ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2022. №5
Оглавление выпуска

Текст статьи (pdf)

DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.5.2

УДК: 537.877, 532.5.013

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОНЯТИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛЬНОЙ
ФУНКЦИИ ПРИ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ СКАТТЕРОМЕТРА

А.С. Запевалов

Морской гидрофизический институт РАН

299011, г. Севастополь, ул. Капитанская, д. 2

Статья поступила в редакцию 22 марта 2022 г.

Аннотация. В рамках двухмасштабной модели брэгговского (резонансного) рассеяния, анализируется связь пространственных характеристик морских поверхностных волн и геофизической модельной функции (ГМФ). Зависимость ГМФ от угла между направлением зондирования и вектором скорости ветра определяется функцией углового распределения брэгговских волн и угловым распределением более длинных волн. При сильном ветре заметный вклад в сигнал радиолокатора дает обрушение волн. Неоднозначность взаимосвязи ГМФ и углового распределения энергии волн также возникает вследствие того, что вклад в обратное рассеяние дают волны, бегущие как в прямом, так и в обратном направлении относительно направления зондирования. При слабых и умеренных ветрах основные характеристики ГМФ можно интерпретировать в рамках двухмасштабной модели рассеяния. Исключением является появление отрицательных значений продольно-поперечной асимметрии ГМФ, которое наблюдается в L- диапазоне радиоволн. Отрицательная продольно-поперечная асимметрия соответствует более низким значениям нормированного сечения обратного рассеяния при зондировании вдоль направления ветра, чем в поперечном направлении.

Ключевые слова: дистанционное зондирование, морская поверхность, радиоволны, геофизическая модельная функция, функция углового распределения энергии волн.

Финансирование: Работа выполнена в рамках государственного задания по теме № 0555-2021-0003 «Развитие методов оперативной океанологии на основе междисциплинарных исследований процессов формирования и эволюции морской среды и математического моделирования с привлечением данных дистанционных и контактных измерений».

Автор для переписки: Запевалов Александр Сергеевич, sevzepter@mail.ru

Литература

1. Moore R.K., Pierson W.J. Measuring sea state and estimating surface winds from a polar orbiting satellite. Proc. Inter. Symp. Electromagnetic Sensing of the Earth from Satellites. Miami Beach, FL. 1966. P.R1-R28.

2. Moore R.K., Claassen J.P., Cook A.C., Fayman D.L., Holtzman J.C., Sobti A., Ulaby F.T., Young J.D., Hatcher N.M., Spencer W.J. Simultaneous active and passive microwave response of the Earth – the Skylab radar experiment. Proc. 9th Int. Symp. on Rem. Sens. of Envir. Ann. Arbor, MI: University of Michigan. 1974. P.189-217.

3. Stoffelen A.C.M., Anderson D.L.T. Scatterometer data interpretation: Measurement space and inversion. J. Atmos. Oceanic Technol. 1997. V.14. P.1298-1313.

4. Hersbach H., Stoffelen A., de Haan, S. An improved C-band scatterometer ocean geophysical model function: CMOD5. J. Geoph. Res. 2007. V.112. https://doi.org/10.1029/2006jc003743

5. Zhou X., Chong J.S., Yang X.F., Li W., Guo X.X. Ocean surface wind retrieval using SMAP L-band SAR. IEEE J. Sel. Top. Appl. Earth Obs. Remote Sens. 2017. V.10. P.65-74.

