Способ идентификации подводного гидродинамического источника по скоростному радиолокационному изображению морской поверхности

Изобретение относится к области радиолокации поверхности океана с летательных аппаратов и может быть использовано для поиска и обнаружения подводных гидродинамических источников. Предлагаемый способ основан на передаче к поверхности моря импульса, порождаемого возникающими в слое «скачка плотности» внутренними волнами, и формированием «скоростного портрета» поверхности в интерференционном радиолокаторе бокового обзора с синтезированной апертурой (ИРСА). Способ идентификации движущегося подводного источника использует формирование скоростного изображения поверхности моря в радиолокаторе бокового обзора с реальной или синтезированной апертурой. Через-периодный суммо-разностный метод выделения сигнала, пропорционального радиальной скорости течения, позволяет сформировать калиброванное по скорости изображение с подавлением как амплитудных вариаций сигнала, так и фазового спекл-шума на площадке заданного размера. Вторичная обработка полученного изображения позволяет разделить близкие к гармоническим поля орбитальной скорости ветровых волн и возбуждаемых подводным источником внутренних волн. По формируемому изображению внутренних волн можно определить местоположение подводного источника. 5 ил.

 

Изобретение относится к радиолокации поверхности океана с летательных аппаратов и может быть использовано для поиска и обнаружения подводных гидродинамических источников. Предлагаемый способ основан на передаче к поверхности моря импульса, порождаемого возникающими в слое «скачка плотности» внутренними волнами, и формированием «скоростного портрета» поверхности в интерференционном радиолокаторе бокового обзора с синтезированной апертурой (ИРСА).

Задача формирования скоростных радиолокационных изображений морской поверхности не является новой, она рассматривалась в работах [1, 2]. Имеются и патенты [5, 6], где радиальная составляющая скорости измеряется в ИРСА с продольной антенной базой. В нашем патенте [7] предлагается двухлучевой способ, позволяющий измерить обе составляющие скорости. Таким образом, в принципе возможно формировать векторно-скоростные изображения поверхностных (ветровых) и внутренних волн. В то же время, существует проблема обнаружения (идентификации) локальных гидродинамических источников, возбуждающих внутренние волны сложной конфигурации. Следует учитывать и тот факт, что на поверхности существуют ветровые волны, «образ» которых отличается от «образа» внутренних волн, возбуждаемых локальным источником. Предлагаемый способ идентификации (обнаружения) подобного источника, используя известный способ формирования скоростных радиолокационных изображений [7] как прототип, включает специальную (вторичную) обработку формируемых изображений.

Обоснование предлагаемого способа

Внутренние волны (ВВ) возникают в глубинном слое «скачка плотности» при неоднородных движениях под ним масс воды. Например, в Гибралтарском проливе периодически возникает приливная волна, и цуг интенсивных ВВ вызывает на поверхности гармоническое поле течений. В областях наибольших орбитальных скоростей возрастает интенсивность мелких волн - благодаря этому эффекту сформированное в РСА яркостное изображение поверхности содержит четкий «портрет» протяженного цуга внутренних волн (фиг. 1). На фиг. 2 показаны совмещенные амплитудное и скоростное изображения цуга внутренних волн (фрагмент фиг. 1), скоростное изображение получено методом вычисления медианы доплеровского спектра при большом числе независимых отсчетов сигнала на больших площадках [3]. Видно, что при длине ВВ ~5 км, амплитуде орбитальной скорости ~±10 см/с, вариации интенсивности сигнала на переднем склоне внутренней волны однополярны и составляют ~+6 дБ. В настоящее время из космоса получены многочисленные изображения ВВ, при этом используются не только яркостные РСА-изображения, но и скоростные изображения, получаемые в ИРСА - интерференционном радаре с синтезированной апертурой, использующем продольно-разнесенные антенны [1, 2].

