Дослідження неоднорідностей морської поверхні методами багаточастотного радіолокаційного зондування

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ ім. О.Я. Усикова

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ДОСЛІДЖЕННЯ НЕОДНОРІДНОСТЕЙ МОРСЬКОЇ ПОВЕРХНІ МЕТОДАМИ БАГАТОЧАСТОТНОГО ДИСТАНЦІЙНОГО РАДІОЛОКАЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ

01.04.03 - радіофізика

Матвєєв Олександр Якович

Харків 2000

УДК 621.396.96'06

Дисертацією є рукопис.

Работа виконана у Центрі радіофізичного зондування Землі ім. А.І. Калмикова НАН та НКА України, м. Харків.

Науковий керівник роботи:

доктор фізико-математичних наук, професор Калмиков Анатолій Іванович , Центр радіофізичного зондування Землі НАН та НКА України, директор;

доктор технічних наук, професор Разсказовський Вадим Борисович, ІРЕ НАН України (м. Харків), зав. відділом

Офіційні опоненти

доктор фізико-математичних наук, професор, Ямпольський Юрій Моїсійович, Радіоастрономічний Інститут НАН України (м. Харків), завідуючий відділом;

доктор фізико-математичних наук, професор, Колчигін Микола Миколайович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна Міносвіти і науки України, виконуючий обов'язки завідувача кафедри.

Провідна установа:

Інститут іоносфери Міносвіти та НАН України, відділ геофізики, м. Харків.

Захист відбудеться “12” жовтня, 2000 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 в ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України (61085, м. Харків, вул. Ак. Проскури 12, у залі засідань)

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці ІРЕ ім.О.Я. Усикова НАН України.

Автореферат розісланий “ 11 ” вересня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Кириченко О.Я.

неоднорідність багаточастотний радіолокаційний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Задачі діагностики неоднорідностей хвилювання морської поверхні, що виникають під впливом її забруднень поверхнево-активними речовинами (ПАР) (зокрема, нафтопродуктами), потужних океанських течій, внутрішніх хвиль та з інших причин, займають одне з чільних місць у проблемі радіолокаційного дистанційного зондування. Подальший прогрес у цій галузі пов'язаний як з розвитком нових методів зондування, так і з удосконаленням теорії для більш точної інтерпретації явищ, що спостерігаються експериментально.

Необхідність такого прогресу пояснюється тим, що, наприклад, основним результатом раніш проведених робіт з дослідження забрудненої нафтопродуктами морської поверхні за допомогою методів радіолокаційного зондування є підтвердження ефекту надійного виявлення забруднень у сантиметровому (СМ) та дециметровому (ДМ) діапазонах. При цьому спостерігалася значна різниця у величинах радіолокаційних контрастів (5дБ-15дБ), що вимірювалися навіть на однакових або близьких довжинах хвиль. В той час за прийнятими модельними припущеннями максимальні теоретичні значення контрасту були значно нижчі ніж ті, що спостерігались у експериментах (20дБ та більш). Це вказує на необхідність більш глибокого вивчення фізики розсіяння радіохвиль такими утвореннями на поверхні.

Дослідження іншого типу неоднорідностей морської поверхні - потужних морських течій (типу Гольфстрім) одночастотними радіолокаційними комплексами у ряді випадків також виявилися недостатньо інформативними. Так, наприклад, на радіолокаційних зображеннях радіолокатора з синтезуванням апертури (РСА) космічного апарата (КА) “Алмаз-1” ( 9.6 см), мабуть, різноманітність процесів, що відбуваються у найбільш динамічних примежевих ділянках течії, не дозволила достатньо надійно ідентифікувати межі течії. Низькі значення радіолокаційного контрасту (1дБ-2дБ) течії Гольфстрім, що одержані за допомогою РСА супутника Seasat ( 23 см), також можуть стати причиною помилок визначення меж постійно меандруючої течії, що визначає стан системи “океан-атмосфера” у всьому регіоні Північної Атлантики.

Одним з шляхів удосконалення методів дистанційного зондування, що намітилися в останні роки, є розробка методів багаточастотного одночасного радіолокаційного зондування, метою яких є значне збільшення кількості одночасно вимірюємих характеристик об'єкта, що досліджується. Головним аргументом на користь такого підходу є таке. Хвилювання морської поверхні є багатомасштабним процесом, що охоплює просторовий спектр від капілярних хвиль до хвиль, що мають період десятки або сотні метрів. Оскільки перелічені попереду фактори (вітер, неоднорідності морського хвилювання) по-різному впливають на різні ділянки просторового спектру і отже кожний з них відповідає ефективному розсіюванню у певних діапазонах радіохвиль, то є підстава очікувати, що при одночасному зондуванні на достатньо сильно розрізнених частотах стане можливим відокремити у результатах дослідження роль кожного із факторів, що розглянуто.

