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. 2017. Т. 14. № 5. С. 56-66

Метод восстановления вертикального профиля течения и его верификация по модельным данным СВЧ-радиолокатора

П.В. Чернышов 1 
1 Тель-Авивский университет, Тель-Авив, Израиль
Одобрена к печати: 15.09.2017
DOI: 10.21046/2070-7401-2017-14-5-56-66
Рассматривается обратная задача восстановления вертикального профиля течения по модельным данным некогерентного СВЧ-радиолокатора. Предложен алгоритм на основе дисперсионного соотношения, учитывающего вертикальную неоднородность течения и эффект конечной глубины, получающегося из возмущенного решения уравнения Рэлея (Skop, 1987). Обращение профиля производится с помощью решения соответствующей регуляризованной оптимизационной задачи. Радиолокационные данные измерений эмпирического дисперсионного соотношения приближаются выражением Скопа, в котором интегрирование взвешенного профиля вертикального течения по глубине производится приближенно по формуле трапеций. После применения метода наименьших квадратов получается переопределенная система линейных алгебраических уравнений на значения скорости вертикального течения в узлах интегрирования. Регуляризация задачи проводится методом Лагранжа. Для тестирования метода в качестве начальных данных для эмпирического дисперсионного соотношения использовались как точное решение Скопа для дисперсионной кривой, возмущенное добавлением белого шума с различной интенсивностью, так и дисперсионные кривые, восстановленные из спектров синтетических РЛ-изображений. Радиолокационные изображения вычислялись на основе реализации пространственно-временной диаграммы возвышений взволнованной поверхности с дисперсионным соотношением Скопа с последующим применением основных изображающих механизмов для скользящего зондирования (модуляции затенениями, уклонами волн, спекл-шум). Результаты численных экспериментов показывают надежность предложенного метода для восстановления вертикального профиля течения.
Ключевые слова: СВЧ-радиолокатор, восстановление вертикального профиля течения, регуляризация
Полный текст

Список литературы:

  1. Чернышов П.В., Ивонин Д.В., Мысленков С.А., Халиков З.А. Анализ точности восстановления высот индивидуальных волн при измерении прибрежным СВЧ-радиолокатором по данным стохастического моделирования взволнованной морской поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса. 2016. Т. 13. № 5. С. 68–78.
  2. Drazin P.G., Howard L.N. Hydrodynamic stability of parallel flow of inviscid fluid // Advances in applied mechanics. 1966. Vol. 9. P. 1–89.
  3. Hasselmann K., Barnett T., Bouws E., Carlson H., Cartwright D., Enke K., Ewing J., Gienapp H., Hasselmann D., Kruseman P., Meerburg A., Muller P., Olbers D., Richter K., Sell W., Walden H. Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP). Deutches Hydrographisches Institut, 1973. 95 p.
  4. Ha E.C. Remote sensing of ocean surface current and current shear by HF backscatter radar. Stanford University, 1979. 134 p.
  5. Ivonin D.V., Broche P., Devenon J.L., Shrira V.I. Validation of HF radar probing of the vertical shear of surface currents by acoustic Doppler current profiler measurements // J. Geophysical Research: Oceans. 2004. Vol. 109. Issue C4. P. 1–8.
  6. Lund B., Graber H. C., Tamura H., Collins C.O., Varlamov S.M. A new technique for the retrieval of near‐surface vertical current shear from marine X‐band radar images // J. Geophysical Research: Oceans. 2015. Vol. 120. Issue 12. P. 8466–8486.
  7. Nieto Borge J.C., Rodriguez G.R., Hessner K., Gonzalez P.I. Inversion of marine radar images for surface wave analysis // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2004. Vol. 21. P. 1291–1300.
  8. Savitzky A., Golay M.J.E. Smoothing and Differentiation of Data by Simplified Least Squares Procedures // Analytical Chemistry. 1964. Vol. 36. No. 8. P. 1627–1639.
  9. Schumann U., Gerz T. Turbulent mixing in stably stratified shear flows // J. Applied Meteorology. 1995. Vol. 34. P. 33–48.
  10. Serafino F., Lugni C., Nieto Bore J.C., Zamparelli V., Soldovieri F. Bathymetry determination via X-band radar data: A new strategy and numerical results // Sensors. 2010. Vol. 10. P. 6522–6534.
  11. Shen C., Huang W., Gill E.W., Carrasco R., Horstmann J. An algorithm for surface current retrieval from X-band marine radar images // Remote Sensing. 2015. Vol. 7. Iss. 6. P. 7753–7767.
  12. Shrira V.I. Surface waves on shear currents: solution of the boundary-value problem // J. Fluid Mechanics, 1993. Vol. 252. P. 565–584.
  13. Skop R.A. An approach to the analysis of the interaction of surface waves with depth-varying current fields // Applied mathematical modeling. 1987. Vol. 11. No. 6. P. 432–437.
  14. Stewart R.H., Joy J.W. HF radio measurements of surface currents // Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. 1974. Vol. 21. No. 12. P. 1039–1049.
  15. Zitman T.J. Effect of assuming a logarithmic flow profile near the bottom on computing tide-residual sediment transport // Coastal Dynamics 2005: Proc. 5th Intern. Conf. April 4–8, 2005, Barcelona, Spain. 2006. P. 1–12.