Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Ветровое волнение на поверхности океана 13
1.1. Вероятностные характеристики волнения 13
1.2. Экспериментальные исследования пространственно-временной структуры волнения. Исследования в оптическом диапазоне 17
1.3. Экспериментальные исследования пространственно-временной структуры волнения. Исследования в микроволновом диапазоне 25
1.4. Выводы 33
ГЛАВА II. Исследование радиотеплового излучения гравитационно-капиллярных волн в лабораторных условиях 35
2.1. Особенности теплового радиоизлучения водной поверхности с периодическими неровностями 35
2.2. Описание частично поляризованного теплового радиоизлучения с помощью параметров Стокса 46
2.3. Экспериментальная установка 48
2.4. Измерение профиля поверхности 51
2.5. Результаты измерений параметров Стокса теплового излучения периодически неровной водной поверхности 57
2.6. Выводы 64
ГЛАВА III. Методика восстановления параметров спектра ветрового волнения на основе данных угловых радиополяриметрических измерений 65
3.1. Метод расчета радиотеплового излучения взволнованной морской поверхности 66
3.2. Результаты модельных расчетов влияния параметров атмосферы и водной поверхности на радиояркостные контрасты 69
3.3. Алгоритм решения задачи восстановления параметров спектра 73
3.4. Чувствительность метода к вариациям входных данных 80
3.5. Требования, предъявляемые к измерительному оборудованию и методике проведения измерений 87
3.5. Выводы 96
ГЛАВА IV. Исследование параметров спектра гкв в рамках международного эксперимента capmos 05 98
4.1. Общая характеристика эксперимента 98
4.2. Описание измерительного комплекса по определению угловых зависимостей радиотеплового излучения 101
4.3. Обработка экспериментальных данных 106
4.4. Измерение уклонов морской поверхности посредством антенны струнных волнографов 112
4.5. Результаты восстановления параметров спектра ГКВ 115
4.6. Выводы 119
Заключение 121
- Экспериментальные исследования пространственно-временной структуры волнения. Исследования в оптическом диапазоне
- Результаты измерений параметров Стокса теплового излучения периодически неровной водной поверхности
- Требования, предъявляемые к измерительному оборудованию и методике проведения измерений
- Описание измерительного комплекса по определению угловых зависимостей радиотеплового излучения
Введение к работе
В настоящее время решение многих вопросов, имеющих большое научное и хозяйственное значение, невозможно без применения методов дистанционного зондирования, быстрое развитие которых обусловлено оперативностью сбора информации, охватом больших и зачастую труднодоступных районов, постоянным совершенствованием техники, повышением ее чувствительности и расширением используемых частотных диапазонов. Большую роль в этом играет использование искусственных спутников Земли в качестве носителей. Сбор информации с помощью космических аппаратов стимулировал развитие глобального подхода к исследованию природных ресурсов, атмосферных и океанических процессов, контролю за окружающей средой и т.д. В настоящее время, частотные диапазоны, в которых осуществляется дистанционное зондирование земной поверхности, охватывают почти все так называемые «окна прозрачности» в атмосфере.
С появлением микроволновой техники, способной решать задачи дистанционного зондирования как активного, так и пассивного, появились новые возможности в исследовании различных земных покровов, связанные с высокой проникающей способностью сантиметровых и дециметровых волн в земной атмосфере, сильной зависимостью уходящего теплового и рассеянного излучения от физических свойств исследуемых поверхностей. Наряду с этим, сантиметровые и миллиметровые волны с успехом используются для изучения атмосферы благодаря наличию в этом диапазоне линий поглощения кислорода и водяного пара.
Одним из важнейших объектов исследования методами дистанционного зондирования является Мировой океан. Важность океанических процессов и их поверхностных проявлений для понимания ряда вопросов с одной стороны, и фрагментарная обеспеченность контактными измерениями с другой, сделали дистанционные методы незаменимыми при изучения моря. Большое значение при этом имеет радиотепловая локация морской поверхности, так как уходящее тепловое излучение несет информацию о таких параметрах, как температура и соленость поверхностного слоя воды, наличие на поверхности пены и поверхностно-активных веществ и, наконец, характеристиках морского волнения, которые непосредственно связаны со скоростью и направлением приповерхностного ветра, а также с такими более тонкими особенностями, как проявление внутриокеанических процессов на поверхности океана. Радиометрия морской поверхности дает уникальную возможность в совокупности с другими методами изучать мелкомасштабную структуру волнения, так как тепловое излучение в
сантиметровом диапазоне наиболее чувствительно именно к поверхностным волнам с периодами порядка длины электромагнитной волны, что соответствует капиллярным и гравитационно-капиллярным волнам (ГКВ). Область гравитационно-капиллярных волн труднодоступна исследованию прямыми волнографическими методами и в то же время играет важную роль в развитии и установлении волнения, а также в процессах взаимодействия океана и атмосферы. В связи с этим, представляется крайне важным установление количественных соотношений между характеристиками волнения в этой области и радиотепловыми контрастами морской поверхности, измеряемыми радиометрами. Это невозможно сделать без проведения модельных исследований с их последующей проверкой в ходе выполнения лабораторных экспериментов, позволяющих осуществлять точные измерения характеристик изучаемых поверхностей (в отличие от натурных условий). Кроме того, повышение точности дистанционных методов радиотепловой локации морской поверхности напрямую связано с наличием данных подспутниковых натурных измерений, обеспечивающих пространственное разрешение, сравнимое с размерами элементов разрешения приборов космического базирования.
