Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 3. С. 207-220
Исследование асимметрии азимутальной зависимости доплеровской скорости рассеивателей радиоволн X-диапазона
А.В. Ермошкин
1 , Н.А. Богатов
1 , И.А. Капустин
1 , А.А. Мольков
1 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 12.04.2024
DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-3-207-220
В работе демонстрируется связь доплеровской скорости рассеивателей радиоволн взволнованной водной поверхностью со скоростью приводного ветра, приповерхностных течений и характеристик волнения. Двухмасштабная модель рассеяния предсказывает симметричную азимутальную зависимость доплеровской скорости, однако экспериментальные данные демонстрируют асимметрию, которая нуждается в объяснении. В статье рассмотрен этот вопрос на основе экспериментальных данных в широком диапазоне гидрометеорологических условий. Зондирование осуществлялось в X-диапазоне на горизонтальной поляризации излучения и приёма при углах зондирования близких к скользящим с помощью цифровой когерентной радиолокационной станции кругового обзора. Благодаря высокому пространственно-временному разрешению радиолокационной аппаратуры при измерении доплеровской скорости показано, что средняя доплеровская скорость близка к средней скорости рассеивателей радиоволн на взволнованной водной поверхности. Предложена простая статистическая модель для средней доплеровской скорости на рассматриваемой площади морской поверхности в зависимости от азимутального угла зондирования с учётом асимметрии. Рассмотрены особенности асимметрии азимутальной зависимости доплеровской скорости рассеивателей радиоволн Х-диапазона и некоторые механизмы её формирования.
Ключевые слова: когерентное радиолокационное зондирование, брэгговские волны, доплеровская скорость, течения, ветровые волны
Полный текстСписок литературы:
- Богатов Н. А., Капустин И. А., Мольков А. А., Ермошкин А. В. Измерение скорости ветровой ряби на профиле длинной волны с применением метода стереосъёмки // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 2. С. 216–225. DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-2-216-225.
- Ермаков С. А. Влияние пленок на динамику гравитационно-капиллярных волн. Н. Новгород: ИПФ РАН, 2010. 163 с.
- Ермошкин А. В., Капустин И. А., Мольков А. А., Богатов Н. А. Определение скорости течения на морской поверхности доплеровским радиолокатором X-диапазона // Фундам. и приклад. гидрофизика. 2020. Т. 13. № 3. С. 93–103. DOI: 10.7868/S2073667320030089.
- Каневский М. Б., Караев В. Ю., Лубяко Л. В., Зуйкова Э. М., Титов В. И., Гольдблат В. Ю., Баландина Г. Н. Доплеровские спектры сантиметровых и миллиметровых радиоволн, рассеянных водной поверхностью под малыми углами скольжения // Изв. ВУЗов. Радифизика. 2001. Т. 44. № 11. С. 922–930.
- Капустин И. А., Ермошкин А. В., Богатов Н. А., Мольков А. А. Об оценке вклада приводного ветра в кинематику сликов на морской поверхности в условиях ограниченных разгонов волнения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 2. С. 163–172. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-2-163-172.
- Салин М. Б., Ермошкин А. В., Разумов Д. Д., Салин Б. М. Модели формирования доплеровского спектра поверхностной реверберации для звуковых волн метрового диапазона // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 5. C. 595-607. DOI: 10.31857/S032079192360035X.
- Сергиевская И. А., Ермаков С. А., Плотников Л. М. и др. Об определении скоростей течений при микроволновом зондировании морской поверхности при умеренных углах падения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 2. С. 212–222. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-2-212-222.
- Справочник по радиолокации / Под ред. М. Сколника; пер. с англ.; в 4 т. Т. 1. Основы радиолокации / Под ред. Я. С. Ицхоки. М.: Сов. радио, 1976. 456 с.
- Carrasco R., Horstmann J., Seemann J. Significant wave height measured by coherent X-band radar // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2017. V. 55. No. 9. P. 5355–5365. DOI: 10.1109/TGRS.2017.2706067.
- Chapron B., Collard F., Ardhuin F. Direct measurements of ocean surface velocity from space: Interpretation and validation // J. Geophysical Research. 2005. V. 110. Article C07008. DOI: 10.1029/2004jc002809.
- Cui J., Wang Y., Zhang Y. et al. A new model for Doppler shift of C-band echoes backscattered from sea surface // Acta Oceanologica Sinica. 2023. V. 42. No. 6. P. 100–111. DOI: 10.1007/s13131-022-2144-8.
- Duncan J. H. Spilling breakers // Annual Review Fluid Mechanics. 2001. V. 33. P. 519–547. DOI: 10.1146/annurev.fluid.33.1.519.
- Duncan J. H., Qiao H., Philomin V., Wenz A. Gentle spilling breakers: crest profile evolution // J. Fluid Mechanics. 1999. V. 379. P. 191–222. DOI: 10.1017/S0022112098003152.
- Elyouncha A., Eriksson L. E. B., Romeiser R., Ulander L. M. H. Empirical Relationship Between the Doppler Centroid Derived From X-Band Spaceborne InSAR Data and Wind Vectors // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2022. V. 60. P. 1–20. DOI: 10.1109/TGRS.2021.3066106.
