Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время радиолокационное (РЛ) зондирование является одним из основных методов дистанционного исследования как океанических процессов, так и процессов взаимодействия океана и атмосферы. Общепризнано, что наиболее информативными из средств активного дистанционного зондирования морской поверхности (МП) являются радиолокационные станции бокового обзора (РЛСБО) авиационного и космического базирования. Получаемые с их помощью двумерные распределения РЛ-сечения обратного рассеяния позволяют наблюдать пространственные характеристики изучаемых явлений, проводить структурный, спектральный и другие виды анализа интенсивности рассеянных полей и связанных с ними процессов на поверхности океана. Исследования трансформации спектра поверхностных волн на мелководье и градиентных течениях, определение областей разгона длинных гравитационных волн, изучение структуры внутренних волн в океане (ВВО) на протяженных участках МП от источника генерации до области разрушения, выявление пространственных характеристик конвективных процессов в атмосфере и т.д. не представляются возможными без привлечения аэрокосмических средств дистанционного зондирования. В настоящее время происходит переход от качественной интерпретации наблюдаемых явлений к количественному анализу степени их воздействия на поверхность океана и, соответственно, на глубину модуляции обратно рассеянного РЛ-сигнала. Тот факт, что диэлектрические свойства МП практически однородны, существенно облегчает анализ радиолокационных изображений (РЛИ) и позволяет связать интенсивность обратно рассеянного сигнала с геометрической шероховатостью поверхности океана.
РЛ-образ морской поверхности зависит от диапазона, поляризации и угла падения электромагнитной волны, что объясняется преобладанием тех или иных механизмов формирования обратно рассеянного РЛ-сигнала. Большинство широко известных радпогидрофпзических экспериментов, таких как MARINELAND, MARSEN, JOWIP, SARSEX, TOWARD' и другие исслслоптти, проводились преимущественно и Х- и
L-диапазонах зондирования при вертикальной поляризации излучения и средних (область плато) углах падения электромагнитной волны. Модельные расчеты наблюдаемых гидрологических процессов, таких как, например, внутренние волны п океане, выполненные п L-диапазонс в рамках теории резонансного рассеяния, показали хорошее соответствие с экспериментальными данными. Однако в более коротковолновом X-диапазоне расчеты оказались менее удовлетворительными даже в рамках двухмасштабиой модели "рябь на крупной волне". Как известно из серии экспериментов "Восток", выполненных ИКИ РАН в период с 1977 по 199tr., в Ки-диапазоне и настильных углах зондирования формирование обратно рассеянного электромагнитного ноля имеет еще более сложный характер, .что, с одной стороны, связано с гидродинамическими особенностями модуляции брэгговских компонент волнения, а с другой - вовлечением дополнительных электродинамических механизмов рассеяния. Множественность и недостаточная изученность механизмов формирования и модуляции РЛИ МП как на вертикальной (ВВ), так и на горизонтальной (ГГ) поляризации не позволяет на данный момент времени построить однозначную передаточную функцию типа "морская поверхность - РЛ-сигнал". Для решения этой задачи необходимы как всесторонняя достоверная экспериментальная информация, так и теоретическая проработка возможных гидро- и электродинамических моделей. Перечисленные проблемы являются предметом исследования настоящей диссертационной работы, что и определяет ее актуальность.
Цель диссертационной работы
Цель работы состояла в экспериментальном исследовании и численном моделировании особенностей формирования РЛ-спгнала, рассеянного морской поверхностью в Ки-диаиазонс при больших углах падения электромагнитной волны.
Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи: - разработка цифровой аппаратуры регистрации РЛ-изображсиий, отвечающей требованиям точности и современным видам анализа;
- разработка алгоритмов и программ cfiopa, первичной и целевой обработки РЛИ МП;
анализ эффективности модуляции РЛИ МП на ГГ и ВВ поляризации океаническими и атмосферными процессами;
выявление характерных структурных особенностей РЛИ МП на ГГ и ВВ поляризации в зависимости от стратификации пограничного слоя атмосферы;
исследование закономерностей формирования РЛ-образов поверхностных проявлений внутренних поли в океане н длинных гравитационных волн в зависимости от условий наблюдения;
проведение численных модельных расчетов сечения обратного рассеяния МП на вертикальной и горизонтальной поляризации с учетом эффекта многократных нереотраженнй.
Научная новизна диссертации
-
Разработан и реализован многоканальный комплекс цифровой регистрации РЛ-иэображеннй МП, превосходящий рапсе существовавшие аналоги и обеспечивающий получение достоверных характеристик РЛ-расесянных сигналов, высокоточную пространственную привязку РЛ-изображеннй, автоматизацию научных исследований с использованием компьютерной техники.
-
Впервые на основе статистического анализа РЛИ МП К„-днапазоиа получены комплексные количественные поляризационные зависимости модуляции РЛ-сигнала поверхностными проявлениями ВВО (ППВВО) от устойчивости пограничного слоя атмосферы, азимута визирования, угла зондирования относительно ветра и угла падения зондирующей волны.
-
Впервые на основе количественного анализа экспериментальных данных показана важная роль механизма модуляции источника при формировании РЛ-образов длинных гравитационных поверхностных волн.
