Исследование обратного радиолокационного рассеяния на обрушениях морских ветровых волн
Наведено результати експериментальних досліджень зв'язку характеристик радіолокаційного сигналу з геометричними параметрами обвалень вітрових хвиль. Показано, що ефективна площа розсіяння на обваленнях пропорційна його довжині. Розрахунок зміни небреггівської компоненти розсіяння в області пове...
Saved in:
| Published in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2011
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/37221 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование обратного радиолокационного рассеяния на обрушениях морских ветровых волн / В.А. Иванов, Ю.Ю. Юровский, В.В. Малиновский // Доп. НАН України. — 2011. — № 2. — С. 104-109. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860258760935604224 |
|---|---|
| author | Иванов, В.А. Юровский, Ю.Ю. Малиновский, В.В. |
| author_facet | Иванов, В.А. Юровский, Ю.Ю. Малиновский, В.В. |
| citation_txt | Исследование обратного радиолокационного рассеяния на обрушениях морских ветровых волн / В.А. Иванов, Ю.Ю. Юровский, В.В. Малиновский // Доп. НАН України. — 2011. — № 2. — С. 104-109. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | Наведено результати експериментальних досліджень зв'язку характеристик радіолокаційного сигналу з геометричними параметрами обвалень вітрових хвиль. Показано, що ефективна площа розсіяння на обваленнях пропорційна його довжині. Розрахунок зміни небреггівської компоненти розсіяння в області поверхні, покритої плівкою, дає змогу правильно описати результати спостережень.
The results of a field study of the relationship between radar backscattering parameters and geometrical characteristics of the wind wave breaking are presented. The radar cross-section of a whitecap is found to be proportional to the breaking crest length. It is shown that the accounting for a change of the non-Bragg scattering in the presence of an oil slick on the sea surface allows one to interpret experimental data correctly.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:52:29Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
2 • 2011
НАУКИ ПРО ЗЕМЛЮ
УДК 504.064.3:551.466.1
© 2011
Академик НАН Украины В.А. Иванов, Ю. Ю. Юровский,
В.В. Малиновский
Исследование обратного радиолокационного рассеяния
на обрушениях морских ветровых волн
Наведено результати експериментальних дослiджень зв’язку характеристик радiолока-
цiйного сигналу з геометричними параметрами обвалень вiтрових хвиль. Показано, що
ефективна площа розсiяння на обваленнях пропорцiйна його довжинi. Розрахунок змiни
небреггiвської компоненти розсiяння в областi поверхнi, покритої плiвкою, дає змогу
правильно описати результати спостережень.
Анализ и интерпретация данных радиолокационного (РЛ) зондирования морской поверх-
ности базируется на современных моделях удельной эффективной площади рассеяния
(УЭПР) (см., например, [1]). Полная УЭПР моря представляется в виде суммы брегговс-
кой σ0 br (в рамках двухмасштабной модели) и небрегговской σ0wb компонент рассеяния [2].
При умеренных и больших углах наблюдения величина σ0wb связывается с рассеянием на
обрушивающихся ветровых волнах.
Несмотря на то что обрушения ветровых волн занимают около 1% морской поверх-
ности при скорости ветра 10 м/с [3], небрегговская компонента рассеяния крайне важна
при описании полной УЭПР. При больших углах падения вклад σ0wb в суммарную УЭПР
в C-диапазоне может достигать 60% [4].
В настоящее время открытым остается вопрос о связи небрегговской компоненты рас-
сеяния с геометрическими характеристиками обрушений ветровых волн. В современных
моделях УЭПР морской поверхности [1] величина σ0wb связывается с геометрической пло-
щадью обрушения.
Отметим, что экспериментальных исследований, направленных на изучение связи ха-
рактеристик рассеянного сигнала в зоне обрушения c геометрическими параметрами обру-
шения, явно недостаточно. Это затрудняет развитие модели УЭПР небрегговской компонен-
ты, чрезвычайно важной как для интерпретации данных РЛ зондирования, так и решения
обратных задач восстановления параметров морской поверхности.
