Экспериментальные исследования отображения параметров поверхностных и внутренних волн в радиолокационном сигнале при малых углах скольжения Малиновский, Владимир Васильевич

Введение к работе

Актуальность темы диссертации. Радиолокационное (РЛ) зондирование является одним из основных методов дистанционного исследования океана. По РЛ данным определяются, например, параметры ветрового волнения, скорость ветра, идентифицируются различные динамические явления. За последнее десятилетие наиболее обширный экспериментальный материал в этом направлении получен при изучении внутренних волн (ВВ.) по их проявлениям на поверхности океана. Свидетельством этому служат эксперименты, проведенные с борта судна (Веселов и др. 1984), данные по индикации ВВ из космоса с борта SEASAT (Apel, Gon-zalez, 1983; Track 1983; Huhes, Cower, 1988), а также результаты, полученные в ходе экспериментов J0W1P СHughes, Dawson, 1988), SARSEX (Gasparovic, Apel,1988). Результаты э' x наблюдений показывают, что РЛ средства СВЧ- диапазона можно, в принципе, использовать в качестве дистанционного волнографа ВВ, изучать с их помощью вопросы, относящиеся к задачам генерации и распространения внутренних-волн.

Важным направлением РЛ исследований стали эксперименты по изучению модуляционных характеристик РЛ сигналов, позволяющие устанавливать связь между спектрами радиосигналов и спектрами поверхностных волн С Keller, Wright, 1975; Wright, Plant, 1980; Розенберг, 1990).

Большинство работ радиоокеанографической направленности посвящено результатам экспериментов, проводимых при больших углах облучения поверхности 020). С одной стороны, это объясняется широким применением аэрокосмических систем, с другой стороны - возможностью использования хорошо разработанной теории резонансного рассеяния радиоволн морской поверхностью для интерпретации щ'станционных данных.

меньшее число работ посвящено результатам, полученным при малых углах скольжения, когда структура РЛ сигнала характеризуется особенностями, необъяснимыми в рамках модели "рябь на крупной волне" (Калмыков, Пустовойтенко, 1974,1976). Для этих условий наблюдений в СВЧ-диапазоне эффективная площадь рассеяния морской поверхности определяется не только рассея-

ниєм на резонансной ряби, но и, в основном, процессами, связанными с обрушениями ветровых волн. Поскольку именно параметры обрушений является сильно варьируемыми величинами при изменении гидрометеорологических условий (Дулов, Кудрявцев, 1936,1^88). проведение РЛ измерений при малых углах скольжения перспективно для диагноза состояния океана. Вследствии этого, необходимым становится изучение и описание связи характеристик РЛ сигнала с паракотрс.-п' обрушений ветровых волн.

Все вышеперечисленное, в основном, и определяет актуальность и направленность проведенных исследований по отображению поверхностных и внутренних волн в РЛ сигнале.

Цель и задачи работы. Цель работы состоит в экспериментальном исследовании особенностей формирования РЛ сигнала, рассеянного морской поверхностью при малых углах скольжения.

Создание методов РЛ диагноза состояния поверхности океана предполагает выбор в качестве информативного параметра тех характеристик волнения, которые определяют основной вклад в рассеяние радиосигнала. Суммарная интенсивность РЛ сигнала формируется за счг? многих факторов: уровня энергетического спектра резонансно- рассеивапцей ряби, отражений от различных элеиэнтов обрушивапцихся волн. Однако, обрушения ветровых волн рассматриваются в настоящее время как параметр, имеющий наибольшую информативность. Это связано, во-первых, с их существенным вкладом в суммарную мощность рассеяния и, во-вторых, именно характеристики обрушений (частота появления на единице площади, доля поверхности, покрытая пеной и др.) являются сильно варьируемыми параметрами при изменении метеоусловий и взаимодействии ветровых волн с течениями различного происхождения (Дулов, Кудрявцев, 1989).

Основная задача работы состоит в исследовании связи характеристик радиолокационного сигнала с параметрами морского волнения при малых углах скольжения и изучении проявлений в РЛ сигнале ВВ. сопровождающихся интенсификацией обрушений ветровых волн.

