Нерезонансные и поляризационные эффекты при микроволновом зондировании водной поверхности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Чурюмов, Антон Николаевич

• Чурюмов, Антон Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Чурюмов, Антон Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. РАССЕЯНИЕ НА КРУТЫХ ВОЛНАХ.

1.1. Особенности резонансного механизма.

1.2. Экспериментальные указания на существование и природу нерезонансного рассеяния.

1.3. Модель нерезонансного рассеяния.

1.3.1. Коэффициенты дифракции.

1.3.2. Оценки сечения рассеяния.

1.4. Выводы к главе 1.

Глава 2. ВКЛАД КРУТЫХ ВОЛН В ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

ОКЕАНА.

2.1. Общие принципы расчета интенсивности теплового излучения.

2.2. Известные механизмы формирования теплового излучения океана.

2.2.1. Тепловое излучение гладких поверхностей.

2.2.2. Резонансный механизм (критические явления).

2.3. Влияние крутых неровностей на яркостную температуру поверхности океана.

2.3.1. Дифракция и поглощение электромагнитных воли на крутых заостренных волнах.

2.3.2. Упрощенная трехмерная модель: тепловое излучение наклоненных площадок.

2.4. Выводы к главе 2.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нерезонансные и поляризационные эффекты при микроволновом зондировании водной поверхности»

Радиолокационные исследования поверхности океана представляют собой наиболее быстрый и дешевый способ получения информации о состоянии морской поверхности. В отличие от контактных и оптических методов, радиолокация позволяет получать данные о состоянии океана сразу с обширных территорий, независимо от освещенности и облачного покрытия. Дистанционное зондирование доставляет информацию о состоянии поверхности океана, что позволяет судить о внутриокеанических и атмосферных процессах, так как поверхность океана чрезвычайно чувствительна к любым движениям как в приводном слое атмосферы, так и внутри океана. В частности, дистанционные измерения позволяют получать информацию о поверхностных гравитационных волнах, о внутренних гравитационных волнах в океане и атмосфере, о конвективных движениях в атмосфере. Взаимодействие океана и атмосферы и процессы, протекающие на их границе, оказывают решающее влияние на изменения погоды и климата, а знание этих процессов, достигаемое путем постоянного радиолокационного зондирования, позволяет предсказывать развитие погоды и климата.

В отличие от контактных измерений, которые дают непосредственную информацию о состоянии пограничного слоя океан—атмосфера, при дистанционных исследованиях морской поверхности существует проблема интерпретации получаемых радиолокационных и радиометрических данных. Для этого необходимо знать закономерности рассеяния радиоволн на морской поверхности и теплового излучения поверхности океана в зависимости от состояния границы раздела океан—атмосфера, т.е. от ее геометрических особенностей: интенсивности и распределения ряби, крутизны и направления движения крупных волн, наличия и плотности обрушений и т. д.

В течение продолжительного времени для интерпретации данных радиолокационного зондирования использовался резонансный брэгговский механизм рассеяния радиоволн, который принимает во внимание только рассеяние на мелкомасштабных неровностях морской поверхности (ряби), длина волны которых сравнима с длиной волны зондирующего сигнала, а высота значительно меньше длины электромагнитной волны. Резонансный механизм рассеяния позволяет адекватно интерпретировать данные дистанционного зондирования при умеренных углах зондирования.

Однако при настильных углах зондирования появляются значительные отличия между данными наблюдений и предсказаниями брэгговской теории, особенно заметные на горизонтальной поляризации зондирующего излучения. Причем эти отличия имеют отнюдь не только количественный характер (обратно рассеянный сигнал на горизонтальной поляризации оказывается значительно больше, чем предсказывает резонансная теория). Часто наблюдаются качественные отличия, которые принципиально не объяснимы брэгговским механизмом, например, иногда наблюдаются резкие всплески обратно рассеянного сигнала, а также события, когда обратное рассеяние на горизонтальной поляризации оказывается интенсивнее, чем на вертикальной поляризации. Поэтому для более полного описания рассеяния радиоволн на морской поверхности необходимо рассматривать также нерезонансные механизмы рассеяния, связанные с рассеянием на крутых и немалых неровностях. Рассеяние на таких неровностях не охватывается резонансной теорией и требует разработки методов описания рассеяния радиоволн на обрушениях.

