Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 2. С. 258-270
Оценка характеристик отражённого радиолокационного сигнала при бистатическом зондировании водной поверхности в присутствии речного течения
Ю.А. Титченко
1 , В.Ю. Караев
1 , М.С. Рябкова
1 , К.А. Понур
1 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 23.03.2021
DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-2-258-270
Преимущество бистатического дистанционного зондирования заключается в возможности проводить измерения в удалённой от приёмника и излучателя области, и при этом рассеяние будет оставаться в квазизеркальной области и описываться хорошо изученным приближением Кирхгофа. Это позволяет получить связь характеристик рассеяния с параметрами водной поверхности в явном виде, что открывает возможности для создания новых алгоритмов решения обратной задачи по восстановлению параметров волнения. Кроме того, уровень мощности принимаемого сигнала в квазизеркальной области отражения значительно превосходит область резонансного рассеяния, что позволяет использовать для задач дистанционного зондирования отражённые от подстилающей поверхности сигналы спутниковых навигационных систем. Данная работа посвящена представлению оригинального подхода расчёта характеристик микроволнового излучения, прямо отражённого от ветровых волн, сформированных в присутствии постоянного течения. В рамках этого подхода для задания спектра поверхностных волн в присутствии постоянного течения по волновым числам используются понятия эффективных скорости и направления ветра, зависящих от скорости и направления течения. Для задания частотного спектра волн дополнительно пересчитываются частоты гармоник в зависимости от скорости и направления течения. В работе приводится зависимость спектра волнения от скорости течения и от угла между направлением ветра и течения. Далее по спектрам вычисляются статистические моменты волнения второго порядка, которые необходимы для вычисления доплеровского спектра (ДС) отражённого излучения. Для вычисления ДС используется подход, учитывающий скорости движения приёмника и излучателя, диаграммы направленности приёмной и излучающей антенн, а также зависящий от шести статистических моментов второго порядка, описывающих отражающую поверхность. В работе построены зависимости удельной эффективной площади бистатического рассеяния, ширины и смещения ДС отражённого излучения от азимутального угла плоскости зондирования и направления ветра. Предложен алгоритм восстановления скорости и направления течения при измерении характеристик ДС отражённого водной поверхностью сигнала навигационных спутников (GPS, ГЛОНАСС и др.) приёмниками, установленными на мосту через реку.
Ключевые слова: сечение рассеяния, доплеровский спектр, приближение Кирхгофа, квазизеркальное рассеяние, ГЛОНАСС, GPS, дисперсия уклонов, дисперсия вертикальной составляющей орбитальной скорости, бистатическое зондирование, течение, ветер, волны, спектр волн
Полный текстСписок литературы:
- Авдеев В. А., Бахолдин В. С., Гаврилов Д. А., Герасименко И. С., Добриков В. А., Иванов А. А., Иванов В. Ф., Кошкаров А. С., Сахно И. В., Симонов А. Б., Ткачев Е. А., Успенский К. К., Шалдаев А. В., Шульженко А. В. Комплекс экспериментов по приему отраженных от земной поверхности сигналов спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS // Тр. Ин-та прикладной астрономии РАН. 2012. № 23. C. 303–306.
- Басс Ф., Фукс И. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.
- Караев В. Ю., Титченко Ю. А., Мешков Е. М., Панфилова М. А., Рябкова М. С. Доплеровский спектр радиолокационного сигнала, отражённого морской поверхностью при малых углах падения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. T. 16. № 6. C. 221–234.
- Панфилова М. А., Караев В. Ю. Использование данных орбитального дождевого радиолокатора Ku диапазона для исследования изменения дисперсии наклонов крупномасштабного волнения в слике // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. T. 14. № 5. C. 187–194.
- Рябкова М. С., Караев В. Ю., Панфилова М. А., Титченко Ю. А., Мешков Е. М., Зуйкова Э. М. Доплеровский спектр радиолокационного СВЧ-сигнала обратного рассеяния: эксперимент на реке // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. T. 17. № 5. C. 213–227.