Внутренние волны, порождаемые движущимся подводным источником - более короткие и слабые, их скорости на уровне термоклина в безразмерном масштабе показаны на рис. 3 [4]. В то же время, на поверхности могут присутствовать ветровые волны с длиной порядка 100 м и амплитудами орбитальной скорости порядка 1 м/с. Таким образом, проблема состоит в формировании скоростного поля внутренней волны на фоне скоростного поля ветровых волн. В приближении тонкого термоклина, для главной моды ВВ с длиной волны Λ фазовая скорость ВВ составляет

где k=2π/Λ, - перепад плотности в термоклине, h - глубина термоклина. Амплитуда вертикального смещения термоклина ξ=ξ0ехр j(kx-ωt) приводит к вертикальному смещению поверхности на величину

Орбитальная скорость ВВ на уровне термоклина

причем зоны максимальной конвергенции располагаются над узлами смещений термоклина. Амплитуда горизонтальной скорости поверхности в этих зонах составляет

Таким образом, отношение высоты «горба» ВВ на поверхности к амплитуде ее скорости, в данном приближении составляет

Для условий Гибралтарского пролива (фиг. 2) при h=20 м, |VS|=0,1 м/с, и амплитуда волны в слое скачка плотности должна составить ξ0=1,5 м при амплитуде поверхностной волны всего |ξS|~1,5 см. Если же движущимся источником создается внутренняя волна с амплитудой ξ0~10 см, то на поверхности можно ожидать амплитуду скорости |VS|~2 см/c при амплитуде высоты |ξS|~0,3 см. Таким образом, если в скоростных радиолокационных изображениях представляется возможным - тем или иным способом - выделить столь слабый сигнал, то в яркостных РЛ изображениях с выделением вариаций амплитуд это представляется недостоверным, а при формировании уровенных изображений (с помощью вертикально-базового интерферометра) возникают непреодолимые трудности технологического характера, связанные с размещением антенн на летательном аппарате.

Возможность реализации

Летательный аппарат с радиолокатором бокового обзора визирует морскую поверхность с широкой (ножевой) диаграммой направленности антенны в вертикальной плоскости (фиг. 4). На рисунке обозначены: Н, Wx - высота и скорость летательного аппарата; γ, R0 - угол визирования и наклонная дальность площадки; Dx - продольный размер антенны; L -ширина зоны обзора; rx, ry - размеры элемента разрешения по азимуту и горизонтальной дальности; Vy - радиальная (поперечная) скорость площадки. Отраженный сигнал возникает благодаря брэгговскому (резонансному) рассеянию на мелких ветровых волнах, скорость мелкомасштабных течений определяется по радиальному доплеровскому сдвигу частоты сигнала. Крупные ветровые волны и зыбь проявляются через их взаимодействие с мелкими волнами: интенсивность мелких волн изменяется в области склонов крупных волн, где их орбитальные скорости максимальны.

Для формирования скоростного изображения используют через-периодную суммо-разностную обработку когерентно-импульсного сигнала [1]. Исходный сигнал в каждом канале дальности имеет вид:

Здесь k - порядковый номер импульса относительно траверсного k0; ϕ0, R0 - начальная фаза и наклонная дальность; Wx - тангенциальная (продольная) скорость перемещения антенны; Tr - период следования импульсов; доплеровский частотный сдвиг; Vy - радиальная (поперечная) скорость площадки; γ - угол визирования; λ - длина волны сигнала. Через-периодные сигналы обладают общей для них фазой тогда получаем:

При неподвижной антенне (Wx=0) вычитание, сложение и деление комплексных амплитуд (7) друг на друга позволяет получить точное значение доплеровского сдвига:

и тогда измеряемая радиальная скорость

При движущейся антенне и азимутальном синтезе диаграммы направленности используют интерферометр с продольной антенной базой [1], при этом исчезает ошибка в измерении фаз сигналов из-за движения антенны. Общее число независимых отсчетов фазы сравниваемых сигналов на симметричной площадке размером составляет

т.е. определяется шириной спектра сигнала Δƒ и продольным размером антенны Dx. В самолетных условиях получается NΣ ~105, что дает возможность подавить фазовый спекл-шум до величины, меньшей полезного сигнала ΔϕS=2πƒdyTr. При плотности распределения спекл-шума δϕ*=1/2π и пороговом коэффициенте q0=10, осредненная величина спекл-шума оказывается меньше полезного сигнала:

Таким образом, в режиме синтезированной апертуры при соответствующем осреднении (rx ~100 м) и широкой полосе спектра сигнала (Δƒ≥300 МГц) возможно обнаружение слабых скоростных контрастов, вызываемых внутренними волнами большой длины - типа изображенных на фиг. 3.

