Журнал

О журнале Новости Редколлегия Информация для авторов и рецензентов Публикационная этика Дискуссия Контакты ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ:
отправка и рецензирование статей
Архив
Том 22, 2025
Номер 1 Номер 2
Том 21, 2024
Номер 1 Номер 2 Номер 3 Номер 4 Номер 5 Номер 6
Том 20, 2023
Номер 1 Номер 2 Номер 3 Номер 4 Номер 5 Номер 6
Том 19, 2022
Номер 1 Номер 2 Номер 3 Номер 4 Номер 5 Номер 6
Том 18, 2021
Номер 1 Номер 2 Номер 3 Номер 4 Номер 5 Номер 6
Том 17, 2020
Номер 1 Номер 2 Номер 3 Номер 4 Номер 5 Номер 6 Номер 7
Том 16, 2019 г.
Номер 1 Номер 2 Номер 3 Номер 4 Номер 5 Номер 6
Том 15, 2018 г.
Номер 1 Номер 2 Номер 3 Номер 4 Номер 5 Номер 6 Номер 7
Том 14, 2017 г.
Номер 1 Номер 2 Номер 3 Номер 4 Номер 5 Номер 6 Номер 7
Том 13, 2016 г.
Номер 1 Номер 2 Номер 3 Номер 4 Номер 5 Номер 6
Том 12, 2015 г.
Номер 1 Номер 2 Номер 3 Номер 4 Номер 5 Номер 6
Том 11, 2014 г.
Номер 1 Номер 2 Номер 3 Номер 4
Том 10, 2013 г.
Номер 1 Номер 2 Номер 3 Номер 4
Том 9, 2012 г.
Номер 1 Номер 2 Номер 3 Номер 4 Номер 5
Том 8, 2011 г.
Номер 1 Номер 2 Номер 3 Номер 4
Том 7, 2010 г.
Номер 1 Номер 2 Номер 3 Номер 4
Выпуск 6, 2009 г.
Том 1 Том 2
Выпуск 5, 2008 г.
Том 1 Том 2
Выпуск 4, 2007 г.
Том 1 Том 2
Выпуск 3, 2006 г.
Том 1 Том 2
Выпуск 2, 2005 г.
Том 1 Том 2
Выпуск 1, 2004 г.
Том 1
Поиск
Найти:
Подписка/отписка
на рассылку новостей
Ваш e-mail:
подписаться отписаться
English version
ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2025. Т. 22. № 2. С. 217-232

Особенности квазизеркального отражения СВЧ-радиоволн морским льдом по данным бистатического дистанционного зондирования в L-диапазоне

Д.А. Ковалдов 1 , Ю.А. Титченко 1 , В.Ю. Караев 1 , М.А. Панфилова 1 
1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 03.02.2025
DOI: 10.21046/2070-7401-2025-22-2-217-232
Обсуждается построение эмпирической модели диаграммы рассеяния однолетнего морского льда в L-диапазоне при использовании бистатической схемы зондирования. В качестве приёмника отражённого ледяным покровом сигнала глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) применялся спутник TDS-1 (англ. TechDemoSat-1), который находился на низкой околоземной орбите. Метод бистатического зондирования, основанный на использовании отражённого сигнала ГНСС, ещё называют ГНСС-рефлектометрией (ГНСС-Р). Для определения диаграммы рассеяния ледяного покрова применяется алгоритм, использующий доплеровский спектр отражённого сигнала. Такой спектр, обусловленный дисперсией уклонов отражающей поверхности, в схеме ГНСС-Р формируется за счёт разброса величины проекции скорости движения приёмника. Для высокоорбитальных спутников можно считать, что падающее излучение ГНСС в области отражения имеет плоский фронт, поэтому от скорости передатчика зависит только центральная частота смещения доплеровского спектра. Ширина доплеровского спектра зависит от скорости движения приёмника и дисперсии уклонов отражающей поверхности. В качестве тестовой области было выбрано Охотское море в период с февраля по март 2017 г. На этом временном интервале стабильный ледяной покров присутствовал к северу от острова Сахалин при отрицательной температуре воздуха. Параметры ледяного покрова определялись по картам его сплочённости, восстановленной по данным радиометра AMSR2 (англ. Advanced Microwave Scanning Radiometer 2). Также использовались карты ледяного покрова с указанием толщины и вида морского льда (нилас, серый лёд, молодой лёд и т. д.), предоставленные НИЦ «Планета», и дополнительно рассматривались снимки MODIS (англ. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), установленного на спутнике Aqua (EOS PM-1). Проведена обработка массива данных за рассматриваемый период и выполнено сравнение диаграммы рассеяния морского льда в L-диапазоне с диаграммами рассеяния в Ku- и Ka-диапазонах, построенными по данным двухчастотного радиолокатора DPR (англ. Dual-frequency Precipitation Radar), установленного на спутнике миссии GPM (англ. Global Precipitation Measurement). Полученные результаты показали, что ширина диаграммы рассеяния для морского льда в L-диапазоне шире, чем в Ku- и Ka-диапазонах.
Ключевые слова: ГНСС, Охотское море, квазизеркальное отражение, L-диапазон, диаграмма рассеяния, дистанционное зондирование ледяного покрова, TDS-1
Полный текст