Все перечисленные факты определяют актуальность данной работы.
Спектры ветровых волн в гравитационно-капиллярном интервале исследованы крайне мало. Теоретическое описание затруднено сложностью нелинейных механизмов накачки энергии от ветра, потока энергии, импульса и волнового действия в пространстве волновых чисел, диссипацией за счет вязкости, поверхностных пленок, турбулентности, нелинейной диссипации, ограничивающей рост волн. Экспериментальные данные о характеристиках ГКВ имеются в небольшом количестве. Преимущественно они получены с использованием ветровых бассейнов и сильно отличаются друг от друга. В то же время, интерпретация данных самолетных и спутниковых радиолокационных, оптических и микроволновых радиометрических измерений требует детального знания параметров ГКВ.
При изучении собственного радиотеплового излучения взволнованной водной поверхности особый интерес представляет случай, когда период неровностей сравним с длинами принимаемых электромагнитных волн. В такой ситуации в радиоизлучении возникают особенности — так называемые «критические явления». В частности, для вертикальной поляризации принимаемого сигнала при наблюдении в плоскости, совпадающей с направлением волнового вектора неровностей, имеет место резонансное усиление коэффициента излучения поверхности. Здесь, следует отметить особое значение экспериментальных исследований (1976-1979) с борта самолета-лаборатории при выполнении круговых полетов в акваториях Баренцева, Белого, Каспийского, Охотского и
Черного морей [Беспалова и др., 1979; 1982]. Эти исследования послужили основой последующих экспериментальных и теоретических работ, направленных на изучение и объяснение обнаруженного эффекта азимутальной анизотропии теплового излучения взволнованной морской поверхности вообще, и «критических явлений», как одного из определяющих факторов ее существования, в частности. Следует отметить, что определяющий вклад в развитие теоретических основ данного явления был сделан B.C. Эткиным и Ю.А. Кравцовым с соавторами [Эткин и др., 1978; Кравцов и др., 1978]. В дальнейшем, теория явления была обобщена В.Г. Ирисовым [Ирисов, 1984] на случай произвольной поляризации волны и произвольной плоскости падения относительно волнового вектора неровностей, т.е. задача была решена в общем трехмерном случае. Однако вопрос об экспериментальном подтверждении основных положений развитой теории был решен лишь в общем, качественном виде [Трохимовский и др., 1985].
Полученные в представленных работах результаты легли в основу новой области применения микроволновой радиополяриметрии — радиоспектроскопических исследований ветрового волнения [Irisov et ah, 1987; Трохимовский, 1997]. В частности, Ю.Г. Трохимовский в своих работах [Трохимовский и др., 1985; Трохимовский, 1997; Trokhimovskii et al., 2000а; 2000b] показал высокую чувствительность азимутальной анизотропии теплового излучения морской поверхности к параметрам ГКВ и продемонстрировал возможность восстановления параметров спектра этого волнового интервала по данным угловых радиополяриметрических измерений. К сожалению, безвременная кончина ученого не позволила закончить ему работу над этой тематикой, оставив без ответа многие актуальные вопросы.
Все перечисленные факты, а также анализ работ Ю.Г. Трохимовского, развитием идей которого является настоящая диссертация, определили основные задачи данной работы:
Создание лабораторной физической установки для проведения высокоточных исследований рассеяния и излучения резонансного характера сложных шероховатых поверхностей.
Проведение лабораторного эксперимента по исследованию микроволнового излучения взволнованной водной поверхности на гравитационно-капиллярных масштабах.
Проведение модельных расчетов радиояркостных контрастов в соответствии с теорией «критических явлений».
Сравнение результатов выполненных лабораторных исследований с модельными расчетами и представление заключения о применимости положений теории для описания собственного радиотеплового излучения шероховатой поверхности.
Разработка методики восстановления параметров спектра волнения в гравитационно-капиллярном интервале по данным угловых радиополяриметрических измерений на основе двухмасштабной модели волнения.
Проведение модельных расчетов, направленных на выяснение чувствительности разработанной методики к вариациям различных параметров, входящих в модель радиотеплового излучения.
Использование разработанной методики восстановления параметров спектра ГКВ при обработке данных натурных исследований и рассмотрение возможности ее применения в исследованиях морской поверхности.
Научная новизна представленной диссертационной работы заключается в следующем:
Впервые проведена серия лабораторных экспериментов по исследованию радиотеплового излучения на гравитационно-капиллярных масштабах в условиях детального контроля профиля волнения с использованием полупроводникового лазера.
Впервые разработана и применена в ходе комплексного натурного эксперимента методика восстановления параметров спектра ГКВ на основе данных угловых радиополяриметрических измерений.
Впервые разработан и реализован программный комплекс для восстановления параметров спектра ГКВ на основе данных многочастотных угловых радиополяриметрических измерений.
Впервые проведена серия модельных расчетов, направленных на выяснение чувствительности разработанной методики к вариациям различных параметров, входящих в модель радиотеплового излучения.
Впервые, на основе радиополяриметрических измерений, восстановлена динамика изменения параметров спектра в зависимости от скорости ветра при постоянном контроле состояния морской поверхности посредством проведения контактных измерений с использованием решетки струнных волнографов.
