Численное моделирование скаттерометра СКАТ-3: первые результаты

Основной задачей орбитального скаттерометра является восстановление поля ветра над поверхностью Мирового океана. Эта информация активно ассимилируется в метеорологические и океанологические модели, являясь основой для прогнозирования погоды и климата.
Во время полета скаттерометр выполняет измерения в широкой полосе обзора, в частности, европейский скаттеометр ASCAT имеет полосу обзора около 1000 км, а американский скаттерометр SeaWinds работал в полосе обзора 1800 км.
Первый российский скаттерометр будет размещен на океанографическом космическом аппарате Метеор-М № 3 с высотой орбиты 650 км, что существенно ниже орбиты SeaWinds (~ 800 км). По схеме измерения новый скаттерометр занимает промежуточное положение между скаттерометром SeaWinds и китайским скаттерометром RFSCAT. В отличие от SeaWinds российский скаттерометр использует не два, а один луч (веерная диаграмма направленности антенны). По сравнению с RFSCAT диаграмма направленности существенно уже: менее 6 градусов.
Тем не менее, такая схема измерений позволяет существенно уменьшить скорость вращения антенны, увеличить число наблюдений каждой ветровой ячейки и проводить измерения на двух поляризациях под одним углом падения. Это важно, например, для работы по ледяному покрову, а также для повышения точности восстановления скорости и направления ветра.
При заданной высоте орбиты космического аппарата Метеор-М № 3 обеспечить измерение в такой же полосе обзора, как у SeaWinds, можно только за счет увеличения углов падения. В этом случае мощность отраженного сигнала существенно падает, особенно на горизонтальной поляризации.
Для определения оптимальной ширины полосы обзора и оценки точности восстановления скорости и направления ветра была разработана численная модель нового скаттерометра с учетом ожидаемых характеристик будущего радиолокатора и схемы измерения. При моделировании задавались следующие параметры: радиус Земли и высота орбиты, скорость движения относительно Земли и период вращения антенны, ширина диаграммы направленности антенны и период повторения импульсов, поляризация и длина волны излучения, коэффициент усиления антенны и мощность излучения, диссипативные потери и коэффициент шума, углы падения и размер элемента разрешения по дальности, скорость и направление ветра.
Было проведено численное моделирование для двух значений полосы обзора: 1800 км и 1500 км, которое показало, что при низких скоростях ветра (< 5-6 м/с) уровень шумов, в случае выбора более широкой полосы обзора, оказывается слишком большим. Это ведет к значительным ошибкам при восстановлении скорости и направления ветра во всей полосе обзора, а также появляется много ячеек, в которых скорость ветра не может быть восстановлена при использовании стандартной процедуры обработки.
При ширине полосы обзора 1500 км углы падения меньше и отношение сигнал/шум увеличивается. В результате ошибка восстановления скорости и направления ветра во всей полосе обзора будет соответствовать требованиям технического задания.

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проекты № 13-05-00852а) и программой ОФН РАН «Радиофизика».