Экспериментальные исследования радиолокационного рассеяния на морской поверхности при больших углах падения
Розглядається пiдхiд до вiдновлення характеристик морського середовища за даними берегових радiолокацiйних станцiй, що грунтується на фiзичних уявленнях про компоненти розсiювання i гiдрометеорологiчнi мiнливостi. Результатами натурних дослiджень встановлено, що варiацiї радiолокацiйного сигналу при...
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7914 |
| 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: | Экспериментальные исследования радиолокационного рассеяния на морской поверхности при больших углах падения / В.А. Иванов, В.В. Малиновский, В.Е. Смолов, Ю.Ю. Юровский // Доп. НАН України. — 2009. — № 2. — С. 96-101. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-7914 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Иванов, В.А. Малиновский, В.В. Смолов, В.Е. Юровский, Ю.Ю. 2010-04-22T13:32:59Z 2010-04-22T13:32:59Z 2009 Экспериментальные исследования радиолокационного рассеяния на морской поверхности при больших углах падения / В.А. Иванов, В.В. Малиновский, В.Е. Смолов, Ю.Ю. Юровский // Доп. НАН України. — 2009. — № 2. — С. 96-101. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7914 504.064.3:551.466.1 Розглядається пiдхiд до вiдновлення характеристик морського середовища за даними берегових радiолокацiйних станцiй, що грунтується на фiзичних уявленнях про компоненти розсiювання i гiдрометеорологiчнi мiнливостi. Результатами натурних дослiджень встановлено, що варiацiї радiолокацiйного сигналу при великих кутах падiння визначаються переважно змiною параметрiв обвалень вiтрових хвиль. Облiк компоненти розсiювання, що зв’язана з обваленнями, та її внесок у сумарний сигнал дозволяють фiзично обгрунтованого визначення параметрiв морської поверхнi. An approach to retrieve sea surface parameters using coastal radar data based on physical representations about backscattering components and their hydrometeorological variability is presented. The field experimental results showed that the radar sea return variations at high incidence angles depend mostly on variations of the wave breaking characteristics. A physically grounded retrieval algorithm has to be based on taking the wave breaking scattering component into account. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Науки про Землю Экспериментальные исследования радиолокационного рассеяния на морской поверхности при больших углах падения Field study of the radar backscattering on the sea surface at high incidence angles Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Экспериментальные исследования радиолокационного рассеяния на морской поверхности при больших углах падения |
| spellingShingle |
Экспериментальные исследования радиолокационного рассеяния на морской поверхности при больших углах падения Иванов, В.А. Малиновский, В.В. Смолов, В.Е. Юровский, Ю.Ю. Науки про Землю |
| title_short |
Экспериментальные исследования радиолокационного рассеяния на морской поверхности при больших углах падения |
| title_full |
Экспериментальные исследования радиолокационного рассеяния на морской поверхности при больших углах падения |
| title_fullStr |
Экспериментальные исследования радиолокационного рассеяния на морской поверхности при больших углах падения |
| title_full_unstemmed |
Экспериментальные исследования радиолокационного рассеяния на морской поверхности при больших углах падения |
| title_sort |
экспериментальные исследования радиолокационного рассеяния на морской поверхности при больших углах падения |
| author |
Иванов, В.А. Малиновский, В.В. Смолов, В.Е. Юровский, Ю.Ю. |
| author_facet |
Иванов, В.А. Малиновский, В.В. Смолов, В.Е. Юровский, Ю.Ю. |
| topic |
Науки про Землю |
| topic_facet |
Науки про Землю |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Field study of the radar backscattering on the sea surface at high incidence angles |
| description |
Розглядається пiдхiд до вiдновлення характеристик морського середовища за даними берегових радiолокацiйних станцiй, що грунтується на фiзичних уявленнях про компоненти розсiювання i гiдрометеорологiчнi мiнливостi. Результатами натурних дослiджень встановлено, що варiацiї радiолокацiйного сигналу при великих кутах падiння визначаються переважно змiною параметрiв обвалень вiтрових хвиль. Облiк компоненти розсiювання, що зв’язана з обваленнями, та її внесок у сумарний сигнал дозволяють фiзично обгрунтованого визначення параметрiв морської поверхнi.