Список литературы:

  1. Басс Ф. Г., Фукс И. М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.
  2. Боев А. Г., Ефимов В. Б., Цымбал В. Н. Радиолокационные методы и средства оперативного дистанционного зондирования Земли с аэрокосмических носителей. Киев: ООО «Джулия Принт», 2007. 440 с.
  3. 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.
  4. Данилычев М. В., Кутуза Б. Г., Мошков А. В. и др. Использование L-диапазона в спутниковой СВЧ-радиометрии морской поверхности // Физ. основы приборостроения. 2018. Т. 7. № 1(27). С. 46–53. DOI: 10.25210/jfop-1801-046053.
  5. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Т. 2. / пер. с англ. М.: Мир, 1981. 317 с.
  6. Караев В. Ю., Панфилова М. А., Митник Л. М. и др. Обратное рассеяние радиолокационного сигнала СВЧ-диапазона однолетним морским льдом при малых углах падения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 3. С. 229–241. DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-3-229-241.
  7. 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. Т. 19. № 3. С. 247–258. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-3-247-258.
  8. 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. Т. 21. № 6. С. 294–308. DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-6-294-308.
  9. Лебедев Г. А., Сухоруков К. К. Распространение электромагнитных и акустических волн в морском льду. СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. 81 с.
  10. Митник Л. М., Викторов С. В. Радиолокация поверхности Земли из космоса. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 200 с.
  11. Смирнов В. Г. Спутниковые методы определения характеристик ледяного покрова морей: практ. пособие. СПб.: ААНИИ, 2011. 240 с.
  12. Фильчук К. В., Ковалев С. М., Гузенко Р. Б., Хотченков С. В., Павлов А. Н., Панов Л. В., Гаврилов Ю. Г., Буйнов Р. П. Ледовые исследования в экспедиции «Северный полюс-41» // Российские полярные исслед. 2023. Т. 53. № 3. С. 19–28.
  13. Dadjoo M., Mayvan M. Z., Isleifson D. Experimental observations of forming sea ice using surface-based L-, C-, and Ku-band polarimetric scatterometers // IGARSS 2024 — 2024 IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. 2024. P. 76–79. DOI: 10.1109/IGARSS53475.2024.10640527.
  14. Du Y., Yang X., Chen K.-S. et al. An improved spectrum model for sea surface radar backscattering at L-band // Remote Sensing. 2017. V. 9. No. 8. Article 776. DOI: 10.3390/rs9080776.
  15. Elfouhaily T. M., Guérin C. A. A critical survey of approximate scattering wave theories from random rough surfaces // Waves in Random Media. 2004. V. 14. No. 4. P. R1–R40. DOI: 10.1088/0959-7174/14/4/R01.
  16. Elfouhaily T., Chapron B., Katsaros K., Vandemark D. A unified directional spectrum for long and short wind‐driven waves // J. Geophysical Research: Oceans. 1997. V. 102. No. C7. P. 15781–15796. DOI: 10.1029/97JC00467.
  17. 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.
  18. Geldsetzer T., Howell S. E. L. Incidence angle dependencies for C-band backscatter from sea ice during both the winter and melt season // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2023. V. 61. P. 1–15.
  19. 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.
  20. GPM Data Utilization Handbook. 1st ed. / JAXA. Japan. 2014. 92 p.
  21. Hallikainen M., Winebrenner D. P. The physical basis for sea ice remote sensing // Microwave Remote Sensing of Sea Ice / ed. Carsey F. D. V. 68. USA: American Geophysical Union, 1992. P. 29–46. DOI: 10.1029/GM068p0029.