Положения, выносимые на защиту
1. Результаты сравнения модельных расчетов с данными лабораторных исследований подтверждают высокую чувствительность модифицированных параметров Стокса теплового излучения периодически неровной водной поверхности к ее геометрии.
Хорошее соответствие этих результатов позволяет использовать соотношения теории «критических явлений» в приближении метода малых возмущений для описания вклада коротковолновых компонент спектра волнения в итоговое значение радиотеплового излучения.
Разработанная методика анализа данных дистанционных угловых радиополяриметрических измерений позволяет восстанавливать параметры спектра гравитационно-капиллярных волн. При этом ошибка восстановления в основном определяется: точностью определения интегрального поглощения атмосферы; точностью проведения калибровок радиометрических приемников и их юстировки, а также такими их характеристиками как значения кросс-поляризационных коэффициентов и коэффициент рассеяния антенных систем.
Результаты обработки данных натурного эксперимента CAPMOS'05 с использованием разработанной методики демонстрируют высокую степень зависимости спектра кривизны ГКВ от скорости приповерхностного ветра, достигающую своих максимальных значений в области спектрального максимума (К ~ 7,0 рад/см). Чувствительность восстановленных значений дисперсии уклонов поверхностных волн (по данным 8 мм радиометра) к вариациям скорости ветра начинает проявляться при К~ 1,5 рад/см (указанное значение волнового числа К соответствует верхнему пределу интегрирования в соотношении для вычисления дисперсии). Максимум корреляции этих величин соответствует верхней границе диапазона рассматриваемых волновых чисел (К~ 15 рад/см).
Научная и практическая ценность работы
Диссертация выполнялась в соответствии с научными планами ИКИ РАН, темы «Океан. Физические основы космического дистанционного зондирования поверхности океана в микроволновом диапазоне» (государственная регистрация № 01.20.0200163). Автор принимал участие в выполнении работ в рамках проектов: грант РФФИ № 00-05-64508; грант РФФИ № 01-05-06240 и № 02-05-06478 (в рамках гранта РФФИ № 00-05-64508); грант РФФИ № 01-02-16538; грант INTAS № 03-51-4789; грант РФФИ № 05-05-79113; грант РФФИ № 05-05-64451; грант РФФИ № 05-05-64235. Предложенный в диссертации подход к анализу микроволновых данных может быть применен для дополнения и развития существующих алгоритмов обработки данных дистанционного зондирования. Разработка методики дистанционного исследования характеристик пространственного спектра ГКВ в натурных условиях позволит изучать влияние параметров ветрового потока, энергонесущих компонент волнения, поверхностно-активных веществ,
турбулентности в приповерхностном слое на процесс развития волнения. Данные будут использованы для проверки моделей, в которых делаются разные предположения об основных источниках накачки и диссипации энергии в гравитационно-капиллярном интервале, а также других процессах, отражающих энерго- и массообмен в системе океан-атмосфера. Разработанный комплекс программ, будет использован для анализа состояния морской поверхности в режиме реального времени при проведении экспериментальных исследований в будущем. Научная ценность работы была отмечена Фондом содействия отечественной науке. Автор дважды (в 2004 и 2005 гг.) становился лауреатом конкурса «Лучшие аспиранты РАН» по направлению «Физика и астрономия», проводимого этим фондом. Кроме этого, для выполнения научных исследований Департамент образования г. Москвы выделял автору в 2004 и 2005 гг. гранты в рамках конкурса «Гранты Москвы» в области наук и технологий в сфере образования.
Степень достоверности результатов проводимых исследований подтверждается: многочисленными экспериментами, как лабораторными, так и натурными; хорошим соответствием между найденными экспериментальными и теоретическими зависимостями; применением математического моделирования для анализа предложенного метода обработки и обработкой большого объема натурных и лабораторных данных; сравнение результатов исследований, полученных различными методами.
Апробация результатов
Результаты, вошедшие в диссертацию, получены автором в период с 1999 по 2006 г. Они докладывались на следующих отечественных и международных конференциях:
Всероссийская НТК «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы астрокосмическими средствами» (Муром, 2001); 5-я Международная НТК «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» ФРЭМЭ'02 (Владимир, 2002); Всероссийская научная конференция «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы» (Москва, 2002); НТК преподавателей, сотрудников и аспирантов факультета Радиофизики, электроники и медицинской техники (Владимир, 2003); 9-я Всероссийская Научная Конференция Студентов-Физиков и молодых ученых ВНКСФ-9 (Красноярск, 2003); Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса» (Москва, 2003); 8-th Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing Application (Rome, Italy, 2004); Конференция молодьк ученых, посвященная Дню космонавтики (Москва, 2004); Вторая открытая Всероссийская
конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса» (Москва, 2005); Третья открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса» (Москва, 2006); 3-я Конференция молодых ученых, посвященная Дню космонавтики (Москва, 2006); VII Международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Владимир, 2006).
Публикации по теме работы
Результаты исследований отражены в 20 публикациях, которые приводятся в списке цитируемой литературы.