An approach to retrieve sea surface parameters using coastal radar data based on physical representations about backscattering components and their hydrometeorological variability is presented. The field experimental results showed that the radar sea return variations at high incidence angles depend mostly on variations of the wave breaking characteristics. A physically grounded retrieval algorithm has to be based on taking the wave breaking scattering component into account.
|
| issn |
1025-6415 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7914 |
| citation_txt |
Экспериментальные исследования радиолокационного рассеяния на морской поверхности при больших углах падения / В.А. Иванов, В.В. Малиновский, В.Е. Смолов, Ю.Ю. Юровский // Доп. НАН України. — 2009. — № 2. — С. 96-101. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT ivanovva éksperimentalʹnyeissledovaniâradiolokacionnogorasseâniânamorskoipoverhnostipribolʹšihuglahpadeniâ AT malinovskiivv éksperimentalʹnyeissledovaniâradiolokacionnogorasseâniânamorskoipoverhnostipribolʹšihuglahpadeniâ AT smolovve éksperimentalʹnyeissledovaniâradiolokacionnogorasseâniânamorskoipoverhnostipribolʹšihuglahpadeniâ AT ûrovskiiûû éksperimentalʹnyeissledovaniâradiolokacionnogorasseâniânamorskoipoverhnostipribolʹšihuglahpadeniâ AT ivanovva fieldstudyoftheradarbackscatteringontheseasurfaceathighincidenceangles AT malinovskiivv fieldstudyoftheradarbackscatteringontheseasurfaceathighincidenceangles AT smolovve fieldstudyoftheradarbackscatteringontheseasurfaceathighincidenceangles AT ûrovskiiûû fieldstudyoftheradarbackscatteringontheseasurfaceathighincidenceangles |
| first_indexed |
2025-11-24T15:58:11Z |
| last_indexed |
2025-11-24T15:58:11Z |
| _version_ |
1850850010692845568 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
2 • 2009
НАУКИ ПРО ЗЕМЛЮ
УДК 504.064.3:551.466.1
© 2009
Член-корреспондент НАН Украины В.А. Иванов, В. В. Малиновский,
В.Е. Смолов, Ю. Ю. Юровский
Экспериментальные исследования радиолокационного
рассеяния на морской поверхности при больших углах
падения
Розглядається пiдхiд до вiдновлення характеристик морського середовища за даними бе-
регових радiолокацiйних станцiй, що грунтується на фiзичних уявленнях про компонен-
ти розсiювання i гiдрометеорологiчнi мiнливостi. Результатами натурних дослiджень
встановлено, що варiацiї радiолокацiйного сигналу при великих кутах падiння визначаю-
ться переважно змiною параметрiв обвалень вiтрових хвиль. Облiк компоненти розсi-
ювання, що зв’язана з обваленнями, та її внесок у сумарний сигнал дозволяють фiзично
обгрунтованого визначення параметрiв морської поверхнi.
Радиолокационные (РЛ) методы мониторинга морской среды используются для решения
широкого круга прикладных задач, в частности, для определения ветро-волновой обстанов-
ки, контроля нефтяных загрязнений, идентификации динамических процессов на морской
поверхности. Преимущество РЛ систем обусловлено возможностью работы в любое время
суток при различных метеорологических условиях. Эффективным инструментом, который
позволяет осуществлять оперативный контроль состояния морской среды, могут служить
радиолокационные станции (РЛС), установленные на береговых или судовых носителях.