В диссертационной работе решаются следующие задачи:

- исследование связи" спектральных и. средних характе-

ристих РЛ сигнала с параметрами Еетрового юлнения при различных изтеоусловиях;

исследование статистических характеристик всплесков радиосигнала;

оценка связи характеристик РЛ сигнала с параійтрами обрушений ветровых волн;

исследование отображения внутренних волн сезонного термоклина в параметрах РЛ сигнала;

оценка возможности использования эффекта отображения ВВ в радиолокационной сигнале для создания модули восстановления параметров ВВ по дистанционной информации.

Цель работы и решаемые задачи находятся в рамках плановой тематики КГИ /Л Украины по проектам "Космос" (шифр 0-74.02.02 Н й гос.per. 01.85.0096758 ) и "Волна" (шифр 03.04 )% гос.рег. 01.87.00180920 ).

Основные результаты работы и их новизна. В работе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований особенностей формирования РЛ сигнала в 3- сантиметровом диапазоне радиоволн морской поверхностью при малых углах скольеэния. Основные результаты работы могут быть сформулированы следупцин обрезом.

. 1. Проанализированы данные эксперишнтальных исследований модуляционных передаточных функций "РЛ сигнал- морская поверхность" для горизонтальной (ГП) и вертикальной (ВП) поляризаций излучения. Показано, что влияние длинных волн на спектр флуктуации радиосигнала при ВП больсэ, чем при ГП. В окрестности спектрального пика /_т при ВП сосредоточено -2Ъ% энергии, а при ГП —14 % . Указанное отличие сохраняется и в модуляционных спектрах РЛ сигнала. Наблюдается азимутальная изотропия модуляционных спектров. Модифицированная модуляционная парадаточная функция '"морская поверхность- рассеянья сигнал"'// для ГП в среднем в 1,5 раза высэ, чем для ВП в диапазоне частот / >/„ с&этирическая частотная зависишстъ ве-личяны // имеет вид: // ~ /^-1-3. Показано, что оценка коэффициента вариации обладает внсогой устойчивостьи для обеих поляризаций при различных условиях наблюдений.

1. Исследованы статистические характеристики всплесков РЛ сигнала при ГП излучения. Откачнется, что распределение апплитуд всплесков 1 правее его ьаксніїуш isoeho списывать экспоненциальные законов. Наклон распределения а зависит от условий НБблэдэнмЯ: Еозрастаэт с ушньЕзниеа скорости ветра и увеличение:! угла облучения относительно генерального направления распространения ветровых э.-.ъ⁷. Показано, что распределение амплитуд всплесков, нормированных на иг средние значения за цикл изьзрениЯ, носит универсальный характер при различных гидрометеорологических УСЛОВИЯХ.

2. Прэдлохена фэноганологическая модель связи характе-рістик РЛ сигнала с napai»Tpa\si обрусении БзтроЕЫх волн. Езд-винута гипотеза о зависимости алэтлптуды всплеска от проекции і длины обрусения на направление, перпендикулярное направлении облучения. В предположении пороговой шдели обрушений получен вид распределения величины t , которое определяется ко-іантаги спектра ускорений свободной поверхности. Показано, -что связь параметра <\ распрздэлз;к'л1 р(і), рассчитанных по предлагаемой подай,;, входные дажінил которой являлись спектры ускорений поверхности, получзгип^э при натурных избраниях, с наклона^! ( распределен:!;! р(І ) бл;:зка к л:изйной. Совпадение видов р(1 ) и p(t), а таих> полеченная зависимость 'с^ от (\ подтвзрздаэт гипотезу о cszsn егллчіи 1 и t.

3. Показано, что в рг^гаї прадліггг^оП ізздали объясняется взішуталькьїЗ zcpcrmcp ix^zuzxia срздного уровня РЛ С5!тнала и его загпсз^эстъ от czepccra Еэтра. ІЬдзльнкз расчеты согласуется с результатах;! еггепері^нтоз.