Личный вклад автора
Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами. Автору принадлежат: разработка методики экспресс оценки параметров волнения в лабораторных условиях и создание соответствующей установки; модернизация измерительного комплекса для проведения лабораторных исследований; участие в лабораторных экспериментах по исследованию радиотеплового излучения на гравитационно-капиллярных масштабах; усовершенствование программного комплекса по расчету радиотеплового излучения на гравитационно-капиллярных масштабах; проведение соответствующих модельных расчетов; разработка программного комплекса по расчету радиояркостных контрастов для волн различных масштабов; разработка методики восстановления параметров спектра ГКВ; проведение модельных расчетов по оценке влияния различных параметров атмосферы, водной поверхности и измерительного оборудования как на результат расчета радиояркостных контрастов водной поверхности, так и на результат восстановления параметров спектра ГКВ по данным угловых радиополяриметрических измерений; разработка программного комплекса для проведения анализа угловых зависимостей радиояркостных контрастов с целью восстановления параметров спектра; участие в натурных исследованиях и обработка полученных данных; участие в комплексном натурном эксперименте CAPMOS'05.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и библиографии. В ней содержится 184 страницы, в том числе 83 рисунка и 31 таблица. Библиография включает 215 наименований.
Первая глава носит обзорный характер. В ней приведены основные соотношения, использующиеся в настоящее время для описания пространственно-временного распределения ветрового волнения на поверхности океана в приближении его локальной квазистационарности. Представлены основные методы изучения характеристик волнения и построенные на их основе модели развития ветрового волнения. Показано, что результаты исследований в оптическом, инфракрасном и микроволновом диапазонах значительно отличаются друг от друга. Причинами являются как небольшое количество выполненных исследований в принципе, так и различные условия их проведения. Особое внимание уделено важности проведения лабораторных исследований по причине возможности точной оценки параметров исследуемых объектов.
Во второй главе представлены результаты лабораторных исследований собственного радиотеплового излучения периодически неровной водной поверхности. Приведены основные соотношения теории «критических явлений» и решение задачи изменения излучательной способности водной поверхности при наличии периодических неровностей в приближении метода малых возмущений. Результаты сравнения модельных расчетов, выполненных в соответствии с представленными соотношениями, с данными лабораторных исследований подтверждают высокую чувствительность радиояркостных контрастов периодически неровной водной поверхности к ее геометрии. Хорошее совпадение этих результатов позволяет использовать соотношения теории «критических явлений» в приближении метода малых возмущений для описания вклада коротковолновых компонент спектра в итоговое значение радиояркостной температуры водной поверхности.
В третьей главе приводятся результаты модельных расчетов значений радиояркостных контрастов водной поверхности с учетом полного набора волновых компонент. Расчеты выполнены в рамках двухмасштабной модели волнения. Учет длинных волн произведен по методу Кирхгофа в приближении геометрической оптики, а коротковолновые компоненты учтены в соответствии с теорией «критических явлений» в приближении метода малых возмущений. Произведен анализ характера влияния различных параметров атмосферы и водной поверхности на расчетные значения радиояркостных контрастов. В данной главе представлена разработанная методика восстановления параметров спектра ГКВ на основе данных угловых радиополяриметрических измерений. Произведена оценка влияния вариаций параметров, входящих в расчет, на точность восстановления параметров спектра. На основе анализа, выработана система требований к измерительному оборудованию и методике проведения
измерений, которые направлены на повышение качества восстановления параметров морского волнения.
Четвертая глава посвящена результатам применения разработанной методики в ходе комплексного натурного эксперимента CAPMOS'05. Представлены соответствующие алгоритмы обработки регистрируемых данных. Осуществлено восстановление параметров спектра по данным угловых радиополяриметрических измерений за двухдневный период. Произведен анализ записей ветрового волнения с использованием струнного волнографа. Показано, что распределений уклонов волновых компонент, в условиях проведения исследований, отлично от Гауссового. Продемонстрирована высокая степень зависимости спектра кривизны ГКВ от скорости приповерхностного ветра, достигающая своих максимальных значений в области спектрального максимума (К~ 7,0 рад/см). Также показано, что чувствительность восстановленных значений дисперсии уклонов поверхностных волн к вариациям скорости ветра начинает проявляться при К~ 1,5 рад/см (указанное значение волнового числа К соответствует верхнему пределу интегрирования в соотношении для вычисления дисперсии). Максимум корреляции этих величин соответствует верхней границе диапазона рассматриваемых волновых чисел К~ 15 рад/см (при использовании данных 8-мм радиометра).
Заключение содержит основные результаты работы.
В Приложении 1 представлены результаты модельных расчетов собственного теплового излучения взволнованной морской поверхности в условиях вариации различных параметров водной поверхности, атмосферы и измерительного оборудования.
Приложение 2 содержит результаты модельных расчетов по оценке влияния различньк параметров водной поверхности, атмосферы и измерительного оборудования на результат восстановления параметров спектра ГКВ.
Полученные в Приложении 1 и Приложении 2 результаты являются подтверждением основных выводов, представленных в Главе 3.
В Приложении 3 приведен алгоритм учета характеристик антенных систем радиометрических приемников, использование которого, в дальнейшем, позволит повысить точность разработанного алгоритма восстановления параметров спектра ГКВ.
