Теория формирования радиолокационного изображения морской поверхности и методика его обработки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

'Pifi. од

? о ШОП 1993

Российская академия наук Институт общей физики

На правах рукописи

КАНЕВСКИЙ Михаил Борисович

УДК 537.86:621:551

ТЕОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ И МЕТОДИКА ЕГО ОБРАБОТКИ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва-1993

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук, г. Нижний Новгород

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

чл.-корр. АН Украины А. И. Калмыков доктор физико-математических наук, профессор Ю. А. Кравцов

доктор физико-математических наук, профессор В. С. Эткин

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники

РАН

Защита диссертации состоится "_" _ 1993г.

в_часов на заседании Специализированного совета Д-003.49.02

в Институте общей физики РАН по адресу: 117942, ГСП-1, г. Москва, В-333, ул. Вавилова,38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН. Автореферат разослан "_" _ 1993 г.

Ученый секретарь ■/

Специализированного совета <' \ ; г ~:г \ '

доктор физико-математических наук V ' В. П. Быков

»

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.................................... 4

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.............................................. S

ШВА I. РАДИОЛОКАТОР-С РЕАЛЬНОЙ АПЕРТУРОЙ................... 3

ГЛАВА П. РАДИОЛОКАТОР С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ............15

ГЛАВА III. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННОГО•ИЗОБРАЖЕНИЯ

МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ.................................23

ГЛАВА IV. ДОПЛЕРОВСКИИ СПЕКТР РАДИОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА СВЧ

ДИАПАЗОНА, РАССЕЯННОГО МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ.........31

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................38 •

ЛИТЕРАТУРА.....................................................39

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО TEiiE ДИССЕРТАЦИИ........................42

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 чеы 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.

г ,

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 мекду спектрами волнения и радиоизображения в присутствии сторонних по отношению к энергонесущему волнений флуктуаций 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 флуктуаций радиолокационного сигнала, бызванных энергонесущим 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 флуктуаций 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 флуктуаций 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 доплеровского Сбрэгговского) спектра с экспериментом подтвердило ее адеккатнссть, 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, объясняг^ая экспериментально установленные эффекты, не поддающиеся "линейкой" интерпретации.

Совокупность результатов теории армирования

радиолокационного изображения поверхности, возмущенной проявления.-^: внутриокеаничэских процессов, и вероятностного анализа устойчивого к изменениям состояния поверхности алгоритма обработки панораггл радиоизсбражения позволяет установить прямую связь между соотгэтствущигли гидродинамическими контрастами на поверхности и вероятностными характеристиками их обнаружения. Практическая'значимость такой связи представляется очевидной.

Значимость рззультатов исследования доплерозского спс-ктра з контексте данйоП 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Радиолокационная океанография в^дет свою историй.- с начала 50-х годов, когда были поставлены первые эксперименты 11,21, в которых море рассматривалось как объект исследования, а не как источник помех. Эти эксперименты положили начало всестороннему теоретическому и экспериментальному изучении рассеяния радиоволн поверхностью океана в КВ, УКВ и СБЧ диапазонах, осуществляемому силами исследователей многих стран мира с кораблей, вертолетов, самолетов, из космоса.

Накопленные к настоящему времени знания о механизмах рассеяния излучения и характере проявлений различных атмосферных и океанических процессов в радиоизображении поверхности океана [3-21] позволяют считать радиолокатор основным средством глобального мониторинга Мирового океана.

Вместе с тем отмеченные выше трудности интерпретации радиоизооражения указывают на ' необходимость дальнейшей интенсивной работы в данной области.

. 1. РАДИОЛОКАТОР С РЕАЛЬНОЙ АПЕРТУРОЙ

, Теоретическое и экспериментальное установление брэгговского механизма • рассеяния СВЧ радиоволн поверхностью моря дало существенный импульо исследованиям, направленным на решение задачи восстановления спектра волнения по его радиоизображению. Результатом, в частности, явилась известная теория [22,23], связывающая спектры энергонесущего волнения и его изображения, формируемого радиолокатором бокового обзора с реальной апертурой.

В этой теории не учитывалась всплоскообраоная составляющая сигнала, существенным образом проявляющаяся при работе на горизонтальной поляризации, однако для чисто брэгговского рассеяния был предложен простой способ точного восстанозления спектра энергонесущего волнения через модуляционную передаточную функцию СМПФ).

Вместе с тем известно, что спектральная плотность сантиметровой и дециметровой ряби, определяющая интенсивность брэгговского СВЧ рассеяния, далеко не всегда полностью коррелирована с энергонесущим волнением, поскольку ее пространственное распределение часто обусловлено сторонними по отношению к энергонесущему волнению процессами С выход на поверхность внутренних волн, течения, органические пленки, ветровые пятна). Это означает, что представление об универсальном характере МПФ нуждается в существенной ревизии.

Нами построена теория изображения морской поверхности, возмущенной указанными выше сторонними процессами. для радиолокатора бокового обзора с реальной апертурой [Г-3*1.

Для описания рассеяния СВЧ излучения была . использована известная двухмасштабная модель морской поверхности [3,5,7], в соответствии с которой последняя представляется в виде крупномасштабного рельефа СС?';1) энергонесуцего волнения, покрытого рябью I), обеспечивающей брэгговское рассеяние; к крупномасштабной поверхности применимо приближение Кирхгофа. Амплитуда ряби испытывает временную и пространственную модуляцию, вызванную' как энергонесущим волнением, так и сторонними процессами.

Схема бокового обзора показана на Рис.1. Исходным для анализа' явилось следующее выражение для комплексной амплитуды отраженного сигнала:

А(хЛ)

сГ [1-м2с?',и ]-игг1'г с?', , и?СР , I) •

VI)

ехрШк [(х'-х)соз^ - сС?' Л)51пч>0 + С1/2ЮСу'- VI)2]).

Здесь иС?'проекция на плоскость единичного вектора

нормали к поверхности функция описывает флуктуации

амплитуды сигнала, обусловленные энергонесущими волнами, поле крупномасштабных флуктуаций амплитуды ряби, не связанных с энергонесущим волнением. Интегрирование в С13 ведется в пределах й(х,УО - элемента разрешения радиолокатора.

Рис. 1.

Схема радиолокационного зондирования в режиме бокового обзора.

Полученный на основе (1) через корреляционную функцию флуктуаций интенсивности I = АА* пространственный спектр радиоизображения имеет вид:

шЬ = кегли с*) + V ей + V/ «.и ] + V Сх); саз

О 1 0 1 «

здесь х- пространственное волновое число, а символ " обозначает операцию свертки. Поясним смысл входящих в (2) величин.

Множитель кСй характеризует фильтрующее действие элемента разрешения радиолокатора, он кмзет максиму?/ в куле и быстро спадает при х^г2п/йх или у >сгуку.

