ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2020. № 1
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI 10.30898/1684-1719.2020.1.1
УДК 537.877+532.5.013
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ НАВИГАЦИОННЫМ РАДАРОМ
А. С. Запевалов 1,2, И. П. Шумейко 2
1 Морской гидрофизический институт РАН, 299011, Россия, г. Севастополь, ул. Капитанская, 2
2 Севастопольский государственный университет, 299053, г. Севастополь, ул. Университетская, 33
Статья получена 16 декабря 2019 г.
Аннотация. Анализируются физические факторы, ограничивающие точность восстановления поля вектора скорости течения по измерениям радиосигнала, рассеянного морской поверхностью. Анализ проводится для ситуации, когда зондирование осуществляется навигационным радаром. Показано, что использование в процедуре расчета частотного спектра возвышений морской поверхности приводит к ограничению точности определения скорости течения. Ограничения обусловлены неоднозначностью связи спектров морской поверхности, построенных в пространстве волновых векторов и в пространстве частот. Показано, что характеристики навигационных радаров позволяют использовать процедуру определения скорости течения, разработанную для оптических снимков высокого разрешения, получаемых с космических аппаратов.
Ключевые слова: морские поверхностные волны, радиоволны, скорость течения, навигационный радар, точность измерений.
Abstract. The analysis of physical factors limiting the accuracy of reconstruction of the field of the current velocity vector by measuring the radio signal scattered by the sea surface is carried out. The analysis is performed for a situation when sounding is carried out by a nautical radar. It is shown that one of the factors limiting the accuracy is the use of space-time characteristics of surface waves. The accuracy is limited by the ambiguity of the relationship between the spectra constructed in the space of wave numbers and frequencies. Ambiguity was found in field experiments in which the characteristics of the sea surface were determined in situ by wave gauges. To calculate the current velocity, it is proposed to use a procedure developed for high-resolution optical images obtained from spacecraft. This procedure is based on cross-spectral analysis of two images of the same area of the sea surface obtained with a small time interval. The current velocity is determined by the deviation of the measured phase velocity from the theoretical value following from the dispersion relation for gravitational waves. It is shown that the characteristics of nautical radars allow the use of this procedure for determining the current velocity.
Key words: sea surface waves, radio waves, current velocity, nautical radar, accuracy of remote measurements.
Литература
1. Зацепин А.Г., Горбацкий В.В., Мысленков С.А., Дудко Д.И., Шпилев Н.Н., Ивонин Д.В., Сильвестрова К.П., Баранов В.И., Телегин В.А., Куклев С.Б. Сравнение характеристик течений, измеренных КВ и СВЧ радиолокаторами на гидрофизическом полигоне ИО РАН в черном море, с данными ADCP и дрифтеров // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 7. С. 250-266.
2. Ивонин Д.В., Телегин В.А., Азаров А.И., Ермошкин А.В., Баханов В.В. Определение вектора скорости течения по измерениям навигационного радара с широкой диаграммой направленности антенны // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 4. С. 219-227.
3. Ратнер Ю.Б., Фомин В.В., Иванчик А.М., Иванчик М.В. Система оперативного прогноза ветрового волнения черноморского центра морских прогнозов // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 5 (197). С. 56-66.
4. Reichert K., Hessner K., Nieto Borge J.C., Dittmer J. WaMoS II: A radar based wave and current monitoring system // The Ninth International Offshore and Polar Engineering Conference, 30 May-4 June, Brest, France. 1999.
5. Басс Ф.Г., Брауде С.Я., Калмыков А.И., Мень А.В., Островский И.Е., Пустовойтенко В.В., Розенберг А.Д., Фукс И.М. Методы радиолокационных исследований морского волнения (радиоокеанография) // Успехи физических наук. 1975. Т. 116. С. 741-743.
6. Коротаев Г.К., Пустовойтенко В.В., Терехин Ю.В. Спутниковая океанология: становление, развитие, перспективы // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2006. № 14. С. 324-348.
7. Nieto Borge J.C., Rodriguez G.R., Hessner K., Gonzalez P.I. Inversion of Marine Radar Images for Surface Wave Analysis // J. Atmos. Oceanic Technol., 2004. V. 21. P. 1291-1300.
8. Ивонин Д.В., Чернышов П.В., Куклев С.Б., Мысленков С.А. Предварительные результаты сравнения измерений вектора скорости течения навигационным радаром X-диапазона и донной станцией ADCP // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 2. С. 53-66.
9. Izquierdo P., Nieto Borge J.C., Guedes Soares C. et al. Comparison of wave spectra from nautical radar images and scalar buoy data // Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 2005. Vol. 131, No. 3.
10. Plant, W.J. and W.C. Keller. Evidence of Bragg scattering in microwave Doppler spectra of sea return // J. Geophys. Res. 1990. Vol. 95. No. C9, P.299-310.
11. Lee P.H.Y., J.H. Barter, K.L. Beach, C.L. Hindman, B.M. Lake, H. Rungaldier, J.C. Shelton, A.B. Williams, R. Yee, and H.C. Yuen, 1995: X-Band microwave backscattering from ocean waves. J. Geophys. Res., Vol 100. No. C2, P. 2591-2611.
12. WaMoS II Wave and Surface Current Monitoring System Operating Manual. Version 4.0, OceanWaveS GmbH. Germany, April 2003, 146 p.
13. Ефимов В.В., Соловьев Ю.П., Христофоров Г.Н. Экспериментальное определение фазовой скорости распространения спектральных составляющих морского ветрового волнения // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1972. Т. 8, № 4. С. 435-446.
14. Phillips O.M. The dispersion of short wavelets in the presence of a dominant long wave // J. Fluid Mech. 1981. Vol. 107. P. 465-485.
15. Ефимов В.В. Динамика волновых процессов в пограничных слоях атмосферы и океана // Киев: Наукова думка. 1981. 255 с.
16. Stokes G.G. On the theory of oscillatory waves // Trans. Cambridge Philos. Soc. 1849. Vol. 8. P. 197-229.
17. Lake B.M., Yuen H.C. A new model for nonlinear gravity waves. Part 1. // J. Fluid Mech. 1978. Vol. 88. P. 33-62.
18. Показеев К.В., Запевалов А.С. К расчету фазовых скоростей в поле морских поверхностных волн // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия. 2019. № 4. С. 65–70.
19. Kudryavtsev V., Yurovskaya M., Chapron B., Collard F., Donlon C. Sun glitter imagery of ocean surface waves: Part 1. Directional spectrum retrieval and validation // J. Geophysical Research: Oceans, 2017. Vol. 122, No. 2. P. 1369-1383.
20. Юровская М.В., Кудрявцев В. Н., Станичный С.В. Восстановление кинематических характеристик поверхностного волнения и батиметрии по многоканальным оптическим снимкам комплекса «Геотон-Л1» на спутнике «Ресурс-П» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16, № 2. С. 218–226.
21. Yurovskaya M., Kudryavtsev V., Chapron B., Rascle N., Collard F. Wave spectrum and surface current retrieval from airborne and satellite sun glitter imagery, Proc. IGARSS’2018, Valencia, 2018. P. 3192-3195,
22. Баханов В. В., Демакова А. А., Кориненко А. Е., Рябкова М. С., Титов В. И. Оценка спектров ветровых волн с длинами от сантиметров до метра по изображениям поверхности моря // Морской гидрофизический журнал. 2018. № 3. С. 192-205.
Для цитирования:
Запевалов А.С., Шумейко И.П. Определение скорости течения по измерениям навигационным радаром. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. № 1. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/jan20/1/text.pdf. DOI 10.30898/1684-1719.2020.1.1