from a satellite Download PDF

Info

Publication number
RU2235344C2
RU2235344C2 RU2002114563/09A RU2002114563A RU2235344C2 RU 2235344 C2 RU2235344 C2 RU 2235344C2 RU 2002114563/09 A RU2002114563/09 A RU 2002114563/09A RU 2002114563 A RU2002114563 A RU 2002114563A RU 2235344 C2 RU2235344 C2 RU 2235344C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
section
ocean
satellite
determined
pulses
Prior art date
Application number
RU2002114563/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2002114563A (en
Inventor
В.Ю. Караев (RU)
В.Ю. Караев
М.Б. Каневский (RU)
М.Б. Каневский
Original Assignee
Институт прикладной физики 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 Институт прикладной физики РАН filed Critical Институт прикладной физики РАН
Priority to RU2002114563/09A priority Critical patent/RU2235344C2/en
Publication of RU2002114563A publication Critical patent/RU2002114563A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2235344C2 publication Critical patent/RU2235344C2/en

Links

Images

Classifications

    • 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)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: radiolocation technologies.
SUBSTANCE: method includes orientation of knife-edge pattern along direction of satellite flight, probing impulses are sent to ocean surface into nadir and by each impulse a spot is lit on measured surface with dimensions of about 10-15x200-300 km, and during receiving of reflected impulses temporary and Doppler selection on basis of distance is used as well as procedure of synthesizing of cross-section of backward scattering ς0y, while dispersion of slants ς 2 θ of ocean surface in direction of flight is determined from an equation:
Figure 00000009
where δ - width (in degrees) of directional pattern at level 0.5 of power, ς0,max - cross-cut of backward scattering during vertical fall of flat wave onto surface, ς0y - backward scattering cross-cut, received during said synthesizing, and specified speed value V of surface-adjacent wind is determined from one-parameter algorithm with consideration of dispersion ς 2 θ of slants.
EFFECT: wider set of ocean parameters measured from space.
4 dwg

Description

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным методам определения параметров морского волнения, и может быть использовано в метеорологии и океанологии для дистанционного зондирования приповерхностного слоя океанов.The invention relates to radar, and in particular to radar methods for determining the parameters of sea waves, and can be used in meteorology and oceanology for remote sensing of the surface layer of the oceans.

Для повышения достоверности долгосрочных прогнозов погоды, выбора оптимальных путей плавания судов, для безопасности жизнедеятельности в прибрежных районах, для океанографических исследований и др. важным (существенным) является одновременное определение дисперсии наклонов океанской поверхности, высоты значительного волнения и скорости приповерхностного ветра.To increase the reliability of long-term weather forecasts, to select the optimal navigation routes for ships, for life safety in coastal areas, for oceanographic research, and others, it is important (essential) to simultaneously determine the dispersion of the slopes of the ocean surface, the height of significant waves and the speed of the surface wind.

Достаточно давно известны способы определения состояния приповерхностного слоя океана, включая определение параметров волнения водной поверхности и скорости приповерхностного ветра с помощью микроволнового излучения импульсных радиолокаторов, переносимых с помощью такого летательного аппарата, как самолет (см., например, SU 2024034, М. Кл. G 01 S 13/95, заявлено 11.01.91; SU 2012903, М. Кл. G 01 S 13/95, заявлено 22.06.92; SU 1821771, М. Кл. G 01 S 13/95, заявлено 28.03.91; SU 1582849, М. Кл. G 01 S 13/95, заявлено 23.05.88 и др.). Однако использование такого носителя позволяет провести измерения лишь в очень ограниченной полосе или зоне Мирового океана и не обеспечивает оперативного и глобального обзора (в предельно широкой полосе просмотра), что является необходимым для точного метеорологического прогноза, выбора оптимальных путей плавания судов, океанографических исследований и других целей.Methods for determining the state of the near-surface layer of the ocean have long been known, including determining the parameters of waves of the water surface and surface wind speed using microwave radiation from pulsed radars carried with an aircraft such as an airplane (see, for example, SU 2024034, M. Cl. G 01 S 13/95, claimed 11.01.91; SU 2012903, M. Cl. G 01 S 13/95, declared 06.22.92; SU 1821771, M. Cl. G 01 S 13/95, claimed 28.03.91; SU 1582849, M. Cl. G 01 S 13/95, claimed 23.05.88, etc.). However, the use of such a carrier allows measurements to be made only in a very limited strip or zone of the World Ocean and does not provide an operational and global overview (in an extremely wide viewing band), which is necessary for accurate weather forecasting, the selection of optimal navigation routes for ships, oceanographic studies, and other purposes .

Более перспективным в настоящее время для указанных целей является определение (восстановление) параметров волнения водной поверхности океанов и скорости приповерхностного ветра с помощью импульсных радиолокаторов, установленных на спутниках (см., например, US 4918456, М. Кл. G 01 S 13/95, заявлено 1988 г.), хотя необходимо отметить, что спутниковый радиолокатор не может непосредственно измерить параметры волнения, он может лишь принять отраженный от водной поверхности сигнал, содержащий полезную информацию о параметрах волнения, которую еще необходимо из этого сигнала извлечь (восстановить параметры волнения), используя тот или иной алгоритм обработки радиолокационных данных.More promising at present for these purposes is the determination (restoration) of the parameters of the waves of the water surface of the oceans and the surface wind speed using pulsed radars installed on satellites (see, for example, US 4918456, M. Cl. G 01 S 13/95, 1988)), although it should be noted that a satellite radar cannot directly measure wave parameters, it can only receive a signal reflected from the water surface containing useful information about wave parameters, which is still necessary imo extract from this signal (restore parameters agitation) using one or another radar data processing algorithm.

Известен способ определения высоты значительного волнения океанической поверхности и скорости приповерхностного ветра со спутника, оснащенного антенной радиолокатора с двухлучевой диаграммой направленности (D.Hauser et all., "Swimsat: A Real-Aperture Radar to Measure Directional Spectra of Ocean Waves from Space - Main Characteristics and Performance Simulation", Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, v. 18, p.p. 421-437). Данный способ состоит в том, что с помощью двухлучевой антенны излучают две независимые последовательности коротких зондирующих радиоимпульсов в разных направлениях: первый луч (последовательность радиоимпульсов) направляют по нормали (т.е. в надир) к подстилающей водной поверхности, направление второго луча составляет 10° по отношению к первому лучу и этот второй луч вращают при движении спутника по отношению к надиру. На водной поверхности оба луча освещают пятна (оставляют след) с характерными размерами 18×18 км, а расстояние между пятнами (т.е. радиус участка, с которого собирают информацию) при высоте орбиты спутника порядка 500 км составляет 88 км. Отраженную назад от водной поверхности часть мощности каждого зондирующего импульса обоих лучей принимают соответствующей антенной и записывают форму принимаемых радиоимпульсов. При сеансах связи эту информацию передают на станцию слежения, на которой с помощью компьютера проводят обработку принятых радиоимпульсов. Принятую последовательность радиоимпульсов первого луча обрабатывают по известному алгоритму, как в известных спутниковых альтиметрах (см., например, Alfred R.Zieger at all, NASA Radar Altimeter for TOPEX/POSEIDON Project, Proceedings of the IEEE, Vol. 79, №6, June 1991), в результате чего получают (восстанавливают) величины значительного волнения и скорости приповерхностного ветра, при этом скорость ветра восстанавливают с систематической ошибкой, обусловленной неоднозначностью связи между отраженной мощностью и скоростью ветра, поскольку известно, что отраженная мощность зависит также и от дисперсии наклонов водной поверхности, которая, в свою очередь, зависит от присутствия волн зыби, не связанных с ветром в точке измерения. Принятую последовательность радиоимпульсов второго луча обрабатывают как в самолетном измерителе спектра волн, однако перенос данного радиолокатора на спутник существенно ухудшает его разрешение, поскольку позволяет измерять лишь спектр волн, длина которых более 70 м, а высота более 2 м, т.е. теряется информация о высоте и наклонах волн короче 70 м. К недостаткам данного способа относится и то, что в основу всех расчетов положено предположение об однородности волнений в пятне (элементе разрешения) с радиусом 88 км, что является некорректным с точки зрения океанологов, поскольку современные стандартные модели открытого океана используют сетку с элементом разрешения для открытого океана 50×50 км и для прибрежных районов 28×28 км (см., например, "Satellites, Oceanography and Society" edited by D.Halpem. Elsevier, Amsterdam, p.p. 35-56, 2000).A known method for determining the height of significant waves of the ocean surface and surface wind speed from a satellite equipped with a dual-beam radar antenna (D. Hauser et all., "Swimsat: A Real-Aperture Radar to Measure Directional Spectra of Ocean Waves from Space - Main Characteristics and Performance Simulation ", Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, v. 18, pp 421-437). This method consists in the fact that using a two-beam antenna emit two independent sequences of short probing radio pulses in different directions: the first beam (a sequence of radio pulses) is directed along the normal (i.e. to nadir) to the underlying water surface, the direction of the second beam is 10 ° in relation to the first ray and this second ray rotate when the satellite moves in relation to the nadir. On the water surface, both rays illuminate spots (leave a mark) with characteristic dimensions of 18 × 18 km, and the distance between the spots (i.e., the radius of the area from which information is collected) at a satellite orbit altitude of about 500 km is 88 km. The part of the power of each probe pulse of both beams reflected back from the water surface is received by the corresponding antenna and the shape of the received radio pulses is recorded. During communication sessions, this information is transmitted to a tracking station, where the received radio pulses are processed using a computer. The received sequence of radio pulses of the first beam is processed according to a well-known algorithm, as in well-known satellite altimeters (see, for example, Alfred R. Zieger at all, NASA Radar Altimeter for TOPEX / POSEIDON Project, Proceedings of the IEEE, Vol. 79, No. 6, June 1991), as a result of which significant wind waves and near-surface wind speeds are obtained (restored), while the wind speed is restored with a systematic error due to the ambiguity of the relationship between the reflected power and wind speed, since it is known that the reflected power depends on e and the dispersion slopes of the water surface, which in turn depends on the swell presence of non-wind at the measuring point. The received sequence of radio pulses of the second beam is processed as in an airplane wave spectrum meter, however, the transfer of this radar to the satellite significantly affects its resolution, since it only measures the spectrum of waves with a length of more than 70 m and a height of more than 2 m, i.e. information on wave heights and inclinations shorter than 70 m is lost. The disadvantages of this method include the fact that all calculations are based on the assumption that waves are uniform in a spot (resolution element) with a radius of 88 km, which is incorrect from the point of view of oceanologists, since modern standard open ocean models use a grid with a resolution element for the open ocean of 50 × 50 km and for coastal areas 28 × 28 km (see, for example, "Satellites, Oceanography and Society" edited by D. Halpem. Elsevier, Amsterdam, pp 35- 56, 2000).

Наиболее близким к заявленному способу по технической сущности является способ определения величины и направления скорости приповерхностного ветра над океанической поверхностью со спутника с помощью скаттерометра (радиолокатора для определения скорости ветра), который выбран в качестве прототипа (Chung-Chi Lin. at all. An Analysis of a Rotating, Range-Gated, Fanbeam Spaceborne Scatterometer Concept, IEEE Transactions on geoscience and remote sensing, Vol. 38, №5, September 2000). Способ - прототип заключается в том, что с помощью однолучевой вращающейся антенны с ножевой диаграммой направленности, т.е. узкой (1-3) в поперечном направлении и широкой протяженной (20-25°) в продольном направлении, осуществляют наклонное зондирование (при углах падения от 28 до 51°) водной поверхности, что позволяет получить широкую (порядка 1500 км) полосу обзора. Этой же антенной радиолокатора принимают последовательность отраженных радиоимпульсов, с помощью регистрирующего устройства записывают их форму и передают информацию на станцию слежения. Для обработки полученной информации используют временную селекцию по дальности, с помощью которой формируют элемент разрешения 50×50 км. Для восстановления скорости ветра (и его направления) применяется однопараметрический алгоритм, полученный методом регрессионного анализа скаттерометрических данных о величине сечения обратного рассеяния σ0 и буйковых данных о скорости ветра V, т.е. используется полученная опытным путем зависимость V=f(σ0).Closest to the claimed method according to the technical essence is a method for determining the magnitude and direction of the surface wind speed above the ocean surface from a satellite using a scatterometer (radar for determining wind speed), which is selected as a prototype (Chung-Chi Lin. At all. An Analysis of a Rotating, Range-Gated, Fanbeam Spaceborne Scatterometer Concept, IEEE Transactions on geoscience and remote sensing, Vol. 38, No. 5, September 2000). The prototype method consists in using a single-beam rotating antenna with a knife radiation pattern, i.e. narrow (1-3) in the transverse direction and a wide extended (20-25 °) in the longitudinal direction, oblique sounding (at angles of incidence from 28 to 51 °) of the water surface is carried out, which allows to obtain a wide (about 1500 km) field of view. The same radar antenna receives a sequence of reflected radio pulses, with the help of a recording device, record their shape and transmit information to a tracking station. To process the obtained information, temporary range selection is used, with the help of which a resolution element of 50 × 50 km is formed. To restore the wind speed (and its direction), a one-parameter algorithm is used, obtained by the method of regression analysis of scatterometric data on the value of the backscattering cross section σ 0 and buoy data on the wind speed V, i.e. the experimentally obtained dependence V = f (σ 0 ) is used.

Недостатком способа-прототипа является то, что он позволяет измерять (восстанавливать) только параметры ветра (скорость ветра и его направление) и не дает информацию о параметрах волнения водной поверхности (о высоте волн, наклонах водной поверхности и т.п.). При этом скорость ветра и его направление измеряют по способу - прототипу с систематической ошибкой, связанной с отсутствием информации о крупных волнах, влияющих на мощность отраженного сигнала, что обусловлено тем, что по методике наклонного (под большими углами) зондирования принципиально невозможно измерить крупные волны, например зыбь из-за физических особенностей процесса рассеяния микроволнового излучения водной поверхностью при наклонном зондировании.The disadvantage of the prototype method is that it allows you to measure (restore) only the wind parameters (wind speed and its direction) and does not provide information about the parameters of the waves of the water surface (wave height, slopes of the water surface, etc.). In this case, the wind speed and its direction are measured by the method - the prototype with a systematic error associated with the lack of information about large waves that affect the power of the reflected signal, which is due to the fact that, using the technique of inclined (at large angles) sensing, it is fundamentally impossible to measure large waves, for example, swell due to the physical features of the process of scattering of microwave radiation by a water surface during oblique sounding.

Задачей, решаемой данным изобретением, является разработка дистанционного радиолокационного способа определения параметров волнения океанской поверхности, обеспечивающего расширение набора измеряемых из космоса параметров волнения, а именно: дисперсии наклонов водной поверхности, высоты значительного волнения и сечения обратного рассеяния, измеряемых независимо, а также более точное определение скорости приповерхностного ветра за счет исключения вышеуказанной систематической ошибки.The problem solved by this invention is the development of a remote radar method for determining the parameters of the waves of the ocean surface, providing an extension of the range of measured wave parameters of the waves, namely, the variance of the slopes of the water surface, the height of significant waves and the cross-section of backscattering, measured independently, as well as a more accurate definition surface wind speed due to the exclusion of the above systematic error.

Технический результат в разработанном способе достигается тем, что разработанный радиолокационный способ определения параметров состояния приповерхностного слоя океана со спутника, также как и способ-прототип, включает в себя излучение доплеровским радиолокатором, снабженным однолучевой антенной с ножевой диаграммой направленности, зондирующих радиоимпульсов микроволнового диапазона, прием отраженных от водной поверхности импульсов, измерение формы отраженных импульсов и определение в первом приближении по алгоритму скорости приповерхностного ветра.The technical result in the developed method is achieved by the fact that the developed radar method for determining the state parameters of the surface layer of the ocean from the satellite, as well as the prototype method, includes radiation by a Doppler radar equipped with a single-beam antenna with a knife beam pattern, probing microwave pulses, receiving reflected from the water surface of the pulses, measuring the shape of the reflected pulses and determining in a first approximation according to the speed algorithm pr and surface wind.

Новым в разработанном способе является то, что ножевую диаграмму направленности антенны ориентируют вдоль направления полета, зондирующие импульсы направляют к поверхности океана в надир и каждым импульсом освещают на измеряемой поверхности пятно с размерами порядка 10-15×200-300 км, а при приеме отраженных импульсов используют временную или доплеровскую селекцию по дальности и процедуру синтезирования сечения обратного рассеяния σ0y, при этом дисперсию наклонов σθ2 поверхности в направлении полета определяют из соотношенияNew in the developed method is that the knife antenna radiation pattern is oriented along the flight direction, the probe pulses are directed to the ocean surface in nadir and with each pulse a spot is illuminated on the measured surface with dimensions of the order of 10-15 × 200-300 km, and when receiving reflected pulses use temporary or Doppler range selection and the procedure for synthesizing the backscattering cross section σ 0y , while the variance of the slopes σθ 2 of the surface in the direction of flight is determined from the relation

Figure 00000003
Figure 00000003

где δ - ширина (в градусах) диаграммы направленности антенны на уровнеwhere δ is the width (in degrees) of the antenna pattern at the level

0,5 по мощности,0.5 in power

σ0,mах - сечение обратного рассеяния при вертикальном падении на поверхность плоской волны,σ 0, max - the backscattering cross section for a vertical incidence on a plane wave surface,

σ0y - сечение обратного рассеяния, полученное при упомянутом выше синтезировании,σ 0y is the backscattering cross section obtained by the above synthesis,

а уточненное значение скорости V приповерхностного ветра определяют по однопараметрическому алгоритму с учетом вычисленной выше дисперсии наклонов σθ2: V=f(σθ2).and the updated value of the surface wind speed V is determined by a one-parameter algorithm, taking into account the slope dispersion σθ 2 calculated above: V = f (σθ 2 ).

На фиг. 1 представлен вариант блок-схемы устройства для реализации разработанного способа.In FIG. 1 shows a variant of a block diagram of a device for implementing the developed method.

На фиг. 2 представлена схема наблюдения поверхности океана в соответствие с разработанным способом.In FIG. 2 is a diagram of the observation of the ocean surface in accordance with the developed method.

На фиг. 3 представлена схема последовательного наблюдения выделенного рассеивающего участка (ячейки) океанической поверхности при движении спутника.In FIG. Figure 3 shows a sequential observation scheme of a selected scattering area (cell) of the ocean surface during satellite motion.

На фиг. 4 представлена иллюстрация процедуры синтезирования сечения обратного рассеяния, полученного в гипотетическом случае волнения, однородного в пределах всего освещенного пятна.In FIG. 4 illustrates the procedure for synthesizing the backscattering cross section obtained in the hypothetical case of waves uniform throughout the entire illuminated spot.

Один из вариантов устройства для реализации разработанного способа, представленный на фиг. 1, содержит щелевую антенну 1 с ножевой диаграммой направленности, соединенную с импульсным доплеровским радиолокатором 2 сантиметрового диапазона, который, в свою очередь, соединен с регистрирующим устройством 3, выход которого соединен со входом приемопередатчика 4, обеспечивающего связь со станцией слежения (на чертеже не показана) на Земле. При этом управление всеми элементами устройства для реализации разработанного способа осуществляется с помощью блока управления 5, который имеет соединение с радиолокатором 2, регистрирующим устройством 3 и приемопередатчиком 4.One of the variants of the device for implementing the developed method, presented in FIG. 1, contains a slot antenna 1 with a knife radiation pattern connected to a pulsed Doppler radar 2 of the centimeter range, which, in turn, is connected to a recording device 3, the output of which is connected to the input of the transceiver 4, which provides communication with the tracking station (not shown in the drawing ) on the ground. Moreover, the control of all elements of the device for implementing the developed method is carried out using the control unit 5, which has a connection with the radar 2, the recording device 3 and the transceiver 4.

В качестве антенны 1 с ножевой диаграммой направленности может быть использована, например, однолучевая, щелевая антенна МИУС отечественного производства или однолучевая, щелевая антенна PR 5 чешского производства (фирмы TESLA). Ножевая диаграмма направленности антенны обеспечивается за счет выбора размеров щели.As the antenna 1 with a knife beam pattern, for example, a single-beam, slotted antenna MIUS of domestic manufacture or a single-beam, slotted antenna PR 5 of Czech manufacture (TESLA) can be used. Knife antenna pattern is provided by choosing the size of the slit.

В качестве доплеровского радиолокатора 2 может быть использован, например, доплеровский измеритель скорости и сноса ДИИС (г. Каменск-Уральский) или доплеровский радиолокатор, изготавливаемый в ЦНИИ “Комета” г. Москва. В качестве регистрирующего устройства 3 и приемопередатчика 4 могут быть использованы любые стандартные устройства подобного назначения, эксплуатируемые на спутниках в настоящее время для записи информации и передачи ее на Землю.As a Doppler radar 2 can be used, for example, a Doppler speed and drift meter DIIS (Kamensk-Uralsky) or a Doppler radar manufactured at the Central Research Institute "Comet" in Moscow. As a recording device 3 and a transceiver 4, any standard devices of a similar purpose currently used by satellites for recording information and transmitting it to Earth can be used.

Импульсный доплеровский радиолокатор 2 обеспечивает длительность зондирующих импульсов от 100 до 2000 нс с частотой повторения порядка 5 кГц. Соответствующей ориентацией щелевой антенны 1 ножевая диаграмма направленности антенны шириной 1×20-25 градусов устанавливается вдоль направления полета (траектории движения) спутника в надир к подстилающей поверхности Земли.Pulse Doppler radar 2 provides a duration of probing pulses from 100 to 2000 ns with a repetition rate of the order of 5 kHz. With the corresponding orientation of the slot antenna 1, a knife radiation pattern of an antenna with a width of 1 × 20-25 degrees is set along the flight direction (motion path) of the satellite in nadir to the underlying surface of the Earth.

Разработанный радиолокационный способ определения параметров состояния приповерхностного слоя океана осуществляют следующим образом.The developed radar method for determining the state parameters of the surface layer of the ocean is as follows.

При пролете спутника над акваторией океана посредством антенны 1 и радиолокатора 2, управляемого блоком 5, излучают последовательность зондирующих импульсов по нормали к поверхности океана (см. фиг. 1). Этой же антенной 1 с радиолокатором 2 принимают последовательность отраженных от водной поверхности импульсов и определяют их форму, которую фиксируют (запоминают) с помощью регистрирующего устройства 3, в котором эта информация хранится до очередного сеанса связи со станцией слежения, снабженной компьютером. Связь со станцией слежения осуществляют с помощью приемопередатчика 4, управляемого блоком 5. Направление полета (см. фиг. 2) спутника 6 показано вектором

Figure 00000004
скорости полета (направление полета выбрано по оси у); θ1, θ2 и R1, R2 - углы падения и наклонные дальности до двух различных отражающих точек океанской поверхности соответственно. За счет ножевой диаграммы направленности антенны 1, ориентированной вдоль направления полета, на поверхности океана каждый зондирующий импульспри высоте полета, например, 800 км освещает пятно 7 с продольным (вдоль направления полета) размером порядка 200-300 км при поперечном размере порядка 10-15 км. В пределах такого пятна 7 с размерами 10-15×200-300 км характеристики волнения приповерхностного слоя океана, как правило, не остаются постоянными, поскольку океанологи утверждают, что волнение можно считать однородным на участке с размерами 25×25 км, в крайнем случае 50×50 км, поэтому, если бы измерения параметров волнения в пределах такого протяженного пятна 7 проводились традиционным радиолокационным методом, то, например, величина дисперсии наклонов имела бы такое усредненное значение, которое невозможно было бы соотнести с каким-либо конкретным участком требуемых размеров 25×25 км океанской поверхности. В разработанном способе определение параметров волнения в пятне 7 с размерами 10-15×200-300 км осуществляют следующим образом. Указанное протяженное пятно 7 с помощью временной или доплеровской селекции по дальности разбивают на N участков с размерами, например, 15×15 км, на каждом из которых волнение можно считать однородным, и наблюдают за каждым выделенным участком. Рассмотрим процедуру определения параметров волнения на примере i-го выделенного участка с размерами 15×15 км. Сечение обратного рассеяния σi этого участка периодически определяют в течение всего времени нахождения i-го участка в зоне видимости спутника, т.е. в пределах освещенного пятна 7, при этом антенна 1 радиолокатора 2 в разные моменты времени видит i-й участок поверхности под разными углами падения (см. фиг. 3). Время наблюдения за выделенным участком поверхности зависит от высоты полета и при высоте, например, 800 км составляет ~40 с. Если объединить все данные о сечении обратного рассеяния i-го участка, полученные за время пролета (~40 с) в разные моменты времени (или под разными углами падения), то определим сечение обратного рассеяния σ0y, полученное при измерении радиолокатором 2 с ножевой антенной 1 в гипотетическом случае волнения, однородного в пределах всего освещенного пятна 7 (см. фиг. 4)When the satellite passes over the ocean through the antenna 1 and radar 2, controlled by block 5, a sequence of probe pulses is emitted along the normal to the surface of the ocean (see Fig. 1). The same antenna 1 with radar 2 receives a sequence of pulses reflected from the water surface and determines their shape, which is recorded (stored) using a recording device 3, in which this information is stored until the next communication session with a tracking station equipped with a computer. Communication with the tracking station is carried out using a transceiver 4 controlled by unit 5. The flight direction (see Fig. 2) of satellite 6 is shown by a vector
Figure 00000004
flight speed (flight direction is chosen along the y axis); θ 1 , θ 2 and R 1 , R 2 are the angles of incidence and inclined ranges to two different reflecting points of the ocean surface, respectively. Due to the knife beam pattern of the antenna 1, oriented along the flight direction, on the ocean surface, each sounding pulse with a flight altitude of, for example, 800 km illuminates spot 7 with a longitudinal (along the flight direction) size of about 200-300 km with a transverse size of about 10-15 km . Within such a spot 7 with dimensions of 10-15 × 200-300 km, the characteristics of the waves of the surface layer of the ocean, as a rule, do not remain constant, since oceanologists argue that the waves can be considered homogeneous in the area with sizes 25 × 25 km, in extreme cases 50 × 50 km, therefore, if measurements of the wave parameters within such an extended spot 7 were carried out by the traditional radar method, then, for example, the variance of the slopes would have such an average value that could not be correlated with any particular th portion required dimensions 25 × 25 km ocean surface. In the developed method, the determination of wave parameters in spot 7 with dimensions of 10-15 × 200-300 km is as follows. The specified long spot 7 using temporary or Doppler selection in range is divided into N sections with dimensions, for example, 15 × 15 km, in each of which the excitement can be considered uniform, and observe each highlighted area. Consider the procedure for determining the parameters of the waves on the example of the i-th selected area with dimensions of 15 × 15 km. The backscattering cross section σ i of this section is periodically determined during the entire time the ith section is in the satellite’s field of view, i.e. within the illuminated spot 7, while the antenna 1 of the radar 2 at different points in time sees the i-th surface area at different angles of incidence (see Fig. 3). The observation time for a selected surface area depends on the flight altitude and at an altitude of, for example, 800 km, is ~ 40 s. If we combine all the data on the backscattering cross section of the ith section obtained during the flight time (~ 40 s) at different times (or at different angles of incidence), then we determine the backscattering cross section σ 0y obtained by measuring with radar 2 with a knife antenna 1 in a hypothetical case of a wave uniform throughout the entire illuminated spot 7 (see FIG. 4)

Figure 00000005
.
Figure 00000005
.

В результате выполнения такой процедуры синтезирования суммирующее изображение будет аналогично "одномоментному" наблюдению поверхности океана в освещенном пятне 7, но с однородным волнением в пределах всего этого пятна. При этом, как установлено авторами, дисперсия наклонов поверхности σθ2 в направлении полета определяется по следующей формуле:As a result of such a synthesizing procedure, the summing image will be similar to the “simultaneous” observation of the ocean surface in illuminated spot 7, but with uniform excitement within the entire spot. Moreover, as established by the authors, the dispersion of the surface slopes σθ 2 in the direction of flight is determined by the following formula:

Figure 00000006
Figure 00000006

где δ - ширина (в градусах) диаграммы направленности антенны 1 на уровне 0,5 по мощности; σ0,max - сечение обратного рассеяния при вертикальном падении на поверхность плоской волны. Величину σ0,mах получают при измерении сечения обратного рассеяния от участка, выделенного с помощью селекции по дальности непосредственно под антенной 1.where δ is the width (in degrees) of the radiation pattern of antenna 1 at the level of 0.5 in power; σ 0, max is the backscattering cross section for a vertical incidence on a plane wave surface. The value of σ 0, max is obtained by measuring the backscattering cross section from the area selected by range selection directly below antenna 1.

Описанная выше процедура синтезирования сечения обратного рассеяния из последовательно наблюдаемого каждого i-го участка (ячейки) позволяет значительно улучшить пространственное разрешение и измерять наклоны водной поверхности из космоса с элементом разрешения 15×15 км.The above procedure for synthesizing the backscattering cross section from each i-th section (cell) successively observed makes it possible to significantly improve spatial resolution and measure the slopes of the water surface from space with a resolution element of 15 × 15 km.

Различие между участками (ячейками) на фиг. 4 временное. За счет этого можно выбирать для последующей обработки некоррелированные между собой участки поверхности. Время корреляции океанской поверхности, а тем самым и отраженного сигнала, меньше 0,1 с. Если время наблюдения составляет примерно 40 с, то за время наблюдения будет измерено не менее 400 некоррелированных ячеек, и поэтому уровень шума будет низким.The difference between the sections (cells) in FIG. 4 temporary. Due to this, uncorrelated surface sections can be selected for subsequent processing. The correlation time of the ocean surface, and thereby the reflected signal, is less than 0.1 s. If the observation time is approximately 40 s, then at least 400 uncorrelated cells will be measured during the observation time, and therefore the noise level will be low.

Еще один важный параметр волнения - высоту значительного волнения определяют в данном способе с помощью стандартного известного алгоритма по переднему склону отраженного импульса (см., например, Alfred R. Zieger at all, NASA Radar Altimeter for TOPEX/POSEIDON Project, Proceedings of the IEEE, Vol. 79, №6, June 1991).Another important parameter of the waves - the height of significant waves is determined in this method using the standard well-known algorithm for the front slope of the reflected pulse (see, for example, Alfred R. Zieger at all, NASA Radar Altimeter for TOPEX / POSEIDON Project, Proceedings of the IEEE, Vol. 79, No. 6, June 1991).

Скорость приповерхностного ветра в первом приближении с учетом только сечения обратного рассеяния V=f(σ0y) может быть восстановлена с помощью известного алгоритма, примененного в способе-прототипе. Однако, используя измеренную в разработанном способе величину дисперсии наклонов σθ2, получают уточненное значение скорости V приповерхностного ветра V=f(σ0y, σθ2), что позволяет избавиться от систематической ошибки измерений, присутствующей в способе-прототипе и аналоге, обусловленной крупными волнами, например волнами зыби, не связанными с ветром на измеряемом участке.The surface wind speed in a first approximation, taking into account only the backscattering cross section V = f (σ 0y ), can be restored using the well-known algorithm used in the prototype method. However, using the slope dispersion value σθ 2 measured in the developed method, an updated value of the surface wind speed V V = f (σ 0y , σθ 2 ) is obtained, which eliminates the systematic measurement error present in the prototype method and the analogue caused by large waves , for example, swell waves not associated with the wind in the measured area.

Таким образом, разработанный способ определения параметров состояния приповерхностного слоя океана со спутника, осуществляемый с помощью радиолокатора с ножевой диаграммой направленности антенны при надирном зондировании, позволяет расширить набор измеряемых из космоса параметров волнения с хорошим пространственным разрешением при большом размере освещаемого пятна и тем самым позволяет максимально использовать возможности измерения из космоса.Thus, the developed method for determining the state parameters of the surface layer of the ocean from a satellite, carried out using a radar with a knife antenna radiation pattern for nadir sensing, allows you to expand the range of measured from space wave parameters with good spatial resolution at a large size of the illuminated spot and thereby allows maximum use measurement capabilities from space.

Claims (1)

Радиолокационный способ определения параметров состояния приповерхностного слоя океана со спутника, включающий в себя излучение доплеровским радиолокатором, снабженным однолучевой антенной с ножевой диаграммой направленности, зондирующих импульсов микроволнового диапазона, прием отраженных от водной поверхности импульсов, измерение формы отраженных импульсов и определение скорости приповерхностного ветра, отличающийся тем, что ножевую диаграмму направленности антенны ориентируют вдоль направления полета, зондирующие импульсы направляют к поверхности океана в надир и каждым импульсом освещают на измеряемой поверхности протяженное пятно с размерами порядка 10-15×200-300 км, а при приеме отраженных импульсов используют временную или доплеровскую селекцию по дальности, при этом разбивают указанное протяженное пятно на N участков, определяют сечение обратного рассеяния σi каждого i-го участка в течение всего времени нахождения в зоне видимости спутника и под разными углами, объединяют все данные о сечении обратного рассеяния σi-го участка, полученные за время пролета спутника, синтезируя в результате сечение обратного рассеяния
Figure 00000007
в пределах всего освещенного пятна, аналогичное одномоментному наблюдению поверхности океана в гипотетическом случае волнения, однородного в пределах всего освещенного пятна, при этом дисперсию наклонов σθ2 водной поверхности в направлении полета определяют из соотношенияA radar method for determining the state parameters of the surface layer of the ocean from a satellite, including radiation by a Doppler radar equipped with a single-beam antenna with a knife radiation pattern, microwave probe pulses, receiving pulses reflected from the water surface, measuring the shape of the reflected pulses and determining the speed of the surface wind, characterized in that the knife antenna radiation pattern is oriented along the flight direction, the probe pulses they are sent to the nadir to the ocean surface and each pulse illuminates an extended spot on the measured surface with dimensions of the order of 10-15 × 200-300 km, and when receiving reflected pulses, temporary or Doppler selection by distance is used, while the specified extended spot is divided into N sections, the backscattering cross section σ i of each i-th section is determined for the entire time spent in the satellite visibility zone and at different angles; all data on the backscattering cross-section σ i of the section obtained during the flight are combined satellite, synthesizing as a result of the backscattering cross section
Figure 00000007
within the entire illuminated spot, similar to the simultaneous observation of the ocean surface in a hypothetical case of waves uniform throughout the entire illuminated spot, while the variance of the slopes σθ 2 of the water surface in the direction of flight is determined from the relation
Figure 00000008
Figure 00000008
 где δ - ширина диаграммы направленности антенны на уровне 0,5 по мощности;where δ is the width of the antenna pattern at the level of 0.5 power; σ0,max - сечение обратного рассеяния, полученное при вертикальном падении зондирующих импульсов на водную поверхность;σ 0, max is the backscattering cross section obtained by the vertical incidence of probe pulses on the water surface; σ0у - сечение обратного рассеяния, полученное при упомянутом выше синтезировании,σ 0y is the backscattering cross section obtained by the above synthesis, а значение скорости приповерхностного ветра V определяют по сечению обратного рассеяния σ0у и с учетом вычисленной дисперсии σθ2 наклонов, с использованием метода регрессивного анализа и зависимости V=f(σ0у, σθ2), при этом высоту значительного волнения определяют по переднему склону отраженного импульса.and the value of the surface wind speed V is determined by the backscattering cross section σ 0у and taking into account the calculated dispersion σθ 2 of the slopes, using the method of regression analysis and the dependence V = f (σ 0y , σθ 2 ), while the height of significant waves is determined from the front slope of the reflected momentum.
RU2002114563/09A 2002-06-03 2002-06-03 Radiolocation method for determining parameters of condition of surface-adjacent ocean layer from a satellite RU2235344C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002114563/09A RU2235344C2 (en) 2002-06-03 2002-06-03 Radiolocation method for determining parameters of condition of surface-adjacent ocean layer from a satellite

