Радиозондирование морской поверхности во время 7-й Украинской антарктической экспедиции
Приводится методика измерений и результаты исследований радиосигналов коротковолновых вещательных станций, отраженных от ионосферы и рассеянных взволнованной поверхностью моря; эксперименты выполнены в ходе морской части 7-ой Украинской антарктической экспедиции на борту научно-исследовательского су...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Український антарктичний журнал |
|---|---|
| Дата: | 2003 |
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Національний антарктичний науковий центр МОН України
2003
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/128122 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Радиозондирование морской поверхности во время 7-й Украинской антарктической экспедиции / А.С. Кащеев, С.Б. Кащеев, А.В. Колосков, И.И. Пикулик, А.С. Брюховецкий, Ю.М. Ямпольский // Український антарктичний журнал. — 2003. — № 1. — С. 37-46. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860268884007845888 |
|---|---|
| author | Кащеев, А.С. Кащеев, С.Б. Колосков, А.В. Пикулик, И.И. Брюховецкий, А.С. Ямпольский, Ю.М. |
| author_facet | Кащеев, А.С. Кащеев, С.Б. Колосков, А.В. Пикулик, И.И. Брюховецкий, А.С. Ямпольский, Ю.М. |
| citation_txt | Радиозондирование морской поверхности во время 7-й Украинской антарктической экспедиции / А.С. Кащеев, С.Б. Кащеев, А.В. Колосков, И.И. Пикулик, А.С. Брюховецкий, Ю.М. Ямпольский // Український антарктичний журнал. — 2003. — № 1. — С. 37-46. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Український антарктичний журнал |
| description | Приводится методика измерений и результаты исследований радиосигналов коротковолновых вещательных станций, отраженных от ионосферы и рассеянных взволнованной поверхностью моря; эксперименты выполнены в ходе морской части 7-ой Украинской антарктической экспедиции на борту научно-исследовательского судна “Горизонт”. Теоретически исследуется спектр электромагнитных волн, рассеянных морской поверхностью, рассматривается случай линейной всенаправленной антенны, расположенной вблизи освещаемой падающим полем морской поверхности, учитывается конечная проводимость морской воды, скользящее распространение рассеянных волн. Проведено сопоставление экспериментальных спектров рассеяния с модельным, показано качественное совпадение теории и эксперимента. Рассмотрены возможные физические причины, объясняющие особенности спектральной структуры сигналов. Сделан вывод о возможности проведения океанографических исследований с использованием излучения вещательных станций.
The paper presents measurement techniques and results of studying HF radio signals from broadcasting stations that are reflected from the ionosphere and scattered by a rough sea surface. The experiments were carried out during the 7th Ukrainian Antarctic expedition on board the research vessel “Horizont”. The paper considers the theoretical first-order perturbation spectrum of electromagnetic waves scattered by the sea surface. The case of a linear non directional vertical antenna placed near the surface illuminated by an incident field is discussed, with account of the finite conductivity of the sea water, small grazing angles of the scattered waves and currents on the sea surface. The experimental spectra are compared with simulated results. A qualitative agreement between theory and experiment has been found, and possible physical reasons for specific features of the signal spectrum are discussed. The feasibility of oceanographic measurements with the use of radiation from broadcasting radios has been confirmed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T19:04:09Z |
| format | Article |
| fulltext |
УКРАЇНСЬКИЙ АНТАРКТИЧНИЙ
ЖУРНАЛ
УАЖ, №1, 37-46 (2003)
© А.С. Кащеев, С.Б. Кащеев, А.В. Колосков, И.И. Пикулик, А.С. Брюховецкий, Ю.М. Ямпольский; 2003 37
УДК 621.396.967
РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ВО ВРЕМЯ 7-ОЙ УКРАИНСКОЙ
АНТАРКТИЧЕСКОЙ ЭКСПЕДИЦИИ
А.С. Кащеев1, С.Б. Кащеев1, А.В. Колосков1, И.И. Пикулик1, А.С. Брюховецкий2,
Ю.М. Ямпольский1
1 Радиоастрономический институт НАН Украины, 61002, Украина, г. Харьков,
ул. Краснознамённая, 4. E-mail: kascheev@rian.kharkov.ua
2 Институт радиофизики и электроники НАН Украины, 61085, Украина, г. Харьков,
ул. Академика Проскуры, 12. Е-mail: apertura@ire.kharkov.ua
Реферат: Приводится методика измерений и результаты исследований радиосигналов коротковолновых вещательных
станций, отраженных от ионосферы и рассеянных взволнованной поверхностью моря; эксперименты выполнены в
ходе морской части 7-ой Украинской антарктической экспедиции на борту научно-исследовательского судна
“Горизонт”. Теоретически исследуется спектр электромагнитных волн, рассеянных морской поверхностью,
рассматривается случай линейной всенаправленной антенны, расположенной вблизи освещаемой падающим полем
морской поверхности, учитывается конечная проводимость морской воды, скользящее распространение рассеянных
волн. Проведено сопоставление экспериментальных спектров рассеяния с модельным, показано качественное
совпадение теории и эксперимента. Рассмотрены возможные физические причины, объясняющие особенности
спектральной структуры сигналов. Сделан вывод о возможности проведения океанографических исследований с
использованием излучения вещательных станций.
