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
2022, № 5 · RADIO WAVE PROPAGATION

Using the concept of a geophysical model function for the interpretation scatterometer data

A.S. Zapevalov1

1 Marine Hydrophysical Institute of Russian Academy of Sciences, Sevastopol, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2022.5.2 UDC 537.877 EDN SOGYSY

Abstract

Within the framework of a two-scale Bragg (resonant) scattering model, the relationship between the spatial characteristics of sea surface waves and the geophysical model function (GMF) is analyzed. The dependence of the GMF on the angle between the direction of sounding and the wind velocity vector is determined by the function of the angular distribution of Bragg waves and the angular distribution of longer waves. In strong winds, the wave breaking makes a noticeable contribution to the radar signal. With calm and moderate winds, the main characteristics of the GMF can be interpreted within the framework of a two-scale Bragg scattering model. The exception is the appearance of negative values of the longitudinal-transverse asymmetry of GMF, which is observed in the L band of radio waves. Negative longitudinal-transverse asymmetry corresponds to lower values of the normalized cross-section of backscattering when probing along the wind direction than in the transverse direction.

  • remote sensing
  • sea surface
  • radio waves
  • geophysical model function
  • directional spreading function
Аннотация (на русском)

Использование понятия геофизической модельной функции при интерпретации данных скаттерометра

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.

For citation

Zapevalov A.S. Using the concept of a geophysical model function for the interpretation scatterometer data // Journal of Radio Electronics. – 2022. – No. 5. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.5.2

References

  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.