Эмпирическая модель радиолокационного рассеяния от морской поверхности при больших углах падения

Результаты радиолокационных (РЛ) съемок морской поверхности широко используются для решения различных прикладных задач, в частности, контроля загрязнений, ледовой обстановки, определения поля ветра, морского волнения. Анализ получаемых РЛ данных базируется на существующих теоретических моделях радиолокационного рассеяния от моря при малых и умеренных углах наблюдения, характерных для спутниковых и самолетных съемок. Основной вклад в эффективную площадь рассеяния (ЭПР) морской поверхности при таких измерениях вносит брегговская компонента рассеяния, хорошо описанная в многочисленных работах. С другой стороны, для контроля загрязнений, волновой обстановки используются РЛ станции, устанавливаемые на небольшой высоте на морских платформах, судах и на береговых сооружениях. В этом случае РЛ наблюдения выполняются при больших (более 80 град) углах падения и доля брегговской компоненты рассеяния в ЭПР моря мала. Основной вклад вносит небрегговская компонента, связанная с отражениями от нелинейных особенностей обрушающихся ветровых волн. В результате РЛ сигнал имеет ярко выраженную спекл-структуру. Проблемой при анализе такой информации является и отсутствие полуэмпирических моделей, аналогичных CMOD5, позволяющих решать практические задачи, например определение скорости ветра. Целью работы являлось проведение натурных исследований, и последующий анализ РЛ данных для получения простой полуэмпирической модели, описывающей зависимость ЭПР морской поверхности от скорости ветра при различных азимутах наблюдения и зондировании при больших углах падения.
Для изучения особенностей формирования РЛ сигнала в 2014 – 2015 годах были проведены эксперименты на Стационарной океанографической платформе в Голубом заливе, пгт Кацивели, Крым. В ходе работ использовался радиолокатор кругового обзора “Река” (www.micran.ru) 3-х сантиметрового диапазона с горизонтальной поляризацией излучения/приема сигнала, установленный на платформе на высоте 15 м. Углы наблюдения морской поверхности составляли 84 град – 89 град. Одновременно регистрировались метеопараметры и высота ветровых волн. Работы выполнялись при скоростях ветра от 4 м/с до 16 м/с. При анализе использовались РЛ данные, полученные в диапазоне азимутальных углов от 60 град до 210 град. Ограничение по азимутам связано с расположением платформы и формой береговой линии в Голубом заливе.
Определение шумовых характеристик аппаратуры осуществлялось по записям РЛ сигнала в штилевых условиях. В результате осреднения 76 “шумовых” сканов были рассчитаны значения уровня шума для всех азимутов и дальностей. При последующей обработке радиолокационных данных, уровень шума вычитался из исходных значений сигнала. Далее, РЛ сигнал, очищенный от шумов, пересчитывался в значения УЭПР морской поверхности по калибровочной зависимости, полученной по РЛ отражениям от уголкового отражателя. Всего было получено 432 осредненных радиолокационных изображений моря.
В результате проведенного анализа получено, что зависимости УЭПР от скорости ветра для различных углов падения и при различных азимутах наблюдений хорошо описываются степенной зависимостью с показателем степени 2.4.
Выполненный анализ показал, что индикатрисы рассеяния имеют один максимум при измерениях «на ветер» и минимум - «по ветру». Отметим, что при измерениях под малыми и умеренными углами падения азимутальная зависимость характеризуется двумя максимумами (в направлениях “на ветер” и “по ветру”).
В нашем случае индикатрисы рассеяния существенно зависят от скорости ветра и с его увеличением отношение УЭПР “на ветер/по ветру” падает. В результате обработки данных получена эмпирическая зависимость ЭПР морской поверхности от скорости ветра при различных азимутах наблюдения. Показано, что значения коэффициентов практически не зависят от угла наблюдения.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда "Динамика верхнего слоя океана по данным спутниковых радиолокационных и оптических измерений" (проект №15-17-20020)