- Рябкова М. С., Караев В. Ю., Панфилова М. А., Титченко Ю. А., Мешков Е. М., Зуйкова Э. М. К вопросу о влиянии речного течения на доплеровский спектр отраженного радиолокационного сигнала при малых углах падения // Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса. 2021 (в печати).
- Сахно И. В., Ткачев Е. А., Гаврилов Д. А., Успенский К. К. Малый космический аппарат обзора морской поверхности с использованием сигналов спутниковых радионавигационных систем // Изв. высш. учеб. заведений. Приборостроение. 2009. T. 52. № 4. С. 34–39.
- Титченко Ю. А., Караев В. Ю. Метод определения параметров морского волнения с помощью модифицированного акустического волнографа // Изв. высш. учеб. заведений. Радиофизика. 2012. T. 55. № 8. C. 544–554.
- Титченко Ю. А., Караев В. Ю., Зуйкова Э. М., Мешков Е. М., Панфилова М. А., Рябкова М. С. Натурные измерения бистатических характеристик отраженного водной поверхностью излучения с помощью модифицированного радиолокатора // Материалы Семнадцатой Всероссийской открытой конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». 11–15 нояб. 2019. М.: ИКИ РАН, 2019. C. 149.
- Фатеев В. Ф., Ксендзук А. В., Обухов П. С., Крапивкин Г. И., Тимошенко Г. В., Король Г. Н., Фатеев О. В., Новиков В. А., Герасимов П. А., Шахалов К. С. Многопозиционная радиолокационная система с синтезированием апертуры антенны по отраженным сигналам ГНСС ГЛОНАСС // Электромагнитные волны и электронные системы. 2012. T. 17. № 5. C. 62–68.
- Cardellach E., Fabra F., Nogués-Correig O., Oliveras S., Ribó S., Rius A. GNSS-R ground-based and airborne campaigns for ocean, land, ice, and snow techniques: Application to the GOLD-RTR data sets // Radio Science. 2011. V. 46. No. 6. Art. No. RS0C04. 16 p. DOI: 10.1029/2011RS004683.
- Clarizia M. P., Gommenginger C. P., Gleason S. T., Srokosz M. A., Galdi C., Di Bisceglie M. Analysis of GNSS-R delay-Doppler maps from the UK-DMC satellite over the ocean // Geophysical Research Letters. 2009. V. 36. No. 2. Art. No. L02608. 5 p. DOI: 10.1029/2008GL036292.
- Ghavidel A., Camps A. Impact of Rain, Swell, and Surface Currents on the Electromagnetic Bias in GNSS-Reflectometry // IEEE J. Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2016. V. 9. No. 10. P. 4643–4649.
- Gleason S. Remote sensing of ocean, ice and land surfaces using bistatically scattered GNSS signals from low earth orbit: Doctoral Thesis / University of Surrey. Guildford, UK, 2006. 223 p.
- Hobiger T., Haas R., Löfgren J. S. GLONASS-R: GNSS reflectometry with a frequency division multiple access-based satellite navigation system // Radio Science. 2014. V. 49. No. 4. P. 271–282.
- Huang N. E., Chen D. T., Tung C., Smith J. Interactions between Steady Won-Uniform Currents and Gravity Waves with Applications for Current Measurements // J. Physical Oceanography. 1972. V. 2. P. 420–431.
- Jing C., Niu X., Duan C., Lu F., Di G., Yang X. Sea Surface Wind Speed Retrieval from the First Chinese GNSS-R Mission: Technique and Preliminary Results // Remote Sensing. 2019. V. 11(24). Art. No. 3013. 13 p. URL: https://doi.org/10.3390/rs11243013.
- Karaev V., Ryabkova M., Panfilova M., Titchenko Y., Meshkov E., Zuikova E. Application of doppler radar for measurement of current velocity at small incidence angles: the first experiments at the river // IGARSS 2020 — 2020 IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. Waikoloa, HI, USA, 2020. P. 5693–5696. DOI: 10.1109/IGARSS39084.2020.9323494.
