Тема ОКЕАН. Физические основы космического дистанционного зондирования поверхности океана в микроволновом диапазоне.

Научный руководитель д.ф.-м.н., профессор  Е.А.Шарков

 

Научные исследования настоящей темы  (Гос. Регистрация № 01.20.0200163) проводятся в соответствии с пунктами 6.18 и 1.4.8  "Основных направлений фундаментальных исследований РАН" (постановление   Президиума  РАН от 1 июля 2003г.), а также в соответствии с Программами  фундаментальных  исследований  РАН  «Радиоэлектронные методы в исследованиях природной среды  и человека» (ОФН-14) и «Проблем  радиофизики» (ОФН-13).

В соответствии с решением  Отделения физических наук РАН  на отдел «Исследование Земли из космоса» ИКИ РАН ( отдел  55 )  была возложено  выполнение двух проектов:   по Программе  фундаментальных исследований  РАН «Радиоэлектронные методы в исследованиях природной среды  и человека» ( ОФН-14)   проекта  «Радиоэлектронные дистанционные активно-пассивные  методы в исследованиях  окружающей среды шельфовой зоны окраинных морей РФ»  и  по Программе фундаментальных  исследований  РАН  «Проблем  радиофизики» (ОФН-13) проекта  «Теоретическое и экспериментальное исследование поверхностного волнения и течений в океане на основе данных радиолокационного зондирования».  Отдел также проводил работы по III-ому   этапу НИР "МТВЗА-Ветер", выполняемой на основании договора между ФГУП «Центр космических наблюдений» ( Роскосмос )  и ИКИ РАН №889 от 27.03.2003 и  по проектам   РФФИ 04-02-16629, РФФИ 05-05-64451, РФФИ 05-05-79113, РФФИ  05-02-16384,  РФФИ 05-02-31011 , РФФИ 05-05-08033 офи-а , а также  грантам INTAS 03-51-4987 и  INTAS 03-51-4789 и  программе  ИКИ РАН «Перспектива» .

 

Проект  «Радиоэлектронные дистанционные активно-пассивные  методы в исследованиях  окружающей среды шельфовой зоны окраинных морей РФ» ( ОФН-14).

Основные цели проекта:

развитие  теоретических моделей, анализ  физических механизмов, разработка и  применение  радиофизических дистанционных активно-пассивных  методов  измерений и алгоритмов  обработки натурных и дистанционных данных  в целях выявления  закономерностей  и особенностей проявлений внутриокеанических, атмосферных процессов и антропогенных воздействий  на взволнованной морской  поверхности  шельфовой зоны окраинных морей  РФ.

Задачи, поставленные   на 2005 год:

1. Подготовка и отладка проблемно-ориентированной программы обработки данных РЛС СА космического базирования для  радиоэлектронного мониторинга прибрежной зоны.  Разработка синергетического метода  обнаружения и прогнозирования распространения нефтяных загрязнений на морской поверхности на основе совместного использования разнородных данных спутникового зондирования.

2. Экспериментальные работы по  модернизации  дистанционно-контактного пункта  наблюдения ИКИ РАН  на полигоне ЮО  ИО РАН  ( г. Геленджик, РФ ) и экспериментальные работы  на  полигоне Экспериментального отделения Морского гидрофизического института Национальной академии наук Украины (ЭО МГИ НАНУ). Организация и проведение комплексного эксперимента по определению пространственных спектров волнения и потоков тепла на поверхности моря на основе дистанционных радиолокационных и радиометрических измерений в СВЧ и ИК диапазонах

 3. Разработка и испытание в естественных условиях в течение 2005г. специалистами  ИКИ РАН нового прибора - сверхбыстрого аналого-цифровой преобразователя Р-200 .