Radio sounding of the sea surface during 7-th Ukrainian Antarctic expedition by A. Kashcheyev, S. Kashcheyev, A.
Koloskov, I. Pikulik, A. Bryuhovetsky, Yu. Yampolsky
Abstract: The paper presents measurement techniques and results of studying HF radio signals from broadcasting stations that
are reflected from the ionosphere and scattered by a rough sea surface. The experiments were carried out during the 7th
Ukrainian Antarctic expedition on board the research vessel “Horizont”. The paper considers the theoretical first-order
perturbation spectrum of electromagnetic waves scattered by the sea surface. The case of a linear non directional vertical
antenna placed near the surface illuminated by an incident field is discussed, with account of the finite conductivity of the sea
water, small grazing angles of the scattered waves and currents on the sea surface. The experimental spectra are compared with
simulated results. A qualitative agreement between theory and experiment has been found, and possible physical reasons for
specific features of the signal spectrum are discussed. The feasibility of oceanographic measurements with the use of radiation
from broadcasting radios has been confirmed.
Key words: Radio waves, sea surface, wave scattering, gravity waves, spectra.
1. Введение
Экспериментальные и теоретические исследования радиосигналов коротковолнового
диапазона, рассеянных взволнованной поверхностью моря, начаты более полувека назад. За
это время было дано физическое объяснение наблюдаемых особенностей спектров сигналов и
показано, что они связаны с состоянием морской поверхности. В результате были созданы
радиолокационные станции, которые позволяют неконтактным способом измерять параметры
морского волнения. В то же время на земном шаре постоянно работает более 5000
вещательных радиостанций КВ диапазона, облучающих практически всю поверхность Земли.
Первые попытки авторов использовать это излучение были предприняты во время морского
рейса 5-ой Украинской антарктической экспедиции (УАЭ) (Кащеев и др., 2000).
Отражаясь от ионосферы, радиоизлучение вещательной станции “освещает” морскую
поверхность и находящийся на судне приёмный комплекс, оборудованный всенаправленной
антенной. Он одновременно принимает ионосферный сигнал подсветки и сигнал, рассеянный
поверхностью моря. Спектр сигнала подсветки состоит из несущей частоты и двух полос
звуковых частот, симметрично отстоящих от несущей на несколько десятков герц. Благодаря
таким особенностям спектра имеется возможность, выделив с помощью фильтра узкую
А.С. Кащеев и др.: РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ …
38
полосу, “преобразовать” случайный модулированный сигнал в монохроматический. Высокая
стабильность современных передающих устройств позволяет в дальнейшем анализировать
вариации несущей частоты и спектральные компоненты вблизи неё, обусловленные
движущимися ионосферными неоднородностями и резонансным рассеянием на
гравитационной компоненте морского волнения. Таким образом, имеется техническая
возможность использовать неспециальное излучение для радиодиагностики ионосферы
(Галушко, 1984) и задач радиоокеанографии на значительной части поверхности Земли.
Первые экспериментальные результаты радиозондирования с использованием
неспециального излучения были интерпретированы в рамках упрощенной модели рассеяния.
Тем не менее, они показали перспективность такого метода дистанционной диагностики
состояния морской поверхности. Получило экспериментальное подтверждение также
предположение о возможности определении угла падения сигнала ионосферной подсветки по
частотному сдвигу максимумов в спектре рассеянного сигнала (Кащеев и др., 2000).
Целью данной работы является интерпретация новых экспериментальных данных в
рамках разработанной строгой теоретической модели рассеяния.
2. Постановка эксперимента
Экспериментальные исследования, представленные в работе, были проведены во время
морской части 7-ой УАЭ по маршруту г. Севастополь – станция Академик Вернадский. Для
приема и обработки зондирующих сигналов в РИ НАН Украины был изготовлен приёмный
комплекс, построенный по принципу прямого преобразования входного сигнала в
низкочастотную область. Роль гетеродина выполнял синтезатор частоты с относительной
нестабильностью не более 10-9. В качестве антенны использовался вертикальный
несимметричный диполь. Поле в каждой из антенн формировалось суперпозицией
ионосферной волны - сигналом подсветки - и компоненты, рассеянной взволнованной морской
поверхностью вблизи судна (земная волна). Суммарный сигнал преобразовывался приемником
к низкой частоте, отфильтровывался (полоса пропускания фильтра 15 – 30 Гц), усиливался и
поступал на вход аналого-цифрового преобразователя. Дальнейший анализ проводился в
цифровом виде. Разработанный пакет прикладных программ позволял в реальном времени
проводить спектральный анализ с различным разрешением, визуализировать и накапливать
данные.
