Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2017, № 3 · RADIO WAVE PROPAGATION

К расчету оценок уклонов морской поверхности по данным квазивертикального зондирования в СВЧ диапазоне

A.S. Zapevalov1

1 Морской гидрофизический институт РАН, Russia
Full text (PDF) UDC 537.877+532.5.013 EDN ZFHXVX

Abstract

Measurement of sea surface slopes according to the quasi-vertical radio sounding belongs to a class of indirect measurements. The accuracy of the resulting estimates depends on how fully all the factors that affect the interaction of radio waves and the sea surface are taken into account. In this paper we consider the restoration of the variance of sea surface slopes based on measurements of the back scattering cross section. The effect of anisotropy of the sea wave field for the restoration of the dispersion slope is analyzed. The analysis is performed by numerical simulation. The problem was solved in the framework of the Gaussian model of the surface wave field. Data from optical and direct wave measurements obtained in field conditions are used for numerical calculations. was used An indicator of three-dimensionality, equal to the ratio of the root mean square of the slopes, measured across and along the wind, was used as a parameter characterizing the anisotropy of the sea wave field. It is shown that if the radio sensing is carried out in the centimeter or millimeter wavelength range, the indicator of three-dimensionality can make the changing in the range from 0.8 to 0.9. It is shown that the uncertainty in determining the azimuth angle of the sensing relative to the wind direction leads to a relative error of definition of slope dispersion not exceeding 6 %.

  • sea waves
  • radio waves
  • mirror reflection
  • sea surface slopes
Аннотация (на русском)

К расчету оценок уклонов морской поверхности по данным квазивертикального зондирования в СВЧ диапазоне

Измерения уклонов морской поверхности по данным квазивертикального радиозондирования относятся к классу косвенных измерений. Точность получаемых оценок зависит от того, насколько полно учтены все факторы, влияющие на взаимодействие радиоволн с морской поверхностью. Проанализирована погрешность восстановления дисперсии уклонов, вызванная анизотропией волнового поля. Задача решалась в рамках гауссовой модели поля поверхностных волн. Для анализа использованы данные оптических и волнографических измерений, полученные в морских условиях. В качестве параметра, характеризующего анизотропию волнового поля, использовался показатель трехмерности, равный отношению среднеквадратических величин уклонов, измеренных поперек и вдоль ветра. Показано, что неопределенность в определении азимутального угла зондирования относительно направления ветра приводит к относительной погрешности определения дисперсий уклонов, не превышающей 6 %.

For citation

Zapevalov A.S. К расчету оценок уклонов морской поверхности по данным квазивертикального зондирования в СВЧ диапазоне // Journal of Radio Electronics. – 2017. – No. 3.