 

Проект РФФИ 04-02-16629 (рук. к.ф.-м.н. Митягина М.И.) продолжено  развитие теории микроволнового рассеяния на взволнованной морской поверхности, покрытой пленкой инородных веществ. Рассмотрено рассеяние на морской поверхности в присутствии пленок, толщина которых достигает несколько миллиметров (например, нефтяной пленки), что исключает из рассмотрения пленки поверхностно-активных веществ, формирующих мономолекулярный слой. Введено упрощенное модельное описание морской поверхности в присутствии нефтяной пленки: три однородных слоя без потерь, разделенных двумя поверхностями раздела, с возможностью многократных отражений во внутреннем слое.  Выявлено, что малые вариации толщины пленки могут приводить к вариациям интенсивности отражения в очень широком диапазоне. Рассмотрены поляризационные особенности рассеяния в зависимости от угла падения электромагнитной волны на морскую поверхность. Обнаружены качественные различия в угловых зависимостях рассеяния на двух поляризациях для пленок различной толщины.

Проведены экспериментальные исследования рассеяния электромагнитных волн на морской поверхности в присутствии покрывающей ее пленки. Зарегистрированы систематические изменения характера модуляции интенсивности радиолокационного и изменчивость доплеровского сдвига сигнала под действием длинных волн на морской поверхности в области загрязнения. Исследована зависимость радиолокационных проявлений нефтяных загрязнений на морской поверхности от параметров волнения, скорости и направления ветра и состояния приводного слоя атмосферы. Определены условия, оптимальные для радиолокационных наблюдений загрязнений. Проведена оценка изменения интенсивности радиолокационного сигнала для пленок различных веществ и нефти различных типов. Проанализированы особенности растекания пленок инородных веществ на морской поверхности. Получены экспериментальные зависимости интенсивности отраженного сигнала от толщины пленки на морской поверхности.

-        Митягина М.И., Чурюмов А.Ю., Рассеяние электромагнитных волн на морской поверхности в присутствии нефтяных пленок. Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов: Сборник научных статей. Том 2.  М. GRANP Polygraph, 2005, стр. 145-149.

-        Лаврова О.Ю., Митягина М.И., Костяной А.Г., Литовченко К.Ц., Радиолокационный спутниковый мониторинг нефтяных загрязнений в прибрежной зоне российских морей. Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов: Сборник научных статей. Том 2.  М. GRANP Polygraph, 2005, стр. 124-130.

-        Lavrova O, M. Mityagina and T Bocharova, Satellite Radar Imagery of the coastal zone: Slicks and Oil Spills // EARSeL: 2nd Workshop on Remote Sensing of the Coastal Zone, Porto, Portugal, 9-11 June 2005. Book of abstracts. P.92

-        Mityagina M and A. Churyumov, Radar Backscattering of the SeaSurface covered by Oil Films// EARSeL: 2nd Workshop on Remote Sensing of the Coastal Zone, Porto, Portugal, 9-11 June 2005. Book of abstracts. P.28

 

Изучения вихревых структур в прибрежной зоне по отображению на космических радиолокационных и оптических изображениях сликовых полос

Исследования проводятся в рамках международного проекта Интас (INTAS 03-51-4987 Slicks as Indicators of Marine Processes (SIMP). Novel Tools for Marine Remote Sensing of the Coastal Zone). Анализ спутниковых радиолокационных данных, полученных в северо-восточной части Черного моря и юго-западной части Балтийского моря, подтвердил их высокую информативность для изучения динамических процессов в приповерхностном слое. Прибрежные воды богаты поверхностно-активными веществами, которые при слабом ветре выглаживают морскую поверхность, образуя слики, которые могут при определенных условиях служить индикаторами течений и вихревых структур. На основе радиолокационных образов сликов была выявлена интенсивная вихревая активность в непосредственной близости от берега и в бухтах. Были изучены вихри малых масштабов, диаметрами несколько десятков километров, которые играют огромную роль в локальной циркуляции и перемешивании вод, способствуя самоочищению.

Проведена оценка различных сенсоров (ASAR Envisat, ERS-2 SAR, MODIS Terra/Aqua) с точки зрения применимости для решения поставленной задачи.

 

 

 

 

Фрагмент  ERS-2 SAR изображения (50х25 км),

полученного 04.08.2004.  Грибовидное течение проявляется

на радиолокационном изображении посредством сликовых полос

 

-        Лаврова, О.Ю. Слики как индикаторы вихревой активности в прибрежной зоне. Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса. Сборник научных статей. М. GRANP Polygraph, т. 2,  с. 118-123, 2005.