104 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №2
Цель настоящей работы — получение в натурных условиях эмпирических зависимос-
тей σ0wb от геометрических характеристик обрушений ветровых волн.
Эксперимент проводился в октябре-ноябре 2008–2009 гг. в Черном море на стационарной
океанографической платформе ЭО Мор. гидрофиз. ин-та НАН Украины, расположенной
на расстоянии около 600 м от берега в акватории Голубого Залива (пгт Кацивели). Для
исследования рассеивающих свойств морской поверхности использовалась радиолокацион-
ная станция (РЛС) восьмимиллиметрового диапазона (частота радиоволны 37,5 ГГц) не-
прерывного излучения. Передача и прием сигнала в РЛС осуществляется с помощью двух
сонаправленных рупорных антенн, разнесенных между собой на 35 см. Ширина диаграммы
направленности системы составляет около 10◦ по уровню −3 дБ. Приемный тракт снабжен
двумя поляризаторами, позволяющими выделять из принимаемого сигнала вертикально ВВ
и горизонтально ГГ поляризованные компоненты. Принимаемые сигналы оцифровывались
с частотой дискретизации 10 кГц на канал с помощью аналогово-цифрового преобразова-
теля (АЦП), размещенного на базе персонального компьютера. Высота установки РЛС 6 м
и 14 м над уровнем моря, что позволило проводить измерения при углах падения 70◦ и 45◦
соответственно. Калибровка РЛС осуществлялась с помощью уголковых и сферических
отражателей различного размера.
Для определения геометрии обрушений, возникающих на облучаемой РЛС поверхнос-
ти, применялась цифровая видеокамера Sony-HDR-HC3, установленная непосредственно на
корпусе РЛС. Технические характеристики камеры позволяют получать видеозапись с ча-
стотой 25 кадр/с при размерах кадра 1440 на 1080 пикселов. Угол обзора оптической сис-
темы составляет 44◦ в горизонтальной плоскости и 26◦ — в вертикальной. Синхронизация
видеоряда и радиолокационных записей реализовывалась путем дополнительной регистра-
ции аудиосигнала видеокамеры одним из каналов АЦП.
Скорость и направление ветра регистрировались стандартными гидрометеорологичес-
кими приборами на высоте 21 м.
За время натурных экспериментов были проведены серии измерений общей продолжи-
тельностью около 20 ч при углах падения 45◦ и 70◦ и азимутальном направлении “на волну”
(навстречу генеральному направлению распространения ветрового волнения).
Регистрируемый сигнал РЛС усреднялся и пересчитывался в эффективную площадь
рассеяния (ЭПР) σpp облучаемого участка поверхности с учетом калибровочных зависимос-
тей и дальности до морской поверхности. Здесь и далее верхним индексом pp обозначены
поляризации излучения / приема сигнала (V V — ВВ и HH — ГГ). Осреднение выполнялось
по 1000 отсчетам исходного ряда, что соответствовало частоте дискретизации временной
реализации ЭПР 10 Гц.
Для определения геометрических параметров обрушений, проходящих через пятно облу-
чения локатора, использовался алгоритм обработки видеоизображений, предложенный в об-
зоре [5], который основан на выделении зон обрушений по признаку превышения событием
заданного порога яркости и порога скорости. Для каждой выделенной области обруше-
ния с учетом известной геометрии наблюдения определялись ее геометрическая площадь
и длина большой оси аппроксимирующего эллипса.
