Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 4. С. 69-80
Импульсный гидролокатор, предназначенный для восстановления параметров водной поверхности. Часть 2: Численное моделирование и алгоритм восстановления
К.А. Понур
1 , Ю.А. Титченко
1 , В.Ю. Караев
1 , М.С. Рябкова
1 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 20.07.2023
DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-4-69-80
Несмотря на то, что эксперимент — важнейший этап научного исследования при проверке выдвинутых гипотез и разработанных моделей, возможность проведения «численных» экспериментов значительно ускоряет процесс их верификации. Ещё более востребованным становится использование численного моделирования на этапе разработки, изготовления и тестирования нового прибора. В этом случае численный эксперимент позволяет оценить достоверность используемых теоретических моделей, точность алгоритмов обработки, определить оптимальную схему проведения измерений. Для получения новой информации о поверхностном волнении предлагается использовать многочастотный подводный акустический волнограф, и оценку его эффективности можно получить с помощью численного моделирования (численного эксперимента). Для теоретического описания формы отражённого импульса в предыдущей работе (часть 1) использовались две аналитические модели: модель Брауна и модель Караева. Данная статья (часть 2) посвящена численному моделированию отражения акустических волн водной поверхностью в квазизеркальной области отражения. Моделируется работа подводного акустического волнографа с широкими диаграммами направленности антенн в двух диапазонах длин излучённых волн: 8 мм и 23 см. Сравнение «измеренных» в численном эксперименте импульсов с полученными по теоретической формуле подтвердило работоспособность разработанного алгоритма ретрекинга, использующего теоретическую модель импульса Караева.
Ключевые слова: квазизеркальное рассеяние, численное моделирование, форма отражённого импульса, гидролокатор, высота значительного волнения, дисперсия уклонов крупномасштабного по сравнению с длиной акустической волны волнения, алгоритмы обработки, ретрекинг
Полный текстСписок литературы:
- Баскаков А. И., Комаров А. А., Михайлов М. С. Методические погрешности высокоточного радиовысотомера при работе над морской поверхностью на малых высотах // Изв. высш. учеб. заведений. Радиофизика. 2017. Т. 60. № 6. С. 521–529.
- Басс Ф. Г., Фукс И. М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.
- Запевалов А. С., Шумейко И. П., Абрамович А. Ю. Зависимости характеристик уклонов морской поверхности от пространственных диапазонов создающих их волн // Журн. радиоэлектроники. 2020. № 5. DOI: 10.30898/1684-1719.2020.5.15.
- Караев В. Ю., Мешков Е. М., Титченко Ю. А. Подводный акустический высотомер // Изв. высш. учеб. заведений. Радиофизика. 2014. Т. 57. № 7. С. 543–554.
- Понур К. А., Караев В. Ю., Рябкова М. С. К вопросу о моделировании морской поверхности применительно к решению задач дистанционного зондирования // Материалы Всерос. открытой науч. конф. «Современные проблемы дистанц. зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн». Всерос. открытые Армандовские чтения. Муром: МИ ВлГУ, 2021. C. 214–221.
- Понур К. А., Титченко Ю. А., Караев В. Ю., Рябкова М. С. Импульсный гидролокатор, предназначенный для восстановления параметров водной поверхности. Часть 1: Теоретические модели // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 3. С. 49–58. DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-3-49-58.
- Титченко Ю. А., Караев В. Ю. Особенности теоретической модели спектральных и энергетических характеристик рассеянных волн с учетом диаграмм направленности приемной и излучающей антенн при зондировании морской поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 2. С. 67–83. DOI: 10.21046/2070-7401-2016-13-2-67-83.
- Alpers W. Monte Carlo simulations for studying the relationship between ocean wave and synthetic aperture radar image spectra // J. Geophysical Research: Oceans. 1983. V. 88. No. C3. P. 1745–1759. DOI: 10.1029/JC088iC03p01745.
- Baskakov A. I., Komarov A. A., Ruban A. V., Ka M.-H. Limiting Accuracy of Height Measurement for a Precision Radar Altimeter in a Low Altitude Flying Vehicle above the Sea Surface // Remote Sensing. 2021. V. 13. No. 14. Article 2660. DOI: 10.3390/rs13142660.