Экспериментальные исследования пространственно-временной структуры волнения. Исследования в оптическом диапазоне
Видимая и ближняя ИК-области. Преимуществом использования этих довольно широких и лучше всего освоенных и используемых областей является возможность получения в принципе наибольшего количества информации о различных земных образованиях. К основным недостаткам измерений в этих областях относятся сильная зависимость результатов от различных помех (гидрометеоров, атмосферной дымки и др.) и возможность их проведения только при освещении земной поверхности Солнцем (в некоторых случаях в качестве источников света используются специально разработанные лазерные системы).
Тепловая инфракрасная область. При измерениях в этой области преимуществом является зависимость результатов от изменения температуры природных образований и возможность работы ночью. К недостаткам можно отнести низкую чувствительность результатов к изменениям физико-химических и геометрических характеристик природных образований; поглощение излучения гидрометеорами и аэрозольными частицами и влияние освещения Солнцем.
Микроволновый диапазон. Преимущества работы в этом диапазоне обусловлены возможностью контроля значительных толщ земной поверхности и льда; большой чувствительностью результатов измерений к геометрическим характеристикам поверхностей (шероховатости и др.), к содержанию влаги в почве; помехоустойчивостью по отношению к гидрометеорам. К существенным недостаткам можно отнести потенциально меньшее количество информации по сравнению с видимой и инфракрасной областями, меньшую разрешающую способность съемочных систем; меньшую чувствительность к химическим и температурным контрастам.
Как видно из вышесказанного, наибольшей чувствительностью к геометрическим характеристикам водной поверхности обладают результаты исследований в видимой и микроволновой областях. Именно поэтому наибольшее количество работ, посвященных дистанционному определению пространственно - временной структуры волнения, выполнено такими методами как: стереофотосъемка; использование эффектов отражения и преломления луча лазера на водной поверхности; определение сечения обратного рассеяния и измерение вариаций радиояркостной температуры водной поверхности. Последний из перечисленных методов является наименее развитым, так как основан на использовании теории «критических явлений» [Кравцов и др., 1972], которая была разработана сравнительно недавно [Ирисов, 1987].
Структура волнения — центральный объект в изучении взаимодействия системы океан - атмосфера, притягивает к себе все возрастающее внимание. Исследования в оптическом диапазоне имеют самую долгую историю изучения поверхностного волнения и большое количество результатов по определению статистики уклонов в лабораторных [Сох, 1958; Wu, 1971; 1977; Long, Huang, 1976; Haimbach, 1985, Haimbach, Wu, 1986] и в натурных условиях [Сох, Munk, 1956; Hughes, 1977; Tang, Shemdin, 1983; Haimbach, Wu, 1985; Shaw, 1997; Hughes et al, 1977] было получено именно в этом частотном диапазоне. Эти исследования могут быть разделены на 2 группы: точечные измерения [Shaw, Churnside, 1997; Hughes et al, 1977] (с использованием в составе экспериментальных установок лазеров) и исследования по пространственным изображениям [Сох, Мипк, 1956; Banner et al, 1989; Shemdin et al, 1988; Klinke, Jahne, 1992] (такие как фотосъемка или установки пространственного сканирования).
Первой работой, посвященной изучению статистики уклонов взволнованной водной поверхности, являются исследования [Сох, Мипк, 1956]. Ими было произведено фотографирование морской поверхности в области солнечного блика. Исследования проводились с борта самолета на высоте порядка 600 метров. Значения дисперсии уклонов определялись путем анализа связи флуктуации яркости изображений с долей естественного излучения, отраженного поверхностью воды. На основании полученных экспериментальных данных Сох and Мипк предположили, что зависимость дисперсии уклонов морской поверхности носит линейный характер от скорости ветра: где Vn 5 — скорость ветра на высоте 12,5 м над поверхностью. Важным результатом этой работы стало обнаружение как изменения соотношения между ее продольной и поперечной составляющими а /ст2, с ростом скорости ветра, так и обнаружение асимметрии распределения уклонов в направлении распространения волнения. Однако в ней не затрагивается вопрос о среднеквадратичных значениях, позволяющий, в совокупности со значением дисперсии уклонов поверхности, дать полное описание функции распределения уклонов. Как показали более поздние исследования [Shaw, Churnside, 1997], важным фактором, влияющим на распределение уклонов, является и соотношение между температурой воды и приводного слоя атмосферы (положительное значение фактора устойчивости, в случае превосходства температуры воздуха над температурой воды). В работе [Сох, Мипк, 1956] учет этого фактора на результаты измерений также не выполнялся.
После работ Сох and Мипк наблюдается почти 20-летний перерыв в натурных исследованиях морской поверхности с использованием оптических методов. Толчком к новому этапу развития подобных исследований стало осознание необходимости определения параметров поверхностного волнения для решения задач определения скорости и направления приповерхностного ветра скаттерометрическими методами. С тех пор, большинство натурных данных в оптическом диапазоне было получено с использованием установок, определяющих уклон поверхности, путем анализа угла преломления/отражения при прохождении луча лазера через границу раздела вода-атмосфера [Tober et al, 1973; Palm et ah, 1977; Lee et a/.,1993; Bork, Hara, 1995].
В работе [Hughes et al., 1977] использовалась установка, основанная на отражении луча лазера от морской поверхности, для определения статистики уклонов. В работе не приводятся данные об изменении фактора устойчивости в течение эксперимента, но авторы упоминают, что различие соответствующих температур составляло от +1 до +10С. Их данные находятся в хорошем соответствии с исследованиями Сох and Мипк, демонстрируя линейную зависимость дисперсии уклонов морской поверхности от скорости ветра и слабую зависимость от нее среднеквадратичного значения уклонов.