Для уменьшения влияния многомодовости ионосферного сигнала при измерениях
выбирались радиолинии, у которых частота рf была близка к оптимальной рабочей частоте
слоя 2F . Тем не менее, из-за ионосферных возмущений спектр сигнала подсветки не всегда
был пригоден для исследования эффектов морского рассеяния. Характерные примеры
различных видов динамических спектров зондирующих сигналов приведены на рис. 1. На
рис. 1А представлена спектрограмма стабильного одномодового сигнала. По горизонтальной
оси отложено время (UT), а по вертикальной – частота F в герцах. Длина единичной
анализируемой реализации составляла около 20 сек. На рис. 1Б приведен динамический спектр
также одномодового зондирующего сигнала в случае отражения от крупномасштабного
перемещающегося ионосферного возмущения. В случаях А, Б, как правило, удавалось
выделить сигнал, рассеянный морем. Наконец, на рис. 1В приведена спектрограмма
многолучевого сигнала при наличии фокусировок на френелевых неоднородностях и быстрых
флуктуациях частоты. Выделить рассеянный сигнал при многолучевом зондирующем, как
правило, не удавалось. Таким образом, предварительный этап обработки экспериментальных
данных заключался в выборе сигнала подсветки, который удовлетворял следующим условиям:
был одномодовым; достаточно сильно превалировал над внешними шумами; вариации сигнала
по частоте были достаточно медленными.
Дальнейший теоретический анализ показал, что учёт влияния всех параметров
рассеяния (поверхностное течение, высота антенны, движение судна, пространственная
неоднородность волнения) значительно усложняет анализ физической модели. Поэтому в
А.С. Кащеев и др.: РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ …
39
работе рассматриваются только случаи неподвижного наблюдателя в приближении
пространственно однородного волнения.
Рис 1. Динамические спектры зондирующего сигнала.
.
3. Обработка данных рассеяния
Рассмотрим некоторые особенности обработки рассеянных морской поверхностью
коротковолновых сигналов.
На рис. 2 приведен фрагмент динамического спектра принятого сигнала во время
стоянки судна 17.03.2000 г. в открытой Атлантике. Частота сигнала подсветки =рf 21500 кГц,
разрешение по частоте 0,04 Гц. На рисунке хорошо просматриваются три максимума.
Центральный максимум соответствует зондирующему сигналу. Параллельно ему постоянно
присутствуют два других, соответствующих резонансному рассеянию на морских волнах.
Каждый отдельный мгновенный спектр является результатом отражения от случайной
шероховатой поверхности. Для получения статистически достоверного результата измерений
необходимо проводить последующее некогерентное усреднение. При этом необходимо
учитывать, что при усреднении спектра флуктуирующего по частоте сигнала он может заметно
расширится, и рассеянный сигнал на этом фоне не будет обнаружен. К тому же, при времени
усреднения более 20-30 мин на результатах может сказываться нестационарность морского
f = 15340
f =
f = 15730 А
Б
В
А.С. Кащеев и др.: РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ …
40
волнения (Wu, 1969). Поэтому при обработке тщательно выбиралось временя когерентной и
последующей некогерентной обработки принятого сигнала.
Для компенса-
ции сравнительно мед-
ленного частотного
дрейфа ионосферного
сигнала был разработан
специальный алгоритм
обработки. Суть его сос-
тояла в том, что
усреднение спектраль-
ной плотности принято-
го сигнала проводилось
при фиксированных
расстройках относитель-
но текущего максимума
спектра ионосферного
сигнала.
Рис. 2. Динамический спектр принятого сигнала.
Вообще говоря, этот прием не является строго обоснованным, так как ионосферный
сигнал в точке расположения приемной антенны может несколько отличаться от сигнала на
морской поверхности, формирующей резонансное рассеяние. Но если учесть, что радиус
пространственной корреляции ионосферного сигнала при наличии крупномасштабных ПИВ
может достигать десятков километров (Beley et al., 1995), а величина эффективно
рассеивающей морской поверхности не превосходит 20 километров (Кащеев и др., 2000),
применение такого способа усреднения можно считать оправданным.
Результаты обработки
принятого сигнала иллюст-
рируются рис. 3. Измере-ния
были проведены во время
стоянки в Атланти-ческом
океане 24 января 2002 г.
Скорость ветра в начале
измерений была около 10
м/с. Направление ветра
варьировалось вблизи угла
60º к линии визирова-ния
(линии, соединяющей пере-
датчик и приёмник). Волне-
ние моря составляло 4 балла.
Частота вещательной
станции SGO (Сантьяго)
составляла 21,5 МГц; ей
соответствует брэгговская
частота BF =0,4728Гц.
Рис. 3. Усреднённые спектры принятого сигнала.
