[go: up one dir, main page]

RU2449312C1 - Panoramic radar method of determining parameters of state of ocean surface layer from satellite - Google Patents

Panoramic radar method of determining parameters of state of ocean surface layer from satellite Download PDF

Info

Publication number
RU2449312C1
RU2449312C1 RU2010153821/07A RU2010153821A RU2449312C1 RU 2449312 C1 RU2449312 C1 RU 2449312C1 RU 2010153821/07 A RU2010153821/07 A RU 2010153821/07A RU 2010153821 A RU2010153821 A RU 2010153821A RU 2449312 C1 RU2449312 C1 RU 2449312C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cell
water surface
elementary
spot
determined
Prior art date
Application number
RU2010153821/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Юрьевич Караев (RU)
Владимир Юрьевич Караев
Александр Иванович Коваленко (RU)
Александр Иванович Коваленко
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук 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 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН
Priority to RU2010153821/07A priority Critical patent/RU2449312C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2449312C1 publication Critical patent/RU2449312C1/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: knife-edge beam of the antenna is rocked relative the vertical in a direction perpendicular to the direction of motion and each probe pulse is used to illuminate a 14x355 km spot on the water surface (at altitude of 800 km). Reflected pulses are received using time gating on the range based on the Doppler shift sign to select in said 14x355 km spot elementary scattering cells (ESC) measuring, for example, 14x14 km. Using a synthesis procedure along the direction of motion of the satellite, the backscattering section is determined and the water surface slope dispersion in each ESC is reconstructed. Further, by selecting the azimuth angle, the water surface slope dispersion along said direction is reconstructed and, by analysing the azimuth dependency of slope dispersion in each ESC, the direction of wave propagation in each cell is determined. The speed of surface wind V in each ESC is determined using an algorithm obtained using a regression method. In a special case of the method, average values of the rough sea and wavelength of a big wave are also determined.
EFFECT: high accuracy of determining parameters of the state of the ocean surface layer.
2 cl, 2 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 мониторинга состояния приповерхностного слоя океанов со спутника.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 monitoring of the state of the surface layer of the oceans from a satellite.

Обеспечение оперативного мониторинга состояния приповерхностного слоя океана со спутника в возможно более широкой полосе обзора является важным для составления достоверных прогнозов погоды, контроля за глобальными изменениями климата, обеспечения безопасности жизнедеятельности в прибрежных районах, изучения Мирового океана и решения множества других задач. При этом для действительно оперативного мониторинга желательно обеспечить построение с достаточным пространственным разрешением двумерного изображения водной поверхности, для чего необходимо определить (восстановить) в каждой «i»-й элементарной ячейке полосы обзора дисперсию наклонов

Figure 00000001
водной поверхности и направление распространения крупномасштабного волнения φwi, а также восстановить в каждой ячейке скорость ветра V.Providing on-line monitoring of the state of the near-surface layer of the ocean from a satellite in the widest possible viewing range is important for making reliable weather forecasts, monitoring global climate changes, ensuring life safety in coastal areas, studying the World Ocean, and solving many other problems. Moreover, for truly operational monitoring, it is desirable to ensure the construction with a sufficient spatial resolution of a two-dimensional image of the water surface, for which it is necessary to determine (restore) in each “i” th unit cell of the field of view the slope variance
Figure 00000001
water surface and the direction of propagation of large-scale waves φ wi , as well as restore wind speed V in each cell.

Известен способ определения параметров водной поверхности со спутника радиолокатором, оснащенным антенной с многолучевой (6 лучей) диаграммой направленности (C.Tison, D.Hauser, G.Carayan et al. A spaceborne radar for directional wave spectrum estimation: first performance simulations. Proceedings of IGARSS'08). Данный способ состоит в том, что с помощью многолучевой антенны излучают независимые последовательности коротких зондирующих импульсов в разных направлениях: первый луч (последовательность импульсов) направляют по нормали (т.е. в надир) к подстилающей водной поверхности, направление второго луча составляет 2° по отношению к первому лучу и т.д. Последний луч направлен под 10°. Лучи со 2 по 6 вращают вокруг вертикальной оси при движении спутника. На водной поверхности лучи освещают пятна (оставляют след) с характерными размерами примерно 17,7×17,7 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 всех лучей принимают соответствующей антенной и записывают форму принимаемых отраженных импульсов. При сеансах связи эту информацию передают на станцию слежения, на которой с помощью компьютера проводят обработку принятых импульсов. Принятую последовательность импульсов первого луча обрабатывают по известным алгоритмам, применяемым в спутниковых альтиметрах (см., например, Alfred R. Zieger et al. NASA Radar Altimeter for TOPEX/POSEIDON Project, Proceedings of the IEEE, Vol.79, №6, June 1991). По максимальному значению принятой мощности Pmax каждого отраженного импульса (по форме импульса) определяют сечение обратного рассеяния σ0, по которому определяют (восстанавливают) величину скорости V приповерхностного ветра. При этом скорость ветра V восстанавливают с систематической ошибкой, обусловленной неоднозначностью связи между отраженной мощностью Pmax и скоростью ветра V, поскольку известно, что отраженная мощность зависит также и от дисперсии наклонов

Figure 00000002
морской поверхности, которая в свою очередь зависит от присутствия волн зыби, не связанных с ветром в точке измерения. По наклону переднего фронта каждого принятого импульса определяют высоту Н значительного волнения в освещенном пятне. Принятые последовательности импульсов для 2-6 лучей обрабатывают, как в самолетном измерителе спектра волн, однако перенос данного радиолокатора на спутник существенно ухудшает его пространственное 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 волнения 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 (элементарной ячейкой) для открытого океана 50×50 км и для прибрежных районов 28×28 км (см., например, «Satellites, Oceanography and Society», ed. by D.Halpem. Elsevier, Amsterdam, p.35-56, 2000).A known method for determining the parameters of a water surface from a satellite is a radar equipped with an antenna with a multipath (6 rays) radiation pattern (C. Tison, D. Hauser, G. Carayan et al. A spaceborne radar for directional wave spectrum estimation: first performance simulations. IGARSS'08). This method consists in the fact that using a multi-beam antenna emit independent sequences of short probe pulses in different directions: the first beam (a sequence of pulses) is directed along the normal (i.e. to nadir) to the underlying water surface, the direction of the second beam is 2 ° relation to the first ray, etc. The last ray is directed at 10 °. Rays 2 through 6 rotate around a vertical axis as the satellite moves. On the water surface, the rays illuminate spots (leave a mark) with characteristic sizes of approximately 17.7 × 17.7 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 all rays reflected back from the water surface is received by the corresponding antenna and the shape of the received reflected pulses is recorded. During communication sessions, this information is transmitted to a tracking station, where the received pulses are processed using a computer. The received sequence of pulses of the first beam is processed according to well-known algorithms used in satellite altimeters (see, for example, Alfred R. Zieger et al. NASA Radar Altimeter for TOPEX / POSEIDON Project, Proceedings of the IEEE, Vol. 79, No. 6, June 1991 ) The maximum value of the received power P max of each reflected pulse (by the shape of the pulse) determines the backscattering cross section σ 0 , which determines (restores) the velocity V of the surface wind. In this case, the wind speed V is restored with a systematic error due to the ambiguity of the relationship between the reflected power P max and the wind speed V, since it is known that the reflected power also depends on the variance of the slopes
Figure 00000002
sea surface, which in turn depends on the presence of swell waves not associated with the wind at the measurement point. The slope of the leading edge of each received pulse determines the height H of significant excitement in the illuminated spot. The received pulse sequences for 2-6 beams are processed as in an airplane wave spectrum meter, however, the transfer of this radar to the satellite significantly reduces its spatial resolution, since it only measures the wave spectrum with a length of more than 70 m and a height of more than 2 m, t .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 the 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 (unit cell) for the open ocean 50 × 50 km and for coastal areas 28 × 28 km (see, for example, “Satellites, Oceanography and Society”, ed. by D. Halpem. Elsevier Amsterdam, p. 35-56, 2000).

Наиболее близким к заявленному способу по технической сущности является панорамный радиолокационный способ определения дисперсии наклонов водной поверхности, направления распространения крупномасштабного волнения и скорости приповерхностного ветра над водной поверхностью со спутника с помощью радиолокатора с ножевой диаграммой направленности антенны, вращающейся во время полета вокруг вертикальной оси, который выбран в качестве прототипа (патент РФ №2274877, МПК7 G01S 13/95, опубл. 20.04.2006 г.). Способ-прототип заключается в том, что с помощью однолучевой вращающейся антенны с ножевой диаграммой направленности, т.е. узкой (1-2°) вдоль одной оси и широкой (20-25°) в перпендикулярном направлении, осуществляют зондирование морской поверхности при нулевом угле падения, что соответствует углам падения примерно от -12 до 12° в пределах диаграммы направленности антенны. Это позволяет получить широкую (порядка 350 км при высоте полета 800 км) полосу обзора, т.е. осуществить панорамный режим работы радиолокатора. Этой же антенной радиолокатора принимают последовательность отраженных импульсов, с помощью регистрирующего устройства записывают их форму и передают информацию на станцию слежения. Для обработки полученной информации используют доплеровскую или временную селекцию по дальности, с помощью которой формируют элемент разрешения, например, 14×14 км. Для восстановления скорости ветра применяют двухпараметрический алгоритм, описывающий зависимость скорости ветра от сечения обратного рассеяния и от дисперсии наклонов, который получают методом регрессионного анализа измеряемых со спутника данных о величине сечения обратного рассеяния σ0, восстановленной дисперсии наклонов водной поверхности и буйковых данных о соответствующих скоростях приповерхностного ветра V.Closest to the claimed method according to its technical essence, it is a panoramic radar method for determining the variance of the slopes of the water surface, the direction of propagation of large-scale waves and the speed of the surface wind above the water surface from the satellite using a radar with a knife antenna pattern rotating around a vertical axis during flight, which is selected as a prototype (RF patent No. 2274877, IPC 7 G01S 13/95, published on 04/20/2006). The prototype method consists in the fact that using a single-beam rotating antenna with a knife radiation pattern, i.e. narrow (1-2 °) along one axis and wide (20-25 °) in the perpendicular direction, probe the sea surface at a zero angle of incidence, which corresponds to angles of incidence of about -12 to 12 ° within the antenna pattern. This allows you to get a wide (about 350 km at a flight altitude of 800 km) viewing range, i.e. to carry out a panoramic mode of operation of the radar. The same radar antenna receives a sequence of reflected pulses, using a recording device to record their shape and transmit information to the tracking station. To process the received information, Doppler or temporal range selection is used, with the help of which a resolution element is formed, for example, 14 × 14 km. To restore the wind speed, a two-parameter algorithm is used that describes the dependence of the wind speed on the backscattering cross section and on the slope dispersion, which is obtained by regression analysis of satellite data on the backscattering cross section σ 0 , the reconstructed slope dispersion of the water surface and buoy data on the corresponding surface velocities wind V.

Недостатком способа-прототипа является то, что при вращении антенны каждая элементарная рассеивающая ячейка наблюдается не все время, а только под 6 азимутальными углами (при частоте вращения 6 оборотов в минуту). Это приводит к высокому уровню шумов, связанных с недостаточным усреднением.The disadvantage of the prototype method is that when the antenna rotates, each elementary scattering cell is not observed all the time, but only at 6 azimuthal angles (at a speed of 6 revolutions per minute). This leads to a high noise level due to insufficient averaging.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка панорамного радиолокационного способа определения состояния приповерхностного слоя океана, обеспечивающего более точное, чем в существующих способах, измерение в каждой «i»-й элементарной рассеивающей ячейке широкой полосы обзора следующих параметров: дисперсии наклонов

Figure 00000002
водной поверхности, направления распространения φwi крупномасштабного волнения, а также более точное восстановление скорости V приповерхностного ветра за счет увеличения времени наблюдения за каждой элементарной рассеивающей ячейкой.The problem to which the present invention is directed, is the development of a panoramic radar method for determining the state of the surface layer of the ocean, which provides more accurate than in existing methods, measurement in each "i" -th elementary scattering cell of a wide viewing band of the following parameters: slope dispersion
Figure 00000002
water surface, the propagation direction φ wi of large-scale waves, as well as a more accurate restoration of the surface wind speed V by increasing the observation time for each elementary scattering cell.

Технический результат в разработанном способе достигается тем, что, как и в способе-прототипе, осуществляют излучение зондирующих импульсов микроволнового диапазона когерентным доплеровским радиолокатором, снабженным однолучевой антенной с ножевой диаграммой направленности, прием отраженных от водной поверхности зондирующих импульсов микроволнового диапазона, регистрацию их формы, выделение с помощью временной селекции по дальности с учетом знака доплеровского сдвига из освещаемого каждым зондирующим импульсом пятна на водной поверхности с размерами, например, 14×355 км элементарных рассеивающих ячеек с размерами, например, 14×14 км, определение сечения обратного рассеяния, дисперсии наклонов водной поверхности

Figure 00000002
и направления распространения крупномасштабного волнения φwi в каждой «i»-й элементарной рассеивающей ячейке, а также последующее вычисление скорости приповерхностного ветра V по полученному методом регрессии алгоритму.The technical result in the developed method is achieved by the fact that, as in the prototype method, the sounding pulses of the microwave range are emitted by a coherent Doppler radar equipped with a single-beam antenna with a knife beam pattern, receiving the sounding pulses of the microwave range reflected from the water surface, registering their shape, highlighting using temporal range selection, taking into account the sign of the Doppler shift from the spot illuminated by each probe pulse in the water surfaces with dimensions, for example, 14 × 355 km of elementary scattering cells with dimensions, for example, 14 × 14 km, determination of the backscattering cross section, the dispersion of the slopes of the water surface
Figure 00000002
and the direction of propagation of large-scale waves φ wi in each “i” th elementary scattering cell, as well as the subsequent calculation of the surface wind velocity V according to the algorithm obtained by the regression method.

Новым в разработанном способе является то, что ориентированную вдоль направления полета ножевую диаграмму направленности антенны качают относительно вертикали в направлении, перпендикулярном направлению движения, а для определения сечения обратного рассеяния и дисперсии наклонов водной поверхности вдоль направления движения для каждой элементарной рассеивающей ячейки используют в пределах каждого освещаемого очередным зондирующим импульсом пятна на водной поверхности в широкой полосе обзора процедуру синтезирования, состоящую в том, что для каждой «i»-й элементарной рассеивающей ячейки в последовательные моменты времени за все время ее наблюдения определяют угол падения излучения и соответствующее сечение обратного рассеяния σi, после чего при обработке собранной информации упомянутые последовательные во времени измерения сечений обратного рассеяния σi «i»-й элементарной рассеивающей ячейки трансформируют в одномоментное наблюдение этой же «i»-й элементарной рассеивающей ячейки на всем упомянутом освещенном пятне под разными углами, синтезируя тем самым сечение обратного рассеяния σ для всего освещенного пятна в гипотетическом случае волнения, однородного в пределах всего этого пятна,

Figure 00000003
, при этом дисперсию наклонов
Figure 00000002
поверхности в направлении полета определяют из соотношения
Figure 00000004
, где δ - ширина (в радианах) диаграммы направленности антенны на уровне 0,5 по мощности; σ - сечение обратного рассеяния, полученное при синтезировании; σ0,max - сечение обратного рассеяния, соответствующее центральной области освещенного пятна.What is new in the developed method is that the knife antenna pattern oriented along the flight direction is pumped relative to the vertical in the direction perpendicular to the direction of motion, and for determining the backscattering cross section and the dispersion of the slopes of the water surface along the direction of motion for each elementary scattering cell, they are used within each illuminated the next probing pulse of the spot on the water surface in a wide field of view of the synthesis procedure, consisting that for each «i» th unit of the scattering cell at successive times for the time of observation it is determined the angle of incidence and the corresponding backscatter cross section σ i, then the processing of information collected during said successive time measuring backscatter cross sections σ i The "i" -th elementary scattering cell is transformed into simultaneous observation of the same "i" -th elementary scattering cell on the whole mentioned spot at different angles, thereby synthesizing echenie backscatter σ 0y entire illuminated spot in the hypothetical case agitation, uniform within the whole of this spot,
Figure 00000003
while the variance of the slopes
Figure 00000002
surfaces in the direction of flight are determined from the relation
Figure 00000004
where δ is the width (in radians) of the antenna pattern at the level of 0.5 in power; σ 0y is the backscattering cross section obtained by synthesis; σ 0, max is the backscattering cross section corresponding to the central region of the illuminated spot.

В частном случае осуществления способа измерения средней длины волны Lm крупномасштабного волнения в каждой «i»-й элементарной рассеивающей ячейке полосы обзора вначале по доплеровским скоростям с помощью дополнительных частотных фильтров, установленных в доплеровском радиолокаторе, создают начальную точку отсчета для регистрации отраженных импульсов в каждой «i»-й элементарной рассеивающей ячейке, после этого прием отраженных от водной поверхности импульсов и регистрацию их формы с помощью упомянутой временной селекции проводят для каждой «i»-й элементарной рассеивающей ячейки отдельно и стандартным алгоритмом по тангенсу угла наклона в средней точке переднего фронта импульса, зарегистрированного в данной «i»-й ячейке, определяют высоту Н значительного волнения для нескольких азимутальных направлений в этой «i»-й ячейке, затем определяют уточненное значение высоты H значительного волнения в «i»-й элементарной рассеивающей ячейке полосы обзора путем определения среднего значения высоты Н по нескольким упомянутым измерениям в данной ячейке, после чего по измеренному максимальному значению дисперсии наклонов

Figure 00000005
в «i»-й элементарной рассеивающей ячейке на графике азимутальной зависимости дисперсии наклонов
Figure 00000006
и по уточненному значению высоты Н значительного волнения среднюю длину волны Lm крупномасштабного волнения определяют из соотношения Lm=H/σSm.In the particular case of the method of measuring the average wavelength L m of large-scale waves in each "i" -th elementary scattering cell of the field of view, first using Doppler velocities using additional frequency filters installed in the Doppler radar, an initial reference point is created for recording reflected pulses in each "I" -th elementary scattering cell, after which the reception of pulses reflected from the water surface and registration of their shape using the aforementioned temporary selection is carried out for I of each "i" -th elementary scattering cell separately and using the standard algorithm for the slope at the midpoint of the leading edge of the pulse recorded in this "i" -th cell, determine the height H of significant waves for several azimuthal directions in this "i" - -th cell, then determine the specified value of the height H of significant waves in the "i" -th elementary scattering cell of the bandwidth by determining the average value of the height H for several of the measurements in this cell, and then measured th maximum value of the dispersion slope
Figure 00000005
in the “i” th elementary scattering cell on the graph of the azimuthal dependence of the slope dispersion
Figure 00000006
and according to the specified value of the height H of significant waves, the average wavelength L m of large-scale waves is determined from the relation L m = H / σ Sm .

Способ поясняется следующими рисунками.The method is illustrated by the following figures.

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

На фиг.2 показан пример разбиения полосы обзора на элементарные рассеивающие ячейки внутри освещенного пятна.Figure 2 shows an example of dividing the span into elementary scattering cells inside the illuminated spot.

Блок-схема устройства для реализации разработанного способа, представленная на фиг.1, содержит однолучевую антенну 1 с ножевой диаграммой направленности, которая через блок электронного управления сканированием диаграммы направленности 2 соединена с когерентным доплеровским радиолокатором 3, который в свою очередь соединен с регистрирующим устройством 4, выход которого соединен со входом приемопередающего устройства 5, 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 6, который имеет соединение с блоком электронного управления сканированием диаграммы направленности 2, с когерентным доплеровским радиолокатором 3, регистрирующим устройством 4 и приемо-передающим устройством 5.The block diagram of a device for implementing the developed method, is shown in figure 1, contains a single-beam antenna 1 with a knife radiation pattern, which is connected through a block of electronic scanning scanning of the radiation pattern 2 to a coherent Doppler radar 3, which in turn is connected to a recording device 4, the output of which is connected to the input of the transceiver 5, which provides communication with a tracking station (not shown) on Earth. In this case, the control of all elements of the device for implementing the developed method is carried out using block 6, which has a connection with the electronic control unit for scanning the radiation pattern 2, with a coherent Doppler radar 3, a recording device 4 and a transceiver 5.

В качестве однолучевой антенны 1 с ножевой диаграммой направленности может быть использована, например, фазированная антенная решетка, разработанная НИИ ТП (Москва). В этом случае управление режимом качания осуществляется электронным способом. Также для реализации разработанного способа может быть использована однолучевая щелевая антенна МИУС отечественного производства или однолучевая щелевая антенна PR-5 чешского производства (фирма TESLA). Здесь ножевая диаграмма направленности антенны обеспечивается за счет выбора размеров щели, например может быть сформирована ножевая диаграмма направленности с угловыми размерами 1°×25°. В данном случае режим качания в перпендикулярном направлению движения направлении осуществляется механически.As a single-beam antenna 1 with a knife radiation pattern, for example, a phased antenna array developed by the Scientific Research Institute of TP (Moscow) can be used. In this case, the swing mode is controlled electronically. Also, to implement the developed method, a single-beam slit antenna MIUS of domestic production or a single-beam slot antenna PR-5 of Czech manufacture (TESLA) can be used. Here, the knife radiation pattern of the antenna is provided by selecting the size of the slit, for example, a knife radiation pattern with angular dimensions of 1 ° × 25 ° can be formed. In this case, the swing mode in the direction perpendicular to the direction of movement is carried out mechanically.

При высоте полета 800 км такая антенна освещает пятно на поверхности океана с размерами 14×355 км. Частота сканирования относительно вертикальной оси происходит, например, с частотой 0,5 Гц.At a flight altitude of 800 km, such an antenna illuminates a spot on the surface of the ocean with dimensions of 14 × 355 km. The scanning frequency relative to the vertical axis occurs, for example, with a frequency of 0.5 Hz.

В качестве когерентного доплеровского радиолокатора 3 может быть использован, например, доплеровский измеритель скорости и сноса ДИИС (г. Каменск-Уральский) или доплеровский радиолокатор, изготавливаемый в НИИ ТП г. Москва. В качестве регистрирующего устройства 4 и приемо-передающего устройства 5 могут быть использованы любые стандартные устройства подобного назначения, эксплуатируемые на спутниках в настоящее время для записи информации и передачи ее на Землю.As a coherent Doppler radar 3 can be used, for example, a Doppler speed and drift meter DIIS (Kamensk-Uralsky) or Doppler radar manufactured at the Research Institute of TP Moscow. As the recording device 4 and the transceiver 5, any standard devices of a similar purpose, currently used by satellites to record information and transmit it to Earth, can be used.

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

В ходе полета спутника над океаном посредством однолучевой антенны 1 с ножевой диаграммой направленности, управляемой блоком электронного управления сканированием диаграммы направленности 2, и когерентного доплеровского радиолокатора 3, управляемых с помощью блока 6, излучают последовательность зондирующих импульсов по нормали к водной поверхности. При качании ножевой диаграммы направленности с указанными угловыми размерами 1°×25° и частотой качания 0,5 Гц на водной поверхности освещают полосу обзора шириной 355 км (для указанной высоты полета 800 км), что позволяет получить изображение происходящего на поверхности океана процесса. При этом каждый отдельный импульс излучения когерентного доплеровского радиолокатора 3 освещает при указанной высоте полета пятно с размерами порядка 14×355 км. Посредством этих же однолучевой антенны 1 с ножевой диаграммой направленности и когерентного доплеровского радиолокатора 3 принимают последовательность отраженных от водной поверхности импульсов, которые обрабатывают и запоминают в регистрирующем устройстве 4 до очередного сеанса связи со станцией слежения на Земле. С помощью приемо-передающего устройства 5 осуществляют обмен информацией со станцией слежения, при этом принятые команды поступают в блок 6, с помощью которого координируют работу всего устройства для реализации разработанного способа.During the flight of the satellite over the ocean, through a single-beam antenna 1 with a knife radiation pattern controlled by the electronic scanning control unit of the radiation pattern 2 and a coherent Doppler radar 3, controlled by block 6, a sequence of probe pulses is emitted along the normal to the water surface. When swinging a knife radiation pattern with the indicated angular dimensions of 1 ° × 25 ° and a swing frequency of 0.5 Hz on the water surface, a 355 km wide field of view is illuminated (for a specified flight altitude of 800 km), which allows an image of the process occurring on the ocean surface to be obtained. Moreover, each individual radiation pulse of a coherent Doppler radar 3 illuminates at a specified flight altitude a spot with dimensions of the order of 14 × 355 km. Using the same single-beam antenna 1 with a knife beam pattern and a coherent Doppler radar 3, a sequence of pulses reflected from the water surface is received, which are processed and stored in the recording device 4 before the next communication session with the tracking station on Earth. Using the transmitting and receiving device 5, information is exchanged with the tracking station, while the received commands are sent to block 6, with which they coordinate the operation of the entire device to implement the developed method.

Обработка с помощью регистрирующего устройства 4 отраженных от водной поверхности зондирующих импульсов заключается в том, что с помощью временной селекции по дальности с учетом знака доплеровского сдвига делят каждое упомянутое пятно, освещенное отдельным зондирующим импульсом, с размерами 14×355 км на элементарные «i»-е (i меняется от 1 до N) рассеивающие ячейки, т.е. деление освещенного пятна проводят вдоль оси Y для каждого угла падения (см. фиг.2).Processing with the help of a recording device 4 of the probe pulses reflected from the water surface consists in the fact that using the temporary selection in range, taking into account the sign of the Doppler shift, each mentioned spot is illuminated, illuminated by a separate probe pulse, with dimensions 14 × 355 km into elementary “i” - e (i varies from 1 to N) scattering cells, i.e. the division of the illuminated spot is carried out along the Y axis for each angle of incidence (see figure 2).

Применение вместо вращения антенны вокруг вертикальной оси (как в способе-прототипе) режима качания диаграммы направленности антенны в направлении, перпендикулярном направлению движения, с размахом, например, ±12° дает предлагаемому способу существенные преимущества.The use instead of rotating the antenna around the vertical axis (as in the prototype method) of the swing mode of the antenna pattern in a direction perpendicular to the direction of movement, with a range of, for example, ± 12 °, gives the proposed method significant advantages.

Например, при полосе обзора 355 км для высоты полета спутника 800 км и диаграммы направленности 1°×25° элементарная рассеивающая ячейка имеет размер 14×14 км (размер элементарной рассеивающей площадки зависит от решаемой задачи и может варьироваться в широких пределах) и формируется диаграммой направленности антенны (вдоль оси X) и с помощью временной селекции по дальности с учетом знака доплеровского сдвига (вдоль оси Y). Если внутри диаграммы направленности задать шаг по углу в 1°, то для ширины диаграммы направленности 25° получим 25 элементарных ячеек размером 14×14 км. При частоте качания (сканирования) 0,5 Гц каждая ячейка будет наблюдаться примерно 0,1 с, что соответствует времени корреляции сигнала, отраженного морской поверхностью. За 2 с радиолокатор смещается примерно на 14 км, что соответствует размеру элементарной рассеивающей площадки, и таким образом происходит «обзор» всей отражающей поверхности без пропусков, что снимает проблему с недостаточностью усреднения значений измеряемых величин.For example, with a 355 km field of view for a satellite flight height of 800 km and a radiation pattern of 1 ° × 25 °, the elementary scattering cell has a size of 14 × 14 km (the size of the elementary scattering site depends on the problem being solved and can vary widely) and is formed by the radiation pattern antennas (along the X axis) and using temporal range selection taking into account the sign of the Doppler shift (along the Y axis). If we set the step along the angle of 1 ° inside the radiation pattern, then for the width of the radiation pattern of 25 ° we get 25 elementary cells 14 × 14 km in size. At a sweep (scan) frequency of 0.5 Hz, each cell will be observed for approximately 0.1 s, which corresponds to the correlation time of the signal reflected by the sea surface. For 2 s, the radar is shifted by about 14 km, which corresponds to the size of the elementary scattering area, and thus there is an “overview” of the entire reflecting surface without gaps, which eliminates the problem of insufficient averaging of the measured values.

Кроме того, поскольку для каждой элементарной рассеивающей ячейки проводят измерения под всеми углами падения в пределах диаграммы направленности антенны, то в процессе обработки полученной данным способом информации применимы алгоритмы, разработанные как для неподвижной, так и для вращающейся антенны. В данном случае используются преимущества неподвижной антенны, связанные с оригинальной процедурой синтезирования вдоль траектории полета, и возможности радиолокатора с вращающейся антенной, обладающего широкой полосой обзора. Алгоритмы обработки основаны на разных принципах, и сравнение результатов восстановления дисперсии наклонов водной поверхности с помощью одного и другого алгоритмов дает возможность контролировать их эффективность, а также исключать из рассмотрения и обработки резкие флуктуации значений измеряемых величин, которые «выпадают» из общей картины наблюдений и вызваны случайными помехами, например метеорологическими, или сбоем питания.In addition, since measurements are carried out for each elementary scattering cell at all angles of incidence within the antenna pattern, then in the process of processing the information obtained by this method, the algorithms developed for both a stationary and a rotating antenna are applicable. In this case, the advantages of a fixed antenna associated with the original synthesis procedure along the flight path and the capabilities of a radar with a rotating antenna with a wide field of view are used. The processing algorithms are based on different principles, and comparing the results of reconstructing the variance of the slopes of the water surface using one or the other algorithms makes it possible to control their effectiveness, and also to exclude from consideration and processing sharp fluctuations in the values of the measured quantities that “fall out” of the overall picture of observations and are caused by accidental interference, such as meteorological, or power failure.

Таким образом, обработку отраженного сигнала и восстановление параметров волнения осуществляют в соответствии с определенными алгоритмами.Thus, the processing of the reflected signal and the restoration of the wave parameters is carried out in accordance with certain algorithms.

При анализе ячеек вдоль оси Y (вдоль направления движения) используют алгоритм, разработанный для неподвижной ножевой антенны (см. Караев В.Ю., Каневский М.Б. Радиолокационный способ определения параметров состояния приповерхностного слоя океана. - Патент РФ №2235344, МПК7 G01S 13/95, опубл. 03.06.2002 г.), ориентированной вдоль направления полета, и осуществляют процедуру синтезирования.When analyzing cells along the Y axis (along the direction of movement), an algorithm developed for a fixed knife antenna is used (see Karaev V.Yu., Kanevsky MB Radar method for determining the state parameters of the surface layer of the ocean. - RF Patent No. 2235344, IPC 7 G01S 13/95, published on 06/03/2002), oriented along the direction of flight, and carry out the synthesis procedure.

В пределах каждой рассеивающей ячейки с размерами, например, 14×14 км волнение можно считать однородным. Сечение обратного рассеяния σi каждой рассеивающей «i»-й ячейки периодически вычисляют в течение всего времени ее нахождения в зоне видимости спутника, при этом однолучевая антенна 1 с ножевой диаграммой направленности когерентного доплеровского радиолокатора 3 в разные моменты времени видит «i»-ю ячейку поверхности под разными углами падения θ. Если учесть стационарность волнения на временах измерения и объединить все данные о сечении обратного рассеяния «i»-й ячейки, полученные за все время ее наблюдения в разные моменты времени (или под разными углами падения), то определим сечение обратного рассеяния σ, полученное при измерении когерентным доплеровским радиолокатором 3 с однолучевой антенной 1 с ножевой диаграммой направленности в гипотетическом случае волнения, однородного в пределах всего упомянутого освещенного пятна

Figure 00000003
. В результате выполнения такой процедуры синтезирования суммирующее изображение будет аналогично «одномоментному» наблюдению поверхности океана в освещенном пятне, но с однородным волнением в пределах всего этого пятна. При этом дисперсия наклонов поверхности
Figure 00000002
в направлении полета определяется по следующей формуле:Within each scattering cell with dimensions, for example, 14 × 14 km, the waves can be considered homogeneous. The backscattering cross section σ i of each scattering “i” -th cell is periodically calculated during the entire time it is in the satellite’s visibility range, while a single-beam antenna 1 with a knife beam pattern of a coherent Doppler radar 3 sees an “i” cell at different times surfaces at different angles of incidence θ. If we take into account the stationary state of the waves at the measurement times and combine all the data on the backscattering cross section of the “i” th cell obtained over the entire time of its observation at different time instants (or at different incidence angles), then we determine the backscattering cross section σ obtained at measurement by coherent Doppler radar 3 with a single-beam antenna 1 with a knife radiation pattern in a hypothetical case of waves uniform throughout the entire mentioned spot
Figure 00000003
. As a result of such a synthesis procedure, the summing image will be similar to “instantaneous” observation of the ocean surface in a lighted spot, but with uniform excitement within the entire spot. In this case, the dispersion of the surface slopes
Figure 00000002
in the direction of flight is determined by the following formula:

Figure 00000004
,
Figure 00000004
,

где δ - ширина (в градусах) диаграммы направленности однолучевой антенны 1 с ножевой диаграммой направленности на уровне 0,5 по мощности; σ - сечение обратного рассеяния, полученное при синтезировании в пределах освещенного пятна, σ0,max - сечение обратного рассеяния, соответствующее центральной области освещенного пятнаwhere δ is the width (in degrees) of the radiation pattern of a single-beam antenna 1 with a knife radiation pattern at the level of 0.5 in power; σ 0y is the backscattering cross section obtained by synthesis within the illuminated spot, σ 0, max is the backscattering cross section corresponding to the central region of the illuminated spot

Если из элементарной рассеивающей ячейки, расположенной на траектории полета, провести прямую под углом φwi (см. фиг.2), то для ячеек, расположенных вдоль данной прямой, можно применить алгоритм обработки, разработанный для радиолокатора с вращающейся антенной (см. Караев В.Ю., Каневский М.Б. Панорамный радиолокационный способ определения параметров состояния приповерхностного слоя океана со спутника. - Патент РФ №2274877, МПК7 G01S 13/95, опубл. 20.04.2006 г.). В данном случае используется тот факт, что соседние элементарные рассеивающие ячейки отличаются углом падения вдоль выбранного направления.If a straight line at an angle φ wi is drawn from an elementary scattering cell located on the flight path (see Fig. 2), then for cells located along this straight line, a processing algorithm developed for a radar with a rotating antenna can be applied (see Karaev V .Yu., Kanevsky MB Panoramic radar method for determining the state parameters of the surface layer of the ocean from a satellite. - Patent of the Russian Federation No. 2274877, IPC 7 G01S 13/95, published on 04/20/2006). In this case, the fact that neighboring elementary scattering cells differ in the angle of incidence along the selected direction is used.

Для каждой «i»-й ячейки определяют мощность отраженного сигнала и сечение обратного рассеяния σii), где θi - угол падения зондирующего излучения на «i»-ю ячейку. Эта информация хранится в регистрирующем устройстве 4 до сеанса связи со станцией слежения. Далее на станции слежения проводят коррекцию по мощности принятого сигнала от каждой «i»-й ячейки с учетом формы диаграммы направленности однолучевой антенны 1, которая принята гауссовой. Если для удобства рассмотрения ввести ось X1, направленную вдоль выбранного азимутального угла φ, и ось Y1, перпендикулярную оси X1, форма диаграммы направленности однолучевой антенны 1 задается следующим выражением:For each “i” th cell, the reflected signal power and the backscattering cross section σ ii ) are determined, where θ i is the angle of incidence of the probe radiation on the “i” th cell. This information is stored in the recording device 4 until the communication session with the tracking station. Then, at the tracking station, correction is carried out according to the power of the received signal from each “i” th cell, taking into account the shape of the radiation pattern of a single-beam antenna 1, which is accepted as Gaussian. If for convenience of consideration we introduce the axis X 1 directed along the selected azimuthal angle φ and the axis Y 1 perpendicular to the axis X 1 , the shape of the radiation pattern of a single-beam antenna 1 is given by the following expression:

Figure 00000007
,
Figure 00000007
,

где δх и δу - ширина диаграммы направленности на уровне 0,5 по мощности вдоль осей X1 и Y1 соответственно, R0 - высота полета спутника. Для коррекции умножают мощность отраженного сигнала в «i»-й элементарной ячейке (сечение обратного рассеяния σi) на коэффициент, связанный с диаграммой направленности однолучевой антенны 1. Формула перерасчета имеет следующий вид:where δ x and δ y are the width of the radiation pattern at the level of 0.5 in power along the axes X 1 and Y 1, respectively, R 0 is the height of the satellite. For correction, multiply the power of the reflected signal in the “i” th unit cell (backscattering cross section σ i ) by a coefficient associated with the directivity pattern of a single-beam antenna 1. The recalculation formula has the following form:

Figure 00000008
.
Figure 00000008
.

