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
2018, № 12 · RADIO WAVE PROPAGATION

Моделирование морской поверхности при описании формы отраженного импульса альтиметра

I.P. Shumeiko1, M.I. Ozhiganova1

1 Севастопольский государственный университет, 299053, г. Севастополь, ул. Университетская, 33, Russia
Full text (PDF) UDC 537.877+532.5.013 EDN FFILDT

Abstract

Errors in determining the level of the sea surface by retracking altimeter waveforms from spacecraft are analyzed. Errors that are caused by the error in the approximation of the probability density function of sea surface elevations by a truncated Gram-Charlier distribution are considered. Estimates of sea surface cumulants up to the sixth order inclusive obtained in sea conditions are used for the numerical calculations. We also use seventh and eighth order cumulants surface waves, certain in laboratory conditions. The calculations were carried out within the framework of the well known Brown model which describes the shape of the reflected pulse of the altimeter. It is shown that, depending on the choice of the approximation of the probability density function, the calculated position of the leading edge of the reflected pulse can shift. Simultaneously with the displacement of the leading edge its inclination is changed. The magnitude of the time shift can reach 0.3 ns, if significant wave height is 5 m. Such a time shift is equivalent to an error in determining the level of the sea surface which is equal to 4.5 cm. If the significant height increases, the sea level error increases linearly. Numerical calculations were performed for parameters which correspond to parameters of the altimeter located on the satellite Seasat-1.

  • морская поверхность
  • распределение Грама-Шарлье
  • радиоальтиметр
  • зеркальное отражение
  • модель отраженного импульса
  • sea surface
  • Gram-Charlier distribution
  • radar altimeter
  • mirror reflection
  • return waveform model
Аннотация (на русском)

Моделирование морской поверхности при описании формы отраженного импульса альтиметра

Анализируются ошибки определения уровня морской поверхности по данным вертикального радиозондирования с космических аппаратов. Рассматриваются ошибки, вызванные погрешностью аппроксимации функции плотности вероятностей возвышений морской поверхности усеченным распределением Грама-Шарлье. Для численных расчетов используются данные измерений кумулянтов морской поверхности до шестого порядка включительно, полученные в морских условиях. Также используются оценки кумулянтов седьмого и восьмого порядков, определенные в лабораторных условиях. Показано, что в зависимости от выбора аппроксимации функции плотности вероятностей возвышений морской поверхности расчетное положение переднего фронта отраженного импульса может смещаться на 0.3 нс. Такое смещение приводит к разбросу в определении уровня морской поверхности, равному 4.5 см.

For citation

Shumeiko I.P., Ozhiganova M.I. Моделирование морской поверхности при описании формы отраженного импульса альтиметра // Journal of Radio Electronics. – 2018. – No. 12.

References

  1. Queffeulou P. Long-term validation of wave height measurements from altimeters // Marine Geodesy. 2004. Vol. 27. P. 495-510. DOI: 10.1080/01490410490883478
  2. Запевалов А.С., Показеев К.В., Пустовойтенко В.В. О предельной точности альтиметрического определения скорости приводного ветра // Исследование Земли из космоса. 2006. № 3. С. 49-54.
  3. Vignudelli S., Kostianoy A., Cipollini P., Benveniste J. Coastal altimetry // Springer, 1st Edition. 2011. XII. 566 p.
  4. Пустовойтенко В.В., Радайкина Л.Н., Терехин Ю.В., Коротаев Г.К. Космические средства радиолокационного мониторинга морских акваторий // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2008. № 16. С. 45-83.
  5. Callahan P.S., Rodriguez E. Retracking of Jason-1 Data // Marine Geodesy. 2004. Vol. 27. P. 391-407. DOI: 10.1080/01490410490902098.
  6. Robinson I.S. Measuring the Oceans from Space: the principles and methods of satellite oceanography. - Berlin, Germany: Springer/Praxis Publishing. 2004. 669 p.
  7. 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.
  8. 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.
  9. Gulev S., Cotton P.D., Sterl A. Intercomparison of the North Atlantic wave climatology from in-situ, voluntary observing, satellite data and modeling // Physics and Chemistry of the Earth. 1997. Vol. 23. P. 587-592.
  10. Gómez-Enri J., Gommenginger C.P., Srokosz M.A., Challenor P.G. Measuring global ocean wave skewness by retracking RA-2 Envisat waveforms // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2007. Vol. 24. P. 1102-1116.
  11. Witter D.L. Chelton D.B. A Geosat altimeter wind speed algorithm and a method for altimeter wind speed algorithm development // J. Geoph. Res. 1991. Vol. 96, No С5. Р. 8853-8860.
  12. Hausman J., Lotnicki V. Sea state bias in radar altimetry revisited // Marine Geodesy. 2010. Vol. 33(S1). P. 336-347. DOI: 10.1080/01490419.2010.487804.
  13. Запевалов А.С. Влияние асимметрии и эксцесса распределения возвышений взволнованной морской поверхности на точность альтиметрических измерений ее уровня // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2012 том 48, № 2. С. 224-231.
  14. Kinsman B. Wind waves; their generation and propagation on the ocean surface // Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall Inc., 1965. 661 p.
  15. Huang N.E., Shen Z., Long S.R. A new view of nonlinear water waves: The Hilbert Spectrum // Annu. Rev. Fluid Mech. 1999. Vol. 31 P. 417-457.
  16. Бабанин А.В., Полников В.Г. О негауссовости ветровых волн // Морской гидрофизический журнал. 1994. № 3. С. 79-82.
  17. 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.
  18. Кендалл М.Дж., Стьюарт А. Теория распределений: Пер. с англ. М.: Наука, 1966. 587 с.
  19. 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. 2000.
  20. Запевалов А.С. Старшие кумулянты возвышений морской поверхности // "Метеорология и гидрология" 2011, № 9. С 78-85.
  21. Huang N.Е., Long S. R. An experimental investigation of the surface elevation probability distribution and statistics of wind-generated waves // J. Fluid Mech. 1980. Vol. 101, № 1. P. 179-200.
  22. 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.
  23. Mac-Arthur J.L. SEASAT-A radar altimeter design description // Applied Physics Lab., Laurel, MD, SDO-5232, Nov. 1978.
  24. 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.