Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 6. С. 221-234
Доплеровский спектр радиолокационного сигнала, отражённого морской поверхностью при малых углах падения
В.Ю. Караев
1 , Ю.А. Титченко
1 , Е.М. Мешков
1 , М.А. Панфилова
1 , М.С. Рябкова
1 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 15.10.2019
DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-6-221-234
Спектральные и энергетические характеристики отражённого радиолокационного сигнала содержат информацию о параметрах рассеивающей поверхности. В настоящее время при обработке радиолокационных данных основным информационным параметром является сечение обратного рассеяния, которое определяется геометрией подстилающей поверхности. Информация о движении морской поверхности содержится в доплеровском спектре отражённого радиолокационного сигнала. В данной работе рассмотрены свойства доплеровского спектра при малых углах падения, когда доминирующим является квазизеркальный механизм обратного рассеяния. Построены зависимости ширины и смещения доплеровского спектра от скорости и направления ветра, угла падения. Показано, что даже для одномодового ветрового волнения существует неоднозначная связь скорости ветра и параметров доплеровского спектра, которая приводит к неоднозначности при решении обратной задачи. Численные оценки показали, что диаграмма направленности антенны оказывает сильное влияние на ширину и смещение доплеровского спектра и этот эффект может быть использован для создания более простых схем измерения и разработки новых алгоритмов, что особенно актуально для орбитальных радиолокаторов.
Ключевые слова: ширина и смещение доплеровского спектра, метод Кирхгофа, двухмасштабная модель рассеивающей поверхности, малые углы падения, ветровое волнение, диаграмма направленности антенны
Полный текстСписок литературы:
- Басс Ф., Фукс И. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.
- Гарнакерьян А. А., Сосунов А. С. Радиолокация морской поверхности. Ростов н/Д: Изд-во Ростовского ун-та, 1978. 144 с.
- Зубкович С. Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. М.: Советское радио, 1968. 224 c.
- Каневский М., Караев В. Спектральные характеристики радиолокационного СВЧ-сигнала, отражённого морской поверхностью при малых углах падения // Изв. высших учеб. заведений. Сер. «Радиофизика». 1996. Т. 39. № 5. С. 517–525.
- Караев В., Баландина Г. Модифицированный спектр волнения и дистанционное зондирование // Исслед. Земли из космоса. 2000. № 5. С. 1–12.
- Караев В., Каневский М. Восстановление параметров поверхностного волнения по результатам радиолокационных измерений // Исслед. Земли из космоса. 2008. № 1. C. 44–55.
- Караев В., Панфилова М., Баландина Г., Чу С. Восстановление дисперсии наклонов крупномасштабных волн по радиолокационным измерениям в СВЧ-диапазоне // Исслед. Земли из космоса. 2012. № 4. С. 62–77.
- Розенберг А., Островский И., Калмыков А. Сдвиг частоты при рассеянии радиоизлучения взволнованной поверхностью моря // Изв. высших учеб. заведений. Сер. «Радиофизика». 1966. Т. 9. № 2. C. 234–240.
- Anderson C., Bonekamp H., Figa J., Wilson J., de Smet A ., Duff C., Stoffelen A., Verhoef A., Portabella M., Verspeek J. Metop-A ASCAT Commissioning Quality Report / EUMETSAT OSI SAF SS3; EUMETSAT ASCAT Commissioning Team. 2009. 61 p.
- Ardhuin F. The SKIM Mission: a Pathfinder for Doppler Oceanography from Space // Doppler Oceanography from Space: Proc. Workshop. Brest, France. 10–12 Oct. 2018. 47 p. URL: https://dofs.sciencesconf.org/data/pages/Ardhuin.pdf (accessed 14.10.2019).
- Bass F., Fuks I., Kalmykov A., Ostrovsky I., Rosenberg A. Very high frequency radiowave scattering by a disturbed sea surface // IEEE Trans. Antennas Propagation. 1968. V. 16. No. 5. P. 554–568.