На рис. 3 приведены три усреднённых с интервалом в один час спектра (кривые 1-3).
Каждая кривая является результатом усреднения шести мгновенных спектров. Временной
интервал между вычислением усреднённых спектров составлял один час. По горизонтальной
оси отложен сдвиг частоты F относительно максимума ионосферного сигнала,
f = 21500
А.С. Кащеев и др.: РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ …
41
нормированный на брэгговскую частоту. Разрешение по частоте составляло 0,0224 Гц (время
когерентного интегрирования 51,2 с). По вертикальной оси отложена амплитуда спектральных
составляющих в относительных единицах. Чтобы избежать слияния линий, “нули” отдельных
кривых разнесены друг от друга на 100 единиц. Максимальные значения спектра при F =0,
обусловленные вкладом сигнала подсветки, из-за большого динамического диапазона не
показаны.
4. Постановка и методы решения задачи рассеяния
Для интерпретации экспериментальных данных в этом разделе рассмотрено рассеяние
радиоволн (в первом порядке теории возмущений) в ближней зоне приемной антенны. Учтены
следующие особенности процесса рассеяния: конечная проводимость поверхности; скользящее
распространение рассеянных волн; расположение приемной антенны в пределах освещенной
площадки морской поверхности; регистрация рассеянного излучения в диапазоне
азимутальных углов 0÷2π.
Основными уравнениями в теории рассеяния электромагнитных волн являются
уравнения Максвелла для напряженности электрического Ε и магнитного Η поля. В качестве
граничных условий для высокопроводящей границы раздела можно взять упрощённые условия
импедансного типа (условия Леонтовича):
[ ] [ ][ ] ( ) 0,, ,0 =Η−Ε = trzNNN ζη ,
где 0η - поверхностный импеданс, 10 <<η , что оправдано при высокой проводимости
σ случайной поверхности ( );, trz ζ=
( ) 21/ γγ +−= ziN - внешняя нормаль к морской поверхности;
( )tr ,ζγ ∇= ; zi - орт вдоль оси z.
Характерные частоты изменения формы поверхности и других параметров задачи
считаем малыми по сравнению с частотой 0ω электромагнитного поля, что позволяет
использовать квазистационарное приближение для её решения. Источник в точке 1O (вектор к
площадке рассеяния 1R ) приподнят высоко над “средней” поверхностью ( ) 0, >==< trz ζ и
находится в зоне разделения спектров (Басс и др., 1972), так что 1/ 1 <<RklL . Для точки
наблюдения 2O (вектор к площадке рассеяния 2R ) равенство обратное 1/ 2 >>RklL . Здесь l -
радиус корреляции неровностей, L - размер освещаемой площадки, ck /0ω= -
электромагнитное волновое число.
Среднее поле >Η<=>Ε=< H E , определим в борновском приближении
(пренебрегая членами порядка )( 2ζO в граничном условии).
В первом приближении теории возмущений для флуктуаций электрического
zzeiee += ⊥ и магнитного h поля, получим граничное условие
[ ] ,2100 BBBhie zz −≡−−=− =⊥ η (1)
где 01 |]],[[ =∇= zz EiB ς ,
А.С. Кащеев и др.: РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ …
42
02 =⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡
∂
∂
−=
zzz E
z
iiB ς .
Индекс ⊥ означает составляющую перпендикулярную к zi .
Ограничимся наиболее интересным для практики случаем вертикальной поляризации.
Условие 1/ 1 <<RklL позволяет заменить задание источника поля заданием падающей волны
][
0
)( 0tzkrkii zegGE ω−+⊥−= , ][
0
)( 0tzkrkii zepGH ω−+⊥= .
Здесь 1)/( 1
ikReRAG = , constA = ,
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
−====
−===+= ⊥⊥⊥
.2],,[],,[,],[|/],[
,/,,,
000000
11
zzzz
zzzz
ipgpgiip
RRkkkkkikk
ααββααα
ααα
Если в эти формулы ввести угол падения 0θ , то 00 cos,sin θθ kkkk z −==⊥ .
Выберем плоскость падения в качестве плоскости у = 0. Тогда
⎩
⎨
⎧
−==
−===
).sin,0,cos(),sin,0,(cos
),cos,0,(sin),cos,0,(sin),0,1,0(
00000
000000
θθθθ
θθαθθβ
gg
p
Среднее рассеянное поле ищем в виде )(
||
0
)(
)(
0tzkrki
S
S
zeGR
p
g
H
E ω−−⊥
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧−
=
⎪⎭
⎪
⎬
⎫
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
,
где ||R - коэффициент отражения, определяемый при подстановке среднего поля,
равного сумме падающего и среднего рассеянного в граничное условие:
)/(cos)(cos 0000|| ηθηθ +−=R .