- Ermakov S. A., Kapustin I. A., Sergievskaya I. A. On peculiarities of scattering of microwave radar signals by breaking gravity-capillary waves // Radiophysics. Quantum Electronics. 2012. V. 55. P. 453–461. DOI: 10.1007/s11141-012-9381-1.
- Ermoshkin A., Kapustin I. Estimation of the wind-driven wave spectrum using a high spatial resolution coherent radar // Russian J. Earth Sciences. 2019. V. 19. Article ES1005. DOI: 10.2205/2019ES000662.
- Ermoshkin A. V., Kapustin I. A., Kosteev D. A. et al. Monitoring Sea Currents with Midrange Acoustic Backscattering // Water. 2023. V. 15. No. 11. Article 2016. DOI: 10.3390/w15112016.
- Johannessen J. A., Chapron B., Collard F. et al. Direct ocean surface velocity measurements from space: Improved quantitative interpretation of ENVISAT ASAR observations // Geophysical Research Letters. 2008. V. 35. No. 22. DOI: 10.1029/2008GL035709.
- Hansen M. W., Kudryavtsev V., Chapron B. et al. Simulation of radar backscatter and Doppler shifts of wave–current interaction in the presence of strong tidal current // Remote Sensing of Environment. 2012. V. 120. P. 113–122. DOI: 10.1016/j.rse.2011.10.033.
- Karaev V., Titchenko Y., Panfilova M., Meshkov E. The Doppler Spectrum of the Microwave Radar Signal Backscattered From the Sea Surface in Terms of the Modified Bragg Scattering Model // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2020. V. 58. No. 1. P. 193-202. DOI: 10.1109/TGRS.2019.2935343.
- Kudryavtsev V., Hauser D., Gaudal G., Charpon B. A semiempirical model of the normalized radar cross-section of the sea surface: 1. Background model // J. Geophysical Research. 2003. V. 108. Iss. C3. Article 8054. P. FET 2-1-FET 2-24. DOI: 10.1029/2001JC001003.
- Longuet-Higgins M. S. Parasitic capillary waves: a direct calculation // J. Fluid Mechanics. 1995. V. 301. P. 79–107. https://doi.org/10.1017/S0022112095003818.
- Longuet-Higgins M., Cleaver R. Crest instability of gravity waves. Part 1. The almost highest wave // J. Fluid Mechanics. 1994. V. 258. P. 115–129. https://doi.org/10.1017/S0022112094003265.
- Martin A. C. H., Gommenginger C., Marquez J. et al. Wind-wave-induced velocity in ATI SAR ocean surface currents: First experimental evidence from an airborne campaign // J. Geophysical Research. 2016. V. 121. Iss. 3. P 1640–1653. DOI: 10.1002/2015JC011459.
- Moiseev A., Johnsen H., Hansen M. W., Johannessen J. A. Evaluation of radial ocean surface currents derived from Sentinel-1 IW Doppler shift using coastal radar and Lagrangian surface drifter observations // J. Geophysical Research. 2020. V. 125. Article e2019JC015743. DOI: 10.1029/2019jc015743.
- Mouche A. A., Collard F., Chapron B. et al. On the use of Doppler shift for sea surface wind retrieval from SAR // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2012. V. 50. P. 2901–2909. DOI: 10.1109/TGRS.2011.2174998.
- Pierson W. J. The theory and applications of ocean wave measuring systems at and below the sea surface, on the land, from aircraft, and from spacecraft: NASA Contractor Rep. CR-2646. N76-17775, 1976. 401 p.
- Qiao H., Duncan J. Gentle spilling breakers: Crest flow-field evolution // J. Fluid Mechanics. 2001. V. 439. P. 57–85. DOI: 10.1017/S0022112001004207.
- Romeiser R., Thompson D. R. Numerical study on the along-track interferometric radar imaging mechanism of oceanic surface currents // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2000. V. 38. No. 1. P. 446–458. DOI: 10.1109/36.823940.
- Romeiser R., Suchandt S., Runge H. et al. First analysis of TerraSAR-X along-track InSAR-Derived current fields // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2010. V. 48. No. 2. P. 820–829. DOI: 10.1109/TGRS.2009.2030885.
- Sergievskaya I. A., Ermakov S. A., Ermoshkin A. V. et al. The role of micro breaking of small-scale wind waves in radar backscattering from sea surface // Remote Sensing. 2020. V. 12. No. 24. Article 4159. DOI: 10.3390/rs12244159.
- Yurovsky Y. Yu., Kudryavtsev V. N., Grodsky S. A., Chapron B. Sea surface Ka-band Doppler measurements: analysis and model development // Remote Sensing. 2019. V. 11. No. 7. Article 839. DOI: 10.3390/rs11070839SKIM.
- Valenzuela G. Theories for the interaction of electromagnetic and oceanic waves — a review // Boundary Layer Meteorology. 1978. V. 13. P. 61–85. http://dx.doi.org/10.1007/BF00913863.
- Wu J. Wind-induced drift currents // J. Fluid Mechanics. 1975. V. 68. No. 1. P. 49–70. https://doi.org/10.1017/S0022112075000687.