Применение ГНСС-Р для измерения диаграммы рассеяния ледяного покрова в L-диапазоне

Дистанционное зондирования ледяного покрова Мирового океана в СВЧ-диапазоне используются для решения важных прикладных и фундаментальных задач, например, для картографирования ледяного покрова в интересах судоходства, для исследования влияния изменения климата земли на площадь и характеристики ледяного покрова и для изучения особенностей взаимодействия морских волн с ледяным покровом. Измерения выполняются в широком интервале углов падения, однако можно выделить область малых углов падения. Как известно, при малых углах падения доминирующим механизмом обратного рассеяния для морской поверхности является квазизеркальное рассеяния и отраженный сигнал описывается в приближении метода Кирхгофа. Измерения показали, что наблюдается существенное различие зависимостей сечения обратного рассеяния от угла падения для морского волнения и ледяного покрова. Численное моделирование показало, что для движущегося радиолокатора с широкой диаграммой направленности антенны в случае обратного рассеяния (моностатический случай) доплеровские спектры для морской поверхности и ледяного покрова будут сильно различаться (Karaev et al., 2022a). Это предположение в дальнейшем подтвердилось в рамках эксперимента на канатной дороге (Karaev et al., 2022b).
Идея использования отраженных сигналов глобальных навигационных систем (ГНСС) для решения задач дистанционного зондирования была предложена ещё в прошлом столетии, но активное развитие данной области началось сравнительно недавно. Метод, основанный на использовании отражённых сигналов ГНСС называется ГНСС-Рефлектометрия (ГНСС-Р). Схема измерений является бистатической, а основной механизм рассеяния является квазизеркальным. В связи с этим возникло предположение, что доплеровские спектры при бистатическом зондировании могут применяться для разделения ледяного покрова и морского волнения. Предварительные результаты обработки натурных данных подтвердили это предположение (Ковалдов и др. 2024а, б).
В данной работе предлагается метод определения диаграммы рассеяния поверхности по доплеровскому спектру сигнала ГНСС, отражённого морской поверхностью или морским льдом. Использовались данные спутника TDS-1, полученные над взволнованной водной поверхностью в Атлантическом океане (между Южной Америкой и Африкой) и морским льдом в Антарктическом регионе (море Уэдделла) в ноябре 2018 года. Также рассматривались данные, полученные над Охотским морем в феврале-марте 2017 года. Область над Охотским морем выбрана таким образом, чтобы попадали участки, покрытые льдом с высокой сплоченностью. Характер полученных диаграмм рассеяния сравнивался с зависимостями сечения обратного рассеяния от угла падения в Ku- и Ka-диапазонах, полученным по данным спутникового радиолокатора DPR. Было показано, что ширина диаграммы рассеяния зависит от типа подстилающей поверхности (лед/вода). Диаграмма рассеяния ледяного покрова в Ka диапазоне оказалась шире, чем в Ku-диапазоне, что вероятно связано с увеличением «шероховатости» поверхности в Ka-диапазоне. Для L-диапазона шероховатость поверхности будет меньше, однако диаграмма рассеяния оказалась самой широкой. Предполагается, что это связано с влияние объёмного рассеяния. Также в качестве полигона для наблюдений использовался пресноводный водоём, что позволило рассчитать диаграмму рассеяния для пресноводного ледяного покрова. В результате выполнено сравнение диаграммы рассеяния пресноводного и солёного ледяных покровов в различных диапазонах. Полученные результаты позволили проверить разработанный алгоритм и сравнить характер рассеяния СВЧ-радиоволн ледяным покровом в различных диапазонах.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-77-10064. Авторы выражают благодарность А. Максимову и Р. Волготову из НИЦ Планета за подготовку данных для анализа.