В настоящее время известны РЛ системы, которые обеспечивают обнаружение загрязне-
ний, определение океанографических характеристик волнения, скорости ветра в районах
нефтяных платформ и морских портов [1–3]. Алгоритмы, использующиеся в этих систе-
мах, основаны на эмпирических зависимостях обратного рассеяния радиоволн на морской
поверхности. Следует отметить, что эмпирические зависимости осреднены по широкому
диапазону различных параметров морской среды. Данный подход приводит к тому, что
ошибки восстанавливаемых величин могут зависеть от многих факторов, например, на
скорость ветра может влиять влажность воздуха, разность температур вода — атмосфера,
высота волн [3]. Следовательно, для получения достоверных результатов требуется мно-
жество эмпирических законов, описывающих РЛ сигнал как функцию состояния морской
поверхности и атмосферы, что значительно усложняет решение обратной задачи и снижает
универсальность РЛ средств.
96 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №2
Использование эмпирического подхода — в некоторой степени вынужденная мера, по-
скольку отсутствуют модели, удовлетворительно объясняющие РЛ рассеяние в диапазоне
санти- и миллиметровых радиоволн при малых и близких к ним углах скольжения, харак-
терных для измерений с береговых РЛ постов. Проблемы теоретического описания обратной
задачи связаны с существенным влиянием РЛ рассеяния от элементов поверхности в этом
диапазоне углов, ассоциируемых с обрушениями ветровых волн. Механизм взаимодействия
радиоволн с обрушениями изучен недостаточно и требует создания адекватной радиофизи-
ческой теории рассеяния. Кроме того, зависимость параметров самих обрушений от внеш-
них условий, а также общий механизм их генерации остаются мало исследованными.
Восстановление параметров морской среды по измеренной мощности рассеянного излу-
чения требует решения обратной задачи. Один из подходов к решению данной задачи осно-
ван на создании следующих методов:
физических представлений об элементах поверхности, участвующих в РЛ рассеянии
(рассеивателях) и об изменчивости их характеристик в зависимости от гидрометеорологи-
ческих условий;
радиофизических моделей взаимодействия радиоволн с различными рассеивателями;
анализа РЛ сигнала с целью оценки количественных характеристик рассеивателей по
их вкладам в суммарную площадь рассеяния;
использования этих оценок для восстановления значений параметров морской поверх-
ности и атмосферы.
В настоящем сообщении проанализирован подход, позволяющий построить физически
обоснованные алгоритмы восстановления характеристик морской среды, по данным бере-
говых РЛС.
Количественной мерой интенсивности РЛ сигнала служит удельная эффективная пло-
щадь рассеяния σ0 (УЭПР). В формировании УЭПР морской поверхности в диапазоне сан-
ти- и миллиметровых волн принимают участие несколько различных механизмов, вклад
каждого из них зависит как от параметров морской поверхности при заданной геометрии
наблюдения, так и от угла падения θ при неизменных гидрометеорологических условиях.
Здесь и далее под θ будем понимать угол между направлением зондирования и надиром.
В исследуемом интервале больших θ основными компонентами УЭПР будем считать
резонансную (брэгговскую) составляющую σp
br
и компоненту σwb, связанную с рассеянием
на зонах обрушений ветровых волн [4]:
σp
0
= σp
br(1 − q) + σwbq, (1)
где q — доля поверхности моря, покрытой обрушениями; индекс p указывает на поляри-
зацию (вертикальную (ВП) и горизонтальную (ГП)). Относительно σp
br известны модели,
описывающие как резонансное рассеяние (F.G. Bass, I.M. Fuks, A. I. Kalmykov, 1968), так
и поведение рассеивателей (гравитационно-капиллярной ряби) под действием внешних фак-
торов (ветра, волн, ПАВ) [4]. Относительно небрэгговской компоненты σwb существуют
гипотезы, объясняющие увеличение УЭПР в области обрушения ветровых волн. К ним
относятся дифракция на заостренных гребнях волн перед обрушением (A. I. Kalmykov,
V.V. Pustovoytenko, 1976), рассеяние на брызгах (А.И. Калмыков, А.С. Курекин, Ю.А. Ле-
мента, 1976), многолучевое распространение [5], квази-зеркальные отражения [6]. Суще-
ственную роль при таких углах может играть затенение части поверхности гребнями длин-
ных волн [5]. С другой стороны, изменчивость самих небрэгговских рассеивателей (обруше-
ний) под влиянием внешних условий плохо поддается теоретическому описанию. Например,
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №2 97
Рис. 1. Угловые зависимости УЭПР морской поверхности (а); поляризационного отношения (б ); УЭПР
обрушений (в) и ее вклада в σ0 (г).