Неудачным стал эксперимент с использованием подобной методики, выполненный Tang and Shemdin в 1983 году [Tang, Shemdin, 1983]. Исследования проводились с платформы у побережья Голландии. Главной ошибкой эксперимента стала установка измерительного оборудования на механическом волнографе. Это привело к значительному разбросу полученных значений, вызванному неучтенным влиянием длинных волн. Однако следует отметить, что это был первый эксперимент, результаты которого отличались от [Сох, Мипк, 1956]. Величина расхождения составила более 300 %.
Результаты измерений параметров Стокса теплового излучения периодически неровной водной поверхности
Тепловое радиоизлучение неровной водной поверхности в том случае, когда характерные размеры неровностей близки к длине волны излучения, обладает рядом специфических особенностей. Как уже было отмечено во Введении, толчком к последующим теоретическим и экспериментальным исследованиям данного явления («критических явлений») [Эткин и др., 1978; Кравцов и др., 1978], послужило обнаружение эффекта азимутальной анизотропии теплового излучения взволнованной морской поверхности в результате экспериментальных исследований (1976-1979) с борта самолета-лаборатории при выполнении круговых полетов в акваториях Баренцева, Белого, Каспийского, Охотского и Черного морей [Беспалова и др., 1979; 1982].
В работе [Кравцов и др., 1978] анализировалось тепловое излучение водной поверхности с малыми периодическими неровностями синусоидальной формы в двумерном случае, т.е. профиль поверхности предполагался цилиндрическим и плоскость наблюдения совпадала с волновым вектором неровностей. На основании принципа Кирхгофа, обобщенного на случай стохастических (тепловых) полей [Рытое и др., 1976], задача излучения заменялась эквивалентной ей задачей исследования поглощения пробной электромагнитной волны, падающей на неровную поверхность. Для решения задачи дифракции использовался метод малых возмущений, причем расчет велся до величин второго порядка малости. Было обнаружено, что при некоторых критических условиях, определяемых выражением (2.15), возникает резонансное увеличение коэффициента излучения поверхности. Причем, если на горизонтальной поляризации на резонансных длинах волн отмечаются относительно незначительные скачки излучательной способности, то на вертикальной поляризации отмечаются резкие и высокие пики в излучении.
Физический смысл критических условий (2.15) заключается в том, что при их соблюдении один из дифракционных максимумов рассеянной электромагнитной волны направлен вдоль поверхности. При этом происходит увеличение поглощения энергии за счет ее передачи от свободной электромагнитной волны к связанной, имеющей вертикальную поляризацию. При излучении наблюдается, соответственно, обратный эффект — увеличение радиояркости в направлениях углов 0, определяемых соотношением длин поверхностной и электромагнитной волн, за счет резонансного обмена энергией со связанными волнами. Выяснилось, что в оптике подобный эффект известен уже более 100 лет под названием «аномалий Вуда» [Вуд, 1936].
В дальнейшем теория явления была обобщена В.Г.Ирисовым на случай произвольной поляризации волны и произвольной плоскости падения относительно волнового вектора неровностей, т.е. задача была решена в общем трехмерном случае [Гершензон и др., 1982; 1986; Ирисов, 1984]. Приведенное далее в настоящем разделе математическое описание трехмерной задачи заимствовано из [Гершензон и др., 1987], и служит иллюстрацией к той модели, которая использовалась при построении теоретических кривых зависимостей параметров Стокса теплового излучения от углов наблюдения и сравнения теории с экспериментальными данными. Итак, рассмотрим падение пробной электромагнитной волны {Ё(,),Н{,)} на неровную периодическую поверхность раздела двух сред (воздух-вода в нашем случае) вида y = y{x,z); dy/dz = Q; у(х + А) = у(х). Угол падения 8 отсчитывается от надира; азимутальный угол ф - угол между осью JC и плоскостью падения; поляризация падающей волны задается углом т между плоскостью падения и вектором Е{,) (рис. 2.1). В силу периодичности вдоль оси х и трансляционной симметрии вдоль ОСИ Z , дифрагировавшее поле представляет собой бесконечную совокупность плоских волн типа (опуская временной множитель ехр(-/со/)): соответственно, для верхнего и нижнего полупространства. Направления распространения волн кп =(кх ,ку ,к2) и кп = (кх ,ку ,к2) определяются следующими выражениями: кг = + пК = ksva.O cosy+пК, &г = &sin#sin где К = 2п/А, р. = А:2(і—sin29sin2фJ, Ji = k2[є-sin2#sin2(p). Из всей совокупности волн „ только конечное число представляет собой распространяющие плоские волны, волновые вектора которых кп лежат на поверхности конуса с осью z и углом раскрыва р определяемым из соотношения: sin р = д/1 - sin2 в sin2 р. Для таких волн lmkv = 0. Остальные моды являются эванесцентными, т.е. экспоненциально спадающими при удалении от поверхности. Для прошедших волн xtl, когда Imf Ф 0, как это имеет место для воды в микроволновом диапазоне, разница между распространяющимися и эванесцентными модами исчезает. Граничные условия для тангенциальных компонент полей могут быть записаны в виде: где Ё = [ЁХ,Е2), H = [HL,Hz) — поле наД границей раздела сред; Ё = \E±,EZ , H = \HL,HZ\ — поле под границей раздела; п — единичный вектор нормали к поверхности.
