ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 2. С. 53-66

Предварительные результаты сравнения измерений вектора скорости течения навигационным радаром X-диапазона и донной станцией ADCP

Д.В. Ивонин 1 , П.В. Чернышов 2 , С.Б. Куклев 2  , С.А. Мысленков 3 
1 Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия
2 Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Геленджик, Россия
3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

Одобрена к печати: 22.02.2016
DOI: 10.21046/2070-7401-2016-13-2-53-66

Некогерентные радары Х-диапазона являются перспективным инструментом для мониторинга и исследования поверхностных течений на расстояниях до 7 км от точки наблюдений. Одним из сдерживающих условий их применения для этого является отсутствие экспериментально подтвержденных исследованний точности таких измерений. В данной статье авторы намереваются частично восполнить указанный пробел. Для радиолокационных измерений применялся стандартный навигационный радар «Река» (Микран), адаптированный для океанографических целей. Радар был установлен на берегу Черного моря в Геленджике. Для обработки данных радара использовался разработанный авторами алгоритм (Ivonin et al., 2011), который позволяет определять вектор скорости течений при высоте волнения более 1 м. Алгоритм основан на использовании последовательности амплитудных радиолокационных изображений поверхности моря с шагом около 2 с и повторяет принципы обработки данных, изложенные в (Young et al., 1986; WaMoS II, 2003). В результате модуляционных механизмов на радиолокационных изображениях проявляются сигналы от гребней длинных поверхностных гравитационных волн и, при их обработке в спектральном пространстве, по дисперсионному соотношению для поверхностных гравитационных волн возможно определить радиальные компоненты скорости течения по нескольким направлениям, а затем и восстановить вектор скорости течения. Верификация радиолокационных измерений течений проводилась с помощью акустического доплеровского профилографа скорости течений (ADCP), расположенного на донной станции на глубине 23 м и расстоянии 1 км от радара. Радар определял течения в точке около ADCP с осреднением по площадке 0,5 км × 0,5 км. По результатам обработки данных для штормового события, длившегося 5 дней, 23–28 сентября 2013 г., были определены течения с амплитудами скорости от 10 до 80 см/с. Направление течения за этот период менялось на 180°. Было получено, что точность радиолокационных данных по отношению к ADCP составляет 20 см/с по амплитуде скорости и 20° по направлению. Это находится в согласии с заявленными характеристиками океанографических радаров WAMOS II.
Ключевые слова: скорость течений, радиолокационные наблюдения, X-диапазон, точность измерений, ADCP
Полный текст

Список литературы:

  1. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.
  2. Булатов М.Г., Кравцов Ю.А., Лаврова О.Ю., Литовченко К.Ц., Митягина М.И., Раев М.Д., Сабинин К.Д., Трохимовский Ю.Г., Чюрюмов А.Н., Шуган И.В. Физические механизмы формирования аэрокосмических радиолокационных изображений океана // Успехи физических наук. 2003. Т. 173. № 1. С. 69–87.
  3. Булатов М.Г., Раев М.Д., Скворцов Е.И. Радиолокационные наблюдения нелинейных волновых процессов в прибрежной зоне // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2006. Т. 2. № 3. С. 50–55.
  4. Гарбацевич В.А., Телегин В.А., Лапшин В.С., Шаболдин Н.А., Иванов И.И., Ивонин Д.В. Малогабаритная многочастотная РЛС декаметрового диапазона для мониторинга океана и ионосферы. Концепции разработки и первые результаты // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 4. С. 100–106.
  5. Гарбацевич В.А., Лапшин В.С., Телегин В.А., Бузинский Н.Л., Шаболдин Н.А., Максимова Н.С., Иванов И.И., Ивонин Д.В. РЛС декаметрового диапазона, предназначенная для радиолокационного мониторинга природных сред // Специальная техника. 2012. № 3. С. 30–34.
  6. Зацепин А.Г., Баранов В.И., Кондрашов А.А., Корж А.О., Кременецкий В.В., Островский А.Г., Соловьев Д.М. Субмезомасштабные вихри на кавказском шельфе Черного моря и порождающие их механизмы // Океанология. 2011. Т. 51. № 4. С. 592–605.
  7. Зацепин А.Г., Островский А.Г., Кременецкий В.В., Низов С.C., Пиотух В.Б., Соловьев В.А., Швоев Д.А., Цибульский А.Л., Куклев С.Б., Куклева О.Н., Москаленко Л.В., Подымов О.И., Баранов В.И., Кондрашов А.А., Корж А.О., Кубряков А.А., Соловьев Д.М., Станичный С.В. Подспутниковый полигон для изучения гидрофизических процессов в шельфово-склоновой зоне Черного моря // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50. № 1. С. 16.
  8. Ивонин Д.В., Брош П. Определение толщины речного потока на приустьевом взморье по измерениям доплеровского высокочастотного радара // Океанология. 2004. Т. 44. № 2. С. 305–312.
  9. Ивонин Д.В., Телегин В.А., Азаров А.И., Ермошкин А.В., Баханов В.В. Определение вектора скорости течения по измерениям навигационного радара с широкой диаграммой направленности антенны // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 4. C.219–227.
  10. Ивонин Д.В., Мысленков С.А., Чернышов П.В., Архипкин В.С., Телегин В.А., Куклев С.Б., Чернышова А.Ю., Пономарев А.И. Cистема мониторинга ветрового волнения в прибрежной зоне Черного моря на основе радиолокации, прямых наблюдений и моделирования: первые результаты // Проблемы региональной экологии. 2013. № 4. С. 172–183.
  11. Каневский М.Б. О механизмах формирования РСА-изображения океана // Изв. высших учебных заведений. Радиофизика. 2003. Т. 46. № 1. С. 13–20.
  12. Каневский М.Б. Теория формирования радиолокационного изображения поверхности океана. Н. Новгород: Ин-тут прикл. физики РАН, 2004. 64 с.
  13. Раев М.Д., Скворцов Е.И. Комбинированный метод радиолокационных измерений параметров поверхностного течений // Исследования Земли из космоса. 2015. № 6. C. 15-20.
  14. Радар «Река» // http://www.micran.ru/productions/rls/river/.
  15. Шарков Е.А. Обрушающиеся морские волны: структура, геометрия, электродинамика. М.: Научный мир, 2009. 304 с.
  16. Ardhuin F., Marie L., Rascle N., Forget P., Roland A. Observation and Estimation of Lagrangian, Stokes, and Eulerian Currents Induced by Wind and Waves at the Sea Surface // Journal of physical oceanography. 2009. Vol. 39. No. 11. P. 2820-2838.
  17. Barrick D.E., Lipa B.J., Crissman R.D. Mapping Surface Currents with СODAR // CODAR System Incorporated. 1985. 4 p.
  18. Crombie D.D. Doppler spectrum of sea echo at 13.56 Mc/s // Nature. 1955. Vol. 175. P. 681–682.
  19. Crombie D.D. Resonant backscatter from the sea and its application to physical oceanography // Proc. IEEE Int. Conf. on Engineering in the Ocean Environment, IEEE New York. 1972. P. 174–179.
  20. Cui L., He Y., Shen H., Lu H. Measurements of ocean wave and current field using dual polarized X-band radar // Chinese Journal of Oceanology and Limnology. 2010. Vol. 28. P. 1021–1028.
  21. Ericson E.A., Lyzenga D.R., Walker D. T. Radar backscatter from stationary breaking waves // J. of Geophys. Res. 1999. Vol. 104. No. C12. P. 29679–29695.
  22. Fujii S., Heron M. L., Kim K., Lai J.-W., Lee S.-H., Wu X., Wu X., Wyatt L.R., Yang W.-C. An overview of developments and applications of oceanographic radar networks in Asia and Oceania countries // Ocean Science Journal. 2013. Vol. 48. No. 1. P. 69–97.
  23. Groeneweg J., Gautier C., Swinkels C., van der Westhuysen A. Application of navigation radar data to analyse spatial current and wave fields in the tidal inlet of Ameland // Waves In Shallow Environments (WISE) 2011 Meeting, Qingdao, China. 2011. P. 1–21.
  24. Guerin C.-A., Soriano G., Chapron B. The weighted curvature approximation in scattering from sea surfaces // Waves in Random and Complex Media. 2010. Vol. 20. No. 3. P. 364–384.
  25. Gurgel K.W., Antonischki G., Essen H.H., Schlick T. Wellen Radar (WERA): a new ground-wave HF radar for ocean remote sensing // Coastal Engineering. 1999. Vol. 37. No. 3. P. 219–234.
  26. Hessner K., Reichert K., Borge J.C.N., Stevens C.L., Smith M.J. High-resolution X-Band radar measurements of currents, bathymetry and sea state in highly inhomogeneous coastal areas // Ocean Dynamics. 2014. Vol. 64. No. 7. P. 1–10.
  27. Ivonin D.V., Telegin V.A., Bakhanov V.V., Ermoshkin A.V., Azarov A.I. Sample application of a low-cost X-band monitoring system of surface currents at the Black Sea shore // Russ. J. Earth. Sci. 2011. Vol. 12. P. 1–8.
  28. Kanevsky M.B. Radar imaging of the ocean waves. Oxford: Elsevier, 2008. 207 p.
  29. Kudryavtsev V.N., Hauser D., Caudal G., Chapron B.A semiempirical model of the normalized radar cross-section of the sea surface: 1. Background model // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108. No. C3. P. 2–24.
  30. Kudryavtsev V.N., Hauser D., Caudal G., Chapron B.A semiempirical model of the normalized radar cross-section of the sea surface: 2. Modulation transform function // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108. No. C3. P. 25–45.
  31. Nieto Borge J.C., Guedes C. Analysis of Directional Wave Fields Using X-Band Navigation Radar // Coastal Engineering. 2000. Vol. 40. P. 375–391.
  32. Plant W.J. A two-scale model of short wind-generated waves and scatterometry // J. Geophys. Res. 1986. Vol. 91. P. 10735–10749.
  33. SeaDarQ radar systems. http://www.seadarq.com/.
  34. Slunyaev A.V., Sergeeva A.V., Pelinovsky E.N. Modelling of deep-water rogue waves: different frameworks // CENTEC Anniversary Book, Marine Technology and Engineering / Eds. by Guedes Soares C.et al. London: Taylor & Francis Group, 2012. P. 199–216.
  35. Stewart R.H., Joy J.W. HF radio measurements of surface currents // Deep Sea Res. 1974. Vol. 21. P. 1039–1049.
  36. Valenzuela G. Scattering of electromagnetic waves from a tilted slightly rough surface // Radio Science. 1968. Vol. 3. P. 1057–1066.
  37. Vogelzang J., Vogelzang J., Boogaard K., Reichert K., Hessner K. Wave height measurements with navigation radar // International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. 2000. Vol. 33. No. B7/4; PART 7. P. 1652–1659.
  38. WaMoS II // http://www.oceanwaves.de.
  39. WaMoS II Wave and Surface Current Monitoring System Operating Manual. Version 4.0. OceanWaveS GmbH. Germany, April 2003. 146 p.
  40. Young I., Rosenthal W., Ziemer F. A three–dimensional analysis of marine radar images for the determination of ocean wave directionality and surface currents // J. Geophys. Res. 1985. Vol. 90. No. C1. P. 1049–1059.