-        Lavrova Olga, Martin Gade, Stanislav Ermakov, Leonid Mitnik, Jose da Silva, David Woolf. SIMP: Slicks  as Indicators for Marine Processes. Novel Tools for Marine Remote Sensing of the Coastal Zone. EARSeL: 2nd Workshop Remote Sensing of the Coastal Zone. 9-11 June 2005, Porto, Portugal, P.41, 2005.

-        Litovchenko Konstantin, Olga Lavrova. Slicks and oil spills monitoring in Black Sea using spaceborne SAR and aerial photography. EARSeL: 2nd Workshop Remote Sensing of the Coastal Zone. 9-11 June 2005, Porto, Portugal, p.43, 2005.

 

Комплексный спутниковый мониторинг нефтяных загрязнений шельфовой зоны Российских морей: физические основы и создание информационной системы автоматической обработки (по программе «Перспектива»)

В ходе выполнения данного проекта решается задача обнаружения и прогнозирования распространения нефтяных загрязнений на основе совместного использования разнородных данных спутникового зондирования морской поверхности. Основу исследования составляют изображения морской поверхности, полученные при помощи радиолокаторов с синтезированной апертурой, и разрабатываются методики анализа и обработки всей совокупности комплиментарной информации спутникового зондирования о состоянии морской поверхности и пограничного слоя океан-атмосфера, полях температуры воды, взвешенного вещества, содержании хлорофилла, мезомасштабной динамике вод, полях приповерхностного ветра и поверхностного волнения.

Разработка эффективных методик для каждодневного применения в космическом комплексном мониторинге прибрежной зоны Российских морей включает в себя развитие методов автоматического распознавания областей нефтяных загрязнений на радиолокационных изображениях. Цель автоматизации поиска пятен нефтяной пленки (ПНП) - увеличить надежность операции и помочь оператору не пропускать плохо различимые пятна. Особенность получаемого радиолокационного изображения морской поверхности состоит в том, что оно существенно текстурировано и неоднородно по яркости. Разработаны процедуры обнаружения модельных объектов на текстурированной поверхности.

-        Лаврова О.Ю., Златопольский А.А., Митягина М.И., Бочарова Т.Ю. Опыт мониторинга антропогенных загрязнений в прибрежной зоне. Третья всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»
Москва, ИКИ РАН, 14-17 ноября 2005 г. Сборник тезисов конференции, с.151, 2005.

 

Экспедиционная  программа «Кацивелли-2005»  

Решение задач мониторинга системы океан-атмосфера в глобальных, а зачастую и в региональных масштабах требует привлечения спутниковых данных дистанционного зондирования Земли. Эффективность использования этих данных зависит от наличия адекватных моделей, связывающих параметры взаимодействия океана и атмосферы с характеристиками излучаемых и рассеиваемых морской поверхностью электромагнитных волн. В подавляющем большинстве случаев такие модели строятся на основе эмпирических данных, полученных при сравнении результатов синхронных дистанционных и контактных измерений. Океанографическая платформа предоставляет уникальную возможность проведения подобных исследований в течение достаточно длительного времени, поскольку позволяет осуществлять измерения с неподвижного основания в условиях открытого моря и глубокой воды

          В период с 1 по 18 июня 2005 года был выполнен натурный эксперимент по комплексному исследованию системы океан-атмосфера дистанционными и контактными средствами на полигоне Экспериментального отделения Морского гидрофизического института Национальной академии наук Украины (ЭО МГИ НАНУ) вблизи п. Кацивели у южного побережья Крыма. На этом полигоне расположена океанографическая платформа, установленная в 1980 г. для проведения комплексных гидрофизических экспериментов и подспутниковых измерений и в настоящее время являющаяся единственной действующей научно-исследовательской платформой на территории бывшего СССР.

 

 

Рис.1. Карта Южного берега Крыма (слева). Место расположения платформы указано стрелкой. Географические координаты платформы – 44°23'38'' с.ш., 33°59'15'' в.д. (справа) - Вид на Голубой залив. Удаление платформы от берега около 500 м. Глубина моря в месте расположения платформы от 28 до 32 м.

