Построение композитной геофизической модельной функции для ортогональной поляризации в X-диапазоне на базе лабораторного моделирования

Работа посвящена построению геофизической модельной функции (ГМФ) для ортогонального режима приёма-излучения СВЧ сигнала в Х-диапазоне, в том числе в экстремальных метеоусловиях. В ходе работы были проведены несколько серий лабораторных экспериментов по исследованию водной поверхности, покрытой обрушениями волн различной интенсивности оптическими и радиолокационными методами. Эксперименты проводились на ветро-волновом канале Большого Термостратифицированного бассейна ИПФ РАН.
В ходе первой серии экспериментов со спорадическим обрушением волн были получены зависимости удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) водной поверхности от скорости ветра для двух согласованных по приёму-излучению (VV, HH) и двух ортогональных (HV, VH) поляризаций при трёх углах зондирования: 30, 40 и 50 градусов. Подтверждено, что для согласованных поляризаций при наблюдается насыщение зависимости при скоростях ветра 25-30 м/с в зависимости от угла зондирования (не меняется в рамках погрешности измерений), а при угле 30 градусов зависимость УЭПР от скорости ветра даже становится немонотонной. При этом для вертикальной поляризации VV по сравнению с горизонтальной HH наблюдаются более высокие значения УЭПР, и отличие резко увеличивается при переходе к настильным углам зондирования. В то же время для ортогональных поляризаций HV и VH отмечен устойчивый рост УЭПР с ростом скорости ветра, при этом тенденция к насыщению при скоростях ветра U10 больше 50 м/с так же не наблюдается.
Было проведено сопоставление спектрального распределения ветрового волнения по фазовым скоростям со спектральной плотностью мощности принятого радиолокационного сигнала, приведенной к доплеровской скорости рассеивателей. Обнаружено, что существенный вклад, особенно при больших скоростях ветра, в рассеяние вносят элементы, скорость которых значительно (до 30%) превышает не только скорость энергонесущих волн, но и коротковолновой ряби, генерируемой на склонах и гребнях длинных волн. Был сделан вывод, что такими элементами могут быть только обрушающиеся гребни и образуемые ими барашки («active whitecap»).
По результатам второй серии экспериментов, направленной на исследование влияния active whitecap на формирование рассеянного сигнала в условиях регулярного искусственного обрушения волн, было обнаружено, что при прохождении обрушающегося гребня волны на поверхности воды генерируются структуры, имеющие характерный размер порядка единиц сантиметров, а потому обладающие существенной ЭПР для используемой в эксперименте частоты излучения, что проявляется на спектрограмме в виде увеличения интенсивности компонент спектра. При сильном ветре, когда искусственная генерация волн происходит на фоне регулярно обрушающегося ветрового волнения, она оказывает меньшее влияние на рассеянный сигнал. При этом после прохождения через исследуемую область обрушающегося гребня длинной волны обратное рассеяние от водной поверхности уменьшается по сравнению с фоновым значением, наблюдаемом при хаотичном обрушении.
Совмещение временной зависимости мощности принятого сигнала и площади водной поверхности, покрытой обрушениями, показало, что, несмотря на увеличение скорости ветра, все точки зависимости УЭПР от доли обрушений группируются возле одной кривой. Таким образом, был сделан вывод, что на зависимость УЭПР от доли обрушений не влияет скорость ветра, а значит, и определяемые ей параметры волнения.
С учетом того, что в эксперименте область обрушения была окружена выглаженной поверхностью воды, можно считать, что принимаемый сигнал формируется за счет рассеяния только от области обрушения, а следовательно, интенсивность рассеянного сигнала должна возрастать прямо пропорционально доли, которую составляет площадь обрушения в пятне засветки. Вследствие этого зависимости должны быть аппроксимированы линейными функциями. Таким образом, была определена УЭПР обрушения и экспериментально измерена функциональная зависимость доли обрушений на водной поверхности от скорости ветра. Однако интенсивность рассеянного сигнала определяется не только обрушениями волн, но и коротковолновой ветровой рябью, модулируемой длинными волнами. Рассеяние от необрушивающихся ветровых волн было вычислено в рамках модели "малых уклонов" SSA-2, в качестве входных параметров для которой были использованы полученные в эксперименте пространственные спектры волнения.
В результате композитная геофизическая модельная функция (ГМФ) была получена как сумма вкладов в УЭПР от обрушений и ветровой ряби с учетом их удельной площади для каждой скорости ветра. Было выявлено, что итоговый вклад обоих слагаемых одного порядка, а их соотношение зависит от скорости ветра. При этом сигнал на ортогональной поляризации, рассеянный на ветровых волнах, имеет тенденцию к насыщению аналогично сигналу в согласованном по излучению-приему режиме, а монотонный рост УЭПР при высоких скоростях ветра, наблюдаемый в экспериментах, обеспечивается за счет рассеяния на обрушивающихся гребнях волн, что следует из анализа предложенной ГМФ.

Результаты получены с использованием оборудования Уникальной научной установки «Комплекс крупномасштабных геофизических стендов» ИПФ РАН (http://www.ckp-rf.ru/usu/77738/). Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 23-77-10060.