References

  1. Караев В.Ю., Панфилова М.А., Баландина Г.Н., Чу К. Восстановление дисперсии наклонов крупномасштабных волн по радиолокационным измерениям в СВЧ-диапазоне // Исследование Земли из космоса. 2012. № 4. С. 62-77.
  2. Danilytchev M.V., Kutuza B.G., Nikolaev A.G. The application of sea wave slope distribution empirical dependencies in estimation of interaction between microwave radiation and rough sea surface // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2009, V.47, N.2. IGRSD2, ISSN 0196-2892. P. 652-661.
  3. Hauser D., Caudal G., Guimbard S., Mouche A.A. A study of the slope probability density function of the ocean waves from radar observations // J. of Geophysical Research. 2008. Vol. 113, C02006. doi:10.1029/2007JC004264.
  4. Панфилова М.А., Караев В.Ю. Использование данных морских буев для оценки дисперсии наклонов крупномасштабного волнения для Ku- и Ka-диапазонов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 6. С. 119-134.
  5. Бреховских Л.М. Дифракция волн на неровной поверхности. I. Общая теория. - Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1952. Т. 23, № 3. С. 275-288.
  6. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука. 1972. 424 с.
  7. Wu S.T., Fung A.K. A noncoherent model for microwave emissions and backscattering from sea surface // J. Geophys. Res. - 1972. -Vol. 77, № 30. - P. 5917-5929.
  8. Freilich M., Vanhoff B. The relationship between winds, surface roughness and radar backscatter at low incidence angles from TRMM precipitation radar measurements // Journal of atmospheric and oceanic technology. 2003. Vol. 20, No. 4. P. 579-562.
  9. Chu X., He Y., Chen G., Asymmetry and anisotropy of microwave backscatter at low incidence angles // Transactions on geoscience and remote sensing, 2012, Vol. 50, No. 10, pp. 4014-4024.
  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. Запевалов А.С. Моделирование брегговского рассеяния электромагнитного излучения сантиметрового диапазона морской поверхностью. Влияние волн более длинных, чем брегговские составляющие // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45, № 2. С. 266-275.
  12. Danilychev M.V., Nikolaev A.N., Kutuza B.G. Application of the kirchhoff method for practical calculations in microwave radiometry of wavy sea surface // Journal of Communications Technology and Electronics. 2009. Vol. 54, No. 8. P. 869-878.
  13. Запевалов А.С. Статистические модели морской поверхности в задачах рассеяния акустического и электромагнитного излучения // Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук / Морской гидрофизический институт НАН Украины. Севастополь. 2008.
  14. Bréon F.M., Henriot N. Spaceborne observations of ocean glint reflectance and modeling of wave slope distributions // J. Geoph. Res. 2006. Vol. 111. No 6. C06005.
  15. Cox C., Munk W. Measurements of the roughness of the sea surface from photographs of the sun glitter // J. Optical. Soc. America. 1954. Vol. 44, № 11. P. 838-850.
  16. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Бабий М.В. Статистические характеристики уклонов морской поверхности при разных скоростях ветра // Океанология. 1992. Т.32, Вып. 3. С. 452-459.
  17. Hughes B.A., Grant H.L., Chappell R.W.A. A fast response surface-wave slope meter and measured wind-wave components // Deep-Sea Res. 1977. Vol. 24, N12. P. 1211-1223.
  18. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Бабий М.В. Измерения параметров шероховатости морской поверхности при переходе от штиля к ветровому волнению // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 1992. Т. 28, № 4. С. 424-431.
  19. Donelan M.A., Hamilton J., Hui W.H. Directional spectra of wind-generated waves // Philos. Trans. Roy. Soc. 1985. A315. P. 509-562.
  20. Banner M.L., Young I.R. Modeling spectral dissipation in the evolution of wind waves. Part I: Assessment of existing model performance // J. Phys. Oceanogr. 1994. Vol. 24. P. 1550-1571.
  21. Запевалов А.С. Об оценке функции углового распределения энергии морских доминантных волн // Известия Российской академии наук, Физика атмосферы и океана, 1995, Т. 31, № 6, С. 835-841.
  22. Cecil D.J., Goodman S.J., Boccippio D.J., Zipser E.J., Nesbitt S.W. Three Years of TRMM Precipitation Features. Part I: Radar, Radiometric, and Lightning Characteristics // Month. Weather Rev. 2005. Vol. 133, № 3. P. 543-566.
