К расчету формы импульса радиоальтиметра, отраженного от морской поверхности

Abstract

The influence of the choice of the sea surface model on the calculated shape of the altimeter return waveform is analyzed. Errors of determination of the level of the sea surface caused by the deviation of the distribution of wave elevations from the Gaussian distribution are estimated. The analysis is performed by numerical simulation. It is assumed that the signal of the altimeter determines the mechanism of specular reflection of radio waves from the sea surface. The altimeter pulse shape calculated for the three types of models of the sea surface: Gaussian model; model of the Gram-Charlier series and combined model with symmetrical and asymmetrical filter. Combined model in the region of small and intermediate values of surface elevations is close to the distribution of Gram-Charlier, it approaches the Gaussian distribution outside this region. The capabilities and limitations of these models for describing the sea surface are considered. It is shown that the accuracy of determining the level of the sea surface depends on the significant height of the surface waves. It is shown that depending on the choice of the sea surface model, when a significant wave height is about 5 m its average level can vary by 4.5-6 cm. The main factor that determines the accuracy level of the sea surface is the nonlinearity of wind waves and swell.

• sea surface
• distribution of sea-surface elevations
• kurtosis

Аннотация (на русском)

К расчету формы импульса радиоальтиметра, отраженного от морской поверхности

Анализируется влияние выбора модели морской поверхности на расчетную форму отраженного радиоимпульса альтиметра. Форма импульса рассчитывалась для трех типов моделей морской поверхности: модели Гаусса, модели Грама-Шарлье и комбинированной модели с симметричным и асимметричным фильтром. Показано, что в зависимости от выбора модели морской поверхности оценки ее среднего уровня при значимой высоте волн 5 м могут различаться на 4.5-6 см.

For citation

References

1. Пустовойтенко В.В., Запевалов А.С. Оперативная океанография: Спутниковая альтиметрия - Современное состояние, перспективы и проблемы // Серия. Современные проблемы океанологии, Севастополь: НПЦ "ЭКОСИ-Гидрофизика". 2012. Вып. № 11. 218 с.
2. Kubryakov A.A., Stanichny S.V. Mesoscale eddies in the Black Sea from satellite altimetry data // Oceanology. 2015. Vol. 55, No. 1. P. 56-67.
3. 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. Nov. 22-24. P. R1-R28.
4. Queffeulou P. Long-term validation of wave height measurements from altimeters // Marine Geodesy. 2004. Vol. 27. P. 495-510.
5. Показеев К.В., Запевалов А.С., Пустовойтенко В.В.Моделирование формы отраженного импульса радиоальтиметра // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия. 2013. № 5. С. 80-85.
6. Hayne G.S. Radar altimeter mean return waveforms from near-normal-incidence ocean surface scattering // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1980. Vol. AP-28. P. 687-692.
7. Gómez-Enri J., Gommenginger C.P., Srokosz M.A., Challenor P.G. Measuring global ocean wave skewness by retracking RA-2 Envisat waveforms // J. of Atmospheric and Oceanic Technology. - 2007. - Vol. 24. - P. 1102-1116.
8. Запевалов А.С., Большаков А.Н., Смолов В.Е. Моделирование плотности вероятностей возвышений морской поверхности с помощью рядов Грама-Шарлье // Океанология. 2011. Т. 51, № 3. С. 432-439.
9. Brown G.S. The average impulse response of a rough surface and its applications // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1977. Vol. AP-25. P. 67-74.
10. Лонге-Хиггинс М.С. Статистический анализ случайной движущейся поверхности // Пер. с англ: В кн.: Ветровые волны, М.: Иностранная литература. 1962. С. 125- 218.
11. Jha A.K. Winterstein S.R. Nonlinear random ocean waves: prediction and comparison with data // Proc., 19th Intl. Offshore Mech. Arctic Eng. Symp., ASME, Paper No. OMAE 00-6125.
12. Guedes Soares C., Cherneva Z., Antão E.M. Characteristics of abnormal waves in North Sea storm sea states // Applied Ocean Research. 2003. Vol. 25. P. 337-344.
13. Кендалл М.Дж., Стьюарт А. Теория распределений: Пер. с англ. М.: Наука. 1966. 587 с.
14. Zapevalov A.S., Pustovoitenko V.V. Modeling of the probability distribution function of sea surface slopes in problems of radio wave scattering // Radiophysics and Quantum Electronics. 2010. Vol. 53, № 2. P. 100-110. DOI: 10.1007/s11141-010-9206-z.