Условные обозначения: H — ГП при ветре 15 м/с; • — ВП при ветре 15 м/с; ▽ — ГП при ветре 6 м/с;
◦ — ВП при ветре 6 м/с; △ — ВП/ГП при ветре 6 м/с; N — ВП/ГП при ветре 15 м/с; для графиков а и б :
сплошная линия — теоретические значения ВП/ГП при ветре 6 м/с; пунктирная — при ветре 15 м/с; —
ГП; ◦ — ВП; для графиков в и г: пунктирная линия — теоретические оценки на ГП, сплошная — на ВП
параметризации зависимостей q от скорости ветра U могут отличаться более чем на поря-
док [7]. Отметим также, что характеристики брэгговских и небрэгговских рассеивателей
существенно различны при изменении гидрометеорологических условий, что затрудняет
анализ и интерпретацию РЛ данных.
Продемонстрируем этот факт на примере сопоставления модели УЭПР морской по-
верхности [4], верифицированной для θ < 60◦, с результатами натурного эксперимента,
проведенного нами на океанографической платформе [8]. В качестве основного инструмента
использовался доплеровский радиолокатор непрерывного излучения, работающий на длине
волны 8 мм (37,5 ГГц). Методика и условия эксперимента приведены в [8].
Угловые зависимости σ0 на вертикальной и горизонтальной поляризациях излучения,
полученные при различных скоростях ветра, представлены на рис. 1, а. Как следует из
98 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №2
рисунка, с увеличением угла падения значения УЭПР на обеих поляризациях уменьша-
ются, причем более быстрое падение σ0 наблюдается с уменьшением скорости ветра. (На
рис. 1, а показаны теоретические оценки угловой зависимости УЭПР, полученные по моде-
ли [4] для углов, скоростей ветра и поляризаций, соответствующих нашим условиям изме-
рений: сплошные линии — ВП, пунктирные — ГП; нижняя и верхняя группы кривых по-
строены для U = 6 м/с и U = 15 м/с.)
Хорошее соответствие теории и опыта проявляется при θ < 50◦. При больших углах
и сильном ветре (∼ 15 м/с) различия начинают увеличиваться, причем более существенные
отклонения экспериментальных точек от теоретических кривых (3–5 дБ) наблюдаются на
ГП. При скорости ветра 6 м/с и возрасте волн ∼ 0,7 теория дает в несколько раз завышенные
значения σ0 на ВП и заниженные — на ГП.
Используемые в моделях представления о небрэгговской компоненте УЭПР дают оценку
вклада σwb в σ0 менее 0,6–0,7 при θ ∼ 60◦. В рамках двухмасштабной композитной модели
с учетом гипотезы σv
wb = σh
wb = σwb (v — ВП, h — ГП) [9] следует ожидать, что поляри-
зационное отношение P = σv
0/σh
0 составит величину порядка 5–10. Сравним эти оценки со
значениями P , полученными экспериментально. Поляризационные отношения для данных,
показанных на рис. 1, а, демонстрирует рис. 1, б. При фиксированном ветре поляризацион-
ное отношение слабо зависит от угла падения. С ростом скорости наблюдается увеличение
значений P . Заметим, что как для умеренного, так и сильного ветра в интервале рассмат-
риваемых углов падения θ величины P лежат в пределах 1,5–2,0. Теоретические угловые
зависимости поляризационного отношения, приведенные сплошной линией (U = 6 м/с)
и пунктирной (U = 15 м/с), существенно превышают экспериментальные.
