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. № 3. С. 136-149

Развитие оптических методов измерений уклонов морской поверхности

Н.Е. Лебедев 1 , А.А. Алескерова 1 , Е.В. Плотников 1 
1 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия
Одобрена к печати: 06.04.2016
DOI: 10.21046/2070-7401-2016-13-3-136-149
Представлен краткий обзор развития оптических методов измерений уклонов морской поверхности, в рамках которого рассмотрены пассивные и активные методы. Первые оптические исследования уклонов проводились по изображениям морской поверхности, полученным в начале ХХ века с помощью стереофотосъемки. В 1950-х гг. последовал эксперимент Кокса-Манка, в котором характеристики уклонов определялись по данным аэрофотосъемки. В 2000-х гг. для измерения уклонов морской поверхности были использованы оптические сканеры, установленные на космических аппаратах. Активные методы измерения уклонов начали быстро развиваться с появлением лазеров; их можно разделить на две группы: основанные на отражении лазерного луча морской поверхностью и основанные на преломлении лазерного луча на границе вода-воздух. Рассмотрены возможности и ограничения применения этих методов. Результаты измерений уклонов, полученные с помощью пассивных и активных методов, предназначены для применения в разных областях. Пассивные методы позволяют получать информацию для решения задач метеорологии и океанографии. Активные методы ориентированы на решение задач физики взаимодействия океана и атмосферы, в первую очередь на исследования проявления на морской поверхности процессов, протекающих в пограничных слоях моря и атмосферы.
Ключевые слова: методы и средства измерений, уклоны морской поверхности, отражение света, преломление света
Полный текст

Список литературы:

  1. Аброскин А.Г., Бункин А.Ф., Власов Д.В. Натурные эксперименты по лазерному зондированию на установке Чайка // Тр. ИОФАН СССР, Дистанционное зондирование океана. 1986. Т. 1. С. 23–39.
  2. Александров А.П., Легеза В.П. Лазерный измеритель среднеквадратичных наклонов взволнованной морской поверхности // Морской гидрофизический журнал. 1988. № 6. C. 51–56.
  3. Басс Ф.Г., Брауде С.Я., Калмыков А.И., Мень А.В., Островский И.Е, Пустовойтенко В.В., Розенберг А.Д., Фукс И.М. Методы радиолокационных исследований морского волнения (радиоокеанография) // Успехи физических наук. 1975. Т. 116. С. 741–743.
  4. Бункин Ф.В., Воляк К.И., Маляровский В.Г., Михалевич В.Г., Солнцев М.В., Шевченко Т.Б., Шуган И.В. Измерение параметров ветрового волнения по статистике отраженного лазерного сигнала // Тр. ИОФАН СССР. М.: Наука, 1986. С. 3–23.
  5. Гуревич Г.С., Жигулева И.С., Лысенко Б.Н. Павлов В.И., Рокотян В.Е., Шейнин А.Б. Определение формы морской поверхности с помощью лидара // Тр. ЦАО. 1979. Вып. 139. С. 93–98.
  6. Давидан И.Н., Трапезников Ю.Л. Проблемы исследования высокочастотной области спектра ветровых волн // Гидрометеорология. Сер. Океанология. Вып. 1. Обнинск, 1981. 46 с.
  7. Загородников А.А. Радиолокационная съемка морского волнения с летательных аппаратов. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 239 с.
  8. Запевалов А.С. Зависимость статистики бликов зеркального отражения при лазерном зондировании морской поверхности от характеристик ее локальных уклонов // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. № 1. С. 1123–1127.
  9. Запевалов А.С. Статистические модели морской поверхности в задачах рассеяния акустического и электромагнитного излучения // Дисс. ...докт. физ.-мат. наук. Севастополь: Морской гидрофизический институт НАН Украины, 2008. 290 c.
  10. Запевалов А.С., Лебедев Н.Е. Моделирование статистических характеристик поверхности океана при дистанционном зондировании в оптическом диапазоне // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. № 1. С. 28–33.
  11. Запевалов А.С., Ратнер Ю.Б. Эффекты квазигауссового характера распределения уклонов морской поверхности при лазерном зондировании // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15. № 10. С. 925–928.
  12. Кендалл М.Дж., Стьюарт А. Теория распределений. М.: Наука, 1966. 588 с.
  13. Носов В.Н., Пашин С.Ю., Хандогин Д.Н., Дубнер А.Б. Об использовании метода лазерного зондирования для регистрации анизотропии поверхностного волнения // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1990. Т. 26. № 2. С. 206–212.
  14. Пустовойтенко В.В., Запевалов А.С. Оперативная океанография: Спутниковая альтиметрия – Современное состояние, перспективы и проблемы. Севастополь: Морской гидрофизический институт НАН Украины, 2012. 218 с.
  15. Пустовойтенко В.В., Лебедев Н.Е. Сравнение статистических моментов уклонов морской поверхности, полученных по данным оптических сканеров и лазерных уклономеров // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 1. С. 102–109.
  16. Стрижкин И.И. Анализ оптического метода определения уклонов волн по фотоснимкам зоны блика // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. № 3. С. 411–419.
  17. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Бабий М.В. Измерения параметров шероховатости морской поверхности при переходе от штиля к ветровому волнению // Изв. Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 1992а. Т. 28. № 4. С. 424–431.
  18. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Бабий М.В. Статистические характеристики уклонов морской поверхности при разных скоростях ветра // Океанология. 1992б. Т. 32. Вып. 3. С. 452–459.
  19. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е. Зависимость амплитудных характеристик высокочастотных компонент спектра ветровых волн от скорости ветра над морем // Морской гидрофизический журнал. 1993а. № 3. С. 67–77.
  20. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е., Фельдман Ю.Р. Лазерная локация топографических неоднородностей на шероховатой морской поверхности // Морской гидрофизический журнал. 1993б. № 6. С. 64–73.
  21. Шулейкин В.В. Оптический метод изучения морских волн // Записки по гидрографии. 1924. Т. 5. № 9. С. 49–56.
  22. Bréon F.M., Henriot N. Spaceborne observations of ocean glint reflectance and modeling of wave slope distributions // J. Geoph. Res. 2006. Vol. 111. No. 6. C06005.
  23. Cox C., Munk W. Slopes of the sea surface deduced from photographs of sun glitter // J. Optical. Soc. America. 1954. Vol. 44. No. 11. P. 838–850.
  24. Donelan M.A., Hamilton J., Hui W.H. Directional spectra of wind-generated waves // Phil. Trans. R. Soc. London. 1985. Vol. A315. P. 509–562.
  25. Ebuchi N., Kizu S. Probability distribution of surface wave slope derived using Sun glitter images from geostationary meteorological satellite and surface vector winds from scatterometers // J. Oceanogr. 2002. Vol. 58. P. 477–486.
  26. Fox D., Gonzalez E., Kahn R., Martonchik J. Near-surface wind speed retrieval from space-based, multi-angle imaging of ocean sun glint patterns // Remote Sensing of Environment. 2007. Vol. 107. Issues 1-2. P. 223–231.
  27. Fukushima H., Suzuki K., Li L., Suzuki N., Murakami H. Improvement of the ADEOS-II/GLI sun-glint algorithm using concomitant microwave scatterometer-derived wind data // Adv. Space Res. 2009. Vol. 43. Issue 6. P. 941–947.
  28. Gatebe C. K., King M. D., Lyapustin A. I., Arnold G. T., Redemann J. Airborne spectral measurements of ocean directional reflectance // J. Atmos. Sci. 2005. Vol. 62. Issue 4. P. 1072–1092.
  29. Hu Y., Stamnes K., Vaughan M., Pelon J., Weimer C., Wu D., Cisewski M., Sun W., Yang P., Lin B., Omar A., Flittner D., Hostetler C., Trepte C., Winker D., Gibson G., Santa-Maria M. Sea surface wind speed estimation from space-based lidar measurements // Atmos. Chem. Phys. 2008. Vol. 8. P. 3593–3601.
  30. Hu Y, Weimer C. High Resolution Sea Surface Roughness and Wind Speed with Space Lidar (CALIPSO). 2009. http://cimss.ssec.wisc.edu/iwwg/iww10/talks/hu.pdf.
  31. Hughes B.A., Grant H.L, Chappell R.W.A. A fast response surface–wave slope meter and measured wind–wave components // Deep-Sea Res. 1977. Vol. 24. No. 12. P. 1211–1223.
  32. Hulburt E.O. The polarization of light at sea // J. Optical. Soc. America. 1934. Vol. 24. No. 1. P. 35–42.
  33. Jelalian A. Sea echo at laser wavelengths // Proc. IEEE. 1968. Vol. 56. No. 5. P. 49–56.
  34. Lubard S.C., Krimmel J.E., Thebaud L.R., Evans D.D., Shemdin O.H. Optical image and laser slope meter intercomparisons on high–frequency waves // J. Geophys. Res. 1980. Vol. 85. P. 4996–5002.
  35. MERIS Products Quality Status Report MEGS7.4 and IPF 5. V1. 2006. https://earth.esa.int/documents/700255/707220/MERISQualityAssessment-MEGS74-IPF502-QWG-V1.0.pdf.
  36. Mermelstein M.D., Shettle E.P., Takken E.H., Priest R.G. Infrared radiance and solar glint at the ocean–sky horizon // Applied Optics. 1994. Vol. 33. Issue 25. P. 6022–6034.
  37. Palm C.S., Anderson R.S., Reese A.M. Laser probe for measuring 2-D wave slope spectra of ocean capillary waves // Applied Optics. 1977. Vol. 46. No. 4. P. 1074–1081.
  38. Shaw J.A., Churnside J.H. Scanning-laser glint measurements of sea-surface slope statistics // Applied Optics. 1997. Vol. 36. No. 18. P. 4202–4213.
  39. Su W., Charlock .P., Rutledge K. Observations of reflectance distribution around sunglint from a coastal ocean platform // Applied Optics. 2002. Vol. 41. Issue 35. P. 7369–7383.
  40. Tang S., Shemdin O.H. Measurement of high frequency waves using a wave follower // J. Geophys. Res. 1983. Vol. 88. Issue C14. P. 9832– 9840.
  41. Tober G., Anderson R.S., Shemdin O.H. Laser instrument for detecting water ripple slopes // J. Applied Optics. 1973. Vol. 12. No. 4. P. 788–794.
  42. Wu J., Haimbach S. P., Hsu Y.-H. L. Scanner for measuring fine sea-surface structures // Rev. Sci. Instr. 1981. Vol. 52. P. 99 –104.
  43. Wu J. Mean square slopes of the wind-disturbed water surface, their magnitude, directionality, and composition // Radio Sci. 1990. Vol. 25. P. 37–48.
  44. Zhang H., Wang M. Evaluation of sun glint models using MODIS measurements // J. Quant. Spectro. Rad. Trans. 2010. Vol. 111. Issue 3. P. 492–506.