Требования, предъявляемые к измерительному оборудованию и методике проведения измерений
На рис. 2.4 приведены зависимости приращения излучательной способности 8 на углах зондирования 8, равных 20 и 40, от азимутального угла ф между плоскостью падения электромагнитной волны и волновым вектором неровностей. Построены приращения на вертикальной и горизонтальной поляризации, и также разность приращений на двух линейных поляризациях, повернутых на +45 и -45 относительно вертикальной (что соответствует в формулах (2.8), (2.9) и (2.14) значениям т = п/4 и т = -тг/4). Соотношение длин волн (электромагнитной и неровностей) выбрано фиксированным Л/А, = 1,5. Для такого соотношения длин волн в двумерном случае (ф = 0) на вертикальной поляризации резонансный угол близок к 20, что и видно на рис. 2.4. На горизонтальной поляризации, по сравнению с двумерным случаем, картина явления существенно более сложная; в частности, как видно из рис. 2.4, для угла наблюдения 0 =40 наблюдаются резонансы на азимутальных углах вблизи р » 90. Необходимо также обратить внимание на то, что, если азимутальные зависимости для вертикальной и горизонтальной поляризации являются четными функциями азимутального угла (т.е. симметричны относительно ф = 0), то для разности двух повернутых на ±45 поляризаций зависимость от азимутального угла является нечетной функцией (т.е. кривые антисимметричны относительно ф = 0).
Итак, для поверхности с малыми синусоидальными неровностями вида (2.4) ММВ позволяет получить аналитические выражения для изменения излучательной способности поверхности на произвольных поляризациях и углах наблюдения (вертикальном и азимутальном). В тепловом радиоизлучении такой поверхности наблюдаются ярко выраженные резонансные особенности в случае, когда длина электромагнитной волны близка к длине волны синусоидального возмущения поверхности («критические явления»). Рассмотрим теперь шероховатую случайную поверхность произвольного вида y = %(x,z). Однако, по-прежнему, для применимости ММВ необходимо, чтобы выполнялись условия к тах (дг, z\ «1 и maxl V (x, z\ «1, где V = х— + z—.Из общих соображений следует, что в первом приближении метода возмущений на поверхности у = 0 возникает модуляция полей членами типа % {х, z) и V(x,z), а при учете поправок второго порядка малости вклад дадут члены типа ?(x,z) и (V (x,z)) . Так, во втором порядке мы рассматриваем только члены, которые не дают модуляции полей на плоскости у = О, т.е. учитываем только поправки к зеркальному максимуму, членов типа V не возникает. Если направление распространения зеркального максимума задается вектором /0 в плоскости (x,z)- к0=10+у к2 -I2 , то амплитуда рассеянной в плоскости / , а точнее, в направлении к0=ї +yJk2 -I2 , волны в первом приближении будет определяться только соответствующей гармоникой поверхности К: I =10+К0. Так как поля, соответствующие различным К, распространяются в разных направлениях, то при подсчете рассеянной мощности они складываются не когерентно, т.е. в этом приближении различные гармоники поверхности рассеивают каждая в своем направлении независимо. Что касается членов порядка 2 и (V) , то учитывается только их нулевая гармоника в выражении вида Яе(ф(0)ф(2) ), т.е. линейном относительно 2 и (V) . Благодаря этому и здесь член Re((p(0)(p(2) ) представляет собой сумму соответствующих независимых слагаемых, определяемых различными поверхностными гармониками. Итак, в данном приближении излучательная способность поверхности вида у = ,(х,г) представляет собой сумму соответствующих величин для гармоник, составляющих поверхность. Данное утверждение в совокупности с выражениями (2.9)-(2.14) решает задачу нахождения излучательной способности шероховатой поверхности в рамках ММВ. Интересно отметить, что в данном приближении излучательная способность не зависит от фаз гармоник, составляющих поверхность. В проведенном выше рассуждении существенно, что рассматриваются гармоники с различными К, что обуславливает их некогерентное сложение. Волны же с равными К (например, _y,=acos ,z и у2 = -a cosK ) должны рассматриваться как одна волна, т.е. складываться когерентно. На основе приведенных выше формул был разработан комплекс алгоритмов и программ для электродинамических расчетов. Этот комплекс использовался для расчета приращений радиояркостной температуры, вызываемых периодическими возмущениями водной поверхности в описываемом лабораторном эксперименте, и сравнения результатов модельных расчетов с экспериментальными данными. Важной особенностью разработанного программного пакета является возможность расчета радиояркостных контрастов на произвольной поляризации, что позволяет сопоставить результаты моделирования с измеренными поляризационными параметрами (параметрами Стокса) теплового микроволнового излучения водной поверхности. Поляризационные характеристики теплового радиоизлучения естественных земных покровов существенно различаются для различных типов подстилающей поверхности. В том случае, когда поверхности присущ характер диффузного излучателя (например, густая растительность), излучение оказывается неполяризованным, а радиояркостная температура Тя равна термодинамической Т0. Напротив, собственное тепловое радиоизлучение водной поверхности при углах зондирования, отличных от надира, является существенно поляризованным, что связано с различием коэффициентов Френеля для электромагнитных волн вертикальной и горизонтальной поляризации.
