Χαρακτηρισμός Κατάστασης Θαλάσσης από Δεδομένα Οπισθοσκέδασης Αερομεταφερόμενου Ραντάρ SAR

Abstract

Η υφιστάμενη διδακτορική διατριβή είναι μία επισκόπηση και κριτική ανάλυση της υφιστάμενης γνώσης που υπάρχει αναφορικά με τον χαρακτηρισμό της κατάστασης θαλάσσης από δεδομένα οπισθοσκέδασης ραντάρ. Συγκεκριμένα, για τη διερεύνηση του χαρακτηρισμού της κατάστασης θαλάσσης δημιουργήθηκαν τρισδιάστατες fractal θαλάσσιες επιφάνειες με τη χρήση των μαθηματικών μοντέλων ενώ στη συνέχεια εξετάστηκαν η σκέδαση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από τραχιές fractal επιφάνειες, χρησιμοποιώντας την προσέγγιση του Kirchhoff. Οι επιφάνειες που εξετάστηκαν είναι τραχιές fractal θαλάσσιες επιφάνειες τριών διαστάσεων. Οι τρισδιάστατες επιφάνειες μοντελοποιήθηκαν με μαθηματικές δισδιάστατες συναρτήσεις. Η έρευνα στην συνέχεια επεκτάθηκε στον προσδιορισμό της κατάστασης θαλάσσης με πραγματικά δεδομένα οπισθοσκέδασης από ένα ραντάρ PicoSAR X ενός ελικοπτέρου από την ομάδα εργασίας SET-185. Αρχικά η μελέτη εστίασε στη σκέδαση ήρεμης και ταραχώδης θαλάσσιας επιφάνειας στο πεδίο του χρόνου. Στη συνέχεια βελτιστοποιήθηκε με απαλοιφή του θορύβου και μελετήθηκε στο πεδίο της συχνότητας. Στο πλαίσιο εκπόνησης της διατριβής έγινε μία ανασκόπηση της βιβλιογραφίας χρονολογικά έτσι ώστε να μπορεί να αντιληφθεί ο αναγνώστης την πορεία της εξέλιξης της έρευνας της σκέδασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε τραχιά επιφάνεια. Για την κατασκευή του μοντέλου μίας τραχιάς επιφάνειας χρησιμοποιούνται ντετερμινιστικές συναρτήσεις. Η θεωρία των fractals αποτελεί μια εναλλακτική επιλογή για τη μοντελοποίηση των επιφανειών με διαφορετική τραχύτητα. Οι fractal συναρτήσεις δίνουν επιφάνειες όμοιες με τις πραγματικές επιφάνειες που συναντώνται στη φύση. Επίσης, μέσω μίας τέτοιας συνάρτησης και των παραμέτρων της, φερειπείν της διάστασης fractal (fractal dimension) ή και του μήκους fractal (fractal length), μπορεί να καθοριστεί με σχετική ακρίβεια η τραχύτητα της επιφάνειας. Η έρευνα συνεχίστηκε με τη μοντελοποίηση των τρισδιάστατων τραχιών fractal επιφανειών που δίνεται από τη δισδιάστατη ευρυζωνική συνάρτηση Weierstrass Η εν λόγω συνάρτηση είναι ένας συνδυασμός διακριτών περιοδικών και τυχαίων παραμέτρων. Στην συνέχεια, η μοντελοποίηση της σκεδάζουσας θαλάσσιας επιφάνειας έγινε με την χρήση πραγματικών δεδομένών που προήλθαν από ανάλυση της οπισθοσκέδασης ενός ραντάρ συνθετικού παραθύρου. Τα δεδομένα συλλέχθηκαν από την ομάδα εργασίας SET-185 στη δοκιμή NEMO 2014 που πραγματοποιήθηκε στο Taranto της Ιταλίας το Σεπτέμβριο του 2014. Το ραντάρ που χρησιμοποιήθηκε ήταν ένα PicoSAR X το οποίο ήταν τοποθετημένο σε ένα ελικόπτερο. Στην συνέχεια για τον υπολογισμό του σκεδαζόμενου πεδίου από μία τραχιά επιφάνεια χρησιμοποιήθηκε η προσέγγιση του Kirchhoff στην οποία λαμβάνεται υπόψη η ακριβής τραχύτητα της επιφάνειας που παράχθηκε με την προσομοίωση και παρατέθηκαν αντιπροσωπευτικές παραχθείσες προσομοιώσεις του συντελεστή σκέδασης από τρισδιάστατες fractal επιφάνειες για διάφορες τιμές της fractal διάστασης D. Εξετάστηκε η σχέση μεταξύ της διάστασης fractal D και της υπολογιζόμενης μέσης κλίσης μεταξύ του κύριου λοβού και των πρώτων πλευρικών λοβών εκατέρωθεν αυτού του οπισθοσκεδαζόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Στη συνέχεια, για να γίνει φανερή η σχέση μεταξύ της διάστασης fractal D της τραχιάς επιφάνειας και του συντελεστή οπισθοσκέδασης |γ(k)|, πραγματοποιείται ένας υπολογισμός του συντελεστή |γ(k)| για διαφορετικές τιμές διάστασης fractal D. Υπολογίστηκαν τα “διαστήματα προβλέψεων” για την υπολογιζόμενη απόκλιση Dcalc από τις “φασματικές κλίσεις” του συντελεστή σκέδασης. Οι τιμές των “διαστημάτων προβλέψεων” αντιστοιχούν σε 90% “πιθανότητα εμφάνισης”. Επομένως, τα ανωτέρω αποτελέσματα δείχνουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος είναι αρκετά αξιόπιστη σε ό,τι αφορά τον χαρακτηρισμό μιας τρισδιάστατης τραχιάς fractal επιφάνειας από τα σκεδαζόμενα ηλεκτρομαγνητικά κύματα του ραντάρ. Στο τελευταίο μέρος της διατριβής η έρευνα επικεντρώθηκε στον χαρακτηρισμό της κατάστασης θαλάσσης. Χρησιμοποιήθηκαν συνολικά τέσσερα κριτήρια, τα δύο κριτήρια βασίζονται στις fractal ιδιότητες που παρουσιάζει η θαλάσσια επιφάνεια και τα άλλα δύο κριτήρια επαληθεύουν τα δύο καινοτόμα κριτήρια fractal. Τα τέσσερα κριτήρια εφαρμόστηκαν σε πειραματικές μονοδιάστατες υπογραφές ραντάρ συνθετικού παραθύρου (SAR) στο φάσμα της συχνότητας (πραγματικά δεδομένα ραντάρ θαλάσσιου κυματισμού), σε δύο διαφορετικές θαλάσσιες καταστάσεις (ταραγμένη και ήρεμη θάλασσα). Τα τέσσερα κριτήρια εφαρμόστηκαν σε κανονικοποιημένα δεδομένα του μέσου σήματος οπισθοσκέδασης από την επιφάνεια της θάλασσας, από τα οποία τα κριτήρια που αφορούν τη θεωρία των fractals είναι το κριτήριο της διάστασης fractal και το κριτήριο του μήκους fractal, ενώ για την επαλήθευση των προαναφερθέντων κριτηρίων χρησιμοποιήθηκαν το κριτήριο της διακύμανσης σ2 και το κριτήριο ελαχίστων τετραγώνων ισχύος. Στα κριτήρια διάστασης fractal και μήκους fractal χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος κουβέρτας (blanket method) έτσι όπως αναπτύχθηκε από τον Peleg.