6. Isoguchi O., Shimada M. An L-Band Ocean Geophysical Model Function Derived From PALSAR. IEEE Trans Geosci Remote Sens, 2009. V.47. №7. P.1925-1936. https://doi.org/10.1109/tgrs.2008.2010864

7. Hwang P.A., Burrage D.M., Wang D.W., Wesson J.C. Ocean Surface Roughness Spectrum in High Wind Condition for Microwave Backscatter and Emission Computations. J. Atmos. Oceanic Technol. 2013. V.30. №9. P.2168-2188. https://doi.org/10.1175/jtech-d-12-00239.1

8. Zhou X., Chong J., Bi H., Yu X., Shi Y., Ye X. Directional spreading function of the gravity-capillary wave spectrum derived from radar observations. Remote Sensing. 2017. V.9. №4. P.361. https://doi.org/10.3390/rs9040361

9. Phillips O.M. Radar returns from the sea surface - Bragg scattering and breaking waves. J. Physical Oceanography. 1988. V.18. P.1063-1074. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1988)018<1065:RRFTSS>2.0.CO;2

10. Hwang P.A., Fois F. Surface roughness and breaking wave properties retrieved from polarimetric microwave radar backscattering. J. Geoph. Res: Oceans. 2015. V.120. P.3640-3657. https://doi.org/10.1002/2015JC010782

11. Kudryavtsev V.N., Fan S., Zhang B., Mouche A.A., B. Chapron B. On quad-polarized SAR measurements of the ocean surface. IEEE Trans Geosci Remote Sens. 2019. V.57. №11. P.8362-8370. https://doi.org/10.1109/TGRS.2019.2920750

12. Zhang B., Zhao X., Perrie W., W.Kudryavtsev V. On quad-polarized SAR measurements of the ocean surface. J. Geoph. Res: Oceans. 2020. https://doi.org/10.1029/2020JC016319

13. Moore R.K., Pierson W.J. Measuring sea state and estimating surface winds from a polar orbiting satellite. Proc. Inter. Symp. Electromagnetic Sensing of the Earth from Satellites, Miami Beach, FL. 1966. P.R1-R28.

14. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е. О предельной точности скаттерометрического определения со спутника скорости ветра над океаном. Исследование Земли из космоса. 1987. №2. С.57-65.

15. Данилычев М.В., Кравченко В.Ф., Кутуза Б.Г., Чуриков Д.В. Спутниковые СВЧ радиометрические комплексы дистанционного зондирования Земли. Современное состояние и тенденции развития. Физические основы приборостроения. 2014. Т.3. №1. С.3-25.

16. Yueh S.H., Tang W., Fore A.G., Hayashi A.K., Song Y.T., Lagerloef G. Aquarius geophysical model function and combined active passive algorithm for ocean surface salinity and wind retrieval. J. Geophys. Res. Oceans. 2014. V.119. №8. P.5360-5379.

17. Kudryavtsev V.N., Hauser D., Caudal G., Chapron B.A. A semi-empirical model of the normalized radar cross-section of the sea surface. 1 Background model. J. Geophys. Res. 2003. V.108. P.8055.

18. Bass F.G., Braude S.Ya., Kalmykov A.I., Men A.V., Ostrovskii I.Y., Pustovoitenko V.V., Rozenberg A.D., Fuks I.M. Radar methods for the study of ocean waves (Radiooceanography). Sov.Phys.Usp. 1975. V.18 P.641-642. https://doi.org/10.1070/PU1975v018n08ABEH004920

19. Булатов М.Г., Раев М.Д., Скворцов Е.И. Встречные волны на поверхности моря (результаты натурного микроволнового эксперимента). Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2008. Т.5. №2. С.42-48.

20. Donelan M.A., Hamilton J., Hui W.H. Directional spectra of wind-generated waves. Philos. Trans. Roy. Soc. 1985. V.315. P.509-562.

21. Elfouhaily T., Chapron B., Katsaros K., Vandemark D. A unified directional spectrum for long and short wind-driven waves. J. Geophys. Res. 1997. V.102. P.15781-15796.

