Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 1. С. 175-187
К вопросу о влиянии речного течения на доплеровский спектр отражённого радиолокационного сигнала при малых углах падения
М.С. Рябкова
1 , В.Ю. Караев
1 , М.А. Панфилова
1 , Ю.А. Титченко
1 , Е.М. Мешков
1 , Э.М. Зуйкова
1 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 22.10.2020
DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-1-175-187
Доплеровский спектр отражённого радиолокационного сигнала СВЧ-диапазона содержит информацию о движении рассеивающей поверхности. При малых углах падения для описания обратного рассеяния используется метод Кирхгофа, и в рамках двухмасштабной модели рассеивающей поверхности отражение происходит на участках волнового профиля, ориентированных перпендикулярно падающему излучению. Ширина и смещение доплеровского спектра зависят от статистических моментов второго порядка поверхностного волнения. Течение приводит к трансформации спектра волнения, изменению статистических характеристик, что может быть использовано для измерения скорости и направления течения. Для проверки этой гипотезы была выбрана река, где направление и скорость течения могут быть легко измерены. Для задания спектра, сформировавшегося на постоянном течении, были введены понятия эффективной скорости ветра и эффективного направления ветра. Была получена зависимость спектра волнения от угла между направлением ветра и направлением течения. Это позволило вычислить статистические моменты второго порядка, которые необходимы для вычисления доплеровского спектра. Были построены зависимости ширины и смещения доплеровского спектра от азимутального угла и направления зондирования, получены оценки влияния скорости течения на доплеровский спектр. Показано, что существующие азимутальные зависимости сечения обратного рассеяния, ширины и смещения доплеровского спектра позволяют предложить несколько подходов (алгоритмов) к задаче определения скорости и направления течения. Таким образом, проведённый анализ подтвердил, что задача определения скорости и направления течения по доплеровскому спектру, измеренному при малых углах падения, является потенциально решаемой.
Ключевые слова: скорость и направление течения, ширина и смещение доплеровского спектра, метод Кирхгофа, двухмасштабная модель рассеивающей поверхности, малые углы падения, ветровое волнение
Полный текстСписок литературы:
- Басс Ф. Г., Фукс И. М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.
- Давидан И. Н., Лопатухин Л. И., Рожков В. А. Ветровое волнение в Мировом океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 256 с.
- Каневский М. Б., Караев В. Ю. Спектральные характеристики радиолокационного СВЧ-сигнала, отраженного морской поверхностью при малых углах падения (обратное рассеяние) // Изв. высш. учеб. заведений. Радиофизика. 1996. Т. 39. № 5. С. 517–526.
- Караев В. Ю., Каневский М. Б., Мешков Е. М. Упрощенное описание морского волнения для задач радиолокационного дистанционного зондирования // Исслед. Земли из космоса. 2011. № 2. С. 26–39.
- Караев В. Ю., Панфилова М. А., Рябкова М. С., Титченко Ю. А., Мешков Е. М. Доплеровский спектр радиолокационного сигнала, отраженного морской поверхностью при малых углах падения: эксперимент // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. T. 17. № 2. С. 149–161. DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-2-149-161.
- Коненкова Г. Е. Динамика морских волн. М.: Изд-во МГУ, 1969. 206 с.
- Кочин Н. Е., Кибель И. А., Розе Н. В. Теоретическая гидромеханика. М.: Физматлит, 1963. 583 с.
- Теплов В. И. Закономерности генерации ветровых волн на потоках и метод расчета трансформации волн течениями: дис. … канд. техн. наук. Л., 1984. 198 с.
- Ardhuin F., Brandt P., Gaultier L., Donlon C., Battaglia A., Boy F., Casal T., Chapron B., Collard F., Cravatte S., Delouis J.-M., Witte E., Gerald D., Engen G., Lique C., Lopez Dekker P., Maes Ch., Martin A., Stammer D. SKIM, a Candidate Satellite Mission Exploring Global Ocean Currents and Waves // Frontiers in Marine Science. 2019. V. 6. Art. No. 209. DOI: 10.3389/fmars.2019.00209.
- Barale V., Gower J., Alberotanza L. Oceanography from space. L.: Springer, 2010. 374 p. DOI: 10.1007/978-90-481-8681-5.
- Barrick D. E. Rough Surface Scattering Based on the Specular Point Theory // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1968. AP-16. P. 449–454.
- Francis J. R., Dudgeon C. R. An experimental study of wind generated waves on a water current // Quarterly J. Royal Meteorological Society. 1967. V. 3. No. 247. P. 247–253.
- Gommenginger C., Chapron B., Hogg A., Buckingham C., Fox-Kemper B., Eriksson L., Soulat F., Ubelmann C., Ocampo Torres F., Buongiorno Nardelli B., Griffin D., Lopez Dekker P., Knudsen P., Andersen O., Stenseng L., Stapleton N., Perrie W., Violante-Carvalho N., Schulz-Stellenfleth J., Burbidge G. SEASTAR: A Mission to Study Ocean Submesoscale Dynamics and Small-Scale Atmosphere-Ocean Processes in Coastal, Shelf and Polar Seas // Frontiers in Marine Science. 2019. V. 6. Art. No. 457. DOI: 10.3389/fmars.2019.00457.
- 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. DOI: 10.3390/s8063780.
- Kelvin W. On stationary waves in flowing water // Philosophical Mag. 1871. Ser. 4. V. 42. P. 368.
- Lavrenov I. Wind-waves in oceans: Dynamics and Numerical simulations. Berlin: Springer, 2003. 380 p.
- 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 at low incidence angles // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2020. V. 20. No. 3. P. 2225–2231. DOI: 10.1109/TGRS.2019.2955546.
- Rodriguez E., Bourassa M., Chelton D., Farrar J. T., Long D. The Winds and Currents Mission Concept // Frontiers in Marine Science. 2019. V. 6. Art. No. 438. DOI: 10.3389/fmars.2019.00438.
- Romeiser R., Runge H., Suchandt S., Sprenger J., Weilbeer H., Sohrmann A., Stammer D. Current measurements in rivers by spaceborne along-track InSAR // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2007. V. 45. No. 12. P. 4019–4031.
- Ryabkova M., Karaev V. A modified wave spectrum for modeling in remote sensing problems // Proc. IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. (IGARSS-2018). Valencia, Italy. 2018. P. 3274–3277. DOI: 10.1109/IGARSS.2018.8518285.
- Ryabkova M., Karaev V., Guo J., Titchenko Yu. A review of wave spectra models as applied to the problem of radar probing of the sea surface // J. Geophysical Research: Oceans. 2019. V. 124. No. 10. P. 7101–7134. DOI: 10.1029/2018JC014804.