-
Впервые проведено численное моделирование эффекта многократных нерсотражений РЛ-сигнала морской поверхностью и получена оценка его вклада п сечение обратного рассеяния на ВВ и ГГ поляризації-ях в К„-диапазонс зондирования для петроиого поверхностного волнения и для случая модуляции поверхностных волн течением, индуцированным внутренней волной.
Положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся:
1, Комплекс цифровой регистрации и пространственной привязки
РЛ-изображений подстилающей поверхности, разработанный для само
летной РЛСБО "Ннть-Сх" на базе IBM совместимого компьютера н
специализированных сигнальных процессоров, и также комплекс алго
ритмов и программ первичной и целевой обработки цифровых изображе
ний, предназначенных для; коррекции, фильтрации и пространственной
привязки результатов РЛ-сьемкн; определения статистических, модуля
ционных и спектральных характеристик различных океанических и
атмосферных процессов,
2. Результаты статистического анализа экспериментальных данных
но активному дистанционному зондированию НПО и выявленные иа его
основе закономерности формирования РЛ-образов виутриволионых возму
щений в Кц-диапазоие зондирования на BIJ и ГГ поляризации. 1) част
ности, установлено:
наличие двух ветвей регрессионной зависимости РЛ-кои трастов ППВВО на ВВ поляризации от РЛ-кошрастоц на ГГ поляризации, соответствующих условиям устойчивой и неустойчивой стратификации пограничного слоя океан-атмосфера;
двоякое влияние неустойчиво стратифицированного пограислон океан-атмосфера иа РЛ-образы ППВВО, выражающееся в усилении модуляции РЛ-сигиала виутриполновыми возмущениями и маскировании ППВВО в зависимости от условий наблюдения.
3. Результаты анализа особенностей формирования РЛ-образов
длинных гравитационных воли в Ки-диапа.чоне зондирования, па основа
нии которого обоснована важная роль механизма модуляции источника -
модуляции спектральной плотности ряби флюктуацнями скорости припо
верхностного остра, обусловленными наличием крупных воли,
4, Результаты комплексного анализа океанических и атмосферных
процессов, на основании которого идентифицировано склоновое течение и
интерпретирована модуляция пространственных масштабов конвективных
процессии в пограничном слое океан-атмосфера в области свала глубин на
обрыве континентального шельфа, і
5. Результаты модельных расчетов сечения обратного рассеяния МП при больишх углах падения зондирующего сигнала, выполненных с учетом эффекта затенений и многократных переотражений. Установлен, что на ГГ поляризации вклад эффекта многократных нереотражспніі в сечение обратного рассеяния оказывается существенным и состапляет 25%, на ВВ поляризации вклад незначителен и составляет 5%. При модуляции спектра поверхностного волнения течением, индуцированным внутренней волной в океане, отношение удельного сечения обратного рассеяния в сулое к среднему невозмущеиному фоновому значению при угле падения =75 на вертикальної"} поляризации составляют ~ 1,1, а па горизонтальной ~2,5.
Практическая ценность и прикладное значение
Схемные н алгоритмические решения, полученные при разработке комплекса цифровой регистрации и пространственной привязки РЛ-изображений, могут быть использованы при создании штатной аэрокосмической аппаратуры, а гибкое сочетание программных и аппаратных средств позволяет использовать данную разработку в таких областях дистанционного зондирования, как мстеолокация, теплолокация и т.д.
Разработанное программное обеспечение является универсальным и может быть использовано для статистического, спектрального и др. видов анализа радиолокационных, оптических и др. типов изображений. Отдельные компоненты программного обеспечения переданы в составе радиогидрофизнческого программного комплекса в ИРЭ РАН для использования в космическом проекте "Природа".
Методика и алгоритмы, использованные для численного моделирования рассеяния РЛ-сигпала, основаны на анализе геометрии подстилающей поверхности с учетом эффектов затенений и многократных персотраженнй, что позволяет использовать их для любых профилей поверхности при решении задач распространения и рассеяния радиоволн.
Диссертация выполнена п соответствии с научными планами ИКИ РАН, со результаты вошли в 4 отчета.
Личный вклад автора
Результаты, изложенные и диссертации, получены автором самостоятельно или па равных правах с соавторами. Автору принадлежит: разработка аппаратно-программного комплекса цифровой регистрации РЛИ; непосредственное участие в натурных экспериментальных работах в составе научного экипажа самолета-лаборатории "Ту-134Сх"; интерпретация полученных с помощью разработанного устройства цифровых РЛИ МП; постановка задачи, разработка алгоритмов и создание комплекса программ для численного моделирования рассеяния РЛ-снгнала морской поверхностью.
Апробация результатов
Результаты, вошедшие в диссертацию, получены автором в период с 1989 по 1994 год. Они докладывались на: Всесоюзной конференции "Использование спутниковой информации в исследовании океана и атмосферы", г.Звенигород (1989г.), III Международной школе-семинаре по космическим исследованиям, г.Суздаль (1991г.), Всесоюзной конференции-семинаре по спутниковой гидрофизике, г.Севастополь (1991г.), а также на трех Международных симпозиумах по наукам о Земле и дистанционному зондированию: IGARS&92, США, Хьюстон (1992г.), 1GARSS*93, Япония, Токио (1993г.), IGARSS'94, США, Пасадена (1994г.).
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, Перечисленных в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения. В ней содержится 175 страницы машинописного текста, в том числе 49 рисунков и 5 таблиц. Библиография включает 157 наименования.