  22. Hauser D., Tison C., Amiot T., Delaye L., Corcoral N., Castillan P. SWIM: The first spaceborne wave scatterometer // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2017. V. 55. No. 5. P. 3000–3014.
  23. Hwang P. A., Fois F. Surface roughness and breaking wave properties retrieved from polarimetric microwave radar backscattering // J. Geophysical Research: Oceans. 2015. V. 120. No. 5. P. 3640–3657. DOI: 10.1002/2015JC010782.
  24. 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.
  25. 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. DOI: 10.3390/rs14102331.
  26. Kintner P. M., Ledvina B. M., de Paula E. R. GPS and ionospheric scintillations // Space Weather. 2007. V. 5. No. 9. Article 3. DOI: 10.1029/2006SW000260.
  27. Komarov A. S., Buehner M. Detection of first-year and multi-year sea ice from dual-polarization SAR images under cold conditions // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2019. V. 57. No. 11. P. 9109–9123.
  28. 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.
  29. Kudryavtsev V. N., Makin V. K., Chapron B. Coupled sea surface‐atmosphere model: 2. Spectrum of short wind waves // J. Geophysical Research: Oceans. 1999. V. 104. No. C4. P. 7625–7639. DOI: 10.1029/1999JC900005.
  30. Liu M., Dai Y., Zhang J. et al. 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.
  31. Mahmud M. S., Geldsetzer T., Howell S. E. L., Yackel J. J., Nandan V., Scharien R. K. Incidence angle dependence of HH-polarized C- and L-band wintertime backscatter over arctic sea ice // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2018. V. 56. No. 11. P. 6686–6698.
  32. Melsheimer C., Spreen G. AMSR-2 ASI sea ice concentration data, Antarctic, version 5.4 (NetCDF) (July 2012 – December 2018) // PANGAEA. 2019. DOI: 10.1594/PANGAEA.898400.
  33. 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: Oceans. 1992. V. 97. No. C5. P. 7429–7445.
  34. Onstott R. G. SAR and scatterometer signatures of sea ice // Microwave Remote Sensing of Sea Ice / ed. Carsey F. D. V. 68. USA: American Geophysical Union, 1992. P. 73–104. DOI: 10.1029/GM068p0073.
  35. 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.
  36. Sandven S., Spreen G., Heygster G., Girard-Ardhuin F., Farrell S. L., Dierking W., Allard R. A. Sea ice remote sensing—Recent developments in methods and climate data sets // Surveys in Geophysics. 2023. V. 44. No. 5. P. 1653–1689.
  37. Titchenko Y. Bistatic Doppler spectrum of radiation reflected by a water surface // Russian J. Earth Sciences. 2020. V. 20. Article ES6007. DOI: 10.2205/2020ES000745.
  38. Toporkov J. V., Ouellette J. D., Johnson J. T. Impact of spectral spreading functions on modeling the sea backscatter cross section at microwave frequencies // IGARSS 2024 — 2024 IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. 2024. P. 6643–6646.
  39. Valenzuela G. Theories for interaction of electromagnetic and oceanic waves: A review // Boundary Layer Meteorology. 1978. V. 13. P. 61–86.
  40. Voronovich A. G. Small slope approximation for electromagnetic wave scattering at a rough interface of two dielectric half spaces // Waves in Random Media. 1994. V. 4. P. 337–367.
  41. Voronovich A. G., Zavorotny V. U. Theoretical model for scattering of radar signals in Ku- and C-bands from a rough sea surface with breaking waves // Waves in Random Media. 2001. V. 11. P. 247–269.
  42. Winebrenner D. P., Bredow J., Fung A. K. et al. Microwave sea ice signature modeling // Microwave Remote Sensing of Sea Ice / ed. Carsey F. D. V. 68. USA: American Geophysical Union, 1992. P. 137–175. DOI: 10.1029/GM068p0137.