При попадании в кадр нескольких обрушений рассчитывались суммарные длина их
гребней (L) и площадь (S) активной фазы (фаза A, “барашек”). В результате были сфор-
мированы временные реализации L и S с частотой дискретизации 25 Гц. Для после-
дующего анализа временные ряды характеристик обрушений синхронизировались с за-
писями ЭПР на ГГ и ВВ поляризациях. Фрагмент записи, где показано проявление
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №2 105
Рис. 1. Фрагмент записи РЛ сигнала, синхронизированный с видеорядом
в РЛ сигнале одного обрушения на различных стадиях его эволюции, иллюстрирует
рис. 1.
В качестве характерных параметров, определяющих геометрические свойства события,
были выбраны максимальные значения суммарной длины и площади обрушений. Соот-
ветственно для описания РЛ характеристик использовались максимальные значения ЭПР
для каждой из поляризаций. Такой подход позволяет минимизировать влияние фоновой
компоненты рассеяния от ветровой ряби и уменьшить методические ошибки, связанные
с определением характеристик обрушений.
Натурные исследования геометрических свойств обрушений [6] показывают, что при
активной фазе обрушения его площадь и длина связаны как S = const · L2. Исходя из это-
го, выберем в качестве основного характерного параметра обрушения максимальное зна-
чение L — длины обрушивающегося гребня. На рис. 2 представлены зависимости макси-
мальной ЭПР обрушений σpp
wb от L для ВВ и ГГ поляризаций, полученные по всем записям
при угле падения 70◦ и зондировании “на волну” при скорости ветра 7–9 м/с. “Облака”
точек усреднены по интервалам, ширина которых меняется по логарифмическому закону.
Пунктирными линиями показаны выполненные методом наименьших квадратов аппрокси-
мации наших данных следующей функцией:
σpp
wb(L) = aLγ + b (1)
(здесь b имеет смысл константы, связанной с рассеянием на поверхности, не занятой обру-
шением).
Анализ полученных данных показывает, что аналогичная зависимость ЭПР обруше-
ний от L характерна и для измерений при угле падения θ = 45◦, но при этом разброс
точек больше (до 20 дБ). Как видно из рис. 2, при θ = 70◦ обрушения одного масштаба
могут иметь ЭПР, отличающуюся приблизительно на 10 дБ. Такой значительный разброс
точек связан с различным вкладом σpp
br и σpp
wb в суммарную ЭПР. При умеренных углах
падения (θ = 45◦) основной вклад в ЭПР вносит величина σpp
br , обусловленная рассеянием
106 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №2
Рис. 2. Зависимости ЭПР обрушений σ
pp
wb от максимальной длины обрушивающего гребня
на ветровой ряби. Флуктуации спектральной плотности волнения на брегговском волно-
вом числе вдоль профиля длинных волн и геометрическая модуляция σpp
br уклонами более
крупных волн вызывают большой разброс измеряемых значений σpp
wb. С ростом масштаба
“барашка” уменьшается вклад фонового рассеяния в величину σpp и уменьшается разброс
значений σpp
wb. При больших углах падения θ = 70◦ значения σpp
br существенно ниже (при-
мерно в 100 раз) по отношению к измерениям при θ = 45◦, что приводит к существенному
снижению разброса величин σpp
wb. Отметим, что поскольку σV V
br > σHH
br , “облака” точек, со-
ответствующие ГГ поляризации, являются более кучными, а наклоны аппроксимирующих
их функций имеют большие значения по сравнению с ВВ поляризацией.
Более детальный анализ наклонов аппроксимирующих кривых представлен на рис. 3,
где показаны гистограммы величин γ, рассчитанные по каждой из 28 имеющихся записей.
Как видно из рисунка, на обеих поляризациях показатель степени γ близок к 1,0 и 0,5
соответственно для зависимостей ЭПР обрушений от L (см. а, б на рис. 3) и S (см. в, г).
Таким образом, можно считать, что компонента рассеяния, связанная с обрушением, про-
порциональна его длине.