Представим флуктуации поля e и h Фурье – разложениями с амплитудами
( ) ( )ωχωχ ,
~
,,
~
he соответственно
( ) ( ){ } ( ) ( ){ } )(2 ,
~
,,~,,,,, tzri zeheddtzrhtzre ωχχωχωχχω −+
∞
∞−
∞
∞−
∫ ∫ ∫= ,
где 22 χχ −= kz , 0Im ≥zχ .
Для линейной антенны, ориентированной вдоль направления zip = ,
( ) ( )tzrepee zp ,,=⋅= . С помощью Фурье – разложения для возмущений поверхности:
( ) ( ) ( ) ( )[ ].'~''~'', ''2∫ ∫ ∫ ∑
∞
∞−
∞
∞− ±=
− Ω−=
s
s
tri
s eddtr χωδχζχωζ ωχ ,
где ( )⊥−Ω ks χ
~
- закон дисперсии колебаний поверхности с учетом поверхностного
течения (Монин и др., 1985), из граничных условий (1) определим
( ) ( ) ( ) ( )[ ]⊥
±=
⊥ −Ω−−⋅−= ∑ kkDe s
s
sz χωωδχζχωχ ~,~
0 ,
где
( ) ( )[ ] ( )[ ] [ ]( ){ }gRgkgRgkkiGD zzzz //0//0/ −⋅++−+−= χχχηχχ .
Образовав временную корреляционную функцию )(τB сигнала ( )tzrez ,, , можно
вычислить энергетический спектр временных флуктуаций сигнала
А.С. Кащеев и др.: РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ …
43
( ) ( ) ( ) zui
s
s
i zeekWDdedS 'Im2'
'
'
22 '
'~|'|
2
1'
2
1)( χτωτχωτ χχχτ
π
ω −−
∞
∞−
∞
∞− ±=
⊥ ⋅−= ∫ ∫ ∫ ∑ . (2)
При вычислении )(ωS использована дельта-коррелированность спектральных амплитуд
( ) ( ) ( ) ( )''''~
2
1''~'~
''''''' χχδδχχζχζ −⋅−=−⋅− ⊥⊥
∗
⊥ sssss kWkk .
где '''ssδ - символ Кронекера, ( )⊥−kWs '~
' χ - несимметричный спектр волновых чисел
(Монин и др., 1985), причём ( ),'~' 0 ⊥−Ω+= ks χωω a ,0'Im2 ≤− zzχ т.к. 0Im ' ≥zχ и 0≥z .
Рассмотрим малую антенну в точке z = 0. Выполним интегрирование в (2) по τ :
( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]||~||
2
1
0
22
⊥⊥⊥
±=
∞
∞−
−Ω−−−+−⋅−= ∑∫ ∫ ksvkukWDdS s
s
χχχωωδχχχω . (3)
Формула (3) неудобна для расчетов, поскольку на практике задается не ( )⊥− kWs χ
~
, a
пространственно-угловой спектр, выраженный в терминах ⊥−= kq χ . Перейдя от χ к q и
при отсутствии поверхностного течения и движения наблюдателя получим:
( ) ( ) ( ) ( )[ ]qsqWkqDqdS ss
s
s Ω−∆+=∆+ ∑∫ ∫
±=
∞
∞−
⊥ ωδωω ~||
2
1 22
0 . (4)
5. Интерпретация результатов моделирования и сравнение их с экспериментом
В соответствии с приведенными выше теоретическими выкладками было проведено
численное моделирование. В качестве входных параметров задавались: рабочая частота pf ,
волновой вектор k , диэлектрическая проницаемость ε и проводимость σ морской воды,
скорость ветра ,v угол между направлением ветра и линией визирования 0ϕ , длина
радиотрассы R , спектральное разрешение Step .
Выходными результатами расчёта являлись графическое изображение и цифровое
представление спектра рассеянного морем сигнала. Программа расчета позволяла использовать
разные модели спектра морского волнения: изотропного, полуизотропного и анизотропного.
Примеры численного моделирования амплитудного спектра сигнала, рассеянного
морской поверхностью, приведены на рис. 4. Параметром для разных кривых является
скорость ветра. Графики рассчитаны для рабочей частоты 15=pf МГц и угла падения
зондирующего сигнала 075 . По горизонтальной оси отложен сдвиг частоты, нормированный
на частоту Брэгга при скользящем рассеянии. Кривые вычислены с относительным
спектральным разрешением 0,01. Расчёт проведен для изотропного спектра морского волнения
Пирсона-Московитца, заданного формулой (Pierson et al., 1964):
242 /74,0
42
)( qvge
q
qW −=
π
β
,
где 210−=β , g – ускорение свободного падения, v – скорость ветра, q - волновое
число морских волн. Соответствующий пространственно-угловой спектр имеет вид:
242 /74,0
32
)()( qvge
q
qqWq −==Ψ
π
β
.