4. ПроЕЭДзны езспгрп^гшкыЕ^ ксслэдогажш отсбрахе-ния парагзтроз Бнутрскют боя і с РЛ сигнала. Погашало, что спектри радиосигнала и ЕВ подобие і; -.обгздазт од;шаковыц спектральний состееш ЕолзбЕилЯ. Еоиз гліїонашного рассеяния РЛ сигнала находится над вадсм склонов с^э^эниЯ тергзэклина и сдвинута на ~1,3 рад. от лейл-зш тер^оютша Епэрод по направлению рсспрострзЕсн^л-ЬЗ. т.о. расположена в области конвергенции горизонтальной еоізіонзиті.' орбитальной скорости ЕЗ.

6. Исследована этническая зависимость аюттитудной характеристики передаточной функции Р "ЕВ - РЛ сигнал". Показано, что величина Р определяется скоростью Еэтра !/ , перио-дом Г_вз и пара;.этро!1 нелинейности є_и ЕВ и увеличивается с рсстоіі ее фазовой скорости. Эффективность отображения ЕЗ в РЛ сигнала снижается с росте:! !/. Установлена тенденция роста Есонтрзста РЛ сигнала К с увеличение!.! є_а: К ~ 7-є_а.

7. Прэдлогена модель проявления ЕЗ в РЛ сигнале. Модель связывает контраст сигнала; с параігзтраїзі ВВ и ветрового Еолнекия. Результаты расчетов по шдзлг согласуются с ЗКСПЗ-рИКеНТаЛЬНКігі ДаННЫМИ . ,..'

Обоснованность научных положений и торгов. Эксперименты проведены с использование!! специально разработанных иа-тодоз исследований, просэдших предварительное тестирование. Все результаты теоретического анализа сопоставляются с данны-loi специализированных эксперимзнтсв. Их количественное соответствие доказывает справедливость заложенных в кодэли физических концепций, обосновывзэт Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации..

Практическая ценность и прикладное значение. Результаты диссертации применимы, в первую очередь, к созданию методик обработки РЛ изобрзаений океана, полученных с помощью береговых, судовых, или санолетных РЛ систеи при скользящих углах облучения. Предлаггекыэ результаты работы позволяют по-^ лучать оценки спектральных характеристик ветрового волнения и параметров ВВ по их проявлениям на поверхности океана.

Основные результаты диссертации внедрены в хоздоговорной тематике.

Публикации результатов диссертации и личный вклад автора. В работа излокены результаты исследований, выполненных в 1983 - 1991 гг. в 1(ГИ АН Украины при личноа участии- автора. Основные результаты диссертации изложены в Ю научных статьях, из которых 6 опубликованы в центральной 'печати, включая "Известия АН ООСР", серия "Физика атмосферы и океана"» "{.top-ской гидрофизический зурнал".

Автору при::здлеаит научная постановка задачи, проведение экспериментов и анализ результатов по исследованию статистических характеристик РЛ сигналов и их связи с параг,втра-ьм морской поверхности; обработка и анализ экспериментальных данных по отображению внутренних волн в РЛ сигнале, феноменологическая щцель связи РЛ. контрастов с параметраь&і внутренних волн: участие в обработке и анализа модуляционных характеристик радиолокационных сигналов, а тах28 участие в проведении экспериментальных исследований совгшстно с сотрудникам МГИ АН Украины.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуадались на Ш Съезде советских океанологов (Лзнинград, 1987);5-м Всесоюзном сеиинарэ "Неконтактные штоды и сродства измерений океанографических параметров" (Москва, 1933); Всесоюзной конференции "Статистичєсіціз методы обработки данных дистанционного зондирования окрухагцзЯ среды" (Рига, 1233); на сеіаінарах і'орского гидроСизичзсшго института АН Украины, Института прикладной ьэханихи АН СССР, Института прикладной физики АН СССР, Центрального научно-исследовательского кнста-тута "{Соката".

Диссертационная работа состоят из введения, трех глав, заключения и списка литературы. FcSoTa содерізїг 125 страниц. Из них 84 страницы ыаашолисного текста. 39 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 49 их^заний.

Ео введении обсугдБзтся актуальность прсблз^і, сфорцу-лированы цэль и задачи иссхздовск'.іГ:, полохання, еіз-іосиідй на' защиту, прмЕэдэно краткое содергЕЕю р&боты, .отшчои ллчкій . вклад автора.