Вклад крутых обрушающихся волн необходимо принимать во внимание также и при интерпретации радиометрических наблюдений, поэтому следует рассмотреть тепловое излучение обрушающихся волн и оценить его влияние на наблюдаемую радиояркостную температуру океана.

Перечисленные выше проблемы являются предметом исследования данной диссертационной работы, что и определяет ее актуальность.

Основная цель работы состоит в исследовании нерезонансных и поляризационных особенностей рассеяния и теплового излучения морской поверхности при настильных углах наблюдения.

Достижение этой цели потребовало выполнения широкого круга исследований, которые включали в себя:

1) анализ экспериментальных данных по обратному рассеянию радиоволн на настильных углах наблюдения и выявление основного источника дополнительного рассеяния (крутые волны мезомасштабного спектра), не учтенного стандартной двухмасштабной моделью; в сущности речь идет о разработке трехмасштабной модели поверхностного волнения, отличающейся от стандартной двухмасштабной модели введением возмущений мезомасштабного спектра;

2) вычисление сечений обратного рассеяния микроволн короткого сантиметрового диапазона на крутых обрушающихся волнах для двух ортогональных поляризаций при настильных углах зондирования, анализ полученных результатов и их сравнение с экспериментальными данными и имеющимися результатами численных исследований;

3) получение оценок вклада крутых обрушающихся волн в радиояркостный контраст при настильных углах наблюдения для двух ортогональных поляризаций и анализ полученных результатов.

Научную новизну результатов, представленных в диссертации, можно резюмировать следующим образом:

1. Показано, что мезомасштабные крутые обрушающиеся волны являются наиболее вероятным источником дополнительного, не учтенного традиционной брэгговской моделью, обратного рассеяния при настильных углах зондирования в коротком сантиметровом диапазоне микроволн. Таким образом, стандартная двухмасштабная модель дополнена третьим, промежуточным масштабом.

2. Впервые аналитически рассчитан вклад крутых обрушающихся волн в сечение обратного рассеяния на двух ортогональных поляризациях при настильных углах наблюдения. Показано, что сечение обратного рассеяния при настильных углах зондирования на горизонтальной поляризации может значительно превышать сечение на вертикальной поляризации. Тем самым дано объяснение имеющимся экспериментальным данным по дистанционному зондированию морской поверхности на настильных углах.

3. Впервые оценен вклад крутых обрушающихся волн в радиояркостную температуру океана и показано, что этот вклад может оказаться значительным при наблюдении с близкого расстояния, что может приводить к появлению всплесков наблюдаемой яркостной температуры при попадании крутой волны в поле зрения. Это явление подобно хорошо известным всплескам обратного рассеяния, возникающим при тех же обстоятельствах.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Крутые обрушающиеся волны средних масштабов дают значительный вклад в сечение обратного рассеяния микроволн Х-диапазона при настильных углах наблюдения и позволяют объяснить экспериментально наблюдаемые особенности обратного рассеяния при настильных углах зондирования: наличие всплесков обратно рассеянного сигнала, высокий доплеровский сдвиг на горизонтальной поляризации и превышение интенсивности рассеяния на горизонтальной поляризации над интенсивностью рассеяния на вертикальной поляризации.

2. Крутые обрушающиеся волны средних масштабов могут обусловливать значительные изменения радиояркостного контраста при наблюдении с близких расстояний и приводить к появлению всплесков радиояркостной температуры при попадании крутых волн в область, видимую радиометром.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, двух глав и заключения. В ней содержится 70 страниц машинописного текста, в том числе 21 рисунок. Библиография включает 49 наименований.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Чурюмов, Антон Николаевич

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Показано, что мезомасштабные крутые обрушающиеся волны являются наиболее вероятным источником дополнительного, не учтенного брэгговской теорией, обратного рассеяния при настильных углах наблюдения в коротком сантиметровом диапазоне длин волн. Двухмасштабная модель, дополненная крутыми мезомасштабными волнами, позволяет рассматривать рассеяние микроволн на морской поверхности в рамках трехмасштабной модели рассеяния.

2. Рассчитаны сечения обратного рассеяния на таких обрушающихся волнах для вертикальной и горизонтальной поляризаций. Показано, что нерезонансное рассеяние на крутых обрушающихся волнах позволяет объяснить наблюдаