Доплеровский спектр радиолокационного СВЧ-сигнала обратного рассеяния: численное моделирование эксперимента на реке

Радиолокаторы СВЧ-диапазона применяются для решения задач дистанционного зондирования морской поверхности. Спектральные и энергетические характеристики отраженного сигнала зависят от параметров морского волнения. В настоящее время основной информационной характеристикой отраженного сигнала является сечение обратного рассеяния, которое определяется геометрией подстилающей поверхности. Информация о движении морской поверхности содержится в доплеровском спектре отражённого радиолокационного сигнала.
Современные орбитальные радиолокаторы позволяют получать оперативную и глобальную информацию о поле приводного ветра в Мировом океане. Актуальной является задача измерения/построения глобального поля течений, которые переносят огромное количество тепловой энергии и оказывают серьезное влияние на климат.
На прошедшем в октябре 2018 года в Бресте (Франция) международном семинаре «Doppler Oceanography from space: from scince to technology and applications» отмечалось, что перспективные спутниковые миссии, которые измеряют поверхностные скорости с помощью доплеровских радаров, открывают новые перспективы для мониторинга и анализа океанов, включая прямое измерение течений, ветров и волн.
Известны теоретические работы, посвященные измерению морских течений с помощью доплеровского радиолокатора. Однако экспериментальных измерений доплеровских спектров в присутствии течений при малых углах падения практически нет в связи со сложностью экспериментальной части задачи. Для исследования эффекта проявления «известного» течения в доплеровском спектре были проведены измерения с моста через реку Ока (Рябкова, 2020; Рябкова, 2021). Результаты обработки и обсуждение первых результатов приведено в статье (Рябкова, 2020). Анализировалась ширина и смещение доплеровского спектра, коэффициенты асимметрии и эксцесса.
Минусом проводимых экспериментов является то, что диапазон изменения скорости течения реки ограничен и анализ в основном сводится к оценке влияния скорости ветра (интенсивности волнения) на доплеровский спектр отраженного радиолокационного сигнала. Продвинуться в исследовании можно за счет использования численного моделирования.
В данной работе проведено численное моделирование ветрового волнения и схемы измерения доплеровским радиолокатором. Моделировалась стационарная и динамическая (с течением) водная поверхность. «Измерения» выполнялись при малых углах падения, когда доминирующим является квазизеркальный механизм обратного рассеяния и вычислялась проекция орбитальной скорости на направление зондирование. Моделирование было проведено для разных скоростей течения, углов падения и азимутальных углов. Были получены зависимости ширины и смещения доплеровского спектра в зависимости от скорости и направления ветра, скорости и направления течения. Численное моделирование позволило сравнить доплеровские спектры для нескольких длин волн радиолокатора (0,8 см, 3 см и 10 см), что пока невозможно в эксперименте. Сравнение результатов моделирования с экспериментом (0,8 см) подтвердило достоверность результатов численного моделирования. Будут разрабатываться и тестироваться алгоритмы определения скорости течения по доплеровскому спектру отраженного радиолокационного сигнала.



Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 20-05-00462).
2