Корректное описание связи σwb с характеристиками обрушений важно не только с физи-
ческой точки зрения, но и имеет прикладное значение, в частности, при анализе РЛ данных,
полученных в районах загрязнений морской поверхности. В настоящее время в радиофизи-
ческих моделях предполагается, что вызванный пленкой РЛ контраст Kpp
m = σpp
0
/σpp
0f , где
σpp
0
— УЭПР чистой поверхности; σpp
0f — УЭПР зоны загрязнения, определяется только за
счет уменьшения величины σpp
br , в то время как величина σwb не меняется. Однако, как
показано в публикации [7], в области моря, покрытой тонкой пленкой, уменьшается коли-
чество обрушений с длинами, меньшими 10–15 см, что должно приводить к уменьшению
небрегговской компоненты рассеяния.
Сопоставление наблюдавшихся в эксперименте РЛ контрастов Kpp, вызванных пленкой
растительного масла (VO) и олеиновой кислоты (OLA), и величин Kpp
m , рассчитанных по
модели [1] для соответствующих условий наблюдений иллюстрирует рис. 4. Теоретические
значения Kpp
m (а) рассчитаны при условии, что величина σ0wb на чистой воде и пленке оста-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №2 107
Рис. 3. Распределения наклонов аппроксимирующих функций γ для всех записей
Рис. 4. РЛ контраст, измеренный в натурном эксперименте и вычисленный по модели [1]
ется неизменной. В этом случае пределы изменения модельных контрастов незначительны
и они существенно ниже измеренных. Величины Kpp
m , приведенные на рис. 4, б, получены
с учетом изменения небрегговской компоненты рассеяния в слике. Как следует из рисун-
108 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №2
ка, в данном случае наблюдается хорошее соответствие между результатами эксперимента
и теорией.
Таким образом, рассмотренные нами вопросы касаются только установлению связи ха-
рактеристик РЛ сигнала с параметрами обрушений ветровых волн. В настоящее время
предполагается, что ЭПР обрушения пропорциональна его площади и формируется за счет
механизма зеркального отражения. Поскольку полученные нами результаты указывают на
линейную связь σwb с длиной обрушения, механизмы рассеяния в области “барашков” тре-
буют дополнительного исследования.
Работа выполнена при финансовой поддержке НАН Украины (договор № 12/09 от 01.07.2009)
и Государственного фонда фундаментальных исследований Украины (договор Ф28/435-2009).
1. Kudryavtsev V., Hauser D., Caudal G., Chapron B. A semiempirical model of the normalized radar cross-
section of the sea surface 1. Background model // J. Geophys. Res. – 2003. – 108C. – P. 8054.
2. Kudryavtsev V., Akimov D., Johannessen J., Chapron B. On radar imaging of current features: 1. Model
and comparison with observations // Ibid. – 2005. – 110C. – P. 7016.
3. Anguelova M., Webster F. Whitecap coverage from satellite measurements: A first step toward modeling
the variability of oceanic whitecaps // Ibid. – 2006. – 111C. – P. 3017.
4. Mouche A.A., Hauser D., Kudryavtsev V. Radar scattering of the ocean surface and sea-roughness properti-
es: A combined analysis from dual-polarizations airborne radar observations and models in C band // Ibid. –
2006. – 111C. – P. 9004
5. Mironov A. S., Dulov V.A. Detection of wave breaking using sea surface video records // Meas. Sci.
Technol. – 2008. – 19, No 1. – P. 015405.
6. Миронов А.С., Дулов В.А. Статистические характеристики событий и диссипация энергии при обру-
шении ветровых волн // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное
использование ресурсов шельфа: Сб. науч. тр. – Севастополь: Мор. гидрофиз. ин-т, 2008. – Т. 16. –
С. 97–115.
7. Malinovsky V., Sandven S., Mironov A., Korinenko A. Identification of oil spills based on ratio of alterna-
ting polarization images from ENVISAT // Proc. Geosci. and Remote Sens. Symp. IGARSS’2007. – IEEE
Int. – 2007. – 2. – P. 1326–1329.