После выполнения коррекции дисперсия наклонов вдоль направления зондирования (оси X1) вычисляется по следующей формуле:After performing the correction, the variance of the slopes along the sounding direction (axis X 1 ) is calculated by the following formula:

Figure 00000009
,
Figure 00000009
,

где θi и θi+1 - углы падения для двух последовательных «i»-й и «i+1»-й элементарных ячеек вдоль направления зондирования (азимутального угла φj); σi) и σi+1) - скорректированные сечения обратного рассеяния этих ячеек соответственно, j - номер азимутального направления, под которым наблюдается каждая элементарная ячейка.where θ i and θ i + 1 are the angles of incidence for two consecutive “i” and “i + 1” th unit cells along the sounding direction (azimuthal angle φ j ); σ i ) and σ i + 1 ) are the adjusted backscatter cross sections of these cells, respectively, j is the azimuthal direction number under which each unit cell is observed.

Как видно из приведенной формулы (в знаменателе формулы сечение обратного рассеяния σi+1) в «i+1»-й ячейке делится на сечение обратного рассеяния σi) в «i»-й ячейке), при обработке экспериментальных данных со спутника важны (используются) не абсолютные значения отраженной мощности (сечения обратного рассеяния) в каждой элементарной отражающей ячейке, а относительные изменения отраженной мощности в соседних ячейках. За счет этого в разработанном способе удается избавиться от таких существенных проблем, как необходимость регулярной калибровки радиолокатора по мощности, необходимость учета ослабления отраженного сигнала дождевыми облаками, необходимость поддержания стабильной мощности радиолокатора в течение всего срока эксплуатации.As can be seen from the above formula (in the denominator of the formula, the backscattering cross section σ i + 1 ) in the “i + 1” cell is divided by the backscattering cross section σ i ) in the “i” th cell), for Processing the experimental data from the satellite is important (used) not the absolute values of the reflected power (cross-section of backscattering) in each elementary reflecting cell, but the relative changes in the reflected power in neighboring cells. Due to this, in the developed method, it is possible to get rid of such significant problems as the need for regular radar calibration by power, the need to take into account the attenuation of the reflected signal by rain clouds, the need to maintain stable radar power over the entire life cycle.

Известно, что с достаточной степенью точности полная дисперсия наклонов поверхности представляет собой сумму дисперсий наклонов, измеренных в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Поэтому для определения полной дисперсии наклонов

Figure 00000002
поверхности в каждой «i»-й элементарной ячейке измеряют дисперсию наклонов в этой ячейке под разными азимутальными углами φj. Таким образом, определив дисперсию наклонов для двух взаимно перпендикулярных направлений, определяют полную дисперсию наклонов для «i»-й ячейки
Figure 00000002
из соотношения:
Figure 00000010
.It is known that, with a sufficient degree of accuracy, the total variance of the slopes of the surface is the sum of the variances of the slopes measured in two mutually perpendicular directions. Therefore, to determine the total variance of the slopes
Figure 00000002
the surfaces in each “i” th unit cell measure the variance of the slopes in this cell at different azimuthal angles φ j . Thus, by determining the variance of the slopes for two mutually perpendicular directions, determine the total dispersion of the slopes for the "i" -th cell
Figure 00000002
from the ratio:
Figure 00000010
.

Следующим шагом при обработке данных является определение направления распространения φwi крупномасштабного волнения в «i»-й ячейке. Поскольку в каждой «i»-й ячейке дисперсия наклонов

Figure 00000011
определена для нескольких (разных) азимутальных углов φj, то по экспериментально измеренным точкам с помощью алгоритма, используемого в скаттерометрии, восстанавливают азимутальную зависимость дисперсии наклонов. Максимальное значение дисперсии
Figure 00000005
на данном графике указывает искомое направление распространения крупномасштабного волнения φwi в «i»-й ячейке.The next step in data processing is to determine the propagation direction φ wi of large-scale waves in the "i" -th cell. Since in each “i” th cell the slope dispersion
Figure 00000011
is determined for several (different) azimuthal angles φ j , then the azimuthal dependence of the slope dispersion is restored from the experimentally measured points using the algorithm used in scatterometry. The maximum value of the variance
Figure 00000005
on this graph indicates the desired direction of propagation of large-scale waves φ wi in the "i" -th cell.

Скорость приповерхностного ветра V в «i»-й ячейке определяют по измеренному с помощью регистрирующего устройства 4 в каждой ячейке сечению обратного рассеяния σi и по измеренным во взаимно перпендикулярных направлениях в каждой ячейке дисперсиям наклонов

Figure 00000011
и
Figure 00000012
. Для вычисления искомой скорости ветра V используют регрессионный алгоритм
Figure 00000013
, который должен быть получен на начальном этапе калибровки радиолокатора по стандартной методике (см., например, Witter and Chelton. A Geosat altimeter wind speed algorithm and a method for altimeter wind speed algorithm development. J. Geophysical Research, v.96, NC5, 1995, p.8853-8860) с учетом упомянутых измеренных дисперсий наклонов
Figure 00000011
и
Figure 00000014
. Дисперсии наклонов
Figure 00000011
и
Figure 00000014
зависят не только от скорости ветра V, но и от присутствия в «i»-й ячейке волн зыби, не связанных с ветром в данной ячейке, но влияющих на связь сто со скоростью ветра V. Методика получения регрессионного алгоритма известна (см., например, Г.Корн и Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1977 г., стр.553-557).The surface wind speed V in the “i” th cell is determined by the backscattering cross section σ i measured with a recording device 4 in each cell and the slope dispersions measured in mutually perpendicular directions in each cell
Figure 00000011
and
Figure 00000012
. To calculate the desired wind speed V using a regression algorithm
Figure 00000013
, which should be obtained at the initial stage of radar calibration using a standard method (see, for example, Witter and Chelton. A Geosat altimeter wind speed algorithm and a method for altimeter wind speed algorithm development. J. Geophysical Research, v. 96, NC5, 1995, p.8853-8860) taking into account the mentioned measured slope variances
Figure 00000011
and
Figure 00000014
. Slope Dispersions
Figure 00000011
and
Figure 00000014
depend not only on the wind speed V, but also on the presence in the "i" -th cell of swell waves that are not related to the wind in this cell, but affect the connection of one hundred with wind speed V. The technique for obtaining the regression algorithm is known (see, for example , G. Korn, and T. Korn, A Handbook of Mathematics for Scientists and Engineers, Moscow: Nauka, 1977, pp. 553-557).

В частном случае реализации разработанного способа, когда необходимо измерить среднюю длину волны Lm крупномасштабного волнения в каждой элементарной «i»-й ячейке размерами, например, 14×14 км, вначале по доплеровским скоростям с помощью дополнительных частотных фильтров, установленных в приемном тракте когерентного доплеровского радиолокатора 3, создают начальную точку отсчета для регистрации отраженных импульсов в каждой «i»-й ячейке. После этого прием отраженных от водной поверхности импульсов и регистрацию зависимости мощности отраженного сигнала от времени (нахождение формы импульса) проводят для каждой «i»-й ячейки отдельно и стандартным алгоритмом по тангенсу угла наклона в средней точке переднего фронта импульса, зарегистрированного в «i»-й ячейке, определяют высоту Н значительного волнения для нескольких азимутальных направлений в «i»-й ячейке. Затем определяют уточненное значение высоты Н значительного волнения в «i»-й ячейке путем определения среднего значения высоты Н по нескольким измерениям в данной ячейке. После чего по упомянутому измеренному максимальному значению дисперсии наклонов

Figure 00000005
«i»-й ячейке на графике азимутальной зависимости дисперсии наклонов
Figure 00000011
и по уточненному значению высоты Н значительного волнения определяют среднюю длину волны Lm крупномасштабного волнения из соотношения Lm=H/σSm. Высота H и длина волны Lm крупномасштабного волнения имеют важное значение для численных моделей приповерхностного слоя океана, кроме того, от длины волны Lm напрямую зависит скорость распространения крупномасштабного волнения, т.е., например, насколько быстро зародившийся шторм достигнет прибрежной зоны.In the particular case of the implementation of the developed method, when it is necessary to measure the average wavelength L m of large-scale waves in each unit “i” cell with dimensions, for example, 14 × 14 km, first by Doppler velocities using additional frequency filters installed in the reception path of the coherent Doppler radar 3, create an initial reference point for recording reflected pulses in each "i" -th cell. After that, the reception of pulses reflected from the water surface and registration of the time dependence of the reflected signal power (finding the pulse shape) is carried out separately for each “i” th cell and using the standard algorithm for the slope at the midpoint of the leading edge of the pulse recorded in “i” -th cell, determine the height H of significant excitement for several azimuthal directions in the "i" -th cell. Then determine the adjusted value of the height H of significant excitement in the "i" -th cell by determining the average value of the height H by several measurements in this cell. After which, according to the aforementioned measured maximum value of the slope dispersion
Figure 00000005
“I” -th cell in the graph of the azimuthal dependence of the slope variance
Figure 00000011
and from the updated value of the height H of significant waves, determine the average wavelength L m of large-scale waves from the relation L m = H / σ Sm . The height H and the wavelength L m of large-scale waves are important for numerical models of the surface layer of the ocean, in addition, the propagation velocity of large-scale waves, i.e., for example, how quickly the storm begins to reach the coastal zone, directly depends on the wavelength L m .

Таким образом, разработанный панорамный радиолокационный способ определения параметров состояния приповерхностного слоя океана позволяет построить двумерное изображение водной поверхности, что открывает возможности для анализа волновых процессов на поверхности океана, изучения их структуры и временной динамики при повторных наблюдениях, что необходимо для составления долгосрочных прогнозов погоды, для изучения Мирового океана и решения множества других прикладных задач.Thus, the developed panoramic radar method for determining the state parameters of the surface layer of the ocean makes it possible to construct a two-dimensional image of the water surface, which opens up possibilities for analyzing wave processes on the ocean surface, studying their structure and temporal dynamics during repeated observations, which is necessary for making long-term weather forecasts, for studying the oceans and solving many other applied problems.

Claims (2)

1. Панорамный радиолокационный способ определения параметров состояния приповерхностного слоя океана со спутника, включающий излучение зондирующих импульсов микроволнового диапазона когерентным доплеровским радиолокатором, снабженным однолучевой антенной с ножевой диаграммой направленности, прием отраженных от водной поверхности зондирующих импульсов микроволнового диапазона, регистрацию их формы, выделение с помощью временной селекции по дальности с учетом знака доплеровского сдвига из освещаемого каждым зондирующим импульсом пятна на водной поверхности с размерами, например, 14×355 км элементарных рассеивающих ячеек с размерами, например, 14×14 км, определение сечения обратного рассеяния σi, дисперсии наклонов водной поверхности
Figure 00000015
и направления распространения крупномасштабного волнения φwi в каждой «i»-й элементарной рассеивающей ячейке, а также последующее вычисление скорости приповерхностного ветра V по полученному методом регрессии алгоритму, отличающийся тем, что ориентированную вдоль направления полета ножевую диаграмму направленности антенны качают относительно вертикали в направлении, перпендикулярном направлению движения, а для определения сечения обратного рассеяния и дисперсии наклонов водной поверхности вдоль направления движения для каждой элементарной рассеивающей ячейки используют в пределах каждого освещаемого очередным зондирующим импульсом пятна на водной поверхности в широкой полосе обзора процедуру синтезирования, состоящую в том, что для каждой «i»-й элементарной рассеивающей ячейки в последовательные моменты времени за все время ее наблюдения определяют угол падения излучения и соответствующее сечение обратного рассеяния σi, после чего при обработке собранной информации упомянутые последовательные во времени измерения сечений обратного рассеяния σi «i»-й элементарной рассеивающей ячейки трансформируют в одномоментное наблюдение этой же «i»-й элементарной рассеивающей ячейки на всем упомянутом освещенном пятне под разными углами, синтезируя тем самым сечение обратного рассеяния σ для всего освещенного пятна в гипотетическом случае волнения, однородного в пределах всего этого пятна,
Figure 00000016
при этом дисперсию наклонов
Figure 00000017

поверхности в направлении полета определяют из соотношения
Figure 00000018

где δ - ширина (в радианах) диаграммы направленности антенны на уровне 0,5 по мощности; σ0y - сечение обратного рассеяния, полученное при синтезировании, σ0,mах - сечение обратного рассеяния, соответствующее центральной области освещенного пятна.
1. A panoramic radar method for determining the state parameters of the surface layer of the ocean from a satellite, comprising emitting microwave sounding pulses with a coherent Doppler radar equipped with a single-beam antenna with a knife beam pattern, receiving microwave sounding pulses reflected from the water surface, registering their shape, extracting them using a time range selection taking into account the sign of the Doppler shift from illuminated by each probe pulse stains on the water surface with the size, e.g., 14 × 355 km scattering elementary cell with dimensions, for example, 14 × 14 km, determining the backscattering cross section σ i, dispersion slopes of the water surface
Figure 00000015
and the direction of propagation of large-scale waves φ wi in each "i" -th elementary scattering cell, as well as the subsequent calculation of the surface wind speed V according to the regression algorithm, characterized in that the knife antenna pattern oriented along the flight direction is pumped relative to the vertical in the direction perpendicular to the direction of motion, and to determine the cross section for backscattering and dispersion of the slopes of the water surface along the direction of motion for each electric within each wide spot band illuminated by the next sounding pulse, a synthesis procedure is used that consists in the fact that for each "i" -th elementary scattering cell, the angle of incidence of radiation is determined at consecutive time points for the entire time of its observation and the corresponding backscatter cross section σ i, then the processing of information collected during said successive time measuring sections backscatter σ i «i» th ale succinic scattering cell transformed in cross-sectional observation of the same «i» -th elementary scattering cell for all said illuminated spot at different angles, thereby synthesizing section backscatter σ 0y entire illuminated spot in the hypothetical case agitation, uniform within the whole of this spot,
Figure 00000016
while the variance of the slopes
Figure 00000017

surfaces in the direction of flight are determined from the relation
Figure 00000018