На Рис. 1. представлены карта полуострова Крым, где стрелкой указано место проведения эксперимента и фотография платформы в Голубом заливе.          В состав научной аппаратуры, задействованной в эксперименте, входил многочастотный радиометрический комплекс и аппаратура для контактных гидрометеорологических измерений. Характеристики волнения измерялись струнным волнографом, температура воды на глубине 1 м измерялась термисторным датчиком. Метеорологический комплекс обеспечивал измерение атмосферного давления, температуры и относительной влажности воздуха, а также трех компонент скорости ветра с помощью акустических анемометров. Измерения температуры и вектора скорости ветра осуществлялись на двух уровнях: на 1,5 м над поверхностью воды и на 6 м. Начиная с 6 июня, второй анемометр был установлен на метеорологической мачте на высоте 21 м для уменьшения влияния искажений ветрового потока, вызываемых конструкцией самой платформы.

Радиометрический комплекс состоял из радиометра теплового инфракрасного диапазона Р-ИК и набора микроволновых радиометров с рабочими частотами от 3,7 до 89 ГГц (что соответствует длинам волн от 8 см до 3 мм). Основные характеристики радиометров приведены в табл. 1.

Таблица 1

Прибор

Диапазон длин волн

Поляриза-ция

Ширина луча, град.

Чувствитель-ность, К

Разработка

Р-ИК

8-12 мкм

–

1

0,1

ЛЭТИ

Р-03

3 мм

В, Г

9

0,15

ИРЭ

Р-08

8 мм

В, Г, ±45°

9

0,15

ИКИ

Р-15

1,5 см

В, Г, ±45°

9

0,15

ИКИ

Р-80

8 см

В

15

0,1

ИКИ

 

Рис. 2. Вид на платформу со стороны моря (справа). Поворотная платформа с радиометрическим комплексом (слева). Справа у основания платформы закреплен поглотитель микроволн.

 

 

Все радиометры были закреплены на автоматической поворотной платформе (рис. 2 (а)), обеспечивающей вращение по азимуту в диапазоне углов около 300° и по углу места от надира до зенита. Поворотная платформа была установлена на нижней палубе с мористой (южной) стороны на конце 4-метрового выноса, служащего для уменьшения влияния переотраженного от конструкций теплового радиоизлучения; на этом же выносе был закреплен струнный волнограф и акустический анемометр с датчиком температуры воздуха.

 

Рис.3. Акустический анемометр, газовый анализатор для измерения концентрации углекислоты и водяного пара в воздухе (аппаратура ИФА РАН слева). Поворотная платформа с СВЧ- и ИК-радиометрами, метеокомплекс и волнограф (аппаратура ИКИ РАН и ИРЭ РАН, справа)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4. Температуы воды и воздуха, скорость и направление ветра, давление атмосферного воздуха за весь период проведения эксперимента.

 

Размещение научной аппаратуры по уровням располагалось следующим образом:

•        Под водой: CTD-зонд (МГИ) от поверхности до глубины 25 м - зондирование каждые 3 часа; CTD-зонд (МГИ) на 0,3 м; измерители течений (МГИ) на 3, 5, 10, 15, 20 м; измеритель турбулентности (МГИ) 1 м; термодатчик (ИКИ) 1 м; антенны струнных волнографов (МГИ и ИКИ) до 2 м

•        1,5 м над поверхностью: метеокомплекс (ИКИ)

•        4 м: микроволновые радиометры на поворотной платформе (ИКИ); измерители пульсаций ветра и температуры, концентраций водяного пара и углекислоты (ИФА)

•        12 м: скаттерометр (ISAC); радиометр 21-см диапазона (ИРЭ-ВлГУ)

•        21 м: метеокомплекс (ИКИ)

Измерения проводились в непрерывном режиме 24 часа в сутки, при этом регистрировались как характеристики атмосферы и морской поверхности, так и радиояркостные температуры в различных частотных диапазонах на углах зондирования от надира до зенита. Обработка результатов измерений продолжается.

