Восстановление статистических характеристик ветрового волнения по ширине и смещению доплеровского спектра отраженного радиолокационного сигнала

Измерение статистических характеристик волнения является одной из основных задач дистанционного зондирования, и информация о морском волнении, помимо научных исследований, важна для решения различных прикладных задач, в частности, для обеспечения безопасной посадки гидросамолетов. В настоящее время гидросамолеты не оборудованы радиолокаторами, способными обеспечить синхронное измерение высоты и периода волнения.
В работе предложен новый метод определения высоты значительного волнения, дисперсии орбитальных скоростей и среднего периода по измерениям доплеровского спектра рассеянного морской поверхностью СВЧ-сигнала.
Для проведения измерений необходимо работать в области малых углов падения, чтобы с одной стороны, смещение доплеровского спектра было отличным от нуля, а с другой стороны, чтобы для описания доплеровского спектра можно было воспользоваться методом касательной плоскости [1]. Проведенный анализ показал, что оптимальным является угол падения в интервале от 3 до 12 градусов [2].
В случае чисто ветрового волнения в модельный спектр волнения входят три параметра: скорость ветра, длина ветрового разгона и направления ветра. Здесь использовалась модель спектра [3], энергонесущая часть которого основана на модели JONSWAP.
При малых углах падения ширина и смещение доплеровского спектра зависят от дисперсии наклонов, дисперсии орбитальных скоростей, коэффициента корреляции между наклонами вдоль двух взаимно перпендикулярных направлений, а также коэффициента корреляции между наклонами и вертикальной составляющей орбитальной скорости [1, 4]. Была предложена концепция «радиолокационной» плоскости, образованной шириной и смещением доплеровского спектра. Показано, что имея два уравнения (для ширины и смещения доплеровского спектра) от двух неизвестных (скорости ветра и величины ветрового разгона), можно определить скорость ветра и разгон при условии, что направление ветра известно.
Численное моделирование показало, что на радиолокационной плоскости можно разделить типы волнения (ветровое волнение, смешанное волнение, зыбь) и для ветрового волнения оценить скорость ветра и длину ветрового разгона при наличии информации о направлении ветра. Восстановив скорость ветра и длину ветрового разгона, можно вычислить статистические характеристики морского волнения по спектру волнения.
Впервые были проведены измерения доплеровского спектра радиолокатором Ka-диапазона с океанографической платформы при малых углах падения. Струнный волнограф, установленный на платформе, измерял частотный спектр волнения, скорость и направление ветра измерялись анемометром. Была проведена обработка радиолокационных данных и построена зависимость ширины и смещения доплеровского спектра от угла падения. Был разработан комплекс программ для оценки скорости ветра и длины ветрового разгона по радиолокационным данным. По модельному спектру волнения вычислялась высота значительного волнения, средняя и доминантная длина волны, дисперсия орбитальных скоростей. Сравнение с данными струнного волнографа подтвердило хорошее совпадение.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 16-35-00548 мол_а, 17-05-00-939 а.