Эксперимент на Нижегородской канатной дороге: первые результаты

Дистанционный мониторинг площади ледяного покрова является актуальной задачей и на ее решение направлены усилия исследователей в разных странах. Для этого используется измерительная аппаратура, установленная на спутниках и работающая в разных частотных диапазонах: оптические и ИК сенсоры, микроволновые радиометры и радиолокаторы. Разработанные алгоритмы применяются для обработки данных и классификации типа подстилающей поверхности.

При использовании радиолокационных данных анализируется мощность отраженного сигнала. Однако при отражении электромагнитного излучения происходит изменение не только сечения обратного рассеяния, но и спектральных характеристик, поэтому измеренный доплеровский спектр может стать эффективным инструментом для классификации типа подстилающей поверхности.

Была разработана теоретическая модель доплеровского спектра отраженного радиолокационного сигнала при движении радиолокатора над ледяным покровом [1, 2]. Численное моделирование подтвердило теоретическое выводы о перспективности использования доплеровского спектра для классификации типа подстилающей поверхности. Следующий этап проверки разработанной теоретической модели и алгоритмов обработки – это проведение эксперимента.

В работе представлены первые результаты обработки экспериментальных данных. Доплеровский радиолокатор X-диапазона с ножевой диаграммой направленности антенны (3,6◦ х 30◦) был установлен на технологической тележке Нижегородской канатной дороги. Зондирование выполнялось вертикально вниз и измерения были проведены для двух ориентаций диаграммы направленности антенны: вдоль и поперек направления движения. Для измерения скорости движения использовался геодезический GNSS приемник, который выполнял измерения координат технологической тележки с частотой 1 Гц и с точностью около 5 см. В процессе обработки вычислялись три компоненты скорости движения и высота тележки относительно уровня моря.

При нулевом угле падения смещение доплеровского спектра определяется вертикальной компонентой скорости движения, а на ширину доплеровского спектра влияют все три компоненты. Для получения первых оценок были выбраны участки траектории, где вертикальная компонента скорости была близка к нулю. При обработке вычислялось смещение и ширина доплеровского спектра.

Полученные результаты подтвердили теоретические выводы о поведении доплеровского спектра при переходе от ледяного покрова к открытой воде (поверхностному волнению). Было показано, что доплеровский спектр над водной поверхностью шире, чем над ледяным покровом. Также, как и предсказывала модель, эффект (разница в ширинах доплеровских спектров) зависит от ориентации диаграммы направленности антенны относительно направления движения.

Таким образом, доплеровский спектр является эффективной характеристикой отраженного радиолокационного сигнала для определения типа рассеивающей поверхности. Исследование будет продолжено и проведено количественное сравнение модели доплеровского спектра с экспериментальными данными.

Работа выполнена при поддержке проекта РФФИ 20-05-00462а и в рамках госзадания ИПФ РАН 0030-2021-0006