 

Экспедиционные программа  «Геленджик-2005»

Экспедиционные работы 2004 года на базе Южного отделения Института океанологии (ЮОИО) РАН продолжили серию натурных экспериментов, проводившихся в 1999-2003 гг. сводным отрядом сотрудников ряда институтов Российской Академии наук и университетов под общим руководством Института космических исследований (ИКИ РАН). Основная цель комплексной экспедиции состояла в решении ряда фундаментальных задач радиофизической диагностики природных сред.

В экспедиционных работах 2005 г. (проект РФФИ 05-05-79113_к, руководитель зав.лаб. 553 отд. 55, к.ф.-м.н. А.В. Кузьмин, сроки выполнения 2005г.) проводилась проверка разработанной в ИКИ РАН методики восстановления спектров морской поверхности в гравитационно-капиллярной области по радиометрическим угловым измерениям с использованием уникальных возможностей нелинейной радиотепловой резонансной спектроскопии (НРРС). Использование этой методики позволит исследовать динамику пространственного спектра ГКВ в натурных условиях и изучить влияние на него параметров ветрового потока, потоков тепла, энергонесущих компонент волнения, поверхностно-активных веществ, турбулентности в приповерхностном слое.

Исследования характеристик спектров ГКВ были выполнены с помощью комплекса поляризационных радиометров на длинах волн 0,3; 0,8; 1,5; 8 и 21 см, установленных на автоматизированной поворотно-сканирующей платформе ИКИ РАН. Микроволновые угловые радиометрические измерения дополнялись измерениями турбулентных характеристик ветрового потока, спектра крупных волн и контактными измерениями гидрометеопараметров, тепловизора ИК-диапазона ИФА РАН. Исследования проводились на побережье Черного моря на базе Южного отделения Института Океанологии в г. Геленджик. Контактные и дистанционные измерения, выполняемые в ходе экспедиции с прибрежного пирса ЮО ИО РАН длиной 200 м, сопровождались космическими съемками полигона, прилегающего к побережью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Поворотная радиометрическая платформа (а) и пятиструнный волнограф (b)

 

На рис.1. приведены фотографии поворотной радиометрической платформы и волнографа, с помощью которого проводилась регистрация волнения. Измерения проводились в непрерывном режиме 24 часа в сутки, при этом регистрировались как характеристики атмосферы и морской поверхности, так и радиояркостные температуры в различных частотных диапазонах на углах зондирования от надира до зенита. В настоящее время проводится обработка результатов измерений.

 

 

 

Лабораторные исследования.

 

Метод нелинейной радиотепловой резонансной спектроскопии и его применения в измерениях свойств морской поверхности

Проект РФФИ 05-05-64451_а

Проект нацелен на разработку новой методики дистанционного измерения параметров спектра гравитационно-капиллярного волнения (ГКВ) на морской поверхности с использованием уникальных возможностей нелинейной радиотепловой резонансной спектроскопии (НРРС). В рамках проекта проведены модельные расчеты зависимостей радиотеплового излучения  для поверхностных волн, длины которых соизмеримы с длиной волны принимаемого излучения. Здесь необходимо проведение исследований зависимостей от углов наблюдения, соотношения Λ/λ, параметров морской воды и приводного слоя атмосферы, характеристик приемников и т. д. Пример подобных расчетов представлен на рис. 1. Показан переход от известной формы поверхностного волнения (рис. 1a) к спектру волновых чисел (рис. 1b) и, затем, к зависимости радиояркостного контраста от вертикального и азимутального углов наблюдения (рис. 1c).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.

 

a)                                     b)                                               c)

Были проведены лабораторные исследования по изучению радиотеплового излучения водной поверхности с возмущениями малых масштабов. Проведение подобных экспериментов необходимо для проверки основных теоретических соотношений в условиях постоянного контроля параметров поверхностного волнения, воды и атмосферы. Добиться необходимой точности определения этих параметров в условиях натурных измерений в открытом море не представляется возможным. На рис. 2 представлены фотография лабораторной установки, расположенной на крыше ИКИ, (рис. 2a) и предназначенной для проведения исследований радиояркостных контрастов мелкомасштабного волнения, и экспериментальная зависимость яркостного контраста от вертикального угла наблюдения (рис. 2b)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.  a), b)

 

Проведена отработка методики восстановления параметров волнения на основе выполненных модельных расчетов и данных лабораторных исследований. На основе обработки данных лабораторного эксперимента 2005 г., удалось отработать методику восстановления спектра коротких поверхностных волн с периодами, соизмеримыми с длиной волны радиометра (0,8 см).