А.С. Кащеев и др.: РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ …
44
Из анализа графиков хорошо видны отличия спектра “морского” сигнала при
двухпозиционном эксперименте от известных спектров при однопозиционной локации:
Спектр рассеяния
не дискретный, а сплош-
ной, причём его форма
(кроме максимумов вбли-
зи 1±=F ) зависит от
скорости ветра и от рабо-
чей частоты. Спектр
может содержать несколь-
ко максимумов, в нём
присутствуют составляю-
щие с частотами выше
брэгговских.
Рис. 4. Модельные спектры рассеянного сигнала
На рис. 5 приведен спектр рассеянного сигнала для анизотропного морского волнения,
заданного согласно ( Филипс, 1980) в виде:
),(
2
),(
242 /74,0
3 qKe
q
q qvg ϕ
π
βϕ −=Ψ , (5)
где [ ] n
n nГ
nГqK 2/)cos(
2
12
)1(),( 0
1
2
ϕϕπϕ −
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ +
+
=
−
, здесь Г - гамма-функция,
1)1(4,0 −−= µn , если 1,0>µ ; 4=n , если 1,0<µ .
ф
D KU
vC=µ , где
q
gUф = ,
4,0=K - постоянная Кармана, 5,04105 vCD
−⋅= для cмv /15< , и 3106,2 −⋅=DC для
cмv /15> , где v и 0ϕ - скорость ветра и угол между направлением ветра и линией
визирования. Спектр рассчитанный для трёх скоростей ветра при =pf 15 МГц, 0
0 60=ϕ .
Спектральное разрешение составляет 0,01. Сравнение спектров с приведенными на рис. 4
показывает, что при учёте углового распределения волнения, как и следовало ожидать,
изменились соотношения между спектральными максимумами рассеянного сигнала.
При сопоставлении результатов моделирования с экспериментом необходимо учесть
вертикальный размер приёмной антенны z∆ и приподнятость её основания над средней
поверхностью 0=z на высоту 0z . Для этого следует оценить уровень сигнала в антенне как
интеграл от ),,( tzre p по z в пределах от 0zz = до zzz ∆+= 0 . Дальнейшее вычисление
спектра такого сигнала полностью повторяет вывод формул (3), (4) и лишь приводит к
появлению в них дополнительного сомножителя в подынтегральных выражениях:
2)( zf χ =
2
0
0
dze
zz
z
zi z∫
∆+
χ = [ ] 2)2/( )2//()2/sin(0 zzze zz
zzi z ∆∆∆ ∆+ χχχ . 6)
А.С. Кащеев и др.: РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ …
45
Ещё раз сравним рис. 4 и рис. 5. Приведенные на последнем рисунке спектры
рассчитаны с учётом коэффициента (6). Обратим внимание на спектральные составляющие на
частотах 1>F , присутствующие на рис. 4 и отсутствующие на рис. 5. Они обусловлены
неоднородными радиоволнами и практически не принимаются реальной антенной.
Для сравнения спектров
сигналов, полученных расчёт-
ным и экспериментальным
путём, на рис. 3 (кривая 4)
приведен спектр, рассчитан-
ный для условий проведен-
ного эксперимента. Расчёт
сделан для модели простран-
ственно-углового спектра
морского волнения ),( ϕqΨ ,
заданной выражением (5).
При этом дополнительно
предполагалось, что угол
падения зондирующего сигна-
ла равнялся 75º.
Рис. 5. Модельные спектры рассеянного сигнала.
Спектр рассчитан с разрешением по частоте 0.01 F B (~0,005 Гц), затем для
согласования с условиями эксперимента (разрешение при измерениях составляло ~0,02 Гц)
применено сглаживание по четырём точкам.
Из сравнения кривых 3 и 4 рис. 3 видно хорошее качественное совпадение расчётного и
экспериментального спектров. В обоих случаях присутствуют четыре максимума, совпадает
их местоположение на оси частот (соответствует скорости ветра, высоте волн и углу падения
зондирующего сигнала), по амплитуде превалируют максимумы на отрицательных частотах
(соответствует направлению ветра относительно линии визирования).
Интересно провести сравнение трёх экспериментальных спектров, снятых с разносом во
времени при фиксированной протяженности радиотрассы и рабочей частоте р (кривые 1 – 3 на
рис. 3). Первым по времени получен спектр 1. Перед этим скорость и направление ветра в
районе измерений были примерно постоянны не менее четырёх часов. В спектре хорошо
просматривается сдвиг брэгговских максимумов в сторону отрицательных частот на величину
порядка 0,05 Гц, что соответствует радиальной составляющей скорости поверхностного
течения, обусловленного ветровым сносом, порядка 0,34 м/с. Затем скорость ветра стала
уменьшаться. Соответствующий по времени экспериментальный график представлен кривой
2. Из его рассмотрения видно, что максимумы стали многомодовыми. В нём имеются пики на
рассчитанных без учёта поверхностного течения и симметричных относительно нуля частотах
(сравни с кривой 4). Также присутствуют и максимумы, сдвинутые в отрицательную сторону,
как на кривой 1. Наконец, при измерении спектра 3 скорость ветра уменьшилась до 2-4 м/с
(при этом высота волн визуально измениться не успела). Максимумы в спектре сигнала снова
стали одномодовыми, как и в случае 1, но уже без отрицательного сдвига относительно нуля.