22. Thompson D., Elfouhaily T., Chapron B. Polarization ratio for microwave backscattering from the ocean surface at low to moderate incidence angles. Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings. 1998. IGARSS '98. P.1671-1673. https://doi.org/10.1109/IGARSS.1998.692411

23. Zapevalov A., Pokazeev K., Chaplina T. Effect of long surface waves on the bragg scattering of microwave Simulation of the Sea Surface for Remote Sensing. Springer, Cham. 2021. P.97-115. https://doi.org/10.1007/978-3-030-58752-9_5

24. Valenzuela G. Theories for the interaction of electromagnetic and ocean waves. - A review. Bound. Layer Meteorol. 1978. V.13. №1-4. P.61-85.

25. Hwang P.A., Zhang B., Toporkov J.V., Perrie W. Comparison of composite Bragg theory and quad-polarization radar backscatter from RADARSAT-2: With applications to wave breaking and high wind retrieval. J. Geoph. Res: Oceans. 2010. V.115. https://doi.org/10.1029/2009JC005995

26. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. Москва, Наука. 1972. 424 с.

27. Wu S.T., Fung A.K. A noncoherent model for microwave emissions and backscattering from sea surface. J. Geophys. Res. 1972. V.77. №30. P.5917-5929.

28. Караев В.Ю., Каневский М.Б., Мешков Е.М., Титов В.И., Баландина Г.Н. Измерение дисперсии наклонов водной поверхности радиолокационными методами: проверка алгоритмов. Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2008. Т.51. №5. С.399-412.

29. Aprausheva N.N., Sorokin S.V. Exact equation of the boundary of unimodal and bimodal domains of a two-component Gaussian mixture. Pattern Recognition and Image Analysis. 2013. V.23. №3 P.341-347.

30. Zapevalov A.S., Ratner Yu.B. Analytic model of the probability density of slopes of the sea surface. Physical Oceanography. 2003. V.13. №1. P.1-13. https://doi.org/10.1023/A:1022444703787

31. Cox C., Munk W. Measurements of the roughness of the sea surface from photographs of the sun glitter. J. Optical. Soc. America. 1954. V.44. №11.
P.838-850.

32. Yueh S.H., Tang W., Fore A.G., Neumann G., Hayashi A., Freedman A., Chaubell J., Lagerloef G.S.E. L-Band Passive and Active Microwave Geophysical Model Functions of Ocean Surface Winds and Applications to Aquarius Retrieval. IEEE Trans Geosci Remote Sens. 2013. V.51. №9. P.4619-4632. https://doi.org/10.1109/tgrs.2013.2266915

33. Longuet-Higgins, M.S. The statistical analysis of a random, moving surface. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1957. V.249(966). P.321-387. https://doi.org/10.1098/rsta.1957.0002

34. Запевалов А.С. Распределение дисперсии уклонов морской поверхности по пространственным диапазонам, создающих их волн. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. [электронный журнал]. 2020. Т.17. №1. С.211-219. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2020-17-1-211-219

35. Longuett-Higgins M.S., Cartwrighte D.E., Smith N.D. Observation of the directional spectrum of sea waves using the motions of the floating buoy. Pro. Conf. Ocean Wave Spectra. Englewood Cliffs. N. Y.: Prentice Hall, 1963. P.111-132.

36. Bréon F.M., Henriot N. Spaceborne observations of ocean glint reflectance and modeling of wave slope distributions. J. Geoph. Res.: Oceans. 2006. V.111. №C06005. https://doi.org/10.1029/2005JC003343

37. Apel J.R. An improved model of the ocean surface wave vector spectrum and its effects on radar backscatter. J. Geoph. Research. 1994. V.99. №C8. P.16269-16291.

38. Zapevalov A.S. Statistical characteristics of the moduli of slopes of the sea surface. Physical Oceanography. 2002. Т.12. №1. P.24-31. https://doi.org/10.1023/A:1014672614293

39. Wu J. Mean square slopes of the wind-disturbed water surface, their magnitude, directionality, and composition. Radio Sci. 1990. V.25. P.37-48.

Для цитирования:

Запевалов А.С. Использование понятия геофизической модельной функции при интерпретации данных скаттерометра. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. №5. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.5.2