№(5) - пространстзе.чнч": спехтр флуктуаций й<?1 сечения рассеяния радиолокационного сигнала, обусловленных знергоносущим волнением. Эти флуктуации вызваны модуляцией сигнала наклонами крупных волн, а также гидродинамической модуляцией ряби неравномерностью ее распределения по профилю крупной волны. Линейное приближение для зависимости Да0 от наклона (или от возвышения) крупномасштабной поверхности "С?, О приводит г. простой связи:

УоСх) = ТСуЗКСХ),

где И(х) - пространственный спектр возвышений поверхности с. а ТСх) - модуляционная передаточная функция, явный енд которой сч. в [23].

г^Сй - спектр поля = Г > - флуктуаций интенсивности ряби, вызванных сторонними процесса;«!;

V/ Сх) - спектр спекл-шума, присутствующего в радиоизобрагепян в виде пятнистой структуры с характерными размера:« пятен йх з направлении х и \/г в направлении у.

Временные флуктуации с характерным масштабом г обусловлены когерентным сложением сигналов, приходящих в приемник с различными доплеровскими частотами, ширина спектра которых определяется, во-первых, разбросом орбитальных скоростей в пределах элемента разрешение радиолокатора, и, во-вторых, скоростью носителя и угловой ширине.'; диаграммы направленности антенны в азимутальной плоскости. Соответствующая ширина спектра флуктуаций амплитуды суммарного сигнала на волне х оценивается выражением [3*]:

лГам Гц= С1/гхМС4-тг>г +

где 6=Лу'2Р - угловая полуширина диаграммы направленности, ч = Н (пд/2д) 1/г(51п> + соз2Ф СОБ^ )иг

г I т0 О

среднеквадратическое значение радиальной составляющей орбитальной скорости в энергонесущем волнении, значительная высота которого Н^ и характерная длина волны л; ф - угол между генеральным направлением распространения волн и осью х, д=9,8м/с\ Для Н^Зм, л=100м, ф0=20°, ф =45° получаем а» 0,9м/с. В этих условиях при х=3см, У=200м/с, 6=0,5° для ширины спектра флуктуация амплитуды радиолокационного сигнала получаем оценку й^ам" ^ОГц, а неподвижного локатора СУ=03 йГам» 50Гц, что вполне согласуется с экспериментом Сем., например [24,251).

Присутствие в С2) свертки спектров №0 и V обусловлено неаддитивностью флуктуации сигнала, вызванных энергонесущим волнением и сторонними возмущениями ряби. Физический смысл этого члена легко проясняется, если предположить, что энергонесущее волнение представляет собой монохроматическую зыбь:

У/с(2) ^ ^ 6(5? Зо) .

Тогда

Ув У л,УУСх±х)+У УГСХ т х ) ,

0 1 ~ 1 О ¿ I о

± г

где х {х , х - о /V), а - собственная частота зыби. Таким

О Ох' Оу о О

образом, в радиоизображении присутствует спектр сторонних неоднородностей ряби, смещенный на "несущую" пространственную частоту зыби, какой она (частота) фиксируется радиолокатором, движущимся с конечной скоростью. Следовательно, эти неоднородности проявляются не только в той области спектра изображения, которая соответствует их размерам, но и в более высокочастотной области энергонесущего волнения.

В качестве примера такой ситуации на Рис.2 и 3 приведены спектры радиоизображения двух соседних участков океанской поверхности; изображения получены во время экспедиции ИПФ РАН в

С*!

'■ал

&

■ V'

. . V

Рис.2. Спектр радиоизображения океанической зыби; коиаСелькыЯ радиолокатор с реальной апертурой, х = 3,2см, вертикально поляризованный сигнал.

¡И

I'

лшв;

п

ш.

ЛТ:Й . Г"*!

Рис.3. То же, что на Рис.£ но в присутствии слабых внутренних волн.

Атлантический океан (1992 г.). Океаническая зыбь проявляется на Рис.2 в четном спектре радиоизображения в виде пары острых пиков. Та же зыбь на Рис. 3 при появлении не очень интенсивных внутренних волн, которым соответствует приподнятый участок в низкочастотной области спектра, выглядит существенно по-иному - пики расширились, что связано с наличием свертки спектров зыби и внутренних волн, которая накладывается на собственно спектр изображения зыби, показанный на Рис.2.

Приведенный пример - наглядная иллюстрация необходимости осторожного подхода к интерпретации результатов радиолокационной съемки энергонесущего волнения, поскольку после фильтрации высокочастотного спекл-шума спектры волнения и его >радиоизображения могут оказаться связанными, между собой не через МПФ, а посредством интегрального уравнения Фредгольма 2-го рода с ядром, интегрального оператора

ФСх"- *') = W5(x - *•) ,

т. е. возникает известная в дистанционном зондировании некорректная обратная задача [26], в данном случае двумерная.

Подставив в формулу С 2) явные выражения для входящих в нее спектров [3*], можно оценить S/N - отношение сигнал/шум в радиолокационном изображении морской поверхности при обнаружении, например, внутренних волн, создающих на поверхности гидродинамические контрасты заданных размеров и величины. Оценки показывают, что для радиолокатора с реальной апертурой S/N определяется _ в первую очередь реальными фоновыми гидродинамическими контрастами. Последние часто бывают связаны с флуктуациями скорости приводного ветра, которые "отпечатываются" на поверхности в виде пятен ас различной интенсивностью ряби и переносятся в радиолокационный сигнал. В этом случае отношение сигнал/шум может бьлсь существенно увеличено с помощью следующей процедуры:

а' = а - ри ,

где а и и соответственно амплитуда сигнала и скорость приводного ветра, приведенные к стандартному виду С нулевое среднее и единичная дисперсия), р - коэффициент их взаимной корреляции; нетрудно убедиться в том, что корреляция негру а' сигналом после обработки и скоростью ветра оказывается нулевой. Указанная процедура применялась нами при «• ^работке радиолокационных сигналов б ходе корабельных эксперимрнтгг*, когда датчик скорости ветра и облучаемый участок поверхности не очень далеко разнесен:-! в пространстве [4',5'].

II. РАДИОЛОКАТОР С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ

Радиолокатор с синтезированной апертурой СРСА) позволяет получить изображение подстилающей поверхности с большой дальности, в частности, из космоса, когда требуемое разрешение не может быть достигнуто за счет увеличения раскрьгаа антенн1.'

Обратимся вновь к рис.1, полагая на этот раз, что сбоор морской поверхности осуществляется посредством РСА. Высокое разрешение по азимутальной координате у достигается путем когерентной обработки принятого сигнала, осуществляемой с помедья следующей операции:

ид1 /2

Г ° ,

А (1) ~ | с11'Аа,)ехг)[-1Ск/Р.)\''-ач,)-3 . СЗ)

1

/2

С

Здесь А к А' - комплексные амплитуды отраженного и синтезированного сигналов. - гремя сишезнровани т. Как

известно, в случае неподвижней подстилающей поверхности операция (3) приводит к тому, что что вклад з Л дает не все осрощенпое пятно, а лишь часть его, сосредоточенная вблизи у = VI и ограниченная по у размером ¿у = >.Р/2Уд1 .

Однако как инструмент изучения морской поверхности Р Л отнюдь

не эквивалентен радиолокатору с реальной апертурой, обладающему гипотетическим сверхвысоким разрешением. Вопрос о структуре РСА-изобракения морской поверхности очень непрост и является предметом дискуссии в течение почти двух десятилетий (см. обзоры [27,28]). Суть проблемы состоит в том, что действительная эволюция фазы сигнала, отраженного от фиксированного элемента морской поверхности, вследствие случайного движения этого элемента в поле волнения отличается от той, что закладывается в процедуру согласованной фильтрации СЗ).

Если исходить из представления об РСА как о линейной системе, то нетрудно понять, что связанные с волнением эффекты - это сдвиг и уширение элемента разрешения РСА. Однако эти эффекты дают лишь начальные представления о работе РСА по морской поверхности. Как показывает более подробный анализ, механизм формирования изображения в подавляющем большинстве случаев является существенно нелинейным.

Применение операции (3) к (1), где для простоты положено F =1. приводит к следующему результату для корреляционной функции флуктуаций интенсивности I = АсА* [6*-11*]:

Кр-. = К + К ,

рсл i 1 '

где К описывает спекл-шум - пятнистую структуру с характерными размерами пятен дх в направлении х и дус в направлении у, а К представляет собой собственно корреляционную функцию изображения волнения.

к, = a cx,t)i сх+р л+т)> - <i сх,и>2 ,

I 1 1 X 1

г

It(x.t) = I dy'FCx.y' , tJsinc2wCx,y'U ,

(4)

д у v J

wCx,y\t) = (я/дус)[Vt - у'- CR/V)vrCx,y\t)] ,

sine w = (sin w)/w ;

здесь - радиальная составляющая орбитальной скорости. ГС?, О-функцня, опи-жкайвая яоя'/.тдцпо сечешь: рассеяния энергонесущим волнением. 1!;::: выводе '.4.' предполагалось, что и Т, где Т '•« Юс -характерны:: период крупнел еолны, :: ¿.ч « л

Существенная для интегрирования I5 I, область состоит из нескольких 'хдсоластеп, где функция №.у'} близка г. нулю. Эти подобласти юенолоу^ч:: вблизи точек V , являющихся корнями уравнения

VI - у' = § уду-) , СЗ)

где V - сглаженная по масштабам г су кривая у Су'). Таким

г -1 с • г

образом, интся'рал I суммирует сигналы от нескольких участков морской поверхности, изображения которых случайным образом смещаются и накладываются одно на другое. Число таких участков равно N - числу корней уравнения С5), т.е. числу пересечений прямей и случайного процесса КIV /V.

Интеграл I ■ можно приближенно представить в виде

V /

ГСх, у'.О

И

с 6)

V (.у

Сздесь и в дальнейшем фигурируют лишь сглаженные ве.ъгшны, поэтому в обозначениях V и у верхний значок опушен).

Из формулы (6) видно, чгг флуктуации величины I., посредством которых формируется изеорт'япге волнения, вызваны еле-гуащимн причинами.

1. Флуктуации модулируй, л функции ЕСГЛ). Если рассматривать ? С или радиолокационное сечение ргсс-?я".и? ? ? каг линейную функция возвышений поверхности с. ссот?етсгьупг:н: механизм формирования изображения является лялэйяг:. Этот »«ахание:: - общий для РСА I! радиолокатора с реально:' апертуре:!, я? ич?" л ля последнего он является определяющим Сем. выке).

2 Флуктуации производной . Сака по 5с эт;. величина

линейна в силу лянеиностк сянеп-о ссотв'.тсгзугг' • механизм

является линейным лишь при малых значениях /эу).

3. Флуктуации величины N. Это чисто нелинейные флуктуации, т.к. N - результат нелинейного преобразования спектра орбитальных скоростей.

Первые два механизма широко обсуждались в литературе (см. обзор [27]). На основе утверждения о линейности РСЛ-изображения при малых значениях параметра р = &; /Ул строилась процедура восстановления спектра волнения при посредстве МГ1Ф, модифицированной для РСА [29]. При этом в качестве доказательства линейности привлекался тот факт, что в РСА-изображении как правило отсутствуют высшие гармоники основной энергонесущей волны. Третий механизм не обсуждался вообще, поскольку всюду неявно предполагалось, что N практически не отличается от единицы.

Вместе с тем результаты многочисленных экспериментов как натурных, так и численных (по методу Монте Карло) убедили ряд известных специалистов (см., например,[30,31]) в том, что механизм формирования РСА-изображения морской поверхности существенно нелинейный. Об этом свидетельствуют такие эффекты как значительное "побеление" спектра изображения по сравнению с исходным спектром волнения, расширение спектрального максимума и поворот радиус-вектора центра тяжести спектра в радиальном направлении. Таким образом, необходимость дальнейшего теоретического анализа представляется очевидной."

В случае однонаправленного волнения, распространяющегося в азимутальном (вдоль или против оси у) направлении, Р « 1 и формула (6) может быть преобразована к виду:

I ] ~ N + 0( /з) ;

второй член при малых р дает оценку вклада линейных флуктуаций.

Нами проведен расчет спектра нелинейных флуктуаций изображения, обусловленных флуктуациями величины М, для азимутально распространяющегося волнения.

Исходя из положений теории нелинейных преобразований случайных процессов [32], можно показать, что в случае

гауссовского процесса у \.у)

-М> - ¿/2г. pey.pl <2/2 + егШ2/? ,

Л1 -К-'СО)]1'2 = р---1--- ; С 7)

здесь К'^- вторая производная с: * .-г: • лтцконнсй функции процесса V Су). Для корреляционной функцн.!

КяС\'г) = ч№.у)МСу + Ут) л

также в соответствии с [32] можно записать:

К СУт) = [\йу бу„

.и 1 -

^П^рКУ/ЮСу-у,), СУ/ЮСу+Ут-у,);

С8)

п,- С У/К), г,„- СУ/Р.)] ,

где п = Сс!Уг/с1у) + СУ'.-Р.), р[ УгСу,), V Су„); уЧу ), уЧу„)] - совместная плотность вероятности процесса УгСу) и его производной в точках у и у,.

Спектр нелинейных флуктуации РСА-изсбражения находился как фурье-преобразование от функции К (Ут) - <Л1>':. Б случае гауссовского процесса правая часть С8) может быть дважды проинтегрирована по одной из переменных каждой пары у , п, и У, г'?, . после чего получившийся двойной интеграл находился численно.

Основой для расчетов послужила модель спектра энергснесущего волнения, полученная в натурном эксперименте .ЮНБУАР [33] и представляющая собой модификацию спектра Пирсона-МоскоЕнтца на случаи развивающегося ветрового волнения и зыби.

Прямое сравнение интенсивности флуктуаций, обусловленных тремя вышеперечисленными механизмами, показало, что практически во всех реальных ситуациях именно нелинейные флуктуации являются определяющими [12*,13*], как это и следует из анализа эксперимен-

тальных данных. На Рис.4-6 представлены результаты расчета спектров нелинейных флуктуаций для ветрового волнения (развитого и развивающегося) и зыби. Максимум спектра изображения в общем случае смещен относительно максимума спектра волнения, причем с ростом р он перемещается в низкочастотную область и становится менее выраженным, т.е. спектр "белеет". Очевидно, это смещение при неазимутальном распространении волн приводит к отмеченному в эксперименте повороту радиус-вектора центра тяжести спектра изображения в радиальном направлении. На Рис.7 показана теоретическая зависимость от р величины ЛРСА/Л . где лгсл - длина волны, соответствующая максимуму спектра изображения. Здесь же представлены результаты натурного эксперимента ЛАБШ [39] с космическим РСА "£еаБа1".

Полученная в наших расчетах немонотонная зависимость величины спектрального максимума от р хорошо подтверждается численным экспериментом, проведенным по методу Монте Карло [35].

Как видно из Рис.4-6, выраженная вторая гармоника главного спектрального максимума появляется лишь при чрезвычайно узкополосном волнении и при малых р С в этом случае процесс N(7) также становится квазипериодическим). Таким образом, обычное отсутствие гармоник не может быть признано аргументом в пользу линейности механизма РСА-изображения морской поверхности. Заметим, что и в [36] вторая гармоника проявилась лишь в случае весьма узкополосной зыби.

Сильная нелинейность механизма изображения делает проблематичным прямое восстановление спектра волнения во всех его деталях - более реальной нам представляется возможность восстановления параметров модельного спектра [7*].

Вернемся к задаче регистрации проявлений сторонних по отношению к энергонесущему волнению процессов, в частности, внутренних волн. Профильтруем радиоизображение поверхности, оставив лишь ту область спектра, где V (х) * 0; пусть эта область, которую назовем информативной, имеет размер Дх . Напомним, что спектр контрастов V/ (3) - это пространственный спектр флуктуаций функции ГС?), описывающей модуляцию интенсивности сантиметровой или лециметговой ряби, возмущенной внутренними волнами. С учетом

Рис. 4. Спектр РСА-изображения развитого ветрового волнения С теория); а - р=0,5, Ь - (?=0,25 , с - р=0,17; пунктир - спектр возвышений поверхности.

Рис.5. То же для развивающегося волнения. Рис. 6. То же для зыби.

Рис.7.

Сдвиг максимума спектра в РСА-изображении поверхности океана. Сплошная кривая - теория С развитое волнение). Точки - результаты натурного эксперимента ЛАБШ [34] с космическим РСА "Беаза!." -отношение у-компонент волновых векторов доминантных волн на поверхности и в изображении. Цифры в скобках обозначают разнесение во времени (час) и в пространстве Скм) контактных и радиолокационных измерений. Отметим, что две "вылетевшие" точки получены при больших разнесениях.

результатов предыдущего раздела отношение сигнал/шум в фильтрованном изображении записывается в виде:

■rCl-j-WCJ J ix J CS/N)»..—!-" инф и"ф- , C9J

р-а i?" + w (. у л)дх to' „ i n инф инф 1,инф

где = чС F1— < F л > J ~ > - мощность контрастов, создаваемых внутренней волной, с^ и ин - определенные по информативной области мощности фоновых контрастов и спекл-шума, WNCJ,1H}) спектральная плотность нелинейных флуктуация РСА-изсбражения энергонесущих волн, усредненная по информативной спектральной области.

Оценим С S/Ю рСД для P./V = 35с С космический PGA SIR-B. США). При аг= 0,5м/с и л = 100м получаем ß = 0,175. Рассмотрим неблагоприятный для обнаружения случай, когда наблюдение ведется вдоль фронтов энергонесущих волн, причем внутренние волны распространяются в попутном или обратном по отношению к поверхностным волнам направлении. Обратившись к результатам расчета спектра W„ для развитого волнения, при ß = 0,17 и * ,/х

* н ин™ я

= 0,2 (х = 2я/л) получаем CS/N)

FCA ^ + 2-Ю'

ч

Следовательно, в отсутствие Фоноеых гидродинамических контрастов, т.е. при = 0, внутренние волны длины лвпг 0,5км, создающие на поверхности контрасты порядка 1дБ, обеспечивают отношение сигнал/ шум в фильтрованном изображении (БЛ1) ь 1.

III. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Сложность задачи выделения на радиолокационном изображении морской поверхности проявлений слабоинтенсивных процессов

С внутренние волны малой амплитуды, слабые течения) обусловлена значительной нестационарностьп фона и наличием фоновых контрастов как реальных гидродинамических, так и "аппаратурных", обусловленных рассмотренными выше особенностями формирования радиоизображения.

Процессы, вызывающие возмущения спектра- волнения, зачастую сами имеют волновую природу. Поэтому спектральный подход к данной задаче является вполне естественным, хотя и не единственно возможным. Однако в случае коротких (два-три периода) цугов внутренних волн и, тем более, отдельных сликов применение обычной линейной оценки спектра приводит к тому, что соответствующая статистика сильно флуктуирует и качество классификации ситуаций оказывается невысоким. Известно однако, что для коротких реализаций исследуемого сигнала хорошие результаты дают нелинейные методы спектрального оценивания [37], получившие в настоящее время применение в различных областях науки и, в частности, в океанологии [38].

Мы провели моделирование алгоритма обнаружения, основанного на нелинейной авторегрессионной оценке спектра [14*]. Моделировалась одномерная реализация радиолокационного СВЧ сигнала, промодулированного волнением (зыбью), с мультипликативным рэлеевским шумом. Предполагалось, что обнаружению подлежит отдельный слик, вызывающий падение амплитуды сигнала на 1дБ или ЗдБ. Фон рассматривался либо однородный (фоновые слики отсутствуют), либо неоднородный, когда требуется обнаружить слик на фоне сликов такой же формы, но менее интенсивных. Авторегрессионная оценка спектра вычислялась по формуле:

р

БдрСП = 2о2|1 + £ апехр(2!йГп) |'г ; СЮ)

п ■ 1

мощность белого шума а2 и коэффициенты ап авторегрессионного фильтра длины р находились из системы уравнений Юла-Уокера [37].

Всего было промоделировано 4500 реализаций сигнала. Результаты показали, в частности, что вероятность обнаружения слика, вызывающего падение амплитуды сигнала на ЗдБ, на фоне вдвое менее интенсивных сликов составляет 0,9 при уровне ложной

тревоги 0,05. Если использовать обычную линейную оценку спектра, то вероятность обнаружения при тех же условиях составляет 0,6.

К сожалению, нам не удалось провести столь же подробный анализ для двумерной авторегрессионной оценки спектра веиду резко возрастающего объема и сложности вычислений. Здесь пришлось ограничиться лишь отдельными примерами, иллюстрирующими перспективность применения методов двумерного нелинейного спектрального анализа к обработке панорам радиоизображения. Так на Рис.8 показан пример авторегрессионной оценки С некаузальный вариант, см. [37]), полученной на массиве чисел, моделирующем двумерную панораму радиоизображения морской поверхности. Пик в центре спектра отражает факт наличия слика, приводящего к падению амплитуды радиолокационного сигнала на ЗдБ.

№

-И

N..

I ' •• - -

# г. % Ц». |и>ч

двумерная авторегрессионнал оценка спектра радиоизобрзт.ения морской поверхности Счкслешгсс моделирование).

Как уже отмечалось, спектральный подход к данной задаче отнюдь не исчерпывает всех возможностей. В частности, подход, основанный на использовании статистических моментов интенсивности отраженного сигнала [15*], позволяет построить параметрический алгоритм обнаружения, основанный на фишеровской статистике, которая в данном случае представляет собой отношение дисперсий логарифма интенсивности сигнала, отраженного от двух соседних участков поверхности.

Однако параметрические алгоритмы обнаружения требуют точного знания фонового распределения статистики, что практически невозможно из-за нестационарности волнения. Поэтому удовлетворительные результаты вероятностного анализа параметрических алгоритмов следует рассматривать скорее как статистическое обоснование информативности параметров, оцениваемых с помощью той или иной статистики, нежели аргумент в пользу практического их С алгоритмов) применения.

Нами С совместно с 3. А. Борсутским) был предложен и проанализирован непараметрический алгоритм, обеспечивающий заданный уровень ложной тревоги вне зависимости от конкретного вида распределения фоновой статистики [16*]. Единственное требование -сохранение этого распределения на обследуемом участке поверхности в течение короткого времени пролета носителя РЛС. Суть метода мы изложим применительно к задаче обнаружения цуга внутренних волн, причем для определенности будем ориентироваться на спектральную статистику.

На Рис.9 заштрихована информативная область, где отличен от нуля спектр контрастов, обусловленных внутренней волной, распространяющейся в направлении гс/4 или 5я/4 по отношению к оси х. Точки соответствуют некоррелированным значениям оценки спектральной плотности, частота их расположения определяется либо размером пространственного окна С для линейной оценки), либо длиной фильтра Савторегрессионная оценка). В этой области определим спектральную статистику

п

2 = I ^ ,

Рис. 9.

Информативная область спектра, соответствующая цугу внутренних волн, распространяющихся вблизи направления о относительно оси х.

-£'/ -

где - некоррелированные значения оценки спектрально;: плотности, г, - весовые коэффициенты, М - число точек в пределах информативной области.

Панорама радиоизображения обследуемого участка морской поверхности может сыть полностью покрыта пространственным:: окнами, которые либо не перекрываются, либо перекрываются достаточно слабо, чтобы значения статистики з, вычисленные в сосед"их окнах, можно было считать независимым]!; пусть таких окон всего N. Путь цуг внутренних волн движется в направлении <с, т.е. волновые фронты ориентированы в направлении ф ± п/2, и длина фронтов такова, что область внутренних волн покрывается 1 окнами. Если панораму радиоизображения просканировать окном в направлении, параллельном направлению волновых фронтов, и при каждом положении окна вычислить статистику 5, то в результате получим последовательность N чисел, в которой 1 следующих один за другим членов будут в статистическом смысле отличаться от остальных. Таким образом,. приходим к следующей задаче [16*].

Имеется выборка независимых значений статистики

в, , , 5Э ,. . . 5В . СИ)

Требуется проверить гипотезу Но , состоящую в том, что Есе элементы выборки имеют одно и то же распределение р0С5), пррЦэтив альтернативы Н) , при которой элементы б ,...5 ^ , где J неизвестный, а 1 известный параметры, • имеют распределение Р,СБ) .

Расположим элементы выборки С11) в порядке их возрастания и в получившейся упорядоченной последовательности выделим я последних элементов. Пусть минимальный из них имеет величину э'4'. Элементы б г б'4' расположим в порядке возрастания их индексов, которые С индексы) затем переобозначим через ак:

а, , а, , а ... а . С12)

Для членов последовательности 1.12), начиная со второго, введем функцию:

V -:

= У.

{ о

ч

(а

£ 1-и

г 1-1)

к т

очевидно, 0 есть число элементов выборки СП), удовлетворяющих условию з!э> и расположенных компактно вблизи элемента с индексом а на удалении от него, не превышающем 1-1.

Введем статистику Т^Чэ,.. . з ) = шах 0к и будем считать, что гипотеза Но отвергается и принимается альтернатива Н1 , если Т!,,2: с. Достижение или превышение порога с означает, что в выборке СИ) содержится достаточно большая группа юмиактно расположенных больших по величине элементов, при этом определяется и местоположение этой группы в выборке.

Оценка сверху уровня значимости теста (вероятности ложной тревоги) дается выражением [ 15']Сполучено 3.А. Еорсутским::

1-1

Р = 1 - [1 - (С)"1 У С1"0'1 (Г-2 ]с,-с'1 , С13

ЛТ N ¿,4-1 1-1

1 Я-1

где С - биномиальные коэффициенты. Существенно то, что С и), как и положено для рангового алгоритма, не зависит от фонового распределения Р0Сб). В данном случае граничное значение статистики б, которое отделяет я максимальных элементов выборки С11) от остальных, но фиксировано, - этот порог автоматически подстраивается под любое реализующееся в эксперименте фоновое распределение, оставляя при этом неизменной вероятность ложной тревоги.

Оценка снизу мощности теста (вероятности обнаружения'1:

Рк = 1С'*с У С' 05 Р (5)Р'(5)Р'"С(5)-

-о 5 н 1 -1 ¿_ н -1 а 1

I »и -1 - 1«с -Т1

С14.

■[1 - Р Сб) ] [1 - Р С^Г-1. Р(г)

О 1

р(Б')б5' .

В реальной ситуации, когда направление распространения цуга внутренних волн заранее не известно, процедура обнаружения строится следующим образом.

Панорама радиоизображения обследуемого участка покрывается неперекрывающимися или слабоперекрывающимися в указанном Еыше смысле пространственными окнами и по каждому из этих N окон находится оценка спектра - линейная или нелинейная.

Для произвольного направления распространения цуга ф в каждом окне вычисляется статистика s*, после чего формируется упорядоченная (неубывающая) последовательность, из которой выделяются q последних членов. Положения центров соответствующих q окон отмечаются на панораме точками. Если оказывается, что с или оолее точек компактно расположены вблизи прямой линии«, ориентированной в направлении ф ± п/2, то принимается решение о наличии цуга. Затем предполагаемое направление распространения и соответственно ориентация информативного сектора спектра изменяются на величину м>, после чего процедура повторяется - в общей сложности я.-дф раз. Величина д» выбирается так, чтобы при повороте информативного сектора спектра не были пропущены составляющие спектра внутренних волн, т.е. дф s д» , где да - угловая ширина информативного сектора спектра (см. Рис.9). Таким образом, проводится п = тийч испытании, в каждом из которых вероятность ложной тревоги Рлт. Полная вероятность находится через распределение Еернулли:

р = у cn'F"' tl - F У

in /_ I, in ИТ

Вычисления по формулам (13) и (14) проводились для р Сз) и Р,(б), заданных в виде связанных с распределением "хи-квадрат" экспоненциальных распределений с параметрами о =- М и р = (Б/Ы + I)"1. Строго говоря, распределение "хи-квадрат" справедливо для линейных спектральных сценок (напомним, что И - количество некоррелированных спектральных составляющих в пределах информативного участка спектра, которое в случае линейной оценки

определяется размером пространственного OKHaj. Стнсеительно нелинейных оценок в настоящее время известно лишь, что в асимптотике, т.е. при достаточно длинных реализациях сигнала, значения М в обоих случаях совпадают, в то время как для коротких реализаций М ->М . Поэтому приведенные на Рис.10 результаты расчета следует рассматривать как нижние сценки вероятности обнаружения

Для конкретной оценки вероятностных характеристик предложенного алгоритма были выбраны следующие параметры N =100, q =20, 1 = с = 6. При неперекрывающихся окнах размером . 5х5кмг ото соответствует случаю, когда обрабатывается панорама оОхЗОкм2, выбранное значение параметра 1 соответствует длине фронте цуга внутренней волны »,35км. Для вероятности ложной тревоги ' Формула (13) дает значение Рпт* 10"г. Если длины волн в цуге s 1км, а отношение поперечного и продольного С по отношению к фронту) масштабов пространственной модуляции ряби * 1/3, то при заданном размере окна для линейной спектральной сценки М » 7 и из графиков Рис.10 для S/N « 1 - 1,5 находим Р - « 0,7-0,8.

—ООН

Таким образом, вероятностный анализ рассмотренного непараметрического алгоритма показал, что РСА с параметрами SIR-B способен обнаружить из космоса цуг внутренней волны, создающей на поверхности гидродинамические контрасты порядка 1дБ, с указанны;.« выше характеристикам! обнаружения.

Данный алгоритм успешно применялся при обработке панорам радиоизображэния морской и океанской поверхности, полученных с помощью корабельных и аэрскосмических радиолокаторов.

IV. Д0ПЛЕР0ВСКШ СПЕКТР РАДИОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА СВЧ ДИАПАЗОНА, РАССЕЯННОГО МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Доплеровский спектр рассеянного сигнала является одной из главных его характеристик; как видно из предыдущего, именно доплеровские свойства отраженного сигнала полностью определяют механизм формирования изображения морской поверхности для РСА и

Рис. 10.

Вероятность обнаружения внутренней волны как функция отношения сигнал4' шум.

частично для радиолокатора с реальной апертурой. Тем не менее непосредственному изучению доплеровского спектра посвящено сравнительно небольшое число работ [8,39,40], в которых рассматривалось лишь орэгговсксе рассеяние.

Нами построена теория доплеровского спектра, учитывающая как брэгговскую, так и квазизеркальную составляющие рассеянного сигнала [17*,18*], причем анализ проводился с использованием наиболее полных моделей спектра волнения типа J0NSWAP.

Спектр сигнала находился как фурье-пресбразование от временной корреляционной функции

КСт) = <A(t)A*(t + т)> ,

где А - комплексная амплитуда отраженного поля. Брэгговская компонента комплексной амплитуды определялась выражением (1), где положено F = 1, а квазизеркальная записывалась в приближении Кирхгофа:

г

Акз = B|d?'exp(2ik [Сх'-x)sin»o- ,t)cos»0+ Cl/2RKy'-Vt)2]>;

л С15)

коэффициент В обеспечивает правильное соотношение между сечениями рассеяния для обеих компонент, ?0 = п/2 ~v0 - угол падения.

Не выписывая получившиеся громоздкие формулы Сем.[18*]), отметим основные особенности доплеровских спектров.

Учет влияния модуляции амплитуды сигнала, отраженного от различных участков профиля крупной волны, приводит к асимметрии брэгговского спектра и смещению его центра тяжести относительно нулевой частоты даже при симметричном с нулевым средним распределении орбитальных скоростей С асимметрия и смещение спектра отмечены также в [8], где расчет проводился для детерминированной модели трохоидальной волны). Эти эффекты будут выражены значительно сильнее при скользящем падении, когда появляются затенения поверхности Со возможности их учета при расчете доплеровского спектра см. в [19*1).

В области углов падения, где две составляющие спектра

сравнимы по величине, смещение квазизеркальной составляющей как правило больше, нежели брэгговской, поскольку скорость перемещения квазизеркальных элементов крупномасштабного рельефа определяется фазовыми скоростями крупных волн, превышающими орбитальные скорости, с которыми движется резонансная рябь.

На Рис.11 представлены результаты сравнения теоретических и экспериментальных значений ширины спектра, свидетельствующие об адекватности теории доплеровского спектра, а следовательно, и оснований теории радиоизображения при умеренном волнении, поскольку в обоих случаях исходным было одно и то же выражение

си.

Как результаты расчетов, так и экспериментальные данные показывают высокую чувствительность параметров доплеровского спектра к характеристикам волнения. Так, из Рис.12 следует, что на азимутальных углах 0°-30° точность определения средней высоты волны Ь , усредненная по интервалу Ь = 0,2 - 1м, составляет ±0,05м.

Обратим внимание на Рис.13, где показан суммарный спектр, состоящий из двух компонент.. Очевидно, при появлении на поверхности сликов форма спектра кардинальным образом меняется вследствие изменения соотношения между брэгговской и квазизеркальной компонентами отраженного сигнала.

По ширине бкз квазизеркальной компоненты спектра можно оценить характерное время существования гкэ ^ зеркального

элемента поверхности, который в РСА-изображении дает ориентированную в азимутальном направлении яркую полоску длиной 1 » хР.'2Ут1(з , что неоднократно наблюдалось в экспериментах 141,42]. С точки зрения задачи восстановления спектра волнения эти полоски являются помехой, которая, впрочем, легко идентифицируется. Однако при больших углах падения и горизонтальной поляризации зондирующего излучения они несут полезную гидрофизическую информацию о частоте и характерных временах обрушений в интенсивном волнении.

Рис. И.

Сравнение теоретических и экспериментальных значении ширины дсплеровского спектра на уровне -ЮдБ. Кружки (х=3,2см) -данные ЦНПО "Комета", треугольники Сх=3,2см3 и крестики (х=7см) - данные [40]; вертикально поляризованный сигнал.

• Рис.12.

Зависимость ширины доплеровского спектра на уровне -ЮдБ от средней высоты волнения для разных азимутальных углов, х=3,2см.Сплошные кривые - теория; крестики (ф=30°), квадратики (ф=40°) и кружки С«=60- экспериментальные данные ЦНПО "Комета" и [40].

Рис. 13.

Доплеровский спектр сигнала (теория, х=3,2см) на угле «а-дения ^,=23°, скорость ветра 6м/с. Спектр состоит из двух компонент - йрзггоЕской (Бб ) и квазизеркальной (5 ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя ощий итог, можно заключить, что данная диссертация в значительной степени сняла обозначенные в разделе "Актуальность" трудности, поскольку в ней:

- дано решение прямой задачи, т.е. установлена связь между спектрами волнения и его радиоизображения для РСА и радиолокатора бокового обзора с реальной апертурой, без чего невозможно продвижение к решению обратной задачи;

- получено и исследовано отношение сигнал/шум в радиоизображении поверхности океана, являющееся ключевым параметром для вероятностного анализа алгоритмов регистрации слабоконтрастных проявлений внутриокеанических процессов;

- предложен и исследован конкретный алгоритм регистрации внутренних волн малой амплитуды, сохраняющий постоянным уровень ложной тревоги вне зависимости от состояния поверхности.

Что касается построенной в диссертации теории доплеровского спектра, то ее экспериментальное подтверждение явилось в то же время подтверждением исходных положений теории формирования радиоизображения поверхности океана.

Автор выражает глубокую благодарность Д.М.Браво-Животовскому, Л. С. Долину и Ю. М.Жидко за всестороннюю помощь и поддержку, а также Л.В.Новикову и В.Ю.Караеву, выполнившим большую вычислительную работу.

ЛИТЕРАТУРА

1. D.D.Crombie. Doppler spectrum of sea echo at 13.56 Mc/s. Nature, 1955, v. 175, p. 681.

2. Радиоокеанографические исследования морского ъолнения Спод ред. С. Я. Брауде). Киев, изд. АН УССР, 1962.

3. F.G.Bass, I.M.Fuks, A.I.Kalmykov et al. Very high frequency radiowave scattering by a disturbed sea surface. IEEE Trans.on Ant. and Prop. , 1968, AP-16, p. 554.

4. С. Г. Зубкович. Статистические характеристики сигналов, отраженных от земной поверхности. Сов.Радио, М., 1968, 223с.

5. Ф. Г. Басс, И. М. Фукс. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. Наука, М. , 1972, 424с.

6. А.А.Эагородников. Радиолокационная съемка морского волнения с летательных аппаратов. Гидрометеоиздат, Л., 1978, 239с.

7. G.R.Valenzuela. Theories for the interaction of electromagnetic and oceanic waves - a review. Boundary-Layer Meteorology, 1978, v. 13, p.61.

8. А. Д. Розёнберг. Исследование морской поверхности радио и акустическими методами. Докт.дисс. , ИО АН СССР, М. , 1980.

9. A. I. Kalmykov et. al. Some features of radar monitoring of the oceanic surface from aerospace platforms. Int.J.Remote Sens., 1982, v.3p.311.

10. Д.M.Ераво-Й1вотовский и др. Исследование воздействия океанских внутренних волн на поверхностное волнение дистанционными методами. ДАН СССР, 1982, т. 265, N2, с. 457.

И. А.И.Калмыков. Определение рассеивающих свойств поверхности моря в радиодиапазоне и их применения. Докт.дисс., Харьковский госуниверситет,.1984.

12. К. И.-Воляк. Дистанционное зондирование и модели нелинейных волн в океане. Докт. дисс. , ИОФ АН СССР, М. 1984.

13. R.K.Moore. P.adar sensing of the ocean. IEEE I. Oceanic Engineering, 1985, v.OE-lO, N2, p. 84.

14. Journ.Geophys.Res.Cspecial issue on Seasat-A1,1983, v.88, NC3.

15. Journ. Geophys.Res.Cspecial issue on SIR-B), 1938. v. 93, NC12.

16. А.И.Калмыков и др. Радиолокация поверхности Земли из космоса. Л. ,Гидрометеоиздат, 1990.

17. П.0.Салганик, Г.А.Ефремов, Л.Б.Неронский и др. Радиолокационное зондирование Земли с ИСЗ "Космос-1870". Исслед Земли из космоса, 1990, N2, с.70.

18. В.Н. Челомей, Г. А: Ефремов, К. Ц. Литовченко и др. Радиолокация морской поверхности с еысоким разрешением с ИСЗ "Космос-1870", Исслед. Земли из'космоса, 1990, N2, с.80.

19. J.F. Vesecky, P.. Н. Stewart. The observation of ocean surface phenomena using imagery from the SEASAT synthetic aperture radar. Journ.Geophys.Res. 1982, v.87, NCS, p.3397.

20. R.F.Gasparovic, J.R.Apel, D.R.Thompson, and J.S.Tochko. A com-parision of SIR-B synthetic aperture radar data with ocean internal wave measurements. Science, 1986, v. 232, N4757, p.1529.

21. J.D.Lyden, R.R.Hammond, D.R.Lysenga, and R.A.Shuchman. Synthetic aperture radar imaging of surface ship wakes.

Journ.Geophys.Res. 1988, v.93, NC10, p.12,293.

22. W. R. Alpers. and K. Hasselmann. The two-frequency microwave technique for measuring ocean-wave spectra from an airplane and satellite. Boundary-Layer Meteorology,■ 1978, v. 13, p.215.

23. W. R. Alpers, D.B.Ross, and C. L. Rufenach. On the detectability ocean waves by real and synthetic aperture radars.

Journ.Geophys.Res. 1981, v.86, NC7, p.6481.

24. M.Сколник Сред.). Справочник по радиолокации, т. 1, Сов.Радио, М. , 1976.

25. А.И.Калмыков, А. П.Пичугин. Особенности обнаружения неоднород-ностей морской поверхности радиолокационным методом. Изв.АН СССР, сер.ФАО, 1981, т. 17, N7, с. 754.

26. В.Ф. Турчин, В. П. Козлов,-М. С. Малкевич. Использование методов математической статистики для решения некорректных задач. УФН, 1970, т. 102, N3, с. 345.

27. К. Hasselmann, R.fC Raney, V.J. Plant et.al. Theory of SAR ocean wave imaging: the MARSEN view. Journ.Jeophys.Res. ,1985, v. 90, NC3, p.4659.

28. D.P. Kasilingam and O.H.Shemdin. Models for synthetic aperture radar imaging of the ocean: a comparison. Journ.Geophys.

Res., 1990, v. 95, NC9, p. 16,263.

29. F. M. Monaldo and D. R. Lyzenga. On. the estimation of wave slope and height variance spectra from SAR imagery. IEEE Trans, on Geosci. and Remote Sens. , 1SS6, v. GE-24, N4, p. 543.

