Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 2. С. 149-161
Доплеровский спектр радиолокационного сигнала, отражённого морской поверхностью при малых углах падения: эксперимент
В.Ю. Караев
1 , М.А. Панфилова
1 , М.С. Рябкова
1 , Ю.А. Титченко
1 , Е.М. Мешков
1 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 30.12.2019
DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-2-149-161
Продолжен анализ свойств доплеровского спектра радиолокационного сигнала сверхвысокочастотного диапазона, отражённого морской поверхностью, при углах падения меньше 19º. Данные были получены в ходе эксперимента на морской океанографической платформе, расположенной в Чёрном море. Для описания доплеровского спектра помимо ширины и смещения впервые применялись коэффициенты асимметрии и эксцесса. Показано, что коэффициенты растут при увеличении угла падения и могут быть использованы для разработки количественного критерия перехода от квазизеркального (метод Кирхгофа) к резонансному (метод возмущений) механизму обратного рассеяния. Разработана оригинальная процедура калибровки данных радиолокатора, опирающаяся на теоретическую модель рассеяния и позволяющая сравнивать измерения разных радиолокаторов. При обработке данных эксперимента применялась процедура определения эффективной скорости ветра и эффективного безразмерного ветрового разгона для заданной модели спектра ветрового волнения. Восстановленный таким образом спектр волнения использовался для вычисления статистических моментов второго порядка и определения спектральных и энергетических характеристик отражённого сигнала. Численные оценки показали, что зависимости сечения обратного рассеяния, ширины и смещения доплеровского спектра от угла падения хорошо коррелируют с измерениями при малых углах падения (<8–14º). Сравнение дисперсий уклонов крупномасштабного (по сравнению с длиной волны излучения) волнения, вычисленных по спектру ветрового волнения и восстановленных по угловой зависимости сечения обратного рассеяния, показало хорошее совпадение. Для описания рассеяния в переходной области углов падения (~10–20º) необходимо учитывать резонансный механизм обратного рассеяния.
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.
- Караев В., Каневский М., Мешков Е. Упрощенное описание морского волнения для задач радиолокационного дистанционного зондирования // Исслед. Земли из космоса. 2011. № 2. С. 26–39.
- Караев В., Панфилова М., Баландина Г., Чу К. Восстановление дисперсии наклонов крупномасштабных волн по радиолокационным измерениям в СВЧ-диапазоне // Исслед. Земли из космоса. 2012. № 4. С. 62–77.
- Караев В., Рябкова М., Панфилова М., Титченко Ю., Мешков Е. Свойства доплеровского спектра радиолокационного СВЧ-сигнала, отраженного морской поверхностью при малых углах падения // 16-я Всероссийская открытая конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»: сб. тез. 12–16 нояб. 2018. М.: ИКИ РАН, 2018. С. 278.
- Караев В., Титченко Ю., Мешков Е., Панфилова М., Рябкова М. Доплеровский спектр радиолокационного сигнала, отраженного морской поверхностью при малых углах падения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. № 6. С. 221–234.
- Курьянов Б. Ф. Рассеяние звука на шероховатой поверхности с двумя типами неровностей // Акустический журн. 1962. T. 8. № 3. C. 325–333.
- Панфилова М. А., Караев В. Ю., Титченко Ю.А, Рябкова М. А. Восстановление статистических характеристик ветрового волнения по ширине и смещению доплеровского спектра отраженного радиолокационного сигнала // 15-я Всероссийская открытая конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»: сб. тез. 13–17 нояб. 2017. М.: ИКИ РАН, 2017. С. 296.
- Титченко Ю. А., Караев В. Ю. Метод определения параметров морского волнения с помощью модифицированного акустического волнографа // Изв. высш. учеб. заведений. Сер. «Радиофизика». 2012. Т. 55. № 8. С. 544–554.
- Фукс И. М. К теории рассеяния радиоволн на взволнованной поверхности моря // Изв. высш. учеб. заведений. Сер. «Pадиофизика». 1966. T. 9. № 5. C. 876–887.
- 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).
- Boisot O., Amarouche L., Lalaurie J.-C., Guerin C.-A. Dynamical Properties of Sea Surface Microwave Backscatter at Low-Incidence: Correlation Time and Doppler Shift // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2016. V. 54. No. 12. P. 7385–7395.
- Chu X., 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.
- Fois F., Hoogeboom P., Chavalier F., Stoffelen A. An analytical model for the description of the full-polarimetric sea surface Doppler signature // J. Geophysical Research: Oceans. 2015. V. 120. P. 988–1015.