Исследования характеристик спектров ГКВ в натурных условиях проводился на исследовательской платформе в Крыму близ п. Кацивели и с пирса в Южном отделении института океанологии близ г. Геленджика. Измерения проводились с помощью комплекса поляризационных радиометров на длинах волн 0,3; 0,8; 1,5; 8 и 21 см, установленных на автоматизированной поворотно-сканирующей платформе. Микроволновые угловые радиометрические измерения дополнялись измерениями турбулентных характеристик ветрового потока, спектра крупных волн и контактными измерениями гидрометеопараметров. Измерения проводились в непрерывном режиме 24 часа в сутки, при этом регистрировались как характеристики атмосферы и морской поверхности, так и радиояркостные температуры в различных частотных диапазонах на углах зондирования от надира до зенита. Обработка результатов измерений продолжается.

 

Специализированные аппаратурные разработки.

Одна из задач, решаемых в рамках программы ОФН-14 ИКИ РАН – исследование состояния морской поверхности с помощью радиолокации высокого разрешения. При проведении этих исследований использовалась разработанная ранее в ИКИ РАН двухполяризационная радиолокационная станция ( РЛС ) высокого разрешения с цифровым интерфейсом. РЛС предназначена для исследования морской поверхности при проведении подспутниковых измерений в прибрежной зоне на основе анализа радиоизображений, отражающих связь сечений обратного рассеяния с состоянием поверхности моря.

Задачи, решаемые с помощью РЛС высокого разрешения.

1)    измерение пространственно-частотных спектров морских волн

2)    измерение течений

3)    измерение обрушений волн с целью определения параметров энергообмена в системе “океан-атмосфера”

4)    определение поверхностных загрязнений моря

5)    определение рельефа дна по радиоизображениям поверхности

С целью увеличения разрешающей способности радиолокатора и получения радиоизображений в реальном масштабе времени, определяемом скоростью регистрируемых динамических процессов, в течении 2005г. специалистами  ИКИ РАН был разработан и испытан в естественных условиях новый прибор - сверхбыстрый аналого-цифровой преобразователь Р-200 , описание которого приводится ниже.

 

Назначение Измерителя

Измеритель аналоговых сигналов Р200 (далее по тексту – измеритель) представляет собой сверхбыстрый аналого-цифровой преобразователь

Состав измерителя

Структурная схема измерителя приведена на рис.

 

 

 

 

 

В состав измерителя входят:

-        Блок преобразователя (А1);

-        Блок интерфейсов (А2);

-        Источник питания (А3);

-        Компьютер (А4);

-        Комплект соединительных кабелей.

 

 

Блок преобразователя

 

 

 

 

 

-        Внешний вид блока преобразователя показан на фото

 

Структурная схема блока преобразователя приведена в приложении 1.

Блок преобразователя содержит сверхбыстрое АЦП и предназначен для преобразования аналогового сигнала в цифровой код, а также для передачи информации в блок интерфейсов.

Блок содержит сверхбыстрое (10 нс) буферное ОЗУ объемом 16 к*10 бит для временного хранения результатов преобразования (цифровых кодов сигнала).

Для проверки правильности работы АЦП контроллер имеет в своем составе имитатор аналоговых сигналов (модуль PX200). Имитатор построен на основе сверхбыстрого ЦАП.

          i.                                                Блок преобразователя имеет коаксиальные разъемы для подключения высокочастотных аналогового сигнала (“INPUT”) и сигнала START («Начало строки»). Для подключения низкочастотного сигнала FLAG («начало скана») используется линия FLAG в низкочастотном разъеме EXT.

Блок интерфейсов

 

 

 

Внешний вид блока интерфейсов показан на фото

 

 

 

Блок интерфейсов служит для приема цифровой информации, промежуточного хранения и последующей передачи в компьютер.

