Введение к работе
Актуальность темы
Радиолокационные исследования поверхности океана представляют собой наиболее быстрый и дешевый способ получения информации о состоянии морской поверхности. В отличие от контактных и оптических методов, радиолокация позволяет получать данные о состоянии океана сразу с обширных территорий, независимо от освещенности и облачного покрытия. Дистанционное зондирование доставляет информацию о состоянии поверхности океана, что позволяет судить о внутриокеанических и атмосферных процессах, так как поверхность океана чрезвычайно чувствительна к любым движениям как в приводном слое атмосферы, так и внутри океана. В частности, дистанционные измерения позволяют получать информацию о поверхностных гравитационных волнах, о внутренних гравитационных волнах в океане и атмосфере, о конвективных движениях в атмосфере. Взаимодействие океана и атмосферы и процессы, протекающие на их границе, оказывают решающее влияние на изменения погоды и климата, а знание этих процессов, достигаемое путем постоянного радиолокационного зондирования, позволяет предсказывать развитие погоды и климата.
В отличие от контактных измерений, которые дают непосредственную информацию о состоянии пограничного слоя океан—атмосфера, при дистанционных исследованиях морской поверхности существует проблема интерпретации получаемых радиолокационных и радиометрических данных. Для этого необходимо знать закономерности рассеяния радиоволн на морской поверхности и теплового излучения поверхности океана в зависимости от состояния границы раздела океан—атмосфера, т.е. от ее геометрических особенностей: интенсивности и распределения ряби, крутизны и направления движения крупных волн, наличия и плотности обрушений и т. д.
В течение продолжительного времени для интерпретации данных радиолокационного зондирования использовался резонансный брэгговский механизм рассеяния радиоволн, который принимает во внимание только рассеяние на мелкомасштабных неровностях морской поверхности (ряби), длина волны которых сравнима с длиной волны зондирующего сигнала, а высота значительно меньше длины электромагнитной волны. Резонансный механизм рассеяния позволяет адекватно интерпретировать данные дистанционного зондирования при умеренных углах зондирования.
Однако при настильных углах зондирования появляются значительные отличия между данными наблюдений и предсказаниями брэгговской теории, особенно заметные на горизон-
талыгой поляризации зондирующего излучения. Причем эти отличия имеют отнюдь не только количественный характер (обратно рассеянный сигнал на горизонтальной поляризации оказывается значительно больше, чем предсказывает резонансная теория). Часто наблюдаются качественные отличия, которые принципиально не объяснимы брэгтовским механизмом, например, иногда наблюдаются резкие всплески обратно рассеянного сигнала, а также события, когда обратное рассеяние на горизонтальной поляризации оказывается интенсивнее, чем на вертикальной поляризации. Поэтому для более полного описания рассеяния радиоволн на морской поверхности необходимо рассматривать также нерезонансные механизмы рассеяния, связанные с рассеянием на крутых и немалых неровностях. Рассеяние на таких неровностях не охватывается резонансной теорией и требует разработки методов описания рассеяния радиоволн на обрушениях.
Вклад крутых обрушающихся волн необходимо принимать во внимание также и при интерпретации радиометрических наблюдений, поэтому следует рассмотреть тепловое излучение обрушающихся волн и оценить его влияние на наблюдаемую радиояркостную температуру океана.
Перечисленные выше проблемы являются предметом исследования данной диссертационной работы.
Цель диссертационной работы
Основная цель работы состоит в исследовании нерезонансных и поляризационных особенностей рассеяния и теплового излучения морской поверхности при настильных углах наблюдения.
Достижение этой цели потребовало выполнения широкого круга исследований, которые включали в себя:
-
анализ экспериментальных данных по обратному рассеянию радиоволн на настильных углах наблюдения и выявление основного источника дополнительного рассеяния (крутые волны мезомасштабного спектра), не учтенного стандартной двухмасштабной моделью; в сущности речь идет о разработке трехмасштабной модели поверхностного волнения, отличающейся от стандартной двухмасштабной модели введением возмущений мезомасштабного спектра;
-
вычисление сечений обратного рассеяния микроволн короткого сантиметрового диапазона на крутых обрушающихся волнах для двух ортогональных поляризаций при настильных углах зондирования, анализ полученных результатов и их сравнение с экспериментальными данными и имеющимися результатами численных исследований;
3) получение оценок вклада крутых обрушающихся волн в радиояркостный контраст при настильных углах наблюдения для двух ортогональных поляризаций и анализ полученных результатов.