Наиболее естественным объяснением расхождений между моделями и натурными дан-
ными может служить недостаточно точное теоретическое описание небрэгговской компо-
ненты и ее доли в суммарной УЭПР на различных поляризациях при углах падения > 60◦.
Вклад σwb зависит от доли поверхности моря, покрытой обрушениями. Как отмечалось
выше, само поведение q изучено недостаточно, в связи с чем определить соотношение меж-
ду σwb и σp
br весьма трудно.
Оценка вклада σwb в σp
0
может быть выполнена с использованием данных, представлен-
ных на рис. 1, а для скорости ветра 15 м/с (верхняя группа точек). Определим величину
небрэгговской составляющей УЭПР следующим образом: σ̂p
wb
= σp
0
− σp
br
. Здесь σp
0
— экспе-
риментальные значения, а брэгговская компонента σp
br
может быть рассчитана по модели [4]
для ветроволновых условий, наблюдавшихся во время эксперимента. Полученные зависи-
мости σ̂p
wb от θ приведены на рис. 1, в, где сплошной линией показаны расчеты по модели [4].
Из рисунка следует важный вывод: при фиксированных θ оценки σ̂p
wb на ВП и ГП близки.
Это согласуется с результатами лабораторных измерений УЭПР индивидуальных обруше-
ний [9]. Таким образом, при анализе РЛ данных, полученных при больших углах падения,
можно считать, что σv
wb
∼= σh
wb. Другим выводом, вытекающим из рис. 1, в, являются зани-
женные, по сравнению с экспериментальными данными, теоретические оценки σ̂p
wb.
Отношения σ̂p
wb
/σp
0
, определяющие вклады небрэгговской компоненты в суммарную
УЭПР на обеих поляризациях, проиллюстрированы на рис. 1, г, где теоретические рас-
четы для ГП и ВП показаны, соответственно, пунктирной и сплошной линиями. Анализи-
руя рисунок, можно утверждать следующее. Во-первых, модель дает заниженные значения
вкладов σwb на обеих поляризациях. Во-вторых, при больших θ преобладающую роль в рас-
сеянии горизонтально поляризованного излучения играет нерезонансное рассеяние, вклад
которого достигает ∼ 0,9 на ГП и ∼ 0,4 на ВП.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №2 99
Учет отмеченных выше особенностей формирования РЛ сигнала принципиален при вос-
становлении параметров морской поверхности. Продемонстрируем это на примере измере-
ния характеристик ветрового волнения. В основе РЛ методов определения спектров вол-
нения лежат эффекты гидродинамической модуляции рассеивающей ряби и изменения
локального угла наблюдения вдоль профиля длинной волны. Другими словами, в качестве
информативного параметра, за счет которого происходит модуляция РЛ сигнала, рассмат-
ривается брэгговская рябь. Однако из рис. 1, в и г следует, что вариации УЭПР должны
определяться в основном изменением характеристик обрушений вдоль профиля длинных
волн. Задача пространственной изменчивости обрушений в волновом поле требует деталь-
ного исследования. Нам известна только одна работа, в которой получены эксперимен-
тальные оценки модуляции характеристик обрушений энергонесущими волнами [10]. Со-
гласно данным [10], значения модуляционной передаточной функции величины q для уме-
ренных и сильных ветров составляют ∼ 20, что в 2–3 раза сильнее модуляции РЛ сигнала за
счет гидродинамического изменения брэгговской ряби. Следовательно, в качестве основно-
го информативного параметра при определении характеристик волнения по РЛ измерениям
можно рассматривать обрушения ветровых волн.
