Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2025. Т. 22. № 1. С. 178-191
Моделирование доплеровского спектра сигнала, отражённого морским ледяным покровом, в бистатической схеме измерения в L- и Ku-диапазонах
Ю.А. Титченко
1 , Д.А. Ковалдов
1 , В.Ю. Караев
1 , В.П. Лопатин
2 , В.Ф. Фатеев
2 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
2 Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, Солнечногорск, Московская обл., Россия
Одобрена к печати: 21.11.2024
DOI: 10.21046/2070-7401-2025-22-1-178-191
В связи с широким применением методов дистанционного зондирования для контроля площади, занимаемой ледяным покровом в Мировом океане, и активным развитием двухпозиционной (бистатической) радиолокации с помощью сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) актуальной задачей становится моделирование отражённого сигнала ГНСС, принимаемого на различных носителях. В данной работе развивается подход построения полуэмпирических моделей доплеровского спектра микроволнового сигнала, бистатически отражённого ледяным покровом. Для сравнения рассматривается бистатическое дистанционное зондирование в L- и Ku-диапазонах. Показано, что для определения типа подстилающей поверхности (лёд или морская поверхность) можно анализировать коэффициент эксцесса и ширину доплеровского спектра бистатически отражённого сигнала. В некоторых случаях эта ширина совпадает для ледяного покрова и открытой воды со слабым приводным ветром в L-диапазоне. При этом коэффициент эксцесса доплеровского спектра существенно отличается, что позволяет распознавать ледяной покров даже в случаях слабого волнения.
Ключевые слова: квазизеркальное рассеяние, двухпозиционная радиолокация, бистатика, доплеровский спектр, морские волны, ледяной покров, полуэмпирическая модель, ГНСС, L-диапазон, Ku-диапазон
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 приклад. астрономии РАН. 2012. № 23. C. 303–306.
- Бакитько Р. В., Булавский Н. Т., Горев А. П., Дворкин В. В., Ефименко В. С., Иванов Н. Е., Карпейкин А. В., Мищенко И. Н., Нартов В. Я., Перов А. И., Перьков А. Е., Тюбалин В. В., Урличич Ю. М., Харисов В. Н. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования: 3-е изд., перераб. М.: Радиотехника, 2005. 688 с.
- Басс Ф. Г., Фукс И. М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.
- Бондур В. Г., Доброзраков А. Д., Курекин А. С., Курекин А. А., Пичугин А. П., Яцевич С. Е. Рассеяние радиоволн морской поверхностью при бистатической локации // Исслед. Земли из космоса. 2009. № 6. С. 3–15.
- Гарнакерьян А. А., Сосунов А. С. Радиолокация морской поверхности. Ростов н/Д: Изд-во Ростовского ун-та, 1978. 144 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 теор. физики. 1952. Т. 23. Вып. 3(9). С. 305–314.
- Калмыков А. И., Курекин А. С., Островский И. Е., Пустовойтенко В. В. Двухпозиционное рассеяние радиоволн поверхностью моря при малых углах скольжения // Изв. вузов. Радиофизика. 1966. Т. 10. № 6. C. 1073–1082.
- Караев В. Ю., Титченко Ю. А., Панфилова М. А. и др. Доплеровские спектры радиолокационного сигнала СВЧ-диапазона, измеренные при движении над ледяным покровом и морской поверхностью: сравнение моделей и определение типа отражающей поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. T. 19. № 3. C. 247–258. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-3-247-258.
- Ковалдов Д. А., Титченко Ю. А., Караев В. Ю. и др. К вопросу об определении диаграммы рассеяния ледяного покрова по данным бистатического дистанционного зондирования в L-диапазоне // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. T. 21. № 6. C. 294–308. DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-6-294-308.
- Ковалдов Д. А., Титченко Ю. А., Караев В. Ю., Панфилова М. А. Особенности квазизеркального отражения СВЧ радиоволн морским льдом по данным бистатического дистанционного зондирования в L-диапазоне // Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса. 2025 (в печати).
- Кучерявенков А. И., Милехин О. Е., Павельев А. Г. Анализ возможностей бистатической радиолокации Земли с помощью спутников // Исслед. Земли из космоса. 1986. № 4. С. 86.
- Павельев А. Г., Яковлев О. И., Кучерявенков А. И., Рубцов С. Н., Андреев Р. А., Мелихов А. Г. Опыт бистатической радиолокации Солнца с применением аппарата «Венера-16» // Изв. вузов. Радиофизика. 1988. Т. 31. № 2. С. 127–132.
- Павельев А. Г., Захаров А. И., Кучерявенков А. И., Сидоренко А. И., Кучерявенкова И. И., Павельев Д. А. Особенности распространения радиоволн, отраженных от земной поверхности при малых углах скольжения, на трассе связи низкоорбитальный спутник – геостационар // Радиотехника и электроника. 1997. Т. 42. № 1. С. 51–57.