- Li B., Yu B., Yang L., Yang D., Han H. Modeling and Simulation of GNSS-R Signals with Ocean Currents // China Satellite Navigation Conf. (CSNC) 2020: Proc. V. I. Singapore: Springer, 2020. P. 99–110.
- Martin-Neira M. A Passive Reflectometry and Interferometry System (PARIS): Application to ocean altimetry // ESA J. 1993. V. 17. No. 4. P. 331–355.
- Rodríguez E., Wineteer A., Perkovic-Martin D., Gál T., Stiles B. W., Niamsuwan N., Rodriguez Monje R. Estimating Ocean Vector Winds and Currents Using a Ka-Band Pencil-Beam Doppler Scatterometer // Remote Sensing. 2018. V. 10. No. 4. Art. No. 576. 59 p. URL: https://doi.org/10.3390/rs10040576.
- Rodríguez E., Bourassa M., Chelton D., Farrar J. T., Long D., Perkovic-Martin D., Samelson R. The Winds and Currents Mission Concept // Frontiers in Marine Science. 2019. V. 6. Art. No. 438. 8 p. 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.
- Ruf C., Chang P., Clarizia M. P., Gleason S., Jelenak Z., Murray J., Morris M., Musko S., Posselt D., Provost D., Starkenburg D., Zavorotny V. CYGNSS Handbook / University of Michigan. Ann Arbor, MI: Michigan Publishing, 2016. 143 p.
- Ryabkova M., Karaev V., Guo J., Titchenko Y. A Review of Wave Spectrum Models as Applied to the Problem of Radar Probing of the Sea Surface // J. Geophysical Research: Oceans. 2019. V. 124. No. 10. P. 7104–7134.
- Ryabkova M., Karaev V., Panfilova M., Titchenko Y., Meshkov E., Zuikova E. Study of the Doppler Spectrum of the Microwave Radar Signal Backscattered from the Water Surface at Low Incidence Angles in the Presence of a Constant Current: Experiment and Modeling // 2020 33rd General Assembly and Scientific Symp. Intern. Union of Radio Science. Rome, Italy, 2020. P. 1–4. DOI: 10.23919/ursigass49373.2020.9232433.
- Titchenko Y. Bistatic Doppler spectrum of radiation reflected by a water surface // Russian J. Earth Sciences. 2020. V. 20. No. 6. P. 8.
- Titchenko Y., Karaev V. Doppler Spectrum of Microwaves at Forward Scattering from the Sea Surface // IGARSS 2018 — 2018 IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. 2018. P. 4127–4130. DOI: 10.1109/igarss.2018.8517326.
- Titchenko Y., Zuikova E., Karaev V., Meshkov E., Panfilova M., Ryabkova M. Bistatic doppler spectra of the signal reflected by rough water surface measured by modified monostatic radar // IGARSS 2020 — 2020 IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. Waikoloa, HI, USA, 2020. P. 5713–5716. DOI: 10.1109/IGARSS39084.2020.9323093.
- Valenzuela G. Theories for interaction of electromagnetic and oceanic waves: A review // Boundary Layer Meteorology. 1978. V. 13. P. 61–86.
- Wineteer A., Perkovic-Martin D., Monje R., Rodríguez E.; Gál T., Niamsuwan N., Nicaise F., Srinivasan K., Baldi C., Majurec N., Stiles B. Measuring Winds and Currents with Ka-Band Doppler Scatterometry: An Airborne Implementation and Progress towards a Spaceborne Mission // Remote Sensing. 2020. V. 12. No. 6. Art. No. 1021. 18 p. URL: https://doi.org/10.3390/rs12061021.
- Zavorotny V. U., Voronovich A. G. Scattering of GPS Signals from the Ocean with Wind Remote Sensing Application // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2000. V. 38. No. 2. P. 951–964. DOI: 10.1109/36.841977.
- Zavorotny V. U., Gleason S., Cardellach E., Camps A. Tutorial on Remote Sensing Using GNSS Bistatic Radar of Opportunity // IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine. 2014. V. 2. No. 4. P. 8–45.