Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 3. С. 247-258
Доплеровские спектры радиолокационного сигнала СВЧ диапазона, измеренные при движении над ледяным покровом и морской поверхностью: сравнение моделей и определение типа отражающей поверхности
В.Ю. Караев
1 , Ю.А. Титченко
1 , М.А. Панфилова
1 , М.С. Рябкова
1 , Е.М. Мешков
1 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 30.12.2021
DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-3-247-258
Обычно при радиолокационном зондировании ледяного покрова основным информативным параметром становится сечение обратного рассеяния, что не всегда позволяет однозначно определить тип рассеивающей поверхности (лёд/вода). В настоящей работе обсуждается возможность использования доплеровского спектра отражённого радиолокационного сигнала для оценки площади ледяного покрова. Впервые построена полуэмпирическая модель доплеровского спектра радиолокационного СВЧ-сигнала, отражённого ледяным покровом, для радиолокатора с широкой диаграммой направленности, установленного на движущемся носителе, при малых углах падения зондирующего излучения (0–19°). Было рассмотрено несколько конфигураций антенной системы и показано, что для измерений необходимо применять широкую или ножевую (по углу падения) антенну. Вычисления подтвердили предположение, что при измерении с движущегося носителя доплеровский спектр выступает надёжным индикатором перехода от одного типа рассеивающей поверхности к другой для случая сплошного ледяного покрова и в качестве критериев можно использовать смещение и ширину доплеровского спектра, а также коэффициенты асимметрии и эксцесса для формы доплеровского спектра.
Ключевые слова: доплеровский спектр отражённого радиолокационного сигнала, ледяной покров, морское волнение, диаграмма направленности антенны, ширина и смещение доплеровского спектра, коэффициенты асимметрии и эксцесса
Полный текстСписок литературы:
- Басс Ф. Г., Фукс И. М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.
- Зубкович С. Г., Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. М.: Советское радио, 1968. 224 с.
- Исакович М. А. Рассеяние волн от статистически шероховатой поверхности // Журн. эксперим. и теорет. физики. 1952. Т. 23. Вып. 3(9). С. 305–314.
- 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. T. 39. № 5. С. 517–526.
- Караев В. Ю., Панфилова М. А., Митник Л. М., Титченко Ю. А., Мешков Е. М., Андреева З. В., Волгутов Р. В. (2020а) К вопросу об обратном рассеянии электромагнитных волн СВЧ-диапазона ледяным покровом в Охотском море при малых углах падения на примере данных дождевого радиолокатора // Материалы 18-й Всерос. открытой конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». 16–20 нояб. 2020. М.: ИКИ РАН, 2020. C. 212. DOI: 10.21046/18DZZconf-2020a.
- Караев В. Ю., Панфилова М. А., Митник Л. М., Рябкова М. С., Титченко Ю. А., Мешков Е. М., Андреева З. В., Волгутов Р. В. (2020б) 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.
- Мешков Е. М., Караев В. Ю. Определение параметров морского волнения по доплеровскому спектру радиолокационного СВЧ-сигнала, отраженного водной поверхностью // Изв. высш. учеб. заведений. Радиофизика. 2004. Т. 47. № 3. С. 231–244.
- Муртазин А. Ф., Евграфова К. Г., Кудрявцев В. Н. Применение данных скаттерометра ASCAT для исследования ледового покрова в Арктике // Ученые записки Российского гос. гидролог. ун-та. 2015. Т. 40. С. 160–173.
- Панфилова М. А., Шиков А. П., Понур К. А., Виноградов И. Д., Рябкова М. С., Караев В. Ю. Картографирование ледяного покрова по данным двухчастотного дождевого радиолокатора на примере Охотского моря // 16-я Всероссийская открытая конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». 12–16 нояб. 2018, Москва. М.: ИКИ РАН, 2018. С. 310. DOI: 10.21046/2070-16DZZconf-2018a.
- Радиолокация поверхности Земли из космоса / под ред. Митника Л. М., Викторова С. В. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 196 с.
- 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. Т. 17. № 5. С. 213–217. DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-5-213-227.
- Anderson H. S., Long D. G. Sea ice mapping method for Seawinds // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2005. V. 43. No. 3. P. 647–657.
- Barrick D. E. Rough surface scattering based on the specular point theory // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1968. V. 16. No. 4. P. 449–554.
- Carsey F. D. Microwave Remote Sensing of Sea Ice. Geophysical Monograph 68. Washington D. C.: American Geophysical Union, 1992. 446 p.
- GPM Data Utilization Handbook. First Edition / JAXA. Tokyo, 2014. 92 p.
- Haykin S., Lewis E. O., Raney R. K., Rossiter J. R. Remote Sensing of Sea Ice and Icebergs. Hoboken, New Jersey, USA: John Wiley and Sons, 1994. V. 13. 686 p.
- Karaev V. Yu., Kanevsky M. B., Balandina G., Challenor P., Gommenginger C., Srokosz M. The Concept of a Microwave Radar with an Asymmetric Knifelike Beam for the Remote Sensing of Ocean Waves // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2005. V. 22. No. 11. P. 1809–1820.
- Karaev V., Kanevsky M., Meshkov Eu. 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.
- Karaev V., Panfilova M., Ryabkova M., Titchenko Yu., Meshkov Eu. (2021a) Remote sensing of the sea ice at small incidence angles: verification of the theoretical models // Proc. Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. (IGARSS). 2021. P. 5629–5632.
- Karaev V., Ryabkova M., Panfilova M., Titchenko Yu., Meshkov Eu., Zuikova E. (2021b) Microwave Doppler radar experiment on a river // Proc. Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. (IGARSS). 2021. P. 7350–7353.
- 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.
- Panfilova M., Shikov S., Karaev V. Sea ice detection using Ku-band onboard GPM satellite // 33rd General Assembly and Scientific Symp. Intern. Union of Radio Science 2020. Rome, Italy, 29 Aug. – 5 Sept. 2020. 3 p.
- TRMM Data Users Handbook / National Space Development Agency of Japan. Earth Observation Center. 2001. 226 p.
- Valenzuela G. Theories for the interaction of electromagnetic and oceanic waves — A review // Boundary Layer Meteorology. 1978. V. 13. P. 61–86.