- Chu Х., He Y., Karaev V., Chen G. Relationships between Ku-band radar backscatter and integrated wind and waves parameters at low incidence angles // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2012. V. 50. No. 11. P. 4599–4609. DOI: 10.1109/TGRS.2012.2191560.
- Cox С., Munk W. Measurement of the Roughness of the Sea Surface from Photographs of the Sun’s Glitter // J. Optical Society of America. 1954. V. 44. No. 11. P. 838–850.
- Danilytchev M., Kutuza B., Nikolaev A. The Application of Sea Wave Slope Distribution Empirical Dependencies in Estimation of Interaction Between Microwave Radiation and Rough Sea Surface // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2009. V. 47. No. 2. P. 652–661. DOI: 10.1109/TGRS.2008.2004410.
- Freilich M. H., Vanhoff B. A. The relation between winds, surface roughness, and radar backscatter at low incidence angles from TRMM Precipitation Radar measurements // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2003. V. 20. No. 4. P. 549–562.
- Gohil B. S., Sarkar A., Agarwal V. A New Algorithm for Wind-Vector Retrieval From Scatterometers // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2008. V. 5. No. 3. P. 387–391. DOI: 10.1109/LGRS.2008.917129.
- Gommenginger C., Сhapron B., Martin A., Marquez J., Brownsword C., Buck C. SEASTAR: a new mission concept for high-resolution imaging of ocean surface current and wind vectors from space // Doppler Oceanography from Space: Proc. Workshop. Brest, France. 10–12 Oct. 2018. 22 p. URL: https://dofs.sciencesconf.org/data/pages/Gommenginger.pdf (accessed 14.10.2019).
- Karaev V., Kanevsky M., Meshkov E. The effect of sea surface slicks on the Doppler spectrum width of a backscattered microwave signal // Sensors. 2008. V. 8. P. 3780–3801.
- Nekrasov A., Khachaturian A., Abramov E., Popov D., Markelov O., Obukhovets V., Veremyev V., Bogachev V. Optimization of the airborne antenna geometry for the ocean surface scatterometric measurements // Remote Sensing. 2018. V. 10. No. 10. P. 1–23. URL: http://www.mdpi.com/2072-4292/10/10/1501.
- Pidgeon V. The Doppler dependence of radar sea-return // J. Geophysical Research. 1968. V. 73. No. 4. P. 1333–1341.
- Rodriguez E., Wineteer A., Perkovic-Martin D. DopplerScatt Results: What we have learned and implications for a Winds and Currents Mission // Doppler Oceanography from Space Proc. Workshop. Brest, France. 10–12 Oct. 2018. 40 p. URL: https://dofs.sciencesconf.org/data/pages/Rodriguez.pdf.
- Stoffelen A., Aaboe S., Calvet J.-Ch., Cotton J., De Chiara G., Saldana J. F., Mouche A., Portabella M., Scipal K., Wagner W. Scientific Developments and the EPS-SG Scatterometer // IEEE J. Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2017. V. 10. No. 5. P. 2086–2097. DOI: 10.1109/JSTARS.2017.2696424.
- Valenzuela G. Theories for interaction of electromagnetic and oceanic waves: A review // Boundary Layer Meteorology. 1978. V. 13. P. 61–86.
- Valenzuela G., Laing M. Study of Doppler spectra of radar sea echo // J. Geophysical Research. 1970. V. 75. No. 3. P. 551–563.
- Wentz F. J. A Simplified Wind Vector Algorithm for Satellite Scatterometers // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 1991. V. 8. No. 5. P. 697–704.
- Wentz F., Smith D. A model function for the ocean-normalized radar cross-section at 14 GHz derived from NSCAT observations // J. Geophysical Research. 1999. V. 104. No. C5. P. 11499–11514.
- Wentz F. J., Peteheryh S., Thomas L. A model function for ocean radar cross-sections at 14.6 GHz // J. Geophysical Research. 1984. V. 89. P. 3689–3704.
- Wentz D., Dong X., Yun R., Xu X. Recent advances in developing the CFOSAT Scatterometer // Proc. IGARSS’16. Beijing, China. 2016. P. 5801–5803. DOI: 10.1109/IGARSS.2016.7730515.