30. C.Bruning, W. R.Alpers, and K.Hasselmann. Monte-Carlo simulation studies of the nonlinear imaging of a two dimentional surface wavefield by a synthetic aperture radar. Int.J.Remote Sens., 1990, v.11, N10, p.1695.

31. J. C. West, R.K. Mcore, and J. C. Holtzman. Synthetic-aperture-radar imaging of the ocean surface using the slightly-rough facet model and a full surface-wave spectrum. Int.J.Remote Sensing, 1990,v.11, N8, p. 1451. '

32. 3. И.Тихонов. Нелинейные преобразования случайных процессов, Радио и связь, М., 1986, 294с.

33. К. Hasselmann, T.P.Barnett, Е. Bouws et. al. Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave ProJecU J0NSWAP). Deutsche Hydrographische Zeitschrift, i973,Reihe A,N12, p. 1.

34. J.F. Vesecky, R.H.Stewart, R.A.Shuchman et al. On the ability of synthetic aperture radar to measure ocean wave. Wave Dynamics and Radio Probing of the Ocean Surface Cedited by 0. M. Phillips and K. Hasselmann), Plenum Press, New York and London, 1986,694р.

35. С. Bruning, W.R.Alpers, and J.G.Schroter. On the focusing issue of synthetic aperture radar imaging of ocean waves. IEEE Trans, on geosci and Remote Sens., 1991, v.29, N1, p.120.

36. W. Alpers. Monte Carlo simulations for studying the relationship between ocean wave and synthetic aperture radar image spectra. Journ. Geophys. Res. , 1983, v.88, NC3, p. 1745.

37. С.Л.Марпл-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения. Мир, М., 1990, 584с.

38. К.В.Коняев. Спектральный анализ случайных океанологических полей. Гидрометеоиздат, Л., 1981, 207с.

39. И.М.Фукс. 0 ширине спектра сигналов, рассеянных на взволнованной поверхности моря. Акуст.ж. , 1974, т. 20, вып.З, с. 458.

40. W.J.Plant, W.C.Keller. Evidence of Bragg scattering in micro-

wave Doppler spectra of sea return. Journ.Geophys.Res., 1990, v. 95, NC9, p. 16299.

41. R. A. Shuchman, W.Rosenthal, J.D. Lyden et al. Analysis of MARSEN X-band SAR ocean wave data. Journ.Geophys.Res., 1983, v. 88, NCI4, p. 9757.

42. D. P. Wmebrenner and K.ilasselmann. Specular point scattering contributions to the mean synthetic aperture radar image of the ocean surface. Journ. Geophys. Res. , 1988, v.93, NC8, p.9281.

СПИСОК работ автора по теме диссертации

1.'.M.Б. Каневский. Формирование радиолокационного изображения внутренних волн на морской поверхности. Сб. Воздействие крупномас- • штабных внутренних волн на морскую поверхность. ИПФ АН СССР,

г.Горький, 1982.

2.* М. Б. Каневский. Радиолокационное зондирование океана. Сб. Методы гидрофизических исследований. ИПФ АН СССР, г.Горький, 1984.

3. М.Б.Каневский. Спектр радиолокационного изображения морской поверхности. Изв. АН СССР, сер. ФАО, 1985, т.21, N5, с.544.

4* Ю. М. Жидко,. М. Б. Каневский, В. В. Родин. Ветровой шум в радиолокационном сигнале, отраженном от морской поверхности. Изв.АН СССР, сер.ФАО, 1983, т.19, N3, с.328.

5* Ю. М. Жидко, М.Б.Каневский, В.В.Родин. О корреляции радиолокационного сигнала, отраженного морской поверхностью,с флуктуация-ми скорости приводного ветра. XIII Всесоюзн.конф.распр.радиоволн. Горький,1981. Тезисы докладов, часть2, с.219.

6* М.Б.Каневский. К теории РСА-изображения морской поверхности. Изв. ВУЗ. , сер. Радиофизика, 1988, т. 31, N6, с. 645.

7* М.Б.Каневский, Л.В.Новиков. К теории РСА-изображения морских волн, распространяющихся в азимутальном направлении. Исслед. Земли из космоса, 1990, N4, с.12.

8.* М. Б. Каневский. Радиолокатор с синтезированной апертурой как средство дистанционного изучения морской поверхности. Сб. Методы гидрофизических исследований; турбулентность и микроструктура. ИПФ АН СССР, Н.Новгород, 1990.

-42-

9* М.Б.Каневский. Спектр изображения морской поверхности, формируемого радиолокатором с синтезированной апертурой. Исслед. Земли из космоса, 1992, N1, с.32.

10* М.В.Kanevsky. Nonlinear theory of synthetic aperture radar sea wave imaging. Proc. of the 5th Intern. Cclloqui'im-Physi-cal Measurements and Signatures in Remote Sensing. Courchevel, France.1991. v.I, p. 285.

11* M. B. Kanevsky, V. Yu. Karaev, and L. V. Novikov. Monlmeai theory of SAR sea wave imaging. Proc. of IGAP.SS'91, Espco, Finland, v.II, p.847.

12* М.Б.Каневский. К вопросу о применимости линейного приближения в теории РСА-изображения морской поверхности. Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях прнрод-среды. Тезисы докладов II научной конференции, г.Муром, 1992, с. 72.

13? М. В. Kanevsky. On the theory of SAR ocean wave imaging. IEEE Trans, on Geosci. and Remote Sens., 1993 С in press).

14? М.Б.Каневский. Применение авторегрессионной спектральной сценки задаче радиолокационного обнаружения сликов на морской поверхности. Изв. ВУЗ, сер. Радиофизика, 1989, т. 32, т. 4, с. 521.

15.* М. Б. Каневский. Дисперсия интенсивности радиолокационного сигнала, отраженного от морской поверхности. Изв. ВУЗ, сег.Радиофизика, 1979. т. 22, N7, с. 898.

16? 3.А.Борсутский, М.Б.Каневский. Непараметрический алгоритм радиолокационного обнаружения сликов на морской поверхности. Изв. ВУЗ, сер. Радиофизика, 1983, т. 26, N4, с. 502.

17? М.Б.Каневский, В.Ю.Караев. 0 спектре радиолокационного сигнала, отраженного морской поверхностью. Дистанционные радиофизические методы исследования природной среды. Всесскзн. школа, г.Барнаул, 1991, с. 73.

18? М.Б.Каневский, В.Ю.Караев. Спектр радиолокационного сигнала, отраженного морской поверхностью. Изв.Вуз, сер. Радиофизика, 1993, т. 36," N1, с. 3.

19* М.Б.Каневский, В. Ю.Караев. Учет затенений при радиолокационном зондировании морской поверхности на малых углах зондирования. Применение дистанционных радиофизических методов в исслед. природн. среды. Тезисы докл. II научной конференции, г. Муром, 1992, с. 74.