К вопросу об обратном рассеянии электромагнитных волн СВЧ-диапазона морской поверхностью при углах падения меньше 20 градусов

Радиолокационное зондирование морской поверхности активно развивается при средних углах падения, где в настоящее время проводят измерения орбитальные радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) и скаттерометры. При последующей обработке восстанавливается поле приводного ветра (скаттерометр, РСА), а при выполнении определенных условий можно определить спектр длинных поверхностных волн (> 100 м).
Преимущество малых углов падения связано с тем, что в этом случае спектральные и энергетические характеристики отраженного радиолокационного сигнала содержат информацию о параметрах крупномасштабного, по сравнению с длиной радиолокатора, волнения.
В данной работе продолжено изучение особенностей обратного рассеяния при малых углах падения (< 20 градусов). В проведенных ранее исследованиях была построена модифицированная модель брэгговского рассеяния, в которой корректно учитывается влияние крупномасштабного волнения на спектральные и энергетические характеристики отраженного электромагнитного излучения. Для малых углов падения (< 10 градусов) проведено сравнение модели доплеровского спектра (метод Кирхгофа, квазизеркальное рассеяние) и экспериментальных данных, полученных в ходе эксперимента на морской гидрофизической платформе на Черном море. Получено хорошее совпадение теории и эксперимента.
В данном исследовании основное внимание уделено переходной области углов падения (10 - 20 градусов), где необходимо учитывать вклад в отраженный радиолокационный сигнал обоих механизмов обратного рассеяния. Экспериментальные данные были получены доплеровским радиолокатором Ka-диапазона (длина волны 8,3 мм), установленным на морской гидрофизической платформе, которая расположена на расстоянии 500 м от берега (Черное море, вблизи п.Кацивели). Измерялась зависимость спектральных и энергетических характеристик отраженного сигнала от угла падения и от азимутального угла (угла между направлением волнения и направлением ветра).
Для описания доплеровского спектра (ДС) отраженного радиолокационного сигнала использовались следующие параметры: смещение (положение «центра» тяжести), ширина (удвоенное среднеквадратическое отклонение), асимметрия и эксцесс. При малых углах падения асимметрия и эксцесс близки к нулю и наблюдается их рост при увеличении угла падения. Это является надежным индикатором перехода от доминирования квазизеркального механизма обратного рассеяния к резонансному рассеянию, что позволяет определить границы переходной области углов падения, опираясь на количественные оценки.
Разработана оригинальная процедура обработки данных, которая позволяет разделить вклад квазизеркальной и брэгговской компонент в отраженном сигнале. В ходе эксперимента измерялась зависимость сечения обратного рассеяния от угла падения, что позволило определить дисперсию наклонов крупномасштабного волнения вдоль направления зондирования. В результате была построена зависимость сечения обратного рассеяния квазизеркальной компоненты отраженного радиолокационного сигнала от угла падения. При последующей обработке вычислялся вклад брэгговской компоненты в отраженный сигнал. Были построены зависимости сечения обратного рассеяния, ширины и смещения доплеровского спектра брэгговской компоненты от угла падения. Получено хорошее совпадение экспериментальных данных и оценок по модифицированной модели брэгговского рассеяния.
Таким образом, проведенное исследование показало, что модель доплеровского спектра, объединяющая модифицированную модель брэгговского рассеяния и метод Кирхгофа, показала хорошее совпадение с данными эксперимента при углах падения меньше 20 градусов.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 17-05-00939-а). Авторы выражают благодарность сотрудникам ЧФ ФГБУН ФИЦ МГИ за помощь в проведении эксперимента и компанию НПФ «Микран» за техническую поддержку при подготовке доплеровского радиолокатора к измерениям.