Кроме того, они несколько выросли по амплитуде по отношению к зондирующему сигналу.
Последний эффект может быть объяснён тем, что при наличии поверхностного течения, не
совпадающего с линией визирования, поверхность моря, находящаяся в непосредственной
близости к приёмной антенне, перестаёт давать когерентный вклад в рассеянный сигнал.
6. Выводы
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:
А.С. Кащеев и др.: РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ …
46
1. В ходе 5-ой и 7-ой морских Украинских антарктических экспедиций в акватории
Атлантического океана проведены измерения рассеянных взволнованной морской
поверхностью коротковолновых радиосигналов. Проанализировано поведение спектров
зондирующих сигналов вещательных радиостанций в зависимости от разнообразных
ионосферных условий.
2. Впервые построена строгая математическая модель двухпозиционного рассеяния
коротковолновых радиосигналов взволнованной морской поверхностью. Рассмотрен случай
неподвижного наблюдателя, линейной всенаправленной антенны, расположенной вблизи
освещаемой падающим полем морской поверхности. Учтена конечная проводимость морской
воды, скользящее распространение рассеянных волн, угол падения ионосферного сигнала,
конечные размеры приёмной антенны. Численно проанализированы спектральные
особенности рассеянного сигнала в зависимости от метеоусловий для различных моделей
пространственно-углового спектра морского волнения.
3. Сопоставление измеренных спектров рассеянного сигнала с результатами численного
моделирования показало качественное соответствие разработанной теории и натурных
экспериментов. При одномодовом зондирующем ионосферном сигнале и достаточном
превышении его над внешними шумами анализ спектральных особенностей рассеянных
сигналов позволяет в двухпозиционном варианте решать некоторые океанографические задачи
– оценивать интенсивность волнения, направление ветра и радиальную составляющую
скорости поверхностного течения. Отличительной особенностью предложенного метода
является использование в качестве зондирующих сигналов неспециального излучения
многочисленных широковещательных радиостанций коротковолнового диапазона.
Благодарность. В заключение авторы благодарят Украинский антарктический центр и
персонально В.А. Литвинова и Г.П. Милиневского за предоставленную возможность
участвовать в морских рейсах 5-ой и 7-ой Украинских антарктических экспедиций, а также за
всестороннюю поддержку в проведении исследований.
Работа выполнена при частичной поддержке НТЦУ в рамках партнёрского проекта
Р-072.
Литература
Басс Ф. Г., Фукс, И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. - М.:
Наука, 1972. - 424 с.
Галушко В.Г. Определение величины горизонтальных градиентов в ионосфере по
измерениям параметров КВ в окрестностях мёртвой зоны // Изв. Вузов. - Радиофизика. - 1984. -
Т. 27, № 12. - С. 1491-1496.
Кащеев С.Б., Ямпольский Ю.М., Зализовский А.В. Двухпозиционное зондирование
морской поверхности сигналами коротковолновых радиовещательных станций // Радиофизика
и радиоастрономия. -2000. - Т. 6, № 1. - С. 79-88.
Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. - Л.: Гидрометеоиздат,
1985. - 373 с.
Филлипс О.М. Динамика верхнего слоя океана. - М.: Гидрометеоиздат, 1980. - 319 с.
Beley V.S., Galushko V.G., Yampolski Y.M. Traveling ionosphere disturbances diagnostics
using HF signal trajectory parameter variations. // Radio Sci. - 1995. - Vol. 30, № 6. - Р. 1739-1752.
Pierson W.I., Moskovitz L. A prosed spectral form for fully developed wind seas based on
the similarity method of S.A. Kitaigorodsii // J. Geophysics Res. -1964. - Vol. 69, № 24. - Р. 5181-
5190.