Для промежуточного хранения используется буферная память объемом 16 Мбайт. Блок подключается к компьютеру через интерфейс USB2.0

Источник питания

Источник питания предназначен для запитывания блока преобразователя.

Компьютер

Компьютер предназначен для управления измерителем, а также хранения результатов. В качестве компьютера используется переносной компьютер (ноутбук). Возможно использование стационарного компьютера.

Соединительные кабели

 

Технические характеристики

Основные технические характеристики

Блок преобразователя имеет следующие основные характеристики:

-        Амплитуда входных сигналов                    0..1 В;

-        Частота дискретизации АЦП                      200 МГц, 100 МГц, 50 МГц, 25 МГц (устанавливается программно)

-        Разрядность АЦП                                      10;

-        Объем буферной памяти                           16 384 * 10 бит;

-        Напряжение питания контроллера             6,5.. 8 В;

-        Ток потребления                                       0,85±0,1 А.

Блок интерфейсов имеет следующие основные характеристики:

-        Тип интерфейса                               USB2.0 (high speed);

-        Максимальная скорость передачи в компьютер  - до 24 Мбайт/с;

-        Объем буферной памяти                           16 Мбайт;

 

В октябре 2005г. на базе Южного отделения Института океанологии РАН сотрудниками ИКИ РАН  были проведены первые  испытания РЛС  с новым аналого-цифровым преобразователем выходного сигнала Р-200. Примеры радиоизображений, полученные в формате « время- расстояние» показаны на рис.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3. Пример радиоизображений, полученных при испытании модернизированного радиолокационного комплекса. (ВВ-вертикальная полчризация, ГГ-горизонтальная поляризация зондирующего сигнала )

 

 

Общий объем экспериментальных радиолокационных данных, полученных в октябре 2005 г. превышает 10 Гб.  Прибор показал  свои высокие технические и эксплуатационные характеристики. С помощью указанной системы  обработки возможно резкое ( на порядок) повышение  разрешающей способности  РЛС до 0,75 м по дальности.   В настоящее время проводится систематическая обработка полученных материалов. 

 

Проект «Теоретическое и экспериментальное исследование поверхностного волнения и течений в океане на основе данных радиолокационного зондирования»  (ОФН-13).

Основные цели  проекта:

1)    получение экспериментальных данных для разработки новых моделей, описывающих физические механизмы рассеяния электромагнитных волн морской поверхностью при настильных углах зондирования;

2)    определение по  результатам радарных измерений динамики волновых систем, возникающих на морской поверхности в различных метеоусловиях.

Использованная при проведении экспериментальных исследований аппаратура:

1)    двухполяризационная радиолокационная станция высокого разрешения (длина волны 3 см.) с представлением радиоизображения в цифровой форме;

2)    когерентный двухполяризационный СВЧ-скаттерометр (длина волны 0.8см );

3)    СВЧ - радиометры-поляриметры (длины волн  0.8 и 1.5 см) с полным набором поляризаций для измерения параметров Стокса принимаемого радиоизлучения,

4)    цифровая фотокамера,

5)    необходимые  средства  вычислительной  техники  и програмное обеспечение, позволяющие автоматизировать сбор и обработку экспериментальных данных,

6)    автоматизированный комплекс для измерений метеорологических параметров.

7)    тепловизор ИК-диапазона для получения радиотепловых изображений.

 

          В течение 2005 г. были выполнены следующие работы:

а) проведена модернизация устройств цифровой обработки сигналов РЛС, позволившие увеличить динамический диапазон  принимаемых сигналов и увеличить число значимых разрядов,

б) исследование дисперсионных характеристик нелинейных поверхностных волн в зависимости от скорости ветра и времени разгона,

Было установлено, что: при развитом волнении большинство точек на плоскости группируются  ,

          1) вдоль кривой , соответствующей основным гармоникам нелинейных волн,

          2) вдоль кривой , соответствующей вторым гармоникам нелинейных волн, движущихся с той же фазовой скоростью, что и основная волна,

          3)прямой - соответствующей линии групповых скоростей.