- 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.
- GPM Data Utilization Handbook. First Edition. Japan Aerospace Exploration Agency, 2014. 92 p.
- Hauser D., Tison C., Amiot T., Delaye L., Corcoral N., Castillan P. SWIM: the first spaceborne wave scatterometer // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2017. V. 55. No. 5. P. 3000–3014.
- Johnson J., Toporkov J., Brown G. A Numerical Study of Backscattering From Time-Evolving Sea Surfaces: Comparison of Hydrodynamic Models // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2001. V. 39. No. 11. P. 2411–2420. DOI: 10.1109/36.964977.
- Karaev V., Kanevsky M., Balandina G., Cotton P., Challenor P., Gommenginder C., Srocosz M. On the problem of the near ocean surface wind speed retrieval by radar altimeter: two-parametric algorithm // Intern. J. Remote Sensing. 2002. V. 23. No. 16. P. 3263–3283.
- Karaev V., Ryabkova M., Panfilova M., Titchenko Yu., Meshkov Eu. The Doppler spectrum of the microwave radar signal backscattered by the sea surface at low incidence angles // Proc. IGARSS. 2018. P. 979–982.
- Li X., Xu X. Scattering and Doppler spectral analysis for two-dimensional linear and nonlinear sea surfaces // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2011. V. 49. No. 2. P. 603–611.
- Nouguier F., Guerin С., Soriano G. Analytical Techniques for the Doppler Signature of Sea Surfaces in the Microwave Regime — II: Nonlinear Surfaces // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2011. V. 49. No. 12. P. 4920–4927.
- Nouguier F., Chapron B., Collard F., Mouche A., Rascle N., Ardhuin F., Wu X. Sea Surface Kinematics from Near-Nadir Radar Measurements // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2018. V. 56. No. 10. P. 6169–6179.
- Panfilova M., Karaev V., Guo J. (2018a) Oil slick observation at low incidence angles in Ku band // J. Geophysical Research, Oceans. 2018. V. 123. No. 3. P. 1924–1936. URL: https://doi.org/10.1002/2017JC013377.
- Panfilova M., Ryabkova M., Titchenko Y., Karaev V. (2018b) Retrieving of significant wave height and period from the Doppler spectrum of backscattered microwave signal // 12th European Conf. Antennas and Propagation (EuCAP 2018): Proc. L., 2018. P. 1–3. DOI: 10.1049/cp.2018.1084.
- Panfilova M., Ryabkova M., Karaev V., Skiba E. Retrieval of the statistical characteristics of wind waves from the width and shift of the Doppler spectrum of the backscattered microwave signal // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2019. V. 20. No. 3. P. 1–7.
- Ryabkova M., Karaev V. A modified wave spectrum for modeling in remote sensing problems // Proc. IGARSS. 2018. P. 3274–3277.
- Ryabkova M., Karaev V., Titchenko Y., Guo J. A review of wave spectra models as applied to the problem of radar probing of the sea surface // J. Geophysical Research: Oceans. 2019. No. 124. P. 1–31. URL: https://doi.org/10.1029/2018JC014804.
- Titchenko Yu., Karaev V. Sea surface waves parameters retrieval method based on the measurement of the Doppler spectrum of the quasispecular reflected waves // Proc. IGARSS. 2017. P. 721–724.
- Toporkov J., Brown G. Numerical simulations of scattering from time-varying, randomly rough surfaces // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2000. V. 38. No. 4. P. 1616–625. DOI: 10.1109/36.851961.
- Toporkov J., Brown G. Numerical Study of the Extended Kirchhoff Approach and the Lowest Order Small Slope Approximation for Scattering from Ocean-Like Surfaces: Doppler Analysis // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2002. V. 50. No. 4. P. 417–425.
- Toporkov J., Sletten M. Investigation of Doppler Spectra of Sea Backscatter through Large-Scale Monte Carlo Simulations: Direct Numerical Solution and Approximate Models // IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. (IGARSS-2018): Proc. Valencia, 2018. P. 41–44. DOI: 10.1109/IGARSS.2018.8518836.
- Voronovich A., Zavorotny V. Theoretical model for scattering of radar signals in Ku- and C-bands from a rough sea surface with breaking waves // Waves Random Media. 2001. V. 11. P. 247–269.
- Wang J., Xu X. Doppler simulation and analysis for 2-D Sea surfaces up to Ku-band // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2016. V. 54. No. 1. P. 466–478.
- Wright J. W. A new model for sea clutter // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1968. V. 16. P. 217–223.