Описание измерительного комплекса по определению угловых зависимостей радиотеплового излучения
Далее выполнялись следующие расчеты (для каждого из спектров), которые затем сравнивались с экспериментальными зависимостями:
Для первых трех параметров Стокса при углах наблюдения 20 и 40 вычислялся вклад десяти первых гармоник в приращение радиояркостной температуры для различных значений азимутальных углов и осуществлялась свертка с ДН антенны.
Для вертикальной и горизонтальной поляризаций: вычислялся вклад 10 первых гармоник в приращение радиояркостной температуры для различных значений вертикальных углов наблюдения при условии зондирования в плоскости, параллельной волновому вектору поверхностных неровностей, и осуществлялась свертка с ДН антенны.
В данном разделе представлены результаты сравнения расчетных радиояркостных контрастов с измеренными экспериментально. Под радиояркостным контрастом (или приращением радиояркостной температуры) везде далее понимается разность соответствующих радиояркостных температур, или модифицированных параметров Стокса, возмущенной и гладкой водной поверхности.
Экспериментальные измерения модифицированных параметров Стокса теплового радиоизлучения производились на крыше здания ИКИ с помощью описанной выше установки. Было выполнено три серии измерений: в октябре 2000 г., в сентябре 2001 г. и в июне 2005 г. Приведенные на последующих графиках данные относятся к измерениям, проводившимся 21.09.2001 г. приблизительно с 18:00 до 22:20. Погодные условия в этот день благоприятствовали проведению измерений: ветер слабый, порядка 1 м/с; высокие перистые облака не более 5 баллов. Температура воздуха плавно понижалась от 18,8 до 14,3 С, температура воды также понижалась от 16,5 до 14,3 С.
Последовательность проведения измерений была нижеследующей. До начала измерения характеристик излучения водной поверхности измерялось излучение атмосферы (угол зондирования менялся от горизонта до зенита и обратно) и излучение абсолютно черного тела (АЧТ), находившегося при температуре окружающей среды. Далее, нити устанавливались ниже уровня воды и производились угловые измерения второго и третьего параметра Стокса излучения гладкой воды в диапазоне углов от горизонта до надира. Затем производились измерения второго и третьего параметров Стокса излучения гладкой воды на фиксированных углах зондирования 20 и 40, в то время как ванна с водой плавно вращалась по азимуту в диапазоне более 300. Эти данные, полученные при измерении излучения гладкой водной поверхности, затем использовались в качестве опорных и вычитались из данных соответствующих измерений излучения неровной поверхности для определения величины радиояркостного контраста, вызываемого неровностями. После этого рамка с нитями приподнималась с помощью юстировочных винтов над поверхностью таким образом, что образовывались периодические неровности высотой около 0,6 мм. Далее, проводились радиотепловые измерения на углах 20 и 40 от надира и переменных азимутальных углах, и, наконец, ванна ориентировалась так, чтобы плоскость наблюдения совпадала с волновым вектором неровностей, и проводились радиотепловые измерения в диапазоне вертикальных углов от горизонта до надира. После этого поляриметр поворачивался вокруг продольной оси на 90, закреплялся на раме, и весь цикл измерений для той же амплитуды неровностей повторялся, но теперь уже для первого и третьего параметров Стокса. Далее, производилось измерение параметров неровностей по методике, описанной в предыдущем разделе. И, в заключение, измерялись азимутальные и угломестные зависимости первого и третьего параметров Стокса излучения гладкой воды для их использования в качестве опорных данных.
На рис. 2.21 и 2.22 представлены примеры полученных экспериментальных данных. На рис. 2.21 приведена угловая зависимость радиояркостной температуры атмосферы на длине волны 8 мм в диапазоне углов от 12 над горизонтом до зенита. Эти данные использовались впоследствии как для калибровки радиометра (совместно с измеренным излучением АЧТ), так и для учета переотраженного от поверхности излучения атмосферы.
На рис. 2.22 приведены угловые зависимости (в диапазоне углов от 10 до 70 от надира) радиояркостной температуры на вертикальной поляризации гладкой и возмущенной водной поверхности. В случае возмущенной поверхности, волновой вектор возмущений лежал в плоскости наблюдения. На графике хорошо видно увеличение радиояркостной температуры на углах около 20, вызванное неровностями. Более детальную картину наблюдавшегося эффекта можно получить после вычитания из радиояркостной температуры возмущенной поверхности соответствующих данных для гладкой поверхности. На последующих рисунках представлены результаты сравнения модельных расчетов приращений модифицированных параметров Стокса теплового излучения воды, вызванных периодическими неровностями, с экспериментальными данными. Как уже упоминалось, при расчете суммировалось приращение, вызванное десятью первыми гармониками экспериментально определенного профиля поверхности. Далее, производилось усреднение по диаграмме направленности антенны. Переотраженное от поверхности излучение атмосферы учитьюалось для направления зеркального максимума и дифракционных максимумов первого порядка, углы которых 0± определялись из условия: где ак = к/К — относительный период неровностей.
Для более наглядной демонстрации различия проявления эффекта на различных поляризациях масштаб по оси ординат на каждом из последующих трех рисунков выбран одинаковым для всех трех параметров Стокса.