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002114563/09A RU2235344C2 (en) 2002-06-03 2002-06-03 Radiolocation method for determining parameters of condition of surface-adjacent ocean layer from a satellite

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2002114563A RU2002114563A (en) 2004-02-10
RU2235344C2 true RU2235344C2 (en) 2004-08-27

Family

ID=33412511

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002114563/09A RU2235344C2 (en) 2002-06-03 2002-06-03 Radiolocation method for determining parameters of condition of surface-adjacent ocean layer from a satellite

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2235344C2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2449312C1 (en) * 2010-12-27 2012-04-27 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН Panoramic radar method of determining parameters of state of ocean surface layer from satellite
RU2466425C1 (en) * 2011-06-01 2012-11-10 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН Method of measuring characteristics of wavy water surface
RU2501037C1 (en) * 2012-05-11 2013-12-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) Radar method of determining parameters of large-scale wave on water surface
RU2597148C1 (en) * 2015-03-20 2016-09-10 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" Method of measuring vector field speed of ocean and river streams in space sar

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2523102C2 (en) * 2012-08-10 2014-07-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Gadget to measure sea wave parameters

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
IE EE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING. Vol. 38, №5, September 2000. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2449312C1 (en) * 2010-12-27 2012-04-27 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН Panoramic radar method of determining parameters of state of ocean surface layer from satellite
RU2466425C1 (en) * 2011-06-01 2012-11-10 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН Method of measuring characteristics of wavy water surface
RU2501037C1 (en) * 2012-05-11 2013-12-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) Radar method of determining parameters of large-scale wave on water surface
RU2597148C1 (en) * 2015-03-20 2016-09-10 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" Method of measuring vector field speed of ocean and river streams in space sar

Also Published As

Publication number Publication date
RU2002114563A (en) 2004-02-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Garrison et al. Wind speed measurement using forward scattered GPS signals
Naderi et al. Spaceborne radar measurement of wind velocity over the ocean-an overview of the NSCAT scatterometer system
Weissman et al. Effects of rain rate and wind magnitude on SeaWinds scatterometer wind speed errors
Hajj et al. Theoretical description of a bistatic system for ocean altimetry using the GPS signal
Horstmann et al. Wind retrieval over the ocean using synthetic aperture radar with C-band HH polarization
Spencer et al. Improved resolution backscatter measurements with the SeaWinds pencil-beam scatterometer
Bentamy et al. Ocean surface wind fields estimated from satellite active and passive microwave instruments
Horstmann et al. Computation of wind vectors over the ocean using spaceborne synthetic aperture radar
Pozderac et al. $ X $-Band Beacon-Receiver Array Evaporation Duct Height Estimation
Martin-Neira et al. Altimetry precision of 1 cm over a pond using the wide-lane carrier phase of GPS reflected signals
Wang et al. Feasibility of wind direction observation using low-altitude global navigation satellite system-reflectometry
De Elia et al. Sidelobe contamination in bistatic radars
Hauser et al. Satellite remote sensing of surface winds, waves, and currents: where are we now?
Roy et al. First airborne measurements with a g-band differential absorption radar
RU2235344C2 (en) Radiolocation method for determining parameters of condition of surface-adjacent ocean layer from a satellite
RU2449312C1 (en) Panoramic radar method of determining parameters of state of ocean surface layer from satellite
Gupta et al. Introduction to RADAR remote sensing
Yueh et al. Dual-polarized Ku-band backscatter signatures of hurricane ocean winds
RU2274877C2 (en) Panoramic radar method of determining condition of ocean's layer surface from satellite
Bernhardt et al. Bistatic observations of the ocean surface with HF radar, satellite and airborne receivers
Pierson Jr et al. Average return pulse form and bias for the S193 radar altimeter on Skylab as a function of wave conditions
Collett Applying gnss reflectometry-based stare processing to modeling and remote sensing of wind-driven ocean surface roughness
Ryabkova et al. Study of the Doppler Spectrum of the Microwave Radar Signal Backscattered from the Water Surface at Low Incidence Angles in the Presence of a Constant Current: Experiment and Modeling
Born et al. A survey of the goals and accomplishments of the SEASAT mission
Sarkar Space based techniques for remote sensing of oceanic winds: A review

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20100604