Введение к работе
Актуальность. Впечатляющие успехи радиоокеанографии последнего десятилетия связаны главным образом с запусками океанографических спутников с изображающими радиолокаторами на борту. Как видно из приводимых в литературе снимков поверхности океана, космический радиолокатор с синтезированной апертурой СРСА) хорошо видит достаточно контрастные образования - проявления выходящих на поверхность интенсивных внутренних волн, нефтяные пленки, корабли и их кильватерные следы.
Однако более полной реализации возможностей радиолокатора как всепогодного средства изучения и контроля состояния Мирового океана препятствует недостаточное знание механизмов формирования изображения находящейся в постоянном движении водной поверхности. Это прежде всего относится к РСА - как известно, механизмы формирования РСА-изображения волнения в течение почти двух десятилетий, являются предметом дискуссии. Очевидно, в такой ситуации трудно надеяться на успех в решении задачи восстановления спектра волнения по его РСА-изображению. Да и в случае радиолокатора с реальной апертурой, как показано ниже, простая линейная процедура восстановления спектра волнения с помощью модуляционной передаточной функции далеко не всегда является правомерной.
Чрезвычайно трудной оказалась задача выделения на радиоизображениях поверхности океана слабоконтрастных образований,связанных с проявлениями внутриокеанических процессов малой интенсивности (слабые течения, внутренние волны малой амплитуды и т.д.). Неоднородность и нестационарность фона делают малоэффективными известные оптимальные алгоритмы обнаружения -здесь очевидна необходимость поиска иных путей. С другой стороны, недостаточное знание механизмов формирования радиоизображения, о чем шла речь выше, исключает возможность априорной оценки эффективности любого алгоритма, т.к. исходным параметром для вероятностного анализа алгоритма с целью получения этой оценки является полностью определяемое упомянутыми механизмами отношение сигнал/шум.
r ,
Цель работы. Настоящая диссертация, направленная на преодоление обозначенных выше трудностей, ставит своей задачей изучение механизмов Формирования радиолокационного изображения морской поверхности и способов его интерпретации в целях дистанционной диагностики Мирового океана. Основные результаты и выводы, выносимые на защиту.
1. Теория изображения морской поверхости, формируемого радиолокатором бокового обзора с реальной апертурой.
Решена прямая задача - установлено соотношение мевду спектрами волнения и радиоизображения в присутствии сторонних по отношению к энергонесущему волнений флуктуации интенсивности сантиметровой и дециметровой ряби, обусловленных атмосферными или океаническими процессами С флуктуации скорости приводного ветра, выход на поверхность внутренних волн, течения, органическая пленка и т.д.). - Показано, что вследствие неаддитивности флуктуации радиолокационного сигнала, йызванных знергонесущіш волнением и сторонними флуктуациями интенсивности ряби, спектры волнения и его радиоизображения связаны между собой не посредством модуляционной передаточной функции, а через интегральное уравнение Фредгольма 2-го рода. Следовательно, для радиолокатора бокового обзора с реальной апертурой задача восстановления спектра волнения, вообще говоря, представляет собой некорректную обратную задачу дистанционного зондирования С в данном случае двумерную).
2,- Теория изображения морской поверхности, формируемого радиолокатором с синтезированной апертурой СРСА).
Выяснена физическая природа нелинейных флуктуации сигнала в РСА-изображении волнения и установлена их доминирующая роль практически во всех реальных ситуациях. Показано, что это есть не что иное как флуктуации случайного числа элементов поверхности, чьи изображения, будучи случайным образом смещенными из-за орбитальных скоростей в поле крупных волн, накладываются одно на другое в плоскости изображения. Спектр указанных флуктуации рассчитывается с привлечением методов теории нелинейных преобразований случайных процессов. Теория хорошо описывает нелинейные эффекты, отмеченные во многих натурных и численных С по
методу Монте Карло), экспериментах: "побеление" спектра изображения по сравнении со спектром волнения, расширение спектрального максимума и поворот радиус-вектора центра тяжести спектра изображения в радиальном направлении.
