Отображение пленок на морской поверхности в радиолокационном сигнале при зондировании под малыми углами скольжения.

В настоящее время для мониторинга загрязнений морской поверхности используются радиолокационные (РЛ) станции, базирующиеся на морских платформах, судах или на береговых сооружениях. Это позволяет выполнять контроль экологической ситуации практически непрерывно и с высоким пространственным разрешением. При скользящих углах зондирования механизм обратного рассеяния существенно отличается от Брэгговского резонансного рассеяния, типичного для умеренных углов падения. В этом случае РЛ сигнал формируется в результате квази-зеркальных отражений от нелинейных особенностей обрушающихся ветровых волн морской поверхности и приобретает выраженную спекл-структуру.
Известно, что при умеренных углах падения проявление сликов на РЛ изображениях в виде «темных» пятен обусловлено подавлением коротких Брэгговских волн поверхностными пленками. Согласно экспериментальным и теоретическим исследованиям, спектральный диапазон коротких волн, подверженный гасящему воздействию пленок, зависит от их упругости, но обычно не распространяется на волны длиннее 20 см. При скользящих углах, обратное рассеяние формируется отражениями радиоволн от обрушающихся волн с длинами на порядок и более превышающих длину радиоволны, т.е. обрушениями волн длиннее 30 см. Таким образом, предполагается, что небрегговская компонента рассеяния в зоне слика изменяться не будет. Тем не менее, многочисленные измерения показывают, что при таких наблюдениях зоны загрязнений морской поверхности проявляются в РЛ изображениях.
Для более детально изучения особенностей формирования РЛ сигнала при скользящих углах зондирования были проведены натурные радиолокационные измерения характеристик морской поверхности, покрытой искусственной пленкой, на длине волны радиолокатора 3,2 см. Эксперименты выполнялись в 2014 -2015 годах в районе Стационарной океанографической платформы, пгт Кацивели, Южный берег Крыма. Радиолокатор, работающий в круговом режиме при горизонтальной поляризации передачи/приема сигнала, устанавливался на океанографической платформе на высоте 15 м. Углы наблюдения морской поверхности составляли от 6 град до 1 град относительно горизонта. Синхронно с радиолокационной информацией регистрировались метеопараметры и возвышения ветровых волн. Для создания сликов использовалось растительное масло. Всего было проведено 37 разливов растительного масла в широком диапазоне скоростей ветра (от 4 м/с до 16 м/с), азимутов и дальностей радиолокационных измерений.
При обработке полученных данных производилось осреднение 15 последовательных РЛ изображений, и определялись контрасты “чистая поверхность – слик” на разрезах при фиксированных дальностях. Вследствие большого вклада всплесков в средний сигнал экспериментальные точки контраста имеют значительный разброс. Явных зависимостей РЛ контраста от угла наблюдения, азимута и скорости ветра установить не удалось.
Для повышения эффективности определения геометрических размеров слика и определения РЛ контрастов предложена улучшенная методика обработки данных. В этом случае после вычитания уровня шума производилось не осреднение изображений, а рассчитывались среднегеометрические значения для каждого пикселя по серии из 15 изображений. Фактически были получены значения РЛ сигнала в дБ. Такой подход позволил более надежно определять границы области загрязнений и с большей достоверностью рассчитывать радиолокационный контраст «чистая поверхность – слик». Значения РЛ контраста от ветра независимо от угла скольжения и азимута наблюдения оказались близкими и составили величину K~3.
В результате анализа статистических характеристик РЛ изображений получено, что в зоне слика происходит уменьшение числа всплесков по отношению к чистой воде. Высказано предположение, что пленка подавляет небольшие обрушения, что в целом, согласуется с экспериментальными результатами (Malinovsky et al., 2007). В настоящее время характеристики обрушений в области морской поверхности, покрытой пленкой, не изучены. Требуются дальнейшие исследования, которые имеют как фундаментальный, так и практический интерес.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы" (Соглашение №14.577.21.0056, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57714X0056).