Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 3. С. 229-241
Обратное рассеяние радиолокационного сигнала СВЧ диапазона однолетним морским льдом при малых углах падения
В.Ю. Караев
1 , М.А. Панфилова
1 , Л.М. Митник
1, 2 , М.С. Рябкова
1 , Ю.А. Титченко
1 , Е.М. Мешков
1 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
2 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток, Россия
Одобрена к печати: 06.04.2021
DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-3-229-241
Сложность построения теоретической модели рассеяния электромагнитных волн СВЧ диапазона обусловлена тем, что морской лёд — многокомпонентная среда с особыми электрофизическими и физико-химическими свойствами. В области малых углов падения задача осложняется ещё тем, что экспериментальных данных крайне мало, что затрудняет верификацию моделей. Вывод на орбиту спутника GPM (Global Precipitation Measurement) с двухчастотным дождевым радиолокатором (Ku и Ka диапазоны), выполняющим измерения при малых углах падения (0–18°), открывает возможности для верификации существующих моделей и построения новых. В качестве тестового объекта было выбрано Охотское море, которое попадает в полосу обзора двухчастотного дождевого радиолокатора (Dual-frequency Precipitation Radar). Исследовалась зависимость сечения обратного рассеяния от угла падения для сформировавшегося однолетнего ледяного покрова при отрицательной температуре воздуха (сухой лёд). Сравнение экспериментальных зависимостей с тремя моделями рассеяния показало, что наилучшее совпадение с измерениями даёт метод возмущений для плоской шероховатой поверхности. Для спектра эффективных шероховатостей, используемого в модели, предлагается применять степенную функцию, и оптимальным оказался показатель степени –1,3 для обоих диапазонов. Однако вопрос об амплитуде шероховатостей требует дополнительных исследований.
Ключевые слова: двухчастотный дождевой радиолокатор, малые углы падения, сечение обратного рассеяния, однолетний морской лёд, алгоритмы обработки
Полный текстСписок литературы:
- Басс Ф. Г. Распространение радиоволн над статистически неровной поверхностью // Изв. высш. учеб. заведений. Сер.: Paдиoфизикa. 1961. T. 4. № 3. C. 476–483.
- Басс Ф. Г., Фукс И. М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности: М.: Наука, 1972. 424 с.
- Боев А. Г., Ефимов В. Б., Цымбал В. Н. Радиолокационные методы и средства оперативного дистанционного зондирования Земли с аэрокосмических носителей / под ред. С. Н. Конюхова, В. И. Драновского, В. Н. Цымбала. Киев: ООО «Джулия Принт», 2007. 440 с.
- Вагапов З. Х., Гаврило В. П., Козлов А. И., Лебедев Г. А., Логвин А. И. Дистанционные методы исследования морских льдов. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. 343 с.
- Зубкович С. Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. М.: Советское радио, 1968. 224 с.
- Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно неоднородных средах. Т. 2. / пер. с англ. М.: Мир, 1981. 317 с.
- Караев В. Ю., Панфилова М. А., Митник Л. М., Рябкова М. С., Титченко Ю. А., Мешков Е. М., Андреева З. В., Волгутов Р. В. Особенности радиолокационного зондирования ледяного покрова при малых углах падения на примере Охотского моря // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 7. С. 187–202. DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-7-187-202.
- Koпилoвич Л. E., Фyкc И. M. Индикатрисы рассеяния и альбедо cильнoшepoxoвaтыx поверхностей // Изв. высш. учеб. заведений. Сер.: Paдиoфизикa. 1981. T. 24. № 7. C. 840–850.
- Митник Л. М., Викторов С. В. Радиолокация поверхности Земли из космоса. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 200 с.
- Спутниковые методы определения характеристик ледяного покрова морей: практич. пособие / под ред. В. Г. Смирнова. СПб.: ААНИИ, 2011. 240 с.
- Тимченко А. И. Рассеяние электромагнитного излучения в неоднородном ледовом слое с шероховатыми границами // Изв. высш. учеб. заведений. Сер.: Радиофизика. 1986. Т. 29. № 1. С. 55–61.
- Тимченко А. И., Синицын Ю. А., Ефимов В. Б. Моделирование процессов рассеяния радиоволн ледовыми покровами // Изв. высш. учеб. заведений. Сер.: Радиофизика. 1985. Т. 28. № 7. С. 817–822.