3. Результаты исследования отношения сигнал/шум в
радиоизображении морской поверхности при регистрации
внутриокеанических процессов малой интенсивности, в частности,
внутренних волн малой амплитуды.
Показано, что в случае радиолокатора с реальной апертурой при регистрации достаточно крупномасштабных внутренних волн (длиной в несколько сот метров) отношение сигнал/шум определяется в основном фоновыми гидродинамическими контрастами, а не "аппаратурными" шумами, связанными с особенностями формирования изображения. В РСА-изображении "аппаратурный" шум в силу нелинейности механизма формирования изображения оказывается гораздо более существенным. Тем не менее внутренние волны длины 0,5 км, создающие на поверхности гидродинамический контраст порядка 1 дБ, в отсутствие фоновых контрастов, обладающих теми же масштабами, обеспечивают отношение сигнал/шум порядка единицы.
4. Методика обработки радиолокационного изображения морской
поверхности с целью регистрации внутренних волн малой амплитуды и
результаты вероятностного анализа соответствующего
непараметрического рангового алгоритма.
Показано, что при обработке панорамы РСА-изображения размером 50x50 кмг этот алгоритм обеспечивает обнаружение из космоса коротких цугов крупномасштабных внутренних волн, создающих на поверхности гидродинамические контрасты »1 дБ, с вероятностью 0,7 - 0,8 при вероятности ложной тревоги не более 10"г. Существенно, что алгоритм сохраняет постоянным уровень ложной тревоги вне зависимости от состояния поверхности.
5. Теория доплеровского спектра радиолокационного сигнала СВЧ
диапазона, рассеянного морской поверхностью, с учетом вклада
брэгговской и квазизеркальной компонент сигнала.
Показано, что корреляция между наклоном поверхности и' радиальной составляющей орбитальной скорости приводит к асимметрии и смещению центра тяжести брэгговского спектра при
симметричном Сс нулевым средним) распределении орбитальных скоростей. Форма спектра при углах падения 15 - 20, где вклады обеих компонент сигнала сравнимы по величине, является хорошим индикатором при обнаружении слабоконтрастных сликов.
Сравнение теории доп.лзровского Сбрэгговсксго) спектра с экспериментом подтвердило ее адекватность, а также высокую чувствительность ширины спектра к изменениям характеристик энергонесущего волнения.
Новизна. Результаты 2,3,4 являются полностью новыми; результат 1 - новым в части, касающейся учета сторонних -по отношению к энергонесущему волнению возмущений поля рассеивающей ряби; результат 5 - в части, касающейся совместного учета брэгговской и квазизеркальной составляющих спектра, а также учета корреляции между наклоном поверхности и радиальной составляющей орбитальной скорости.
Достоверность результатов диссертации ' обеспечивается корректностью использованных методов теоретического анализа, а также их подтверждением в натурных и численных экспериментах.
Научная 'и практическая значимость диссертации в первую очередь определяется тем, что в ней представлена новая нелинейная теория РСА-изображения поверхности океана, объяснягэдя экспериментально установленные эффекты, не поддающиеся "линейкой" интерпретации.
Совокупность результатов теории '^рмирсвания радиолокационного изображения поверхности, возмущенной проявлениям: внутриокеаничэских процессов, и вероятностного анализа устойчивого к изменениям состояния поверхности алгоритма обработки панораггл радиоизсбражения позволяет установить прямую связь между соотЕЭтетвущиг.м гидродинамическими контрастами на поверхности и вероятностными характеристиками их обнаружения. Практическая'значимость такой связи представляется очевидней.
Значимость результатов исследования доплерозского спектра з контексте данной диссертации состоит в подтверждении исходных положений (формул) теории радиоизображения поверхности океана. Кроме того, они свидетельствуют о высокой информативности параметров доплеровского спектра 'для дистанционной диагностики волнения.
Апробация. Материалы диссертации опубликованы в ведущих союзных и российских изданиях, неоднократно докладывались на Всесоюзных, Всероссийских и Международных конференциях, школах-семинарах, на заседаниях Совета по гидрофизике при Президиуме АН СССР, а также на семинарах и совещаниях в различных организациях.