Поступило в редакцию 09.06.2010Морской гидрофизический институт
НАН Украины, Севастополь
Academician of NAS of Ukraine V. A. Ivanov, Yu. Yu. Yurovsky, V. V. Malinovsky
A study of the radar backscattering from the breaking of wind waves on
the sea
The results of a field study of the relationship between radar backscattering parameters and geometri-
cal characteristics of the wind wave breaking are presented. The radar cross-section of a whitecap
is found to be proportional to the breaking crest length. It is shown that the accounting for a change
of the non-Bragg scattering in the presence of an oil slick on the sea surface allows one to interpret
experimental data correctly.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №2 109
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-37221 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:52:29Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Иванов, В.А. Юровский, Ю.Ю. Малиновский, В.В. 2012-09-30T16:22:55Z 2012-09-30T16:22:55Z 2011 Исследование обратного радиолокационного рассеяния на обрушениях морских ветровых волн / В.А. Иванов, Ю.Ю. Юровский, В.В. Малиновский // Доп. НАН України. — 2011. — № 2. — С. 104-109. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/37221 504.064.3:551.466.1 Наведено результати експериментальних досліджень зв'язку характеристик радіолокаційного сигналу з геометричними параметрами обвалень вітрових хвиль. Показано, що ефективна площа розсіяння на обваленнях пропорційна його довжині. Розрахунок зміни небреггівської компоненти розсіяння в області поверхні, покритої плівкою, дає змогу правильно описати результати спостережень. The results of a field study of the relationship between radar backscattering parameters and geometrical characteristics of the wind wave breaking are presented. The radar cross-section of a whitecap is found to be proportional to the breaking crest length. It is shown that the accounting for a change of the non-Bragg scattering in the presence of an oil slick on the sea surface allows one to interpret experimental data correctly. Работа выполнена при финансовой поддержке НАН Украины (договор № 12/09 от 01.07.2009) и Государственного фонда фундаментальных исследований Украины (договор Ф28/435-2009). ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Науки про Землю Исследование обратного радиолокационного рассеяния на обрушениях морских ветровых волн A study of the radar backscattering from the breaking of wind waves on the sea Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование обратного радиолокационного рассеяния на обрушениях морских ветровых волн Иванов, В.А. Юровский, Ю.Ю. Малиновский, В.В. Науки про Землю |
| title | Исследование обратного радиолокационного рассеяния на обрушениях морских ветровых волн |
| title_alt | A study of the radar backscattering from the breaking of wind waves on the sea |
| title_full | Исследование обратного радиолокационного рассеяния на обрушениях морских ветровых волн |
| title_fullStr | Исследование обратного радиолокационного рассеяния на обрушениях морских ветровых волн |
| title_full_unstemmed | Исследование обратного радиолокационного рассеяния на обрушениях морских ветровых волн |
| title_short | Исследование обратного радиолокационного рассеяния на обрушениях морских ветровых волн |
| title_sort | исследование обратного радиолокационного рассеяния на обрушениях морских ветровых волн |
| topic | Науки про Землю |
| topic_facet | Науки про Землю |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/37221 |
| work_keys_str_mv | AT ivanovva issledovanieobratnogoradiolokacionnogorasseâniânaobrušeniâhmorskihvetrovyhvoln AT ûrovskiiûû issledovanieobratnogoradiolokacionnogorasseâniânaobrušeniâhmorskihvetrovyhvoln AT malinovskiivv issledovanieobratnogoradiolokacionnogorasseâniânaobrušeniâhmorskihvetrovyhvoln AT ivanovva astudyoftheradarbackscatteringfromthebreakingofwindwavesonthesea AT ûrovskiiûû astudyoftheradarbackscatteringfromthebreakingofwindwavesonthesea AT malinovskiivv astudyoftheradarbackscatteringfromthebreakingofwindwavesonthesea |