- Шарков Е. А. Радиотепловое дистанционное зондирование Земли: физические основы. Т. 1: М.: ИКИ РАН, 2014. 548 с.
- Anderson H. S., Long D. G. Sea ice mapping method for Seawinds // IEEE Trans. Geoscience Remote Sensing. 2005. V. 43. No. 3. P. 647–657.
- Eom H. J. Theoretical Scatter and Emission Models for Microwave Remote Sensing: Doctoral Thesis. Lawrence, Kansas: University of Kansas, 1982.
- Golden K. M., Cheney M., Ding K., Fung A. K., Grenfell T. C., Isaacson D., Kong J., Nghiem S., Sylvester J., Winebrenner D. Forward Electromagnetic Scattering Models for Sea Ice // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1998. V. 36. No. 5. P. 1655–1674.
- GPM Data Utilization Handbook. First Edition. JAXA, 2014. 92 p.
- Kim Y. S., Moore R. K., Onstott R. G., Gogineni S. Towards identification of optimum radar parameters for sea-ice monitoring // J. Glaciology. 1985. V. 31. No. 109. P. 214–219.
- Komarov A. S., Isleifson D., Barber D. G., Shafai L. Modeling and Measurement of C-Band Radar Backscatter from Snow-Covered First-Year Sea Ice // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2015. V. 53. No. 7. P. 4063–4078.
- Kwok R. Satellite remote sensing of sea-ice thickness and kinematics: a review // J. Glaciology. 2010. V. 56. No. 200. P. 1129–1140.
- Lebedev S. A., Kostianoy A. G., Popov S. K. Satellite Altimetry of Sea Level and Ice Cover in the Barents Sea // Ecologica Montenegrina. 2019. V. 25. P. 26–35. DOI: 10.37828/em.2019.25.3.
- Liu M., Dai Y., Zhang J., Zhang X., Meng J., Zhu X., Yin Y. The microwave scattering characteristics of sea ice in the Bohai Sea // Acta Oceanologica Sinica. 2016. V. 35. No. 5. P. 89–98. DOI: 10.1007/s13131-016-0861-6.
- Microwave Remote Sensing of Sea Ice / ed. Carsey F. D. Book Ser.: Geophysical Monograph 68. Washington DC: American Geophysical Union, 1992. 462 p.
- Mitnik L. M., Kalmykov A. I., Structure and dynamics of the Sea of Okhotsk marginal ice zone from “Ocean” satellite radar sensing data // J. Geophysical Research. 1992. V. 97. No. C5. P. 7429–7445.
- Panfilova M., Shikov A., Karaev V. Sea ice detection using Ku band radar onboard GPM satellite, XXXIII General Assembly and Scientific Symp. Intern. Union of Radio Science. Rome, Italy, 2020. P. 1–3. DOI: 10.23919/URSIGASS49373.2020.9232361.
- Patel A., Paden J., Leuschen C., Kwok R., Gomez-Garcia D., Panzer B., Davidson W. J., Gogineni S. Fine-resolution radar altimeter measurements on land and sea ice // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2015. V. 53. No. 5. P. 2547–2564. DOI: 10.1109/TGRS.2014.2361641.
- Shuchman R. A., Onstott R. G., Johannesen O. M., Sandven S., Johannesen J. A. Process at the ice edge The Arctic // Synthetic Aperture Radar: Marine User’s Manual. 2004. P. 373–395. DOI: 10.1029/2005JC003384.
- Ulaby F. T., Moore R. K., Fung A. K. Microwave Remote Sensing: Active and Passive. V. 3. From Theory to Applications. Norwood, Massachusetts: Artech House, 1986. 1120 p.
- Winebrenner D. P., Bredow J., Fung A. K., Drinkwater M. R., Nghiem S., Gow A. J., Perovich D. K., Grenell T. C., Han C., Kong J., Lee J. K., Mudallar S., Onstott R., Tsang L., West R. D. Chapter 8. Microwave Sea Ice Signature Modeling // Microwave Remote Sensing of Sea Ice / ed. F. D. Carsey. Book Ser.: Geophysical Monograph 68. American Geophysical Union, 1992. P. 137–175. DOI: 10.1029/GM068.