Определение параметров поверхности воды во внутренних водоемах на основе алгоритма ретрекинга телеметрических импульсов альтиметрического радара спутника Jason-1

Радиоальтиметры, представляющие собой радары, излучающие в надир и принимающие сигнал, рассеянный назад подстилающей поверхностью, которые размещены на спутниках CNES/NASA Topex–Poseidon и Jason-1, создавались для измерения возвышения водной поверхности и предназначены для работы над океаном. Однако в последние годы обсуждаются возможности использования радиоальтиметрических измерений для мониторинга уровня воды во внутренних водоемах (реках, озерах, водохранилищах). Основные преимущества зондирования подстилающей поверхности в микроволновом диапазоне связаны с высокой проникающей способностью радиоволн через атмосферу и облачность, поэтому наблюдения могут проводиться в любое время суток, практически в любую погоду, при наличии в воздухе достаточно высоких концентраций аэрозолей. Они наиболее привлекательны в условиях, когда контактные измерения невозможны по географическим, политическим или экономическим причинам.

Стандартные методы обработки спутниковой информации, развитые для условий открытого океана, могут быть неприменимы для случая внутренних водоемов, особенно для озер и водохранилищ, имеющих вытянутую форму, и рек когда расстояние между берегами не превышает 5-10 м. Такие условия характерны для большинства водохранилищ Волжского каскада за исключением Рыбинского. При этом небольшое число телеметрических импульсов удовлетворяет критериям отбора, что приводит к большим погрешностям в определении уровня воды и значительным потерям альтиметрической информации. Так, коэффициент корреляции между данными измерений на гидропостах Государственной сети наблюдений и стандартными альтиметрическими данными для Горьковского водохранилища равен 0.3.

Проблема уменьшения погрешности измерения и увеличения количества альтиметрических данных, используемым для мониторинга состояния поверхности воды в водохранилище можно решить с помощью алгоритма ретрекинга. Для выбора оптимального алгоритма ретрекинга в настоящей работе были проведены расчеты формы импульсного сигнала, рассеянного статистически неоднородной случайной поверхностью, в рамках кусочно-линейной модели подстилающей поверхности в окрестности Горьковского водохранилища, основанной на похходе Brown, 1977 and Barrick and Lipa, 1985. Модель воспроизводит основные особенности форм отраженных импульсов (высокие пики и нерегулярную сложную форму), которые находятся в хорошем согласии с телеметрическими импульсами спутника Jason-1.

На основе анализа данных береговых метеостанций и результатов натурных подспутниковых измерений показано, что средняя значительная высота волн в Гоьковском водохранилище в летний период составляет 0.28 м (менее 1-го телеметрического гейта). На основании этого был выбран двухступенчатый алгоритм ретрекинга, на первом шаге которого время прихода зондирующего импульса оценивалось по пороговому алгоритму. На втором шаге передний фронт импульса в окрестности оцененной точки трекинга аппроксимировалась функцией ошибок, параметры которой определялись их алгоритма оптимизации. Применение этого алгоритма значительно увеличило точность воспроизведения уровня воды, а также количество данных, используемых при мониторинге. Коэффициент корреляции альтиметрических данных. обработанных с использованием нового алгоритма ретрекинга, и данных измерений уровня воды на гидропостах Государственной сети измерений составляет 0.85.

В заключении обсуждаются общие принципы построения алгоритма ретрекинга телеметрических импульсов альтиметрического радара для внутренних водоемов и прибрежной зоны.