Ця дисертація присвячена рішенню двох задач дослідження неоднорідностей морської поверхні методами багаточастотного радіолокаційного зондування. Перша пов'язана з розробкою методів оперативного виявлення та оцінки параметрів забруднень морської поверхні поверхнево - активними речовинами, а друга - з розробкою методів дослідження потужних морських течій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати досліджень, що наведені у даній роботі одержані у межах НДР “Теоретичні та експериментальні дослідження проблем дистанційного зондування земних покривів радіолокаційними системами з синтезуванням апертури (РСА)” (шифр “КАРТА”, № держ. реєстрації 01.86.0081353), виконаної в ІРЕ НАН України за постановою Президіума АН УРСР №474 від 27.12.85, та НДР “Теоретичне та експериментальне вивчення проблем багаточастотних радіолокаційних досліджень природного середовища та створення багатоцільового авіаційного комплексу дистанційного зондування” (шифр “Природа”, № держ. реєстрації 0193U034733), виконаної в ІРЕ НАН України за постановою Бюро ВФА АН УРСР від 11.12.90, пр. №10, а також у межах ДКР “Авіаційна система дистанційного зондування Землі” (шифр “Авіабаза”) згідно з Держконтрактом ЦРЗЗ ім. А.І. Калмикова НАН та НКА України з НКА України за № 5-20/96 від 29.04.96, що виконувався за Державною космічною програмою України “Дистанційне зондування Землі”. Під час виконання НДР “КАРТА” та “Природа” дисертант керував групою приймально-передавальних пристроїв, яка займалася розробкою та виготовленням РСА дециметрового та метрового діапазонів для багаточастотного радіолокаційного авіаційного комплексу “МАРС”, а також проведенням досліджень за допомогою цього комплексу. При виконанні ДКР “АВІАБАЗА” здобувач був відповідальним виконавцем роботи. Він займався розробкою радіолокаційної частини нового авіаційного комплексу та координацією робіт, за якими виконувались радіометричні (РМ), інфрачервоні (ІЧ) та оптичні прилади для цього комплексу.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є обгрунтування фізичних приципів та розробка дистанційних багаточастотних радіолокаційних методів дослідження неоднорідностей морської поверхні для рішення таких задач:

- оперативного виявлення та оцінки параметрів плівок поверхнево-активних речовин, що розлиті на морській поверхні;

- визначення меж потужних морських течій та виявлення енергоактивних зон хвилювання у акваторії течії.

Об'єктом дослідження є вивчення особливостей розсіяння радіохвиль у широкому діапазоні (від міліметрових до метрових) морською поверхнею.

Предметом дослідження є вивчення особливостей розсіяння цих радіохвиль на неоднорідностях морської поверхні, що з'являються внаслідок забруднення поверхні поверхнево-активними речовинами, або на неоднорідностях, що виникають у акваторіях потужних морських течій (таких, як, наприклад, Гольфстрім).

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає у наступному:

Вперше обгрунтовано та експериментально підтверджено можливість оперативного виявлення забруднень морської поверхні нафтопродуктами та визначення деяких параметрів плівок за результатами багаточастотних радіолокаційних досліджень.

Вперше показано та експериментально підтверджено переваги використання радіохвиль метрового діапазону для багаточастотного радіолокаційного моніторингу найбільш динамічних примежевих зон потужних морських течій та для визначення меж течії.

Вперше за результатами багаточастотного радіолокаційного зондування проаналізовано просторовий спектр неоднорідностей морського хвилювання у акваторії течії та відзначено існування неоднорідностей хвилювання, що мають розмір значно більший ніж довжина зондуючої хвилі (до 1000 м та більше).

Створено систему одночасного багаточастотного зондування неоднорідностей морської поверхні - авіаційний комплекс “МАРС”, що якісно відрізняється від аналогів поєднанням радіолокаторів з синтезованою апертурою дециметрового (РСА-23) та метрового (РСА-180) діапазонів довжин хвиль з традиційними для морських досліджень радіолокаторами з реальними апертурами міліметрового (РБО-0.8) та сантиметрового (РБО-3) діапазонів.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що:

Вперше підтверджено можливість ефективного виявлення навіть незначних забруднень морської поверхні поверхнево-активними речовинами та розроблено методику визначення параметрів за даними одночасного багаточастотного радіолокаційного моніторингу. Методику виявлення забруднень було використано на авіаційному радіолокаційному комплексі“МАРС” для виконання тимчасового екологічного контролю стану поверхні Чорного та Азовського морів, Київського та Каховського водосховищ у термін з 1989 по 1995 рік.

Вперше розроблено методику визначення місцезнаходження меж морських течій, з використанням якої було проведено дослідження ділянок північно-східної гілки течії Гольфстрім у Баренцовому морі багаточастотним радіолокаційним комплексом “МАРС” у термін з 1990 по 1994 рік. Отримані результати свідчать, що багаточастотні радіолокаційні зображення можуть бути джерелом інформації про розміри та зміни знаходження русла течії. Разом з ІЧ - даними (про температуру води) та даними буйкових станцій (про швидкість руху та глибину течії) вони можуть бути використані для уточнення прогнозів погоди узбережжя, що поряд, а також дають можливість вказати такі райони, які найбільш безпечні для судноплавства.

Більшість з технічних рішень, що розроблені та реалізовані під час створення комплексу “МАРС” (електричне керування положенням діаграми спрямованості активної фазованої антенної решітки (АФАР), вимір амплітудних та фазових характеристик імпульсних НВЧ пристроїв, внутрішня калібровка радіолокаторів з синтезуванням апертури, методики вимірювання фізичних параметрів поверхні, що досліджується, та інш.) можуть бути використані під час створення аерокосмічних комплексів дистанційного зондування Землі. Зокрема вони вже були використані під час розробки пропозицій з створення перспективної космічної багатоцільової оперативної радіолокаційної системи дистанційного зондування Землі (Kalmikov A.I., Blinkov A.N., Sytnik O.V., Igolkin V.V., Kachanov A.S., Kulemin G.P., Matveev A.I., Charlamov V.I. A multi-purpose radar sistem for remote sensing of the Earth: General concept//Proc.of the 6th physics international school "Microwave physics and technique". - Varna(Bulgaria).- World Scientific Publ.Co.Singapore, Utopia Press. -2-7 Oct. 1989. -Р. 34-50).