Научная новизна результатов
-
Показано, что мезомасштабные крутые обрушающиеся волны являются наиболее вероятным источником дополнительного, не учтенного традиционной брэгговской моделью, обратного рассеяния при настильных углах зондирования в коротком сантиметровом диапазоне микроволн. Таким образом, стандартная двухмасштабная модель дополнена третьим, промежуточным масштабом.
-
Впервые аналитически рассчитан вклад крутых обрушающихся волн в сечение обратного рассеяния на двух ортогональных поляризациях при настильных углах наблюдения. Показано, что сечение обратного рассеяния при настильных углах зондирования на горизонтальной поляризации может значительно превышать сечение на вертикальной поляризации. Тем самым дано объяснение имеющимся экспериментальным данным по дистанционному зондированию морской поверхности на настильных углах.
-
Впервые оценен вклад крутых обрушающихся волн в радиояркостную температуру океана и показано, что этот вклад может оказаться значительным при наблюдении с близкого расстояния, что может приводить к появлению всплесков наблюдаемой яркостной температуры при попадании крутой волны в поле зрения. Это явление подобно хорошо известным всплескам обратного рассеяния, возникающим при тех же обстоятельствах.
Положения, выносимые на защиту
-
Крутые обрушающиеся волны средних масштабов дают значительный вклад в сечение обратного рассеяния микроволн Х-диапазона при настильных углах наблюдения и позволяют объяснить экспериментально наблюдаемые особенности обратного рассеяния при настильных углах зондирования: наличие всплесков обратно рассеянного сигнала, высокий доплеровский сдвиг на горизонтальной поляризации и превышение интенсивности рассеяния на горизонтальной поляризации над интенсивностью рассеяния на вертикальной поляризации.
-
Крутые обрушающиеся волны средних масштабов могут обусловливать значительные изменения радиояркостного контраста при наблюдении с близких расстояний и приводить к появлению всплесков радиояркостной температуры при попадании крутых волн в область, видимую радиометром.
Научная и практическая ценность работы
Результаты диссертации применимы, прежде всего, к созданию методик обработки радиолокационных изображений морской поверхности, полученных с помощью самолетных и спутниковых радиолокационных систем. Полученные результаты позволяют более правильно интерпретировать данные дистанционного зондирования при настильных углах наблюдения. Результаты диссертации могут применяться для определения поверхностной концентрации обрушений и направления распространения волн.
Степень достоверности результатов проводимых исследований
Полученные результаты сравнивались с результатами экспериментальных и численных исследований других авторов. Выявленное качественное и количественное соответствие свидетельствует о достоверности полученных результатов.
Апробация результатов
Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на нескольких отечественных и международных конференциях, включая:
XVI Всероссийский симпозиум «Радиолокационное исследование природных сред», Санкт-Петербург, 21-23 апреля 1998.
VI Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах», Красно-видово, май 1998.
1998 International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, Kharkov, Ukraine, June 2-5,1998.
4-я международная научная конференция «Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для контроля и диагностики состояния окружающей среды», Москва, 21-23 декабря 1998.
VII Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн», Красновидово, 24-30 мая 1999.
III Всероссийская научная конференция «Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды», Муром, 17-18 июня 1999.
Кроме того, результаты работы докладывались на Московском электродинамическом семинаре в ИРЭ РАН и семинаре по диагностике природных сред в ИКИ РАН.
Публикации по теме работы
Результаты исследований отражены в 9 публикациях, которые приводятся в списке ци-
тируемой литературы.
Личный вклад автора
Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами. Автору принадлежат: разработка модели нерезонансного рассеяния радиоволн на крутых обрушающихся волнах и оценки влияния крутых волн на радиояр-костную температуру океана, а также анализ полученных результатов.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, двух глав и заключения. В ней содержится 70 страниц машинописного текста, в том числе 21 рисунок. Библиография включает 49 наименований.
Похожие диссертации на Нерезонансные и поляризационные эффекты при микроволновом зондировании водной поверхности