where δ is the width (in radians) of the antenna pattern at the level of 0.5 in power; σ 0y is the backscattering cross section obtained by synthesis, σ 0, max is the backscattering cross section corresponding to the central region of the illuminated spot.
2. Панорамный радиолокационный способ по п.1, отличающийся тем, что для измерения средней длины волны Lm крупномасштабного волнения в каждой «i»-й элементарной рассеивающей ячейке полосы обзора вначале по доплеровским скоростям с помощью дополнительных частотных фильтров, установленных в доплеровском радиолокаторе, создают начальную точку отсчета для регистрации отраженных импульсов в каждой «i»-й элементарной рассеивающей ячейке, после этого прием отраженных от водной поверхности импульсов и регистрацию их формы с помощью упомянутой временной селекции проводят для каждой «i»-й элементарной рассеивающей ячейки отдельно и стандартным алгоритмом по тангенсу угла наклона в средней точке переднего фронта импульса, зарегистрированного в данной «i»-й ячейке, определяют высоту Н значительного волнения для нескольких азимутальных направлений в этой «i»-й ячейке, затем определяют уточненное значение высоты Н значительного волнения в «i»-й элементарной рассеивающей ячейке полосы обзора путем определения среднего значения высоты Н по нескольким упомянутым измерениям в данной ячейке, после чего по измеренному максимальному значению дисперсии наклонов
Figure 00000019
в «i»-й элементарной рассеивающей ячейке на графике азимутальной зависимости дисперсии наклонов
Figure 00000020
и по уточненному значению высоты Н значительного волнения среднюю длину волны Lm крупномасштабного волнения определяют из соотношения Lm=H/σSm.
2. The panoramic radar method according to claim 1, characterized in that for measuring the average wavelength L m of large-scale waves in each "i" -th elementary scattering cell of the viewing band at first by Doppler speeds using additional frequency filters installed in the Doppler radar, create an initial reference point for recording the reflected pulses in each "i" -th elementary scattering cell, after which the reception of pulses reflected from the water surface and registration of their shape using the aforementioned belt selection is carried out for each "i" -th elementary scattering cell separately and the standard algorithm for the slope at the midpoint of the leading edge of the pulse recorded in this "i" -th cell, determine the height H significant waves for several azimuthal directions in this " i "-th cell, then determine the adjusted value of the height H of significant waves in the" i "-th elementary scattering cell of the field of view by determining the average value of the height H from several of these measurements in this cell, after which the measured maximum value of the dispersion slope
Figure 00000019
in the “i” th elementary scattering cell on the graph of the azimuthal dependence of the slope dispersion
Figure 00000020
and according to the specified value of the height H of significant waves, the average wavelength L m of large-scale waves is determined from the relation L m = H / σ Sm .
RU2010153821/07A 2010-12-27 2010-12-27 Panoramic radar method of determining parameters of state of ocean surface layer from satellite RU2449312C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010153821/07A RU2449312C1 (en) 2010-12-27 2010-12-27 Panoramic radar method of determining parameters of state of ocean surface layer from satellite

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010153821/07A RU2449312C1 (en) 2010-12-27 2010-12-27 Panoramic radar method of determining parameters of state of ocean surface layer from satellite

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2449312C1 true RU2449312C1 (en) 2012-04-27

Family

ID=46297616

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010153821/07A RU2449312C1 (en) 2010-12-27 2010-12-27 Panoramic radar method of determining parameters of state of ocean surface layer from satellite

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2449312C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103941257A (en) * 2014-04-11 2014-07-23 哈尔滨工程大学 Navigation radar image sea surface wind direction inversion method based on wave number energy spectrum
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
CN116539913A (en) * 2023-05-04 2023-08-04 极诺星空(北京)科技有限公司 Method and device for on-board real-time inversion of sea surface wind speed
RU2832598C1 (en) * 2023-10-27 2024-12-26 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" (Госкорпорация "РОСКОСМОС") Method of processing signal in space-based ku-band scatterometer with rotating "fan" beam pattern

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0455842B1 (en) * 1990-05-07 1996-07-03 Dornier Gmbh Scatterometer
US6137437A (en) * 1999-03-24 2000-10-24 Agence Spatiale Europeenne Spaceborne scatterometer
EP1262792A1 (en) * 2001-05-31 2002-12-04 Starlab Barcelona SL System for monitoring a feature of a surface by reflected satellite navigation signals
RU2235344C2 (en) * 2002-06-03 2004-08-27 Институт прикладной физики РАН Radiolocation method for determining parameters of condition of surface-adjacent ocean layer from a satellite
RU2003124710A (en) * 2003-08-07 2005-02-10 Институт прикладной физики РАН (RU) PANORAMIC RADAR RADAR METHOD FOR DETERMINING THE STATE OF THE SURFACE LAYER OF AN OCEAN FROM A SATELLITE

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0455842B1 (en) * 1990-05-07 1996-07-03 Dornier Gmbh Scatterometer
US6137437A (en) * 1999-03-24 2000-10-24 Agence Spatiale Europeenne Spaceborne scatterometer
EP1262792A1 (en) * 2001-05-31 2002-12-04 Starlab Barcelona SL System for monitoring a feature of a surface by reflected satellite navigation signals
RU2235344C2 (en) * 2002-06-03 2004-08-27 Институт прикладной физики РАН Radiolocation method for determining parameters of condition of surface-adjacent ocean layer from a satellite
RU2003124710A (en) * 2003-08-07 2005-02-10 Институт прикладной физики РАН (RU) PANORAMIC RADAR RADAR METHOD FOR DETERMINING THE STATE OF THE SURFACE LAYER OF AN OCEAN FROM A SATELLITE
RU2274877C2 (en) * 2003-08-07 2006-04-20 Институт прикладной физики РАН Panoramic radar method of determining condition of ocean's layer surface from satellite

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103941257A (en) * 2014-04-11 2014-07-23 哈尔滨工程大学 Navigation radar image sea surface wind direction inversion method based on wave number energy spectrum
CN103941257B (en) * 2014-04-11 2016-05-04 哈尔滨工程大学 A kind of method of the pathfinder image inverting wind direction of ocean surface based on wave number energy spectrum
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
CN116539913A (en) * 2023-05-04 2023-08-04 极诺星空(北京)科技有限公司 Method and device for on-board real-time inversion of sea surface wind speed
RU2832598C1 (en) * 2023-10-27 2024-12-26 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" (Госкорпорация "РОСКОСМОС") Method of processing signal in space-based ku-band scatterometer with rotating "fan" beam pattern

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Spencer et al. Improved resolution backscatter measurements with the SeaWinds pencil-beam scatterometer
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
Hauser et al. SWIMSAT: A real-aperture radar to measure directional spectra of ocean waves from space—Main characteristics and performance simulation
Hauser et al. Satellite remote sensing of surface winds, waves, and currents: Where are we now?
WO1995015502A1 (en) Bistatic multiple-doppler radar network
Tanelli et al. The effects of nonuniform beam filling on vertical rainfall velocity measurements with a spaceborne Doppler radar
US9310481B2 (en) Wide band clear air scatter doppler radar
Hauser et al. CFOSAT: A new Chinese-French satellite for joint observations of ocean wind vector and directional spectra of ocean waves
Caudal et al. KuROS: A new airborne Ku-band Doppler radar for observation of surfaces
RU2449312C1 (en) Panoramic radar method of determining parameters of state of ocean surface layer from satellite
Zhang et al. Spaced-antenna interferometry to detect and locate subvolume inhomogeneities of reflectivity: An analogy with monopulse radar
RU2235344C2 (en) Radiolocation method for determining parameters of condition of surface-adjacent ocean layer from a satellite
RU2274877C2 (en) Panoramic radar method of determining condition of ocean's layer surface from satellite
Chu et al. Extraction of wind direction from the hf hybrid sky-surface wave radar sea echoes
Belcher et al. The Ascension Island experiment: Measurement of ionospheric scintillation effects on PALSAR-2
Bernhardt et al. Bistatic observations of the ocean surface with HF radar, satellite and airborne receivers
Shibo et al. Inversion method of significant wave height based on time delay window using the ship-borne Beidou reflected signal
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
Zhou et al. Research on the parameter design method and system simulation of multimode microwave remote sensors operating in scatterometer modes
Collett Applying gnss reflectometry-based stare processing to modeling and remote sensing of wind-driven ocean surface roughness
Mishra et al. First indigenously developed polarimetric C-band Doppler weather radar in India and its first hand validation results
RU2832598C1 (en) Method of processing signal in space-based ku-band scatterometer with rotating "fan" beam pattern
Karaev et al. A new approach to the retrieval of the sea wave slopes from spectrometer SWIM data
Shang et al. Performance analysis of China dual-F requency airborne precipitation radar

Legal Events

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

Effective date: 20171228

PD4A Correction of name of patent owner
NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20181106

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191228