          Появление связанных вторых гармоник в спектре радиоизображения  объясняется неизменностью профиля распространяющейся нелинейной волны, а точки , лежащие вдоль линии групповой скорости, связаны процессами обрушения на гребнях волн  достигающих предельной амплитуды при формировании волновых пакетов.

          В условиях затухающего волнения высшие гармоники в спектре радиоизображения отсутствуют, что связано с уменьшением амплитуды и крутизны нелинейной волны при уменьшении ветровой накачки.

          В условиях развивающегося волнения в спектрах радиоизображений линии групповых скоростей не наблюдаются, что связано, по-видимому, с недостаточным для формирования нелинейных волновых пакетов временем разгона.

в) исследование возможности определения амплитуды поверхностной нелинейной волны по пространственно-временным спектрам радиоизображений.

          Т.к. интенсивность компонент модуляционного спектра, определяющая яркость точек на   плоскости, пропорциональна квадрату амплитуд модулирующих волн, то отношение интенсивностей спектральных пиков, соответствующих основной и удвоенной частоте модулирующей волны, должно быть равно отношению интенсивностей компонент спектра возвышений на тех же частотах.

Задавшись пространственно-временной моделью нелинейной волны (при явно ветровом узконаправленном потоке волн в качестве такой модели естественно выбрать модель Стокса), можно оценить ее амплитуду , зная, что отношение интенсивностей второй гармоники спектра к первой для модели Стокса равно . Проведенные оценки показали, что значения , найденные по  спектру для модели Стокса, хорошо согласуется с результатами контактных измерений, выполненных с использованием специализированного волнографического буя.

 

Выводы по программе  ОФН-13. 

1- экспериментально получены пространственно-временные радиоизображения морской поверхности и выявлены различия в форме треков, наблюдаемых на горизонтальной и вертикальной поляризациях зондирующего сигнала;

2- в различных условиях волнообразования (установившееся, развивающееся и затухающее волнение) получены пространственно-частотные спектры модуляции рассеянных сигналов, анализ которых позволил определить степень нелинейности поверхностных волн и диапазон групповых и фазовых скоростей поверхностных волн в зависимости о стадии развития волнения, а также выделить спектральные компоненты модуляционного спектра, возникающие при образовании волновых пакетов;

3- показано, что по пространственно-частотным спектрам модуляции могут быть получены оценки амплитуды нелинейной поверхностной волны, хорошо согласующиеся с результатами контактных измерений;

 

Исследование возможности определения скорости и направления ветра над поверхностью Мирового океана по данным многоканального радиометра МТВЗА и его последующих модификаций (НИР «МТВЗА-Ветер»).

Заказчик – ФГУП «Центр космических наблюдений», отв. исполнитель – с.н.с. отд. 55, к.ф.-м.н. М.Н. Поспелов, сроки выполнения 2003-2005гг.

 

В отчете по НИР «МТВЗА-Ветер», выполняемой на основании договора между ФГУП «Центр космических наблюдений» и ИКИ РАН № 889 от 27.03.2003, отражен современный уровень разработок по использованию микроволновых методов зондирования для дистанционного восстановления параметров ветровых полей над поверхностью Мирового океана.

          Описаны методы поляриметрических измерений, принцип действия радиометров-поляриметров и способы их использования для определения параметров геофизических полей. Представлены результаты модельных расчетов вызываемых ветром радиояркостных контрастов в широком диапазоне частот и углов зондирования. Обобщены результаты радиометрических измерений теплового микроволнового излучения морской поверхности, проводившихся в ИКИ с борта самолета-лаборатории Ан-12 в 1980-х гг. и с прибрежного пирса в 1999–2002 гг., и произведено сопоставление этих экспериментальных данных с результатами зарубежных исследований, проводившихся с использованием самолетов и дирижаблей, океанографических платформ, а также спутников дистанционного зондирования Земли. Приведены результаты подспутниковых измерений, проводившихся в июне 2005 г. на океанографической платформе ЭО МГИ НАНУ. Произведена оценка возможности измерения скорости и направления ветра с помощью комплекса МТВЗА, и представлены предложения по модификации приборов комплекса и алгоритмов обработки данных.