Описание алгоритма определения направления поверхностного ветра по радиометрическим измерениям из космоса

Возможность определения направления ветра по радиометрическим измерениям основывается на анизотропии излучательной способности взволнованной морской поверхности по углу азимута α. Установлено, что наибольшее влияние анизотропия излучения поверхности оказывает на третий параметр Стокса S3. При этом величина анизотропного вклада зависит как от частоты излучения, так и от модуля скорости ветра V. При восстановлении направления ветра αв мы полагаем, что модуль скорости ветра V – известен, следовательно, известна и зависимость третьего параметра Стокса S3(φ) от относительного направления ветра φ= αв - αs, которое отсчитывается по отношению к азимуту зондирования αs.
Зависимость третьего параметра Стокса от относительного направления ветра S3(φ)такова, что при любом измеренном значении параметра S3 относительный азимут ветра φ имеет неоднозначное значение. Для каждого S3 возможно либо два, либо четыре возможных значения угла φ. Какое из значений соответствует истинному направлению ветра по одному измерению определить невозможно. Такая возможность появляется, если один и тот же элемент разрешения на поверхности измеряется под различными ракурсами. В проекте «Конвергенция» планируется проводить измерения, как в передней части конуса измерений, так и в его задней части. Такая геометрия измерений позволяет при одном проходе спутника получать два измеренных значения третьего параметра Стокса S31 и S32 под различными ракурсами зондирования.
В идеальном алгоритме при отсутствии погрешностей можно было бы на основе известной зависимости третьего параметра Стокса от относительного направления ветра и по измеренным значениям S31 и S32 определять два вектора возможных значений углов φ. Для первого ракурса измерений и по величине S31 получить первый вектор φ1= { φ1,1, φ1,2, φ1,3, φ1,4,}, а для второго ракурса измерений и измеренному параметру S32 получить второй вектор φ2= { φ2,1, φ2,2, φ2,3, φ2,4,}. С учетом азимутального сдвига угла зондирования при смене ракурса измерений от всех элементов вектора φ1 необходимо вычесть угол азимутального сдвига Δα =π-2αS1, где αS1 – отклонение угла визирования от направления трека спутника. В результате получить вектор φ’1. Если бы измерения и модель зависимости S3(φ) были бы идеально точны, то один из элементов вектора φ’1 совпал бы с одним из элементов вектора φ2. По углу, при котором произошло бы такое совпадение, можно однозначно было бы определить направление ветра. Однако наличие погрешностей измерений и неточностей модели приводят к необходимости учета этих погрешностей.
В разработанном алгоритме предлагается учитывать погрешности измерений величин S3, введением нормального распределения вероятности третьего параметра Стокса по яркостной температуре. На его основе проводится расчет двух функции распределения вероятностей по углу (φ). Для первого ракурса измерений по величине S31 получаем первую функцию вероятностей P1(φ), которую затем приводим к нулевому направлению зондирования путем смещения ее на азимут первого направления зондирования - угол αs1. В результате получаем распределение вероятностей для направления ветра: P1(αв)= P1(αs1-φ). Аналогичная процедура проводится для второго ракурса измерений для измеренного параметра S32, в результате чего получаем вторую функцию вероятностей для направления ветра P2(αв)= P1(αs2-φ). Окончательное вычисление направление ветра проводится по положению максимума при пересечении вероятностей, а именно по функции P12(αв) = P1(αв) x P2(αв).
В докладе приводятся результаты моделирование данного алгоритма, которые подтверждают его высокую эффективность.
Работа выполнена при поддержки гранта РФФИ 15-05-08401