Основы радиолокации

Спутниковая альтиметрия

Одной из задач, решаемых при дистанционном зондировании земли, является альтиметрия. Под этим термином понимают измерение высоты земной поверхности, высоты поверхности океана, оценку ветра в приводном слое, высоты волн и тому подобное. Для решения указанной задачи могут использоваться радиолокаторы, установленные на искусственных спутниках Земли. Спутниковая альтиметрия относится к одному из активных методов дистанционного зондирования поверхности с борта космического аппарата. По времени возврата зондирующего радиоимпульса рассчитывается расстояние от спутника до исследуемой поверхности, что позволяет определить ее высоту. Кроме времени возврата сигнала измеряется также и его фазовый сдвиг, что дает возможность достичь высокой точности измерения – порядка нескольких сантиметров. Следует учитывать, что при прохождении через атмосферу электромагнитные волны подвергаются рефракции, влияющей на скорость их распространения, а, значит, и на набег фазы.

На точность измерения расстояния также оказывает влияние искажение сигнала при отражении от исследуемой поверхности. Причиной искажения при отражении даже от относительно ровной поверхности является искривленная форма поверхности импульсного (разрешаемого) объема радиолокатора. Отклонение от плоскости могут достигать нескольких метров. Это приводит к изменения диаметра сегмента, с которого происходит отражение радиоимпульса, и, следовательно, к изменению мощности отраженного сигнала.

Зависимость формы и площади сегмента подстилающей поверхности, с которого отражается зондирующий импульс, от времени поясняется на Рисунке 1. Здесь же можно качественно оценить влияние длительности зондирующих сигналов на диаметр сегмента поврехности, с которого происходит отражение. После касания зондирующим импульсом подстилающей поверхности (по истечении времени его распространения R/c₀) происходит постепенное расширение сегмента, с которого происходит отражение, с последующим вырождением его до кольца. Поначалу диаметр этого сегмента меньше, чем диаметр пятна, освещаемого лучом радиолокатора на исследуемой поверхности. Далее, в течение длительности импульса τ диаметр сегмента увеличивается, пока не достигнет диаметра пятна луча антенны. По истечении длительности импульса от момента первого касания электромагнитной волной поверхности в центре сегмента возникает отверстие круглой формы. Это объясняется тем, что когда в центре сегмента отражение сигнала уже закончилось, на краях диаграммы направленности антенны оно еще продолжается. Таким образом сегмент, с которого происходит отражение, принимает форму кольца. Описанный механизм отражения зондирующего сигнала определяет форму отраженного импульса: пока площадь сегмента и, соответственно, мощность отражения увеличиваются, формируется передний фронт отраженного импульса (это происходит до момента времени (R/c₀) + τ); с момента возникновения дыры в сегменте отраженная мощность остается приблизительно постоянной, что соответствует формированию вершины отраженного сигнала.

Для высоты космического аппарата 1000 км и ширины диаграммы направленности антенны его радиолокатора 0,32 градуса диаметр пятна составляет 2,8 км. При таких условиях зондирующему сигналу длительностью около 3 нс будет соответствовать отраженный сигнал длительностью более 26 нс. Поскольку поверхность Земли или моря на практике чаще всего шероховатая, фронты отраженных импульсов еще больше сглаживаются. Поэтому измерения выполняют в момент времени, соответствующий переходу переднего фронта импульса в его вершину, то есть через ((2R/c₀) + τ).

Поскольку форма и размеры волн в океане меняются случайным образом, отраженные от них сигналы будут сильно флюктуировать. Для устранения этого негативного явления применяется усреднение большого количества (до 1000) последовательных отраженных сигналов. Благодаря этому спутниковая альтиметрия дает возможность оценивать такой параметр как значимая высота волн (англ. Significant Wave Height, SWH) – среднюю высоту одной трети самых высоких волн.