Wu J. Wind stress and surface roughness at air-sea interface. // J. Geophysics Res. - 1969. -
Vol. 74, № 2. - Р. 444-455.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-128122 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1727-7485 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T19:04:09Z |
| publishDate | 2003 |
| publisher | Національний антарктичний науковий центр МОН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кащеев, А.С. Кащеев, С.Б. Колосков, А.В. Пикулик, И.И. Брюховецкий, А.С. Ямпольский, Ю.М. 2018-01-06T12:58:19Z 2018-01-06T12:58:19Z 2003 Радиозондирование морской поверхности во время 7-й Украинской антарктической экспедиции / А.С. Кащеев, С.Б. Кащеев, А.В. Колосков, И.И. Пикулик, А.С. Брюховецкий, Ю.М. Ямпольский // Український антарктичний журнал. — 2003. — № 1. — С. 37-46. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1727-7485 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/128122 621.396.967 Приводится методика измерений и результаты исследований радиосигналов коротковолновых вещательных станций, отраженных от ионосферы и рассеянных взволнованной поверхностью моря; эксперименты выполнены в ходе морской части 7-ой Украинской антарктической экспедиции на борту научно-исследовательского судна “Горизонт”. Теоретически исследуется спектр электромагнитных волн, рассеянных морской поверхностью, рассматривается случай линейной всенаправленной антенны, расположенной вблизи освещаемой падающим полем морской поверхности, учитывается конечная проводимость морской воды, скользящее распространение рассеянных волн. Проведено сопоставление экспериментальных спектров рассеяния с модельным, показано качественное совпадение теории и эксперимента. Рассмотрены возможные физические причины, объясняющие особенности спектральной структуры сигналов. Сделан вывод о возможности проведения океанографических исследований с использованием излучения вещательных станций. The paper presents measurement techniques and results of studying HF radio signals from broadcasting stations that are reflected from the ionosphere and scattered by a rough sea surface. The experiments were carried out during the 7th Ukrainian Antarctic expedition on board the research vessel “Horizont”. The paper considers the theoretical first-order perturbation spectrum of electromagnetic waves scattered by the sea surface. The case of a linear non directional vertical antenna placed near the surface illuminated by an incident field is discussed, with account of the finite conductivity of the sea water, small grazing angles of the scattered waves and currents on the sea surface. The experimental spectra are compared with simulated results. A qualitative agreement between theory and experiment has been found, and possible physical reasons for specific features of the signal spectrum are discussed. The feasibility of oceanographic measurements with the use of radiation from broadcasting radios has been confirmed. Авторы благодарят Украинский антарктический центр и персонально В.А. Литвинова и Г.П. Милиневского за предоставленную возможность участвовать в морских рейсах 5-ой и 7-ой Украинских антарктических экспедиций, а также за всестороннюю поддержку в проведении исследований. Работа выполнена при частичной поддержке НТЦУ в рамках партнёрского проекта Р-072. ru Національний антарктичний науковий центр МОН України Український антарктичний журнал Океанологія Радиозондирование морской поверхности во время 7-й Украинской антарктической экспедиции Radio sounding of the sea surface during 7-th Ukrainian Antarctic expedition Article published earlier |
| spellingShingle | Радиозондирование морской поверхности во время 7-й Украинской антарктической экспедиции Кащеев, А.С. Кащеев, С.Б. Колосков, А.В. Пикулик, И.И. Брюховецкий, А.С. Ямпольский, Ю.М. Океанологія |
| title | Радиозондирование морской поверхности во время 7-й Украинской антарктической экспедиции |
| title_alt | Radio sounding of the sea surface during 7-th Ukrainian Antarctic expedition |
| title_full | Радиозондирование морской поверхности во время 7-й Украинской антарктической экспедиции |
| title_fullStr | Радиозондирование морской поверхности во время 7-й Украинской антарктической экспедиции |
| title_full_unstemmed | Радиозондирование морской поверхности во время 7-й Украинской антарктической экспедиции |
| title_short | Радиозондирование морской поверхности во время 7-й Украинской антарктической экспедиции |
| title_sort | радиозондирование морской поверхности во время 7-й украинской антарктической экспедиции |
| topic | Океанологія |
| topic_facet | Океанологія |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/128122 |
| work_keys_str_mv | AT kaŝeevas radiozondirovaniemorskoipoverhnostivovremâ7iukrainskoiantarktičeskoiékspedicii AT kaŝeevsb radiozondirovaniemorskoipoverhnostivovremâ7iukrainskoiantarktičeskoiékspedicii AT koloskovav radiozondirovaniemorskoipoverhnostivovremâ7iukrainskoiantarktičeskoiékspedicii AT pikulikii radiozondirovaniemorskoipoverhnostivovremâ7iukrainskoiantarktičeskoiékspedicii AT brûhoveckiias radiozondirovaniemorskoipoverhnostivovremâ7iukrainskoiantarktičeskoiékspedicii AT âmpolʹskiiûm radiozondirovaniemorskoipoverhnostivovremâ7iukrainskoiantarktičeskoiékspedicii AT kaŝeevas radiosoundingoftheseasurfaceduring7thukrainianantarcticexpedition AT kaŝeevsb radiosoundingoftheseasurfaceduring7thukrainianantarcticexpedition AT koloskovav radiosoundingoftheseasurfaceduring7thukrainianantarcticexpedition AT pikulikii radiosoundingoftheseasurfaceduring7thukrainianantarcticexpedition AT brûhoveckiias radiosoundingoftheseasurfaceduring7thukrainianantarcticexpedition AT âmpolʹskiiûm radiosoundingoftheseasurfaceduring7thukrainianantarcticexpedition |