Эмпирическая модель удельной эффективной площади рассеяния морской поверхности в Ка-диапазоне

Использование миллиметровых волн в дистанционном зондировании Земли из космоса позволяет существенно улучшить пространственное разрешение получаемых данных при меньших габаритах и массе аппаратуры. Первый альтиметр Ка-диапазона (AltiKa, 35.75 ГГц), запущенный в 2013 г. (Vincent et al., 2006) имеет в три раза более высокую точность получаемых данных, по сравнению с предшествующими инструментами Ku-диапазона. Запуск миллиметрового радиоинтерферометра KaRIN, запланированный на 2019 г. (Durand et al., 2010), позволит создать новую систему спутникового мониторинга мезомасштабных явлений в океане. Самолётные радиолокаторы с синтезированием апертуры Ka-диапазона уже сейчас (Doerry et al. 2005) демонстрируют беспрецедентное для радиолокации пространственное разрешение (10 см на облучаемой поверхности).
Для правильной интерпретации спутниковых океанографических данных требуется понимание процессов рассеяния волн на морской поверхности и адекватно описывающие их модели рассеяния. На сегодняшний день разработан ряд эмпирических моделей (геофизических модельных функций) для C-, X-, Ku-диапазонов (Wentz and Smith, 1999; Quilfen et al., 1999). Для Ка-диапазона таких моделей нет, а опубликованные данные довольно скудны и нередко противоречат друг другу (Walsh et al. 1998).
В настоящей работе представлены результаты радиолокационных наблюдений на Океанографической платформе Морского гидрофизического института РАН в 2009-2015 гг., которые обобщены в виде эмпирической модели удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) морской поверхности.
В качестве радиолокатора использовался доплеровский скаттерометр Ка-диапазона (длина волны 8 мм), имеющий два канала передачи-приема: вертикальный (ВВ) и горизонтальный (ГГ). Наблюдения проводились при углах падения от 0° до 70°, при всех азимутах относительно ветра, и скорости ветра в пределах от 3 м/с до 20 м/с. Специальные калибровки были выполнены для определения диаграммы направленности радиолокатора и пересчёта мощности принятого сигнала в УЭПР.
В качестве входных параметров для модели приняты стандартные: угол падения, азимут относительно ветра и скорость ветра. Модельная функция представляет собой полином четвертой степени от угла падения и логарифма скорости ветра, разложенный в ряд Фурье, ограниченный первыми двумя гармониками. Для УЭПР использованы логарифмические единицы. Коэффициенты для модели получены путём нелинейной аппроксимации симплекс-методом. При каждой итерации модельная функция УЭПР пересчитывалась в значения ожидаемой УЭПР, с поправкой на диаграмму направленности, которые сравнивались с реально измеренными величинами. Такая схема аппроксимации позволила исключить влияние диаграммы направленности антенн на УЭПР.
В результате показано, что разработанная модель близка к опубликованным данным Ka-диапазона (Giovanangeli et al., 1991; Plant et al., 1994) и близкого к нему Ku-диапазона (Wentz and Smith, 1999; Quilfen et al., 1999), за исключением данных (Masuko et al., 1986), которые оказываются заниженными на 5-7 дБ. На основе разложения УЭПР в рамках двухмасштабной модели на поляризованную и неполяризованную составляющие (Kudryavtsev et al., 2013) показано, что вклад брегговского рассеяния более ощутим в Ka-диапазоне и, в отличии от Ku-диапазона, возрастает с увеличением скорости ветра. Этот эффект объясняется влиянием микро-обрушений ветровых волн и генерацией паразитной капиллярной ряби. Оценка уровня спектра коротких волн по радиолокационным данным также свидетельствует о существовании пика в области k ≈ 1000 рад/м, обусловленного паразитной рябью.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда в рамках проекта 15-17-20020 «Динамика верхнего слоя океана по данным спутниковых радиолокационных и оптических измерений», а также при поддержке проекта NASA/Physical Oceanography NNX15AG40G.

Литература
1. Doerry A. W., D. F. Dubbert, M. Thompson, V. D. Gutierrez, A portfolio of fine resolution Ka-band SAR images: part I // Radar Sensor Technology IX, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series, 2005, Vol. 5788, pp. 13–24.

2. Durand M., Lee-Lueng Fu, Lettenmaier D. P., Alsdorf D. E., Rodriguez E., Esteban-Fernandez D., The surface water and ocean topography mission: Observing terrestrial surface water and oceanic submesoscale eddies, Proc. IEEE, 2010, Vol. 98, No. 5, pp. 766–779.

3. Giovanangeli J.-P., Bliven L. F., Calve O. Le, A wind-wave tank study of the azimuthal response of a Ka-band scatterometer, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 1991, Vol. 29, pp. 143–148.

4. Kudryavtsev V. N., Chapron B., Myasoedov A. G., Collard F., Johannessen J. A., On Dual Co-Polarized SAR Measurements of the Ocean Surface, IEEE Geosci. Remote Sens. Lett., 2013, Vol. 10, pp. 761–765.

5. Masuko H., Okamoto K., Shimada M., Niwa S., Measurement of microwave backscattering signatures of the ocean surface using X band and Ka band airborne scatterometers, J. Geophys. Res. (Oceans), 1986, Vol. 91, pp. 13065–13084.

6. Plant W. J., Terray E. A., Petitt R. A., Keller W. C., The dependence of microwave backscatter from the sea on illuminated area: Correlation times and lengths, J. Geophys. Res. (Oceans), 1994, Vol. 99, pp. 9705–9723.

7. Quilfen Y., Chapron B., Bentamy A., Gourrion J., Elfouhaily T., Vandemark D., Global ERS 1 and 2 and NSCAT observations: Upwind/crosswind and upwind/downwind measurements, J. Geophys. Res. (Oceans), 1999, Vol. 104(C5), pp. 11459–11469.

8. Vincent P., Steunou N., Caubet E., Phalippou L., Rey L., Thouvenot E., Verron J., AltiKa: a Ka-band Altimetry Payload and System for Operational Altimetry during the GMES Period, Sensors, 2006, Vol. 6, No. 3, pp. 208–234.

9. Walsh E. J., Vandemark D. C., Friehe C. A., Burns S. P., Khelif D., Swift R. N., Scott J. F., Measuring sea surface mean square slope with a 36-GHz scanning radar altimeter, J. Geophys. Res. (Oceans), 1998, Vol. 103(C6), pp. 12587–12601.

10. Wentz F. J., Smith D. K., A model function for the ocean-normalized radar cross section at 14 GHz derived from NSCAT observations, J. Geophys. Res. (Oceans), 1999, Vol. 104(C5), pp. 11499–11514.