- Потемкин Е. О., Кучерявенков И. А., Матюгов С. С., Павельев А. Г. Бистатическая радиолокация Земли с помощью спутников // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. № 4. С. 37–46.
- Радиолокационные методы и средства оперативного дистанционного зондирования Земли с аэрокосмических носителей / под ред. С. Н. Конюхова, В. И. Драновского, В. Н. Цымбала. Киев: Авиадиагностика, 2007. 440 с.
- Рубашкин С. Г., Павельев А. Г., Яковлев О. И., Кучерявенков А. И., Сидоренко А. И., Захаров А. И. Отражение радиоволн поверхностью океана при бистатической локации с использованием двух спутников // Радиотехника и электроника. 1993. Т. 38. № 3. С. 447–453.
- 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. вузов. Приборостроение. 2009. T. 52. № 4. С. 34–39.
- Яковлев О. И. Распространение радиоволн в космосе. М.: Наука, 1985. 216 с.
- Galileo Open Service Signal-in-Space Interface Control Document (OS SIS ICD). Iss. 2.1. European Union, 2023. 115 p. https://www.gsc-europa.eu/sites/default/files/sites/all/files/Galileo_OS_SIS_ICD_v2.1.pdf.
- Gleason S. Towards sea ice remote sensing with space detected GPS signals: Demonstration of technical feasibility and initial consistency check using low resolution sea ice information // Remote Sensing. 2010. V. 2. No. 8. P. 2017–2039. https://doi.org/10.3390/rs2082017.
- 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. Iss. 4. P. 271–282. DOI: 10.1002/2013RS005359.
- Karaev V., Titchenko Y., Panfilova M. et al. Application of the Doppler spectrum of the backscattering microwave signal for monitoring of ice cover: A theoretical view // Remote Sensing. 2022. V. 14. No. 10. Article 2331. https://doi.org/10.3390/rs14102331.
- Li W., Cardellach E., Fabra F. et al. First spaceborne phase altimetry over sea ice using TechDemoSat-1 GNSS-R signals // Geophysical Research Letters. 2017. V. 44. Iss. 16. P. 8369–8376. https://doi.org/10.1002/2017GL074513.
- Lopatin V., Fateev V. Methods of bistatic GNSS-radio altimetry for determining height profile of the ocean and their experimental verification // 5th Symp. Terrestrial Gravimetry: Static and Mobile Measurements (TG-SMM 2019). Intern. Association of Geodesy Symp. 2022. V. 153. P. 127–132. https://doi.org/10.1007/1345_2022_139.
- Martín-Neira M. A Passive Reflectometry and Interferometry System (PARIS): Application to ocean altimetry // ESA J. 1993. V. 17. No. 4. P. 331–355.
- Martin-Neira M., Colmenarejo P., Ruffini G., Serra C. Altimetry precision of 1 cm over a pond using the wide-lane carrier phase of GPS reflected signals // Canadian J. Remote Sensing. 2002. V. 28. No. 3. P. 394–403. https://doi.org/10.5589/m02-039.
- Nekrasov A., Khachaturian A., Labun J. et al. Towards the sea ice and wind measurement by a C-band scatterometer at dual VV/HH polarization: A prospective appraisal // Remote Sensing. 2020. V. 12. No. 20. Article 3382. https://doi.org/10.3390/rs12203382.
- Nogues‐Correig O., Cardellach Gali E., Sanz Campderros J., Rius A. A GPS-reflections receiver that computes Doppler/delay maps in real time // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2007. V. 45. No. 1. P. 156–174. DOI: 10.1109/TGRS.2006.882257.
- 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.
- 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. https://doi.org/10.1029/2018JC014804.
- Schiavulli D., Frappart F., Ramillien G. et al. Observing sea/ice transition using radar images generated from TechDemoSat-1 delay Doppler maps // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2017. V. 14. No. 5. P. 734–738. DOI: 10.1109/LGRS.2017.2676823.
- Sutton R., Schroeder E., Thompson A., Wilson S. Satellite-aircraft multipath and ranging experiment results at L band // IEEE Trans. Communications. 1973. V. 21. No. 5. P. 639–647. DOI: 10.1109/TCOM.1973.109169.
- Titchenko Y. Bistatic Doppler spectrum of radiation reflected by a water surface // Russian J. Earth Sciences. 2020. V. 20. No. 6. Article ES6007. 8 p. DOI: 10.2205/2020ES000745.
- Unwin M., Jales P., Tye J. et al. Spaceborne GNSS-reflectometry on TDS-1: Early mission operations and exploitation // IEEE J. Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2016. V. 9. Iss. 10. P. 4525–4539. DOI: 10.1109/JSTARS.2016.2603846.
- 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., Loria E., O’Brien A. et al. Investigation of coherent and incoherent scattering from lakes using CYGNSS observations // IGARSS 2020 — 2020 IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. 2020. P. 5917–5920. DOI: 10.1109/igarss39084.2020.9323677.