Особистий внесок здобувача. Частину результатів дисертації опубліковано у роботах, що виконано з співавторами. Особистий внесок здобувача у цих роботах полягає у наступному:

- у роботах [1-2] - участь у постановці задачі; розробці методики експериментальних досліджень, участь у проведенні експериментів; обробці на ЕОМ результатів експериментів; участь у аналізі і інтерпретації результатів експериментів; участь у формулюванні висновків та роботі над текстом статті;

- у роботах [3-5, 9-11] особистий внесок автора полягає в участі в постановці задачі, в участі у розробці ідеології створення радіолокаторів з синтезованою апертурою дециметрового (РСА-23) і метрового діапазонів (РСА-180) як частини комплексу “МАРС”, в розрахунках їхніх характеристик; в участі у розробці головних приладів РСА-23 и РСА-180, керуванні їх виготовленням, розробці методик їхньої настройки та участі у настройці; в участі у випробуваннях РСА-23 и РСА-180 та усього комплексу “МАРС” разом; в участі у проведенні експериментів, обробці на ЕОМ їхніх результатів, в участі у аналізі та інтерпретації результатів експериментів; в участі у формулюванні висновків та роботі над текстом статті;

- у роботах [7-8] особистий внесок автора полягає в участі в постановці задачі, у проведенні розрахунків на ЕОМ основних параметрів космічного радіолокатора дециметрового діапазону; в участі у формулюванні висновків та роботі над текстом.

- у роботах [6, 12-13] особистий внесок автора полягає в участі в розробці методу комбінованої калібровки, в проведенні його теоретичного обгрунтування; в оцінці очікуваної точності вимірів питомої ефективної поверхні розсіяння ⁰ за результатами застосування комбінованої калібровки, в створенні методик оцінки питомої ефективної поверхні розсіяння ⁰ за результатами комбінованої калібровки; в участі у розробці методик внутрішньої калібровки РСА; в розробці, керуванні виготовленням та настройці систем внутрішньої калібровки та контролю основних параметрів РСА; в участі у розробці ідеології створення пристроїв для зовнішньої калібровки РСА, в розрахунках їх основних характеристик, в керуванні виготовленням та настройкою цих пристроїв, а також в участі у вимірюваннях основних характеристик активних та пасивних відбивачів радіолокаційних сигналів. Дисертант був ініціатором та виконавцем досліджень, результати яких складають зміст дисертації.

Основні положення, результати та рекомендації, що виносяться на захист:

Вперше проведені авіаційні багаточастотні радіолокаційні дослідження морської поверхні, забрудненої поверхнево-активними речовинами. Експериментальні результати, отримані у Каспійському морі за допомогою радіолокаційного комплексу “МАРС”, узгоджуються з аналогічними даними інших авторів.

Найбільш відомі на цей час моделі розсіяння радіохвиль морською поверхнею, що вкрита поверхнево-активною речовиною, не здатні без додаткового емпиричного коректування пояснити експериментальні результати, що вимірювалися у широкому діапазоні довжин радіохвиль.

Багаточастотне радіолокаційне зондування у діапазоні хвиль від сантиметрових до метрових значно підвищує ефективність моніторингу найбільш динамічних примежевих зон потужних морських течій, що експериментально підтверджено дослідженнями ділянки течії Гольфстрім у Баренцовому морі, які виконані за допомогою авіаційного комплексу “МАРС”.

Вимоги до параметрів авіаційних багаточастотних радіолокаційних комплексів для проведення досліджень неоднорідностей морської поверхні, що з'являються під впливом плівок поверхнево-активних речовин або під дією потужних морських течій. Ці вимоги реалізовані під час створення багатоцільового радіолокаційного авіаційного комплексу “МАРС” та підтверджені результатами досліджень, що одержані за його допомогою.

Апробація результатів. За основними матеріалами дисертації зроблено доповіді на 6-ій міжнародній школі "Microwave physics and technique" (Варна, Болгария, 1989) [7]; на міжнародних конференціях “Современная радиолокация” (Киев, Украина, 1994) [9], на III Всеросійській науковій конференції “Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды”(Муром Россия, 1999) [12], на III міжнародній конференції з теорії та техніки антен МКТТА-99 (Севастополь, Україна, 1999) [13], на Європейській конференції з радіолокаторів з синтезуванням апертури антени EUSAR'96 (Knigswinter, Germany, 1996) [6,10]; на міжнародному науковому семінарі з аерокосмічного моніторингу земних покривів та атмосфери (Київ, Україна, 1993) [8]; на 4-ому українсько-російсько-китайському симпозіумі з космічної науки та технології (Київ, Україна, 1996) [11]; на VIII, IX, X Ленінградських симпозіумах “Радиолокационное исследование природных сред”( 1990-1992 г.); на семінарах ІРЕ НАН України та Центру радіофізичного зондування Землі им А.І.Калмикова НАН та НКА України.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані у чотирьох статтях в фахових журналах [1-4], в одному препринті [5] та у тезах міжнародних семінарів і конференцій [6-13].

