Введение к работе
Актуальность темы. На сегодняшний день не введены в действие (или же вообще не разрабатываются) наиболее важные для океанологии космические радиолокационные (панорамные) методы восстановления полей волнения, уровня океана и скорости океанских течений. Используя, насколько это возможно, данные действующих (зарубежных) радиолокационных (РЛ) средств, мы остро ощущаем необходимость создания космических РЛ систем, обеспечивающих оперативный глобальный мониторинг быстропротекающих океанских процессов. Современные космические радары с синтезированной апертурой (РСА) способны решать многие океанологические задачи, связанные с процессами в верхнем слое океана. Исторически же космические РСА создавались для мониторинга объектов на суше, поэтому не приходится говорить об их оптимизации для океана, где режим наклонного визирования возможен лишь при малой отражательной способности поверхности, сама поверхность нестационарна, а наблюдаемые объекты, как правило, быстро перемещаются. Космический мониторинг и диагностика океанских явлений требуют, прежде всего, чрезвычайно широкой полосы «мгновенного» обзора поверхности порядка 2000 км при наблюдении перемещающихся объектов – как мелкомасштабных (структура ветровых волн в атмосферном циклоне, проявления внутренних волн), так и мезомасштабных – таких, как градиентные океанские течения и сейсмические гравитационные волны, образующие цунами. Энергетика космических РСА в принципе ограничена, она уже достигла своего технологического предела – не более 1 кВт средней излучаемой мощности при предельных значениях коэффициентов сжатия и скважности зондирующих импульсов. Именно поэтому в режиме брэгговского рассеяния оказывается невозможным обеспечить одновременно широкую зону обзора и необходимое пространственное разрешение, обеспечиваемое широким спектром излучаемого сигнала. В то же время, квазизеркальный режим рассеяния, обладающий чрезвычайно высокой отражательной способностью, что свойственно только океанской поверхности при соответствующем выборе
параметров визирования, позволяет использовать преимущества френелевского механизма отражений по сравнению с брэгговским (диффузно-резонансным).
Целью диссертационной работы является разработка методов диагностики полей морской поверхности в режимах однопозиционной и двухпозиционной (квазизеркальной) радиолокации из космоса. Для достижения заданной цели были решены следующие задачи:
Анализ полученных ранее и новых результатов по оптимизации параметров и эффективности современных (однопозиционных) РСА и интерференционных РСА (ИРСА) при решении океанологических задач;
Анализ, численное моделирование и оценка достижимых параметров двухпозиционного радиолокатора, использующего квазизеркальный режим рассеяния СВЧ сигнала на морской поверхности.
Научная новизна
На базе спектральной модели ветровых волн и известных представлений о квазизеркальном рассеянии электромагнитных волн на поверхности с пологими неровностями, впервые проведен анализ метода двухпозиционного зондирования морской поверхности при квазизеркальном рассеянии. Рассмотрены основные особенности и характеристики двухпозиционного РСА при зондировании морской поверхности из космоса.
Путем сравнения аналитических и численно-модельных построений, полученных для однопозиционных и двухпозиционных РСА космического базирования, выявлены основные преимущества двухпозиционного квазизеркального метода по сравнению с однопозиционным.
Для однопозиционного и двухпозиционного (квазизеркального) РСА разработана новая численная пространственно-временная модель формирования яркостного изображения поля ветровых волн.
Положения, выносимые на защиту:
-
Разработан метод двухпозиционного квазизеркального зондирования морской поверхности (патент РФ на изобретение № 2447457);
-
Предложен метод разделения зон обзора в двухпозиционном РСА (патент РФ на полезную модель №135816);
-
Разработана численная модель формирования яркостных изображений поля развитых ветровых волн в двухпозиционном квазизеркальном РСА с использованием соосной и перекрёстной поляризационных составляющих отраженного сигнала;
-
Предложен метод измерения скорости ветра и высоты энергонесущей ветровой волны в двухполяризационном квазизеркальном РСА;
-
Разработана численная модель формирования уровенного изображения поля развивающейся сейсмоволны с использованием поперечно-базового интерферометра (панорамный радиовысотомер).
Достоверность полученных результатов обеспечивается сопоставлением расчетных данных с математическими моделями, полученными по реальным океанским явлениям. Также она определяется исходными экспериментальными данными о спектрах ветровых волн, использованными при разработке численных моделей. При оценке достоверности использовались статистические методы теории решений применительно к радиолокационным задачам. Определенной гарантией достоверности выводов работы является их публикация в престижных отечественных журналах, а также защита патентов на изобретения и полезную модель.
Практическая ценность работы заключается в возможности использования её результатов при создании современного и эффективного радиолокационного комплекса, решающего задачи оперативного мониторинга и диагностики океанских явлений.
