Метод детектирования ледяного покрова по данным СВЧ-радиолокатора при малых углах падения: по значению сигнала и зависимости УЭПР от угла падения

Детектирование ледяного покрова по данным СВЧ-радиолокаторов при малых углах падения является новой задачей и ее актуальность обусловлена возможным увеличением объема наблюдений полярных областей в СВЧ-диапазоне, что является важным для улучшения мониторинга ледяного покрова. В данной работе представлен алгоритм детектирования ледяного покрова по измерениям Dual Frequency Precipitation Measurements (DPR) Ku-диапазона на спутнике Global Precipitation Measurement (GPM).
Радиолокатор выполняет измерения сечения обратного рассеяния в интервале углов падения +/- 18 градусов в направлении перпендикулярном направлению полета спутника и формируется радиолокационное изображение шириной 245 км и разрешением 5 км.
Радиолокационные данные были объединены с информацией о сплоченности ледяного покрова с сайта Бременского университета. Сплоченность определялась по данным радиометра AMSR-2 и в дальнейшем считалось, что области со сплоченностью более 15 %, соответствуют ледяному покрову.
Были построены гистограммы значений сечения обратного рассеяния для ледяного покрова и открытой воды. Показано, что пики гистограмм для этих двух типов подстилающей поверхности хорошо разделяются для углов падения более трех градусов. Метод определения типа поверхности для этой области углов падения заключается в следующем: рассматривается массив данных о сечении обратного рассеяния для каждого угла падения для широт выше 40 градусов; применяется простая кластеризация методом K-means на основе значения отраженного сигнала [1]. Показано, что F-мера для такого простого метода, без учителя, выше 0.9. При меньших углах падения точность этого метода достаточно низкая.
Если угол падения менее трех градусов, то применяется альтернативный подход, основанный на статистике уклонов поверхности. По измеренной зависимости сечения обратного рассеяния от угла падения, в рамках приближения геометрической оптики, вычисляется функция плотности вероятности уклонов поверхности и рассчитывается коэффициент эксцесса [2]. Построена гистограмма значений коэффициента эксцесса для открытой воды и ледяного покрова, и показано, что для этого параметра пики для двух типов подстилающей поверхности хорошо разделяются. Минимум гистограммы соответствует граничному значению коэффициента эксцесса. Коэффициент эксцесса для поверхности воды имеет значение около нуля, в то время, как для ледяного покрова он принимает высокие значения. Точность детектирования ледяного покрова по значению коэффициента эксцесса также достаточно высокая: F-мера составляет 0.93.
Таким образом, разработан алгоритм детектирования ледяного покрова по данным радиолокатора DPR во всей полосе обзора. Опубликована база данных о положении ледяного покрова за 2017 год. База данных доступна по ссылке https://sat.ipfran.ru/GPM_DPRKu_iceflag.

Работа была выполнена в рамках госзадания ИПФ РАН (FFUF-2022-0005).