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів з 6 табл. (на 1 стор.) та 38 рис. (на 22 стор.), висновків, списку використаних джерел з 152 найменувань на 17 стор. Повний обсяг дисертації складає 184 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі розкрито суть та стан наукової проблеми, обгрунтовано актуальність вибраної теми та її наукову новизну, показано наукову та прикладну значущість проведених досліджень, сформульовано основні результати та положення, що виносяться на захист, коротко викладено зміст роботи.

У першому розділі проведено аналіз характеристик радіолокаційних сигналів, розсіяних морською поверхнєю, визначено зв'язки цих характеристик з параметрами хвилювання морської поверхні. Оцінки характеристик сигналів проведено з використанням найбільш досконалої сучасної моделі спектру морського хвилювання (Караев В.Ю. и др. Об особенностях описания волнения применительно к решению задач дистанционного зондирования морской поверхности - Нижний Новгород: 1998. - 30 с. (Препр./ Российская Академия Наук. Институт прикладной физики; №470). Показано, що найбільш перспективними для визначення параметрів хвилювання, включаючи стадії його развинення, та приводного вітру є методи багаточастотного радіолокаційного зондування. Показано, що з урахуванням складного характеру взаємодії вітрового хвилювання та турбулентних хвиль у акваторії течії найбільш перспективними для вивчення морських течій мають бути одночасні виміри у сантиметровому, дециметровому та метровому діапазонах довжин хвиль. А для виявлення та оцінки параметрів неоднорідностей, що породжені плівками поверхнево-активних речовин, перспективними мають бути поєднання міліметрових, сантиметрових та дециметрових радіохвиль, що дозволяють одержувати інформацію про капілярні, капілярно-гравітаційні та гравітаційні компоненти спектру морського хвилювання, на які плівки поверхнево-активних речовин мають найбільший вплив.

У другому розділі обгрунтовано вибір параметрів багаточастотного радіолокаційного комплексу для дослідження неоднорідностей морської поверхні. Проведено аналіз просторових характеристик неоднорідностей на морській поверхні, на підставі якого була вибрана просторова роздільна здатність радіолокаторів (20м50м) та смуги огляду (не менш 30км50км), визначено потенціал та вимірювальну точність радіолокаторів. Аналіз можливих схем реалізації літакових радіолокаторів з урахуванням нестабільностей траєкторії руху літака у турбулентній атмосфері виявив, що режим багаточастотного зондування морської поверхні можливо реалізувати за допомогою комплексу, до складу якого входять радіолокатори бокового огляду (РБО) ММ та СМ діапазонів, а також радіолокатори з синтезуванням апертури антени (РСА) ДМ та М діапазонів. Обгрунтовано необхідність оперативної (у реальному часі) обробки інформації, що отримана, та для порівняння радіолокаційних даних різних діапазонів необхідність абсолютної калібровки радіолокаторів комплексу. Вказано спосіб поєднання у просторі РБО- та РСА-зображень. З урахуванням можливості тривалих польотів над морською поверхнею було запропоновано та реалізовано метод комбінованої калібровки, який зменшує помилки вимірювання ⁰ різних видів земної поверхні. Наведені характеристики багатоцільового радіолокаційного авіаційного комплексу “МАРС”, реалізованого відповідно з вимогами для проведення досліджень неоднорідностей морської поверхні.

У третьому розділі наведені розрахунки похибок вимірювання питомої ефективної поверхні розсіяння ⁰ в ДМ (очікувана середньоквадратична помилка СКП вимірювань 3.0 дБ) та М (сподівана СКП3.2 дБ) діапазонах радіолокаторами комплексу “МАРС”. Експериментальну перевірку точностних показників у ДМ діапазоні проведено виміром кутової залежності ⁰ для таких видів підстилаючої поверхні, як листяний ліс, рілля, прісна вода, морський однолітній лід. Перевірка показала достатньо добре узгодження експериментальних та літературних даних.

Також у розділі наведені методики одночасного багаточастотного радіолокаційного зондування неоднорідностей морської поверхні та результати їх використання. Завдяки експериментам з дослідження забруднення морської поверхні нафтопродуктами виявлено вплив нафтових плівок на контраст морського хвилювання у ММ, СМ та ДМ діапазонах довжин хвиль. Виконані оцінки поверхневої активності та поверхневої концентрації нафтової плівки. Проведено аналіз причин відхилення теоретичних значень радіолокаційних контрастів від експериментальних, який вказує на необхідність розробки методів, що більш повно враховують вплив параметрів плівок ПАР на спектр поверхневих хвиль. Показано, що ці відхилення мінімальні для поверхневих хвиль з довжиною 20 см, тобто при зондуванні з аерокосмічних носіїв на радіохвилях 20 см. Запропоновано емпіричну формулу, що зменшує розбіг розрахованих теоретичних значень контрастів забрудненої морської поверхні та експериментальних даних. Експериментальні зйомки течії Гольфстрім вказують на особливості у розподілі спектральних компонент морського хвилювання у акваторії течії. Поверхневі хвилі ДМ діапазону, що були зареєстровані з більш великим додатним контрастом (D_макс.14.9 дБ), приблизно однаково розподілені по поверхні течії та поблизу її меж. А хвилі М діапазону, які спостерігаються з більш низьким контрастом (D_макс. 6.4 дБ), розташовуються переважно по межах течії. Така різниця при одночасному багаточастотному зондуванні дозволяє більш ефективно виявляти межі течії, проводити дослідження процесів, що відбуваються у примежевих зонах. Наведені оцінки можливих механізмів генерації хвиль на поверхні течії. Показано, що величина контрасту радіолокаційного зображення за рахунок градієнта діелектричної проникності морської води або швидкості приводного вітру значно менша (на 10дБ15дБ), ніж експериментальна. На підставі цього було зроблено висновок про те, що головними чинниками збудження поверхневих хвиль у акваторії течії є процеси, що пов'язані з турбулентністю потоку у примежевій зоні течії.