- Brown G. The average impulse response of a rough surface and its applications // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1977. V. 25. P. 67–74. DOI: 10.1109/TAP.1977.1141536.
- Chapron B., Johnsen H., Garello R. Wave and wind retrieval from sar images of the ocean // Annales Des Télécommunications. 2001. V. 56. No. 11. P. 682–699. DOI: 10.1007/BF02995562.
- Chelton D. B., Ries J. C., Haines B. J., Fu L.-L., Callahan P. S. Chapter 1: Satellite Altimetry // Intern. Geophysics / eds. Fu L.-L., Cazenave A. Academic Press, 2001. V. 69. P. 1–133. DOI: 10.1016/S0074-6142(01)80146-7.
- Danilytchev M. V., Kutuza B. G., Nikolaev A. G. The Application of Sea Wave Slope Distribution Empirical Dependences in Estimation of Interaction between Microwave Radiation and Rough Sea Surface // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2009. V. 47. No. 2. P. 652–661. DOI: 10.1109/tgrs.2008.2004410.
- Elfouhaily T., Guérin C. A critical survey of approximate scattering wave theories from random rough surfaces // Waves in Random Media. 2004. V. 14. No. 4. P. 1–40. DOI: 10.1088/0959-7174/14/4/R01.
- Freilich M. H., Vanhoff B. A. The Relationship 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. DOI: 10.1175/1520-0426(2003)20<549:trbwsr>2.0.co;2.
- Hasselmann S., Brüning C., Hasselmann K., Heimbach P. An improved algorithm for the retrieval of ocean wave spectra from synthetic aperture radar image spectra // J. Geophysical Research: Oceans. 1996. V. 101. No. C7. P. 16615–16629. DOI: 10.1029/96JC00798.
- Hauser D., Soussi E., Thouvenot E., Rey L. SWIMSAT: A Real-Aperture Radar to Measure Directional Spectra of Ocean Waves from Space — Main Characteristics and Performance Simulation // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2001. V. 18. No. 3. P. 421–437. DOI: 10.1175/1520-0426(2001)018<0421:SARART>2.0.CO;2.
- Lin W., Dong X., Portabella M. et al. A Perspective on the Performance of the CFOSAT Rotating Fan-Beam Scatterometer // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2019. V. 57. No. 2. P. 627–639. DOI: 10.1109/TGRS.2018.2858852.
- Nouguier F., Mouche A., Rascle N. et al. Analysis of Dual-Frequency Ocean Backscatter Measurements at Ku- and Ka-Bands Using Near-Nadir Incidence GPM Radar Data // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2016. V. 13. No. 9. P. 1310–1314. DOI: 10.1109/LGRS.2016.2583198.
- Ouellette J. D., Bounds W. T., Dowgiallo D. J., Toporkov J. V., Hwang P. A. On the Sensitivity of Passive Multistatic Radar Amplitude and Doppler Measurements to Significant Wave Height // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2022. T. 19. C. 1–5. DOI: 10.1109/LGRS.2020.3048270.
- 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. DOI: 10.1029/2018JC014804.
- Toporkov J. V., Brown G. S. Numerical simulations of scattering from time-varying, randomly rough surfaces // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2000. V. 38. No. 4. P. 1616–1625. DOI: 10.1109/36.851961.
- Toporkov J. V., Ouellette J. D. Numerical Simulations and Analysis of Beam-Resolved In-Plane Bistatic Scattering in a Wavetank Setup // 2021 IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. (IGARSS). 2021. P. 7315–7318. DOI: 10.1109/igarss47720.2021.9553112.
- Toporkov J. V., Sletten M. A. Numerical Simulations and Analysis of Wide-Band Range-Resolved HF Backscatter from Evolving Ocean-Like Surfaces // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2012. V. 50. No. 8. P. 2986–3003. DOI: 10.1109/TGRS.2011.2178032.
- Zhang B., Li X., Perrie W., He Y. Synergistic measurements of ocean winds and waves from SAR // J. Geophysical Research: Oceans. 2015. V. 120. No. 9. P. 6164–6184. DOI: 10.1002/2015JC011052.