  23. Karaev V.Yu., Panfilova M.A., Balandina G.N., Chu X. Restoring dispersion slopes of large waves from radar measurements in the microwave range // Issledovanie Zemli iz kosmosa. 2012. № 4. С. 62-77.
  24. Danilytchev M.V., Kutuza B.G., Nikolaev A.G. The application of sea wave slope distribution empirical dependencies in estimation of interaction between microwave radiation and rough sea surface // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2009, V.47, N.2. IGRSD2, ISSN 0196-2892. P. 652-661.
  25. Hauser D., Caudal G., Guimbard S., Mouche A.A. A study of the slope probability density function of the ocean waves from radar observations // J. of Geophysical Research. 2008. Vol. 113, C02006. doi:10.1029/2007JC004264.
  26. Panfilova M.A., Karaev V.Yu. The use of the sea buoys data for estimating the variance of slopes of large-scale waves for Ku- and Ka-bands // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2016. Т. 13. № 6. С. 119-134.
  27. Brekhovskikh L.M. 1952 The diffraction of waves by a rough surface // Zh. Eksper. i Teor. Fiz. 1952. 23. P. 275-289.
  28. Bass, F.G., Fuks, I.M.: Wave scattering from statistically rough surfaces // New York: Pergamon. 1979. 420 p.
  29. Wu S.T., Fung A.K. A noncoherent model for microwave emissions and backscattering from sea surface // J. Geophys. Res. - 1972. -Vol. 77, № 30. - P. 5917-5929.
  30. Freilich M., Vanhoff B. The relationship between winds, surface roughness and radar backscatter at low incidence angles from TRMM precipitation radar measurements // Journal of atmospheric and oceanic technology. 2003. Vol. 20, No. 4. P. 579-562.
  31. Chu X., He Y., Chen G., Asymmetry and anisotropy of microwave backscatter at low incidence angles // Transactions on geoscience and remote sensing, 2012, Vol. 50, No. 10, pp. 4014-4024.
  32. Longuet-Higgins, M.S. The statistical analysis of random moving surface. // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 249. 1957. P. 321-387.
  33. Zapevalov A.S. Bragg scattering of centimeter electromagnetic radiation from the sea surface: the effect of waves longer than bragg components // Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 2009. Vol. 45, № 2. P. 253-261.
  34. Danilychev M.V., Nikolaev A.N., Kutuza B.G. Application of the kirchhoff method for practical calculations in microwave radiometry of wavy sea surface // Journal of Communications Technology and Electronics. 2009. Vol. 54, No. 8. P. 869-878.
  35. Zapevalov A.S. Statistical models of the sea surface in problems of acoustic and electromagnetic radiation scattering // The thesis to claim the academic degree of doctor of physico-mathematical sciences. Marine Hydrophysical Institute of the NAS of Ukraine, Sebastopol. 2008.
  36. Bréon F.M., Henriot N. Spaceborne observations of ocean glint reflectance and modeling of wave slope distributions // J. Geoph. Res. 2006. Vol. 111. No 6. C06005.
  37. Cox C., Munk W. Measurements of the roughness of the sea surface from photographs of the sun glitter // J. Optical. Soc. America. 1954. Vol. 44, № 11. P. 838-850.
  38. Khristophorov G.N., Zapevalov A.S., Babiy M.V. The statistical characteristics of the sea surface slopes at different wind speeds // Okeanologiya. 1992. Vol.32, No. 3. P. 452-459.
  39. Hughes B.A., Grant H.L., Chappell R.W.A. A fast response surface-wave slope meter and measured wind-wave components // Deep-Sea Res. 1977. Vol. 24, N12. P. 1211-1223.
  40. Khristophorov G.N., Zapevalov A.S., Babiy M.V. Measurements of sea surface roughness parameters in the transition from the calm to the wind wave // Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Fizika atmosferyi i okeana. 1992. Vol. 28, № 4. С. 424-431.
  41. Donelan M.A., Hamilton J., Hui W.H. Directional spectra of wind-generated waves // Philos. Trans. Roy. Soc. 1985. A315. P. 509-562.
  42. Banner M.L., Young I.R. Modeling spectral dissipation in the evolution of wind waves. Part I: Assessment of existing model performance // J. Phys. Oceanogr. 1994. Vol. 24. P. 1550-1571.
  43. Zapevalov, A.S. On the estimation of the angular energy distribution function of dominant sea waves // Izvestiya - Atmospheric and Ocean Physics. 1996. Vol. 31, No 6, P. 802-808.
  44. Cecil D.J., Goodman S.J., Boccippio D.J., Zipser E.J., Nesbitt S.W. Three Years of TRMM Precipitation Features. Part I: Radar, Radiometric, and Lightning Characteristics // Month. Weather Rev. 2005. Vol. 133, № 3. P. 543-566.