У четвертому розділі наведено порівняння отриманих експериментальних результатів з даними аналогічних досліджень, що опубліковані іншими авторами. Порівняння результатів досліджень, що пов'язані із забрудненням морської поверхні, проводилися з урахуванням механізму розпливання ПАР по поверхні води, завдяки якому рідина ПАР переходить у нові агрегатні стани (плівка, газ), змінюючи свої параметри. Порівняльний аналіз теоретичних та експериментальних результатів вивчення зворотного розсіяння радіохвиль морською поверхнею, що вкріта плівкою ПАР, свідчить, що використана для інтерпретації результатів эксперименту теоретична модель (Боев А.Г., Карвицкий Г.Э., див. вище) на відміну від інших дає можливість пояснити більш великі (більш |15| дБ |20| дБ) значення контрастів, що спостерігаються у деяких експериментах. Але жодна з розглянутих моделей не може без додаткової емпіричної корекції правільно описати поведінку радіолокаційного контрасту у широкій смузі частот. Цей аналіз також показав залежність контрасту забрудненої морської поверхні від довжини поверхневої хвилі. Максимум цього контрасту залежить від властивостей плівок ПАР.

Порівняння результатів багаточастотних радіолокаційних досліджень течії Гольфстрім із даними інших авторів вказує на те, що більш великі значення контрастів у акваторії течії, що спостерігаються у експериментах з комплексом “МАРС”, можна пояснити умовами експерименту. Відзначено, що багаточастотні дослідження (порівняно з одночастотними) важливі для дослідження явищ, що виникають у примежевих зонах течії. Проведено обробку результатів експериментів: для декількох поперечних та повздовжніх перерізів у течії обчислені густина спектральної потужності та автокореляційна функція. Доведено, що у акваторії течії існують неоднорідності , що мають масштаб до 1000 м та більше, який значно перевищує довжину зондуючої хвилі.

ВИСНОВКИ

1. Внаслідок проведених у дисертації досліджень одержано ряд нових результатів, що дозволяють поглибшити уявлення про фізику виникаючих на схвильованій морській поверхні явищ, пов'язаних з розлиттям на поверхні ПАР, а також з турбулентністью потужних морських течій. Показано, що використання багаточастотних радіолокаційних методів істотно підвищує інформативність експериментальних досліджень цих явищ.

2. Із застосуванням авіаційного багаточастотного радіолокаційного комплексу “МАРС” проведено експериментальні дослідження нафтових забруднень у Каспійському морі, а також дослідження ділянки течії Гольфстрім у Баренцовому морі. Розроблено методики одночасного багаточастотного радіолокаційного зондування неоднорідностей морської поверхні.

У результаті виконаних експериментів підтверджено вплив нафтових плівок на радіолокаційний контраст морського хвилюванння у ММ, СМ та ДМ діапазонах довжин хвиль, що надає підставу для розробки методу визначення параметрів ПАР за результатами багаточастотного радіолокаційного зондування. Показано, що використана теоретична модель придатна для правільного описання результатів вимірювань, що проведені на радіохвилях 20 см. Аналіз причин відміни теоретичних значень від експериментальних при вимірюваннях на 20 см вказує на необхідність урахування ефектів, що пов'язані з товщиною плівки ПАР. Запропонована емпірична формула, що дозволяє з урахуванням товщини плівки зменшити різницю між розрахованими згідно з теоретичною моделью (А.Г. Боев, Г.Э. Карвицкий, див. вище) значеннями контрастів для морської поверхні, що вкрита нафтовою плівкою, та експериментальними значеннями контрастів. На підставі анализу теоретичних робіт та даних експериментів показано, що залежність контрасту забрудненої морської поверхні від довжини поверхневої хвилі має частотнозалежний характер. Максимум цього контрасту при проведенні вимірювань під кутами падіння 30 70 відповідає розсіянню радіохвиль довжиною 3 см10 см. Його положення, розмір та форма залежать від властивостей плівок ПАР.

3. За результатами багаточастотного радіолокаційного зондування одержані експериментальні дані про розподіл спектральних компонент морського хвилювання у акваторії течії Гольфстрім. Аналіз просторових енергетичних спектрів та автокореляційніх функцій кількох поперечних та повздовжніх перерізів дослідженої ділянки течії, свідчить про існування у акваторії течії неоднорідностей з масштабом 1000 м та більше. Показано, що одночасне багаточастотне зондування у ДМ та М діапазонах дозволяє більш ефективно виявляти та оперативно простежувать можливі зміни меж течії. Порівняння результатів багаточастотних радіолокаційних досліджень течії Гольфстрім з даними інших авторів вказує, що більші значення контрастів ( 14.9 дБ) у ДМ діапазоні радіохвиль (наприклад, з даними РСА “Seasat”), що спостерігалися у акваторії течії, можна пояснити нижчою швидкістю течії у районі зйомок, а також діапазоном використаних кутів спостереження.