Возможно ли распознавать «образ» такого рода волн на фоне ветровых поверхностных волн? Орбитальные скорости ветровых волн лежат в пределах (0,1-1) м/с, что на один-два порядка превышает полезный сигнал. С другой стороны, фоновая обстановка не менее важна для РЛ диагностики явлений на поверхности океана. По-видимому, раздельное наблюдение тех и других волн возможно при использовании известных методов «вторичной» обработки РЛ изображений - например, двумерного Фурье-преобразования с пространственно-частотной фильтрацией (подавлением) ветровых волн, после чего следует обратное Фурье-преобразование и сравнение полученного скоростного изображения с ожидаемым. На базе проведенного тест-анализа следует считать, что при гармоническом характере поля орбитальных скоростей тех и других волн возможно получить необходимое разделение полей.

На фиг. 5 приведена функциональная схема, поясняющая предлагаемый способ. Обозначены: 1 - сжатие сигнала по дальности; 2 - задержка на два периода следования; 3 - суммирование и вычитание комплексных сигналов; 4 - вычислитель амплитуды и радиальной скорости; 5 - формирование яркостного и скоростного изображений с осреднением спекл-шума; 6 - вычислитель вторичной обработки изображений (разделение портретов внутренних и поверхностных волн путем прямого и обратного Фурье-преобразований с пространственно-частотной фильтрацией и калибровкой полученных скоростных изображений); 7 - вычислитель параметров объекта; - входной сигнал; б - опорный сигнал сжатия по дальности; в - синхроимпульс; - развертка изображений по дальности и азимуту; ∂ - размер площадки; е - параметры Фурье-преобразований; ж - калиброванное по скорости изображение ветровых волн; з - калиброванное по скорости изображение внутренних волн, - априорная информация, к - вычисляемые параметры подводного источника.

Источники информации

1. Переслегин С.В., Халиков З.А. Обработка сигналов в радиолокаторах с синтезированной апертурой при формировании скоростных полей поверхности Земли // Изв. ВУЗов. Радиофизика, 2014, т. LVII, №11.

2. Romeiser R., Suchand S., Hartmut R., Steinbrecher U., Grimler S. First Analysis of TerraSAR-X Along-Track InSAR-Derived Current Fields // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing, 2010, v. 48, No 2.

3. Neronsky L.B., Dostovalov M.Ju., Pereslegin S.V. The Extended Algorithms for Doppler Centroid Estimation // Proc. of EUSAR-2004, Ulm, Germany, May 2004, V. 2.

4. Rottman J.W., Brucker K.A., Dommermuth D.G., Broutman D. Parametrization of the internal wave field generated by a submarine // 28th Symposium on Naval Hydrodynamics. Pasadena, Cal., 12 - 17 Sept. 2010.

5. Takashi Fujimura. Along-track interferometric synthetic aperture radar / US Patent, Number 5.945.937, Data of patent Aug. 31, 1999.

6. Martin Suss, Werner Wiesbeck. Side-looking synthetic aperture radar system / ER Patent, Number 1.241.487. B1, Data of filing 15.03.2001.

7. Переслегин С.В., Халиков З.A., Коваленко А.И., Риман В.В., Шапрон Б., Кудрявцев В.Н, Шилов Д.В. Способ измерения векторного поля скорости океанских и речных течений в космическом РСА / Российский патент №2597148, приоритет 20.03.2015, опубл. 16.08.2016.

