Дослідження неоднорідностей морської поверхні методами багаточастотного радіолокаційного зондування - Автореферат

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. 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. Дослідження іншого типу неоднорідностей морської поверхні - потужних морських течій (типу Гольфстрім) одночастотними радіолокаційними комплексами у ряді випадків також виявилися недостатньо інформативними. 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. 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 першому розділі проведено аналіз характеристик радіолокаційних сигналів, розсіяних морською поверхнєю, визначено звязки цих характеристик з параметрами хвилювання морської поверхні. 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. Проведено аналіз просторових характеристик неоднорідностей на морській поверхні, на підставі якого була вибрана просторова роздільна здатність радіолокаторів (20м?50м) та смуги огляду (не менш 30км?50км), 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.Із застосуванням авіаційного багаточастотного радіолокаційного комплексу “МАРС” проведено експериментальні дослідження нафтових забруднень у Каспійському морі, а також дослідження ділянки течії Гольфстрім у Баренцовому морі. 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. 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. 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. 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.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

1. Внаслідок проведених у дисертації досліджень одержано ряд нових результатів, що дозволяють поглибшити уявлення про фізику виникаючих на схвильованій морській поверхні явищ, повязаних 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 l ? 20 см. Аналіз причин відміни теоретичних значень від експериментальних при вимірюваннях на l < 20 см вказує на необхідність урахування ефектів, що повязані 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 Q » 30° ? 70° відповідає розсіянню радіохвиль довжиною l » 3 см?10 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 s0 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 s0 у ДМ та М діапазонах радіолокаторами комплексу “МАРС” можуть виконуваться із середньоквадратичною похибкою близько 3.0 ДБ. Одержані оцінки підтверджені результатами вимірів кутової залежності s0 для різних видів підстилаючої поверхні (листяний ліс, рілля, прісна вода, морський однолітний лід) у ДМ діапазоні. Експериментальні значення s0 достатньо добре узгоджуються з літературними.

5. У межах моделі резонансного розсіяння проведено аналіз характеристик радіолокаціойних сигналів, що розсіює морська поверхня, та їх звязок 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 s0 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 < l < 15000 cm. 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., Карвицкий Г.Э., Матвеев А.Я., Цымбал В.Н. Оценка параметров нефтяной пленкина 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// АЕЬ International Journal of Electronics and Communications. Archiv fьr Electronik und Ьbertragunstechnik. -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 подслоем 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. - Kцnigswinter (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 multipurpose 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. - Kцnigswinter (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.