4. Запропонований метод комбінованої калібровки дозволяє проводити виміри питомої ефективної поверхні розсіяння ⁰ різних видів земної поверхні (серед них і морської) в умовах тривалих польотів із точністю, яка дорівнює точності зовнішньої калібровки. Показано, що під час бортової обробки виміри питомої ефективної поверхні розсіяння ⁰ у ДМ та М діапазонах радіолокаторами комплексу “МАРС” можуть виконуваться із середньоквадратичною похибкою близько 3.0 дБ. Одержані оцінки підтверджені результатами вимірів кутової залежності ⁰ для різних видів підстилаючої поверхні (листяний ліс, рілля, прісна вода, морський однолітний лід) у ДМ діапазоні. Експериментальні значення ⁰ достатньо добре узгоджуються з літературними.

5. У межах моделі резонансного розсіяння проведено аналіз характеристик радіолокаціойних сигналів, що розсіює морська поверхня, та їх зв'язок з параметрами морського хвилювання. Показано перспективність використання багаточастотних радіолокаційних методів для визначення параметрів розвиненого хвилювання та хвилювання, що розвивається, приводного вітру та дослідження неоднорідностей морської поверхні, створеними внаслідок розлиття поверхнево-активних речовин (ПАР) або спричиненими турбулентністю потоку потужної морської течії. Порівняння теоретичних оцінок питомої ефектівної поверхні розсіяння ⁰ хвилювання, що розвивається, з експериментальними значеннями в акваторії течії вказує на невітровий механізм збудження поверхневих хвиль (наприклад, вихід на поверхню турбулентностей).

Зроблено висновок про можливість одержання більш повної інформації про параметри плівок за результатами одночасного радіолокаційного зондування на трьох довжинах хвиль, які відрізняються одна від одної приблизно в 10 разів. Вказано, що перспективними для цього можуть бути поєднання міліметрових, сантиметрових та дециметрових радіохвиль.

Показано, що для дослідження неоднорідностей, спричинених морськими течіями, необхідно одночасно використовувати частоти у діапазоні радіохвиль 1 см < < 15000 cм. Визначені найкращі умови для спостерігання течій та найбільш інформативні діапазони довжин хвиль для одночасних вимірів: сантиметровий, дециметровий та метровий.

6. Сформульовані та обгрунтовані вимоги до авіаційних радіолокаційних комплексів для проведення досліджень неоднорідностей морської поверхні методами багаточастотного радіолокаційного зондування. Показано, що реалізацію багаточастотного зондування морської поверхні доцільно здійснювати, використовуючи у ММ та СМ діапазонах радіолокатори бокового огляду, а у ДМ та М діапазонах - радіолокатори з синтезуванням апертури антени з просторовим розподіленням радіолокаторів 20 м - 50 м та смугами їх огляду не менш 30км - 50км. Проведено оцінки потенціалу радіолокаторів, необхідного для виявлення слабких проявів неоднорідностей. Обгрунтовано необхідність абсолютної калібровки радіолокаторів комплексу. Сформульовані вимоги реалізовані під час створення багатоцільового радіолокаційного авіаційного комплексу “МАРС”.

7. У цілому одержані результати підтвердили перспективність використання багаточастотних радіолокаційних методів для досліджень неоднорідностей морської поверхні. Вони можуть бути підставою для створення методик діагностики параметрів неоднорідностей. Основні результати, що одержані під час розробки багатоцільового радіолокаційного авіаційного комплексу “МАРС”, та досвід його експлуатації використані для обгрунтування параметрів та пропозицій з створення нової багатоцільової космічної системи радіолокаційного зондування природного середовища Землі [7,8].

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Boyev A.G., Karvitsky G.E., Matveyev A.Ya. Tsymbal V.N. Evaluation of Oil Film Parameters on the Sea Surface Using Multifrequency Radar Date // Telecommunications and Radio Engineering. - 1997. - Vol. 51, №8. - P. 4 - 12.

2. Боев А.Г., Kaрвицкий Г.Э., Maтвеев A.Я., Цымбал В.Н. Оценка параметров нефтяной пленки на морской поверхности методом многочастотного радиолокационного зондирования // Радиофизика и Радиоастрономия. - 1998. - Т.3, №1. - С. 43-48.

3. Kalmykov A.I., Tsymbal V.N., Matveev А.Ya., Gavrilenko A.S., Igolkin V.V. The Two-Frequency Multipolarisation L/VHF Airborne SAR for Subsurface Sensing// AE International Journal of Electronics and Communications. Archiv fr Electronik und bertragunstechnik. -1996.- Vol.50, No 2. - Р. 145-149.

4. Калмыков А.И., Цымбал В.Н., Курекин А.С., Ефимов В.Б., Матвеев А.Я.,Гавриленко А.С.,Иголкин В.В. Многоцелевой радиолокационный самолетный комплекс исследования Земли “МАРС”//Радиофизика и Радиоастрономия. -1998. -Т.3, №2. - С.119- 129.

5. Калмыков А.И., Фукс И.М., Цымбал В.Н., Щербинин И.В., Матвеев А.Я., Гавриленко А.С., Фикс М.Е., Фрейлихер В.Д. Радиолокационные наблюдения сильных отражателей, расположенных под слоем почвы. Модель подповерхностных отражений. - Харьков, 1993. - 30 с. (Препр./ АН Украины. Институт радиофизики и электроники; 93-6).

6. Matveyev A.Ya., Tsymbal V.N., Gavrilenko A.S., Logvinenko A.I., Bychkov D.M. Peculiarities of the Calibration Methods for Air- and Spaceborne Synthetic Aperture Radar Systems // Proc. European Conf. on Syntheric Aperture Radar, EUSAR'96: 26-28 March 1996. - Knigswinter (Germany). -VDE-VERLAG GMBH *Berlin*Offenbach. - 1996. - Р.511-514.

7. Kalmykov A.I., Blinkov A.N., Sytnik O.V., Igolkin V.V., Kachanov A.S., Kulemin G.P., Matveev A.I., Charlamov V.I. A multi-purpose radar sistem for remote sensing of the Earth: General concept // Proc.of the 6th physics international school "Microwave physics and technique". - Varna(Bulgaria).- World Scientific Publ.Co.Singapore, Utopia Press. -2-7 Oct. 1989. -Р. 34-50.

8. Драновский В.И., Кавелин С.С., Калмыков А.И., Курекин А.С., Матвеев А.Я., Салтыков Ю.Д., Цымбал В.Н. Космическая многоцелевая оперативная радиолокационная система дистанционного зондирования природной среды ОКЕАН-У // Труды международного научного семинара по аэрокосмическому мониторингу земных покровов и атмосферы. Киев 24-28 мая 1993.- Изд-во Общества Знание Украины.- Киев.-1993.- С.85-87.

9. Калмыков А.И., Цымбал В.Н., Матвеев А.Я., Гавриленко А.С., Лялько В.И., Вульфсон Л.Д. Многоцелевой комплекс летающей лаборатории дистанционного контроля природной среды и экологического мониторинга // Международная научно-техническая конференция “Современная радиолокация”, научно-технический сборник (тезисы докладов). - Киев: Академия наук прикладной электроники, НИИ “Квант”.- 1994.- С. 24-26.

10. Kalmykov A., Tsymbal V., Matveev А., Gavrilenko A., Igolkin V. The Two- Frequency Multipolarisation L/VHF Airborne SAR for Subsurface Sensing // Proc. European Conf. on Syntheric Aperture Radar, EUSAR'96: 26-28 March 1996. - Knigswinter (Germany). - VDE - VERLAG GMBH *Berlin* Offenbach. - 1996. - Р. 275-280.

11. Tsymbal V.N., Gavrilenko A.S., Matveev A.Ya., Vasiliev M.V., Kurekin A.S. Ecological Environment Monitoring MARS Radar System // Proc. of Fourth Ukraine - Russia - China Symposium on Space Science and Technology September 12-17, 1996.-Vol.1. -Kyev (Ukraine). -1996. -P. 30-32.

12. Матвеев А.Я. Комбинированная калибровка РСА // Сборник докладов III Всероссийской научной конференции “Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды”, 17-18 июня, 1999. - Муром (Россия). - 1999. - С. 145-146.

13. Matveyev A.Ya. Application of MW Delay Lines in Combined SAR Calibration//Proceedings of the 3rd International Conference on Antenna Theory and Techniques, 8-11 Sept., 1999. - Sevastopil (Ukraine). - 1999. - P. 517-519.

АНОТАЦІЇ

Матвєєв О.Я. Дослідження неоднорідностей морської поверхні методами багаточастотного радіолокаційного зондування.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. - Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, Харків, 2000.

Дисертацію присвячено обгрунтуванню фізичних принципів, розробці та експериментальній перевірці дистанційних багаточастотних радіолокаційних методів вивчення неоднорідностей морської поверхні, спричинених розлиттям поверхнево-активних речовин (ПАР), а також неоднорідностей, що виникають у акваторіях потужних морських течій. В дисертації обгрунтовані переваги багаточастотного радіолокаційного зондування для оцінки параметрів плівок ПАР на морській поверхні, моніторинга найбільш динамічних примежевих зон морських течій та визначення меж течії. Сформульовані вимоги до параметрів багаточастотних радіолокаційних систем для досліджень неоднорідностей морської поверхні, які реалізовані під час створення авіаційного комплексу “МАРС”. Розроблені та експериментально перевірені за допомогою комплексу “МАРС” методики багаточастотних радіолокаційних досліджень вказаних неоднорідностей.

Ключові слова: багаточастотне радіолокаційне зондування, плівки ПАР, морські течії, авіаційний радіолокаційний комплекс.

Матвеев А.Я. Исследования неоднородностей морской поверхности методами многочастотного радиолокационного зондирования.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. - Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена обоснованию физических принципов, разработке и экспериментальной проверке многочастотных радиолокационных методов дистанционного изучения неоднородностей морской поверхности, которые обусловлены разлитием на поверхности поверхностно-активных веществ (ПАВ), в частности нефтепродуктов, а также неоднородностей, возникающих в акваториях мощных морских течений. В диссертации обоснованы преимущества синхронного многочастотного радиолокационного зондирования для оценки параметров пленок ПАВ на морской поверхности (в ММ, СМ и ДМ диапазонах радиоволн), а также для мониторинга наиболее динамичных пограничных зон мощных морских течений и определения границ этих течений (в СМ, ДМ и М диапазонах).

Для этого проведен анализ зависимости характеристик рассеянных морской поверхностью радиолокационных сигналов от параметров морского волнения. Показано, что для определения параметров развитого и развивающегося волнения, приводного ветра и исследования вышеуказанных неоднородностей наиболее информативно синхронное зондирование на нескольких, отличающихся примерно на порядок, длинах волн в диапазоне от миллиметровых до метровых радиоволн.

По результатам анализа сформулированы требования к параметрам многочастотных радиолокационных систем для исследований неоднородностей морской поверхности. Показано, что с учетом этих требований реализация авиационного многочастотного радиолокационного комплекса возможна с использованием в ММ и СМ диапазонах радиолокаторов бокового обзора с реальной апертурой антенны, а в ДМ и М диапазонах - с применением радиолокаторов с синтезированием апертуры, имеющими пространственное разрешение 20 м 50 м и полосы обзора не менее 30 км 50 км. Данные требования реализованы при создании радиолокационного четырехчастотного (₁ =0.8 см, ₂ =3 см, ₃ =23 см, ₄ =180 см) комплекса ``МАРС'', установленного на борту самолета ИЛ-18Д. Для обеспечения измерительных характеристик комплекса в условиях длительных полетов над морской поверхностью в работе предложен и апробирован метод комбинированной калибровки радиолокаторов комплекса, позволяющий проводить абсолютную калибровку с точностью не хуже достигаемой при внешней калибровке.

Для исследований неоднородностей морской поверхности с использованием комплекса ``МАРС'' разработаны методики, по которым проведены экспериментальные многочастотные радиолокационные съемки нефтяных загрязнений в районе добычи нефти ``Нефтяные камни'' в Каспийском море, а также участка течения Гольфстрим в Баренцевом море.

Результаты экспериментов показали различное влияние нефтяных пленок на радиолокационный контраст морского волнения в ММ, СМ и ДМ диапазонах волн, что может быть использовано для создания метода определения параметров ПАВ. Проведено сравнение экспериментальных значений контрастов с теоретическими. Показано, что полученные различия возможны из-за того, что в теории не учтено влияние толщины пленки на радиолокационный контраст волнения. Предложена эмпирическая формула, позволяющая уменьшить эти различия. По результатам анализа теоретических и экспериментальных данных показано, растекание ПАВ по поверхности воды представляет собой процесс перехода в новое агрегатное состояние ``пленка'', характеризующееся отличными от жидкости параметрами, динамика изменения которых зависит как от вида ПАВ, так и от характеристик волнения морской поверхности. При этом для морской поверхности, загрязненной нефтепродуктами, наблюдается зависимость контраста от длины поверхностной волны, максимум которой соответствует рассеянию радиоволн длиной 3 см10 см. Его положение, величина и форма зависят от свойств пленки ПАВ.

В результате экспериментальных многочастотных наблюдений участка течения Гольфстрим получены данные о распределнии спектральных компонент в его акватории. Показано, что применение метрового диапазона волн позволяет наблюдать как границы течения, так и процессы, происходящие в приграничных областях. Анализ механизмов генерации поверхностных волн в акватории течения указывает на их неветровое происхождение, которое может быть связано с турбулентностью движущегося потока. Приведены оценки пространственных спектров и автокорреляционных функций в продольных и поперечных сечениях течения, свидетельствующие о существовании в течении неоднородностей размером 1000 м и более. Расхождения более высоких значений контрастов ( 14.9 дБ), полученных в ДМ діапазоне волн с помощью комплекса ``МАРС'', с данными РСА спутника SEASAT (не более 2 дБ), объяснены различием скорости течения (разные районы съемки) и углов наблюдения.

Ключевые слова: многочастотное радиолокационное зондирование, пленки ПАВ, морские течения, самолетный радиолокационный комплекс.

Matveyev A. Ya. ``Investigations into the sea surface inhomogeneities by multifrequency radar sensing methods''. - Manuscript.

The thesis submitted for a scientific degree of candidate of physics and mathematics in the speciality 01.04.03. - The Usikov Institute of Radiophysics and Electronics of the NAS of Ukraine, Kharkiv, 2000.

The dissertation is devoted to grounding the physical principles, developing experimentally validating the remote sensing multifrequency radar methods to study the sea surface inhomogeneities caused by the surface - active substances (SAS) and the inhomogeneities that arise in the water areas of sea currents. The thesis in question provides the well-grounded evidence for the advantages of multifrequecy radar sensing to evaluate the SAS film parameters, to monitor the most dynamic boundary sea current zones and to determine the boundaries of these currents. The requirements have been set for the multifrequency radar system parameters to investigate the sea surface inhomogeneities. There requirements have been complied with in developing the airborne complex ``MARS''. The techniques for multifrequency radar investigations into the above-cited inhomogeneities have been developed and experimentally verified using the ``MARS'' complex.

Key words: multifrequecy radar sensing, SAS film, sea currents, airborne radar complex.

Размещено на Allbest.ru