Таким образом, создание методов восстановления характеристик волнения по РЛ дан-
ным, основанных на физических представлениях о процессах, происходящих на морской
поверхности, требует, как минимум, изучения изменчивости характеристик обрушений
вдоль профиля длинных волн; исследования фазовых соотношений между обрушениями
и длинными волнами; развития радиофизических моделей обратного рассеяния на обру-
шениях; определения соотношения между различными компонентами рассеяния. Такой
подход, на наш взгляд, может быть использован как для развития алгоритмов диагно-
стики ветрового волнения, так и для повышения достоверности восстановления харак-
теристик ветра, поверхностных загрязнений и динамических процессов на поверхности
моря.
Работа выполнена при поддержке проектов INTAS 05-1000008-8014, INTAS/ESA 06-1000025-
9264 и Европейской научной программы FP6 (Contract #SST5-CT-2006–031001, Project MONRUK).
1. Robinson I. S., Ward N. P., Gommenginger C. P., Tenorio-Gonzales M.A. Coastal oceanography applicati-
ons of digital image data from marine radar // J. Atmos. Ocean. Tech. – 2000. – 17. – P. 721–735.
2. Nieto B., Rodrigues G., Hessner K., Gonsalez B. Inversion of marine radar images for surface wave
analysis // Ibid. – 2004. – 21. – P. 1291–1300.
3. Dankert H., Hortsmann J. A marine radar wind sensor // Ibid. – 2007. – 24. – P. 1629–1642.
4. Kudryavtsev V., Hauser D., Caudal G., Chapron B. A semi-empirical model of the normalized radar
cross-section of the sea surface. 1. Background model // J. Geophys. Res. – 2003. – 108, N C3 8054 doi:
10.1029/2001JC001003.
5. Wetzel L. B. On microwave scattering by breaking ocean waves // Wave Dynamics and Radio Probing of
the Ocean Surface. – New York: Plenum press, 1986.
6. Kwoh D. S.W., Lake B.M., Rungaldier H. Microwave scattering from internal wave modulated surface
waves: A shipboard real aperture coherent radar study in the Georgia strait experiment // J. Geophys.
Res. – 1988. – 94, N C10. – P. 12235–12248.
7. Anguelova M.D., Webster F. Whitecap coverage from satellite measurements: A first step toward modeling
the variability of oceanic whitecaps // Ibid. – 2006. – 111, N C03017 doi: 10.1029/2005JC003158.
8. Юровский Ю.Ю., Малиновский В.В., Смолов В.Е. Радиолокационные методы мониторинга при-
брежной зоны: возможности и проблемы использования / Под. ред. В. А. Иванова. – Севастополь:
Мор. гидрофиз. ин-т НАН Украины. – 2008. – Вып. № 4. – 75 с. [Сб.: Совр. пробл. океанологии.].
9. Ericson E.A., Lyzenga D.R., Walker D. T. Radar backscattering from stationary breaking waves //
J. Geophys. Res. – 1999. – 104, N C12. – P. 29679–29695.
100 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №2
10. Dulov V.A., Kudryavtsev V.N., Bolshakov A.N. A Field Study of White Caps Coverage and its Modulati-
ons by Energy Containing Waves // Gas Transfer at Water Surface / Ed. by M.A. Donelan, W.M. Drennan,
E. S. Saltzman, R. Wanninkhof. – AGU, 2001. – P. 296–301.
Поступило в редакцию 27.05.2008Морской гидрофизический институт
НАН Украины, Севастополь
Corresponding Member of the NAS of Ukraine V.A. Ivanov, V.V. Malinovsky,
V. E. Smolov, Yu. Yu. Yurovsky
Field study of the radar backscattering on the sea surface at high
incidence angles
An approach to retrieve sea surface parameters using coastal radar data based on physical repre-
sentations about backscattering components and their hydrometeorological variability is presented.
The field experimental results showed that the radar sea return variations at high incidence angles
depend mostly on variations of the wave breaking characteristics. A physically grounded retrieval
algorithm has to be based on taking the wave breaking scattering component into account.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №2 101
|