Личный вклад соискателя. Автор выполнил исследования, связанные с численными моделями формирования в РСА (как однопозиционных, так и двухпозиционных) изображений морской поверхности при различных аппаратурных модификациях радиолокационного комплекса: на базе известной спектральной модели ветровых волн, для однопозиционных РСА и ИРСА провел анализ и численные расчёты основных (достижимых) параметров формируемых радиолокационных изображений (РЛИ) морской поверхности: пространственного разрешения, контрастно-яркостной, скоростной и уровенной флуктуационной чувствительности.
Построил численную пространственно-временную модель формирования амплитудных (яркостных) изображений взволнованной поверхности с учётом интерференционного спекл-шума (шума мерцания) и случайной составляющей регистрируемого волнового поля. Расчёты выполнены для конкретных параметров РСА, выбранных в соответствии с возможностями их реализации в космосе;
на базе той же спектральной модели ветровых волн и известных представлений о квазизеркальном рассеянии электромагнитных волн на поверхности с пологими неровностями разработал непротиворечивую теорию двухпозиционного зондирования морской поверхности при заданных её параметрах. Рассмотрел основные особенности и характеристики двухпозиционного РСА при зондировании морской поверхности из космоса;
разработал численную пространственно-временную модель формирования яркостного изображения поля ветровых волн в двухпозиционном квазизеркальном РСА с использованием соосной и перекрёстной поляризационных составляющих отраженного сигнала;
по данным численной гидродинамической модели гравитационной сейсмоволны для Курильского землетрясения 4 октября 1994 г., сформировал последовательные панорамные изображения поля уровня, отвечающие использованию двухпозиционного космического радара в режиме панорамного радиовысотомера с мезомасштабным разрешением.
Автор обеспечил подготовку полученных результатов к опубликованию в российских журналах, а также представлял их на российских и международных конференциях и семинарах. В результатах, полученных совместно с коллегами СВ. Переслегиным, Е.А. Куликовым, И.О. Карповым, В.В. Риманом, А.И. Коваленко, Л.Б. Неронским, Д.В. Ивониным, автору принадлежит ведущая роль в выполнении расчетов и интерпретации результатов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: заседаниях Ученого совета Физического направления Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (февраль, октябрь 2015 г.), семинаре Лаборатории нелинейных волновых процессов и Лаборатории оптики океана ИО РАН (декабрь 2014 г.),
межведомственной конференции «Проявление глубинных процессов на морской поверхности» в ИПФ РАН (2008 г.), Всероссийской конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» в ИКИ РАН (2007-2012 гг.), Всероссийских радиофизических научных чтениях -конференции памяти Н.А. Арманда в г. Муром (2010 г.), Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред» в ВКА им. А.Ф. Можайского (2011, 2017 гг.), симпозиума SAR Ocean Remote Sensing «OceanSAR-2009» в г. Herrching, Германия (2009 г.), Международной конференции «Earth from Space. The More Effective Solutions» в г. Москва (2013 г.), V научно-технической конференции молодых ученых и специалистов по тематике «Актуальные вопросы развития систем и средств ВКО» в г. Москва (2014 г.), Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Космодром «Восточный» и перспективы развития российской космонавтики» в г. Благовещенск (2015 г.).
Методы исследования. Аналитические исследования выполнены с
использованием существующих моделей ветровых волн, различных аспектов
теории статистических решений и инженерного подхода к методам
современной радиолокации с точки зрения их применимости в
океанологических задачах. Модельные исследования выполнены
применительно к двум задачам: а) формирования РЛИ поля ветровых волн в однопозиционном и двухпозиционном космических РСА и б) формирования РЛИ сейсмической гравитационной волны в «панорамном радиовысотомере» -двухпозиционном космическом интерференционном радаре.
Публикации. Материалы диссертации полностью изложены в работах, опубликованных соискателем. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 4 статьи в ведущих российских рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 3 статьи в других журналах и сборниках научных трудов, 7 тезисов докладов на российских и международных конференциях, 2 патента РФ на изобретения и один патент на полезную модель. Еще две статьи (одна из них из перечня, рекомендованного ВАК) – в печати.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников из 106 наименований, в том числе 20 на иностранных языках. Работа содержит 177 страниц текста, включая 49 рисунков и 1 таблицу.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и
признательность научному руководителю д.ф.-м.н. С.В. Переслегину за чуткое руководство, советы и ценные замечания в работе над диссертацией, отеческую опеку. Д.ф.-м.н. С.И. Бадулину и к.ф.-м.н. Д.В. Ивонину автор признателен за помощь при подготовке презентации диссертационной работы. Автор благодарит к.ф.-м.н. А.И. Гинзбург за огромную поддержку при оформлении работы.