Способ идентификации движущегося локального подводного источника при формировании скоростного изображения морской поверхности в интерференционном радиолокаторе бокового обзора с синтезированной апертурой при вертикально-соосной поляризации отраженного сигнала, когерентной суммо-разностной через-периодной обработкой сигнала в каждом элементе дальности с подавлением амплитудных флуктуаций и определением радиальной скорости, отличающийся тем, что после некогерентного накопления сигналов на площадке по дальности и азимуту с подавлением спекл-шума, формируемый кадр скоростного изображения подвергается двойному Фурье-преобразованию с пространственно-частотной селекцией внутренних волн, после обратного Фурье-преобразования формируемый образ внутренней волны сравнивается с ожидаемым образом волн источника, принимается решение о наличии и местоположении источника.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к радиоволновым способам измерения перемещения транспортных средств с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях разведки огневых позиций противника. Достигаемый технический результат – повышение точности определения времени сопровождения цели.

Изобретение относится к технике оптической связи и может использоваться для получения изображений. Технический результат состоит в повышении качества получения изображений.

Изобретение относится к пассивным системам наблюдения за объектами с помощью сканирующего радиометра миллиметрового диапазона длин волн. Достигаемый технический результат - повышение пространственного разрешения.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в импульсных радиолокационных станциях (РЛС) обнаружения и (или) сопровождения целей с фазированными антенными решетками (ФАР).

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в системах пассивной радиолокации и радиотехнического наблюдения для однопозиционного определения скоростей, координат и траекторий перемещающихся в пространстве радиоизлучающих объектов (РИО).

Изобретение относится к определению местоположения мобильных устройств. Техническим результатом является повышение точности определения местоположения.

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в радиотехнических системах с непрерывным излучением для определения дальности, радиальной скорости и углового положения высокоскоростных целей при их значительном перемещении за период модуляции зондирующего сигнала.

Модуль (1) камеры переднего вида и радар (2) миллиметрового диапазона получают информацию переднего направления для рассматриваемого транспортного средства (A), чтобы определять, что пешеход (B) присутствует в позиции переднего направления рассматриваемого транспортного средства (A).

Изобретение относится к средствам беспроводного определения местоположения объекта. Система (600) позиционирования на основе ультраширокополосного двухпроходного определения расстояния включает в себя множество активных меток (606), каждая из которых имеет положение, и множество радиомаяков (604), выполненных с возможностью определения положения метки (606) из множества активных меток.

Изобретение относится к пассивным системам наблюдения за объектами с помощью сканирующего радиометра миллиметрового диапазона длин волн. Достигаемый технический результат - повышение пространственного разрешения.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к интегрированной информационной спутниковой системе. Техническим результатом является обеспечение глобального непрерывного трехмерного радиолокационного наблюдения земной поверхности и околоземного пространства с возможностями анализа событий, селекции подвижных объектов и оценки параметров их движения в реальном времени и обеспечение глобальной спутниковой системы персональной связи, видеовещания и интерактивных услуг широкополосного доступа в Интернет.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат – повышение точности классификации объектов на радиолокационном изображении.

Изобретение относится к области радиолокации, а именно к радиолокационным системам. Достигаемый технический результат - создание малогабаритной многорежимной бортовой радиолокационной системы для оснащения перспективных беспилотных и вертолетных систем с целью выполнения мониторинга земной поверхности при проведении поисково-спасательных и специальных операций, а также охраны прибрежной акватории.

Изобретение относится к способам оценки радиальной скорости объектов вдоль оси X, перпендикулярной траектории полета носителя радиолокатора бокового обзора (РЛ БО) - оси Y.

Изобретение относится к способам оценки радиальной скорости объектов вдоль оси X, перпендикулярной траектории полета носителя радиолокатора бокового обзора (РЛ БО) - оси Y.

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в радиолокационных системах с синтезированием апертуры и непрерывным линейно-частотно-модулированным (ЛЧМ) излучением беспилотных летательных аппаратов для картографирования земной (морской) поверхности.

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в радиолокационных системах с синтезированием апертуры и непрерывным линейно-частотно-модулированным (ЛЧМ) излучением беспилотных летательных аппаратов для картографирования земной (морской) поверхности.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в радиолокационных системах, использующих сигналы с фазокодовой манипуляцией, в том числе в радарах с синтезированной апертурой (РСА).

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в наземных системах обзорной активной радиолокации и радиовидения. Достигаемый технический результат - определение значения углового разрешения лоцируемых объектов (ЛО), разрешение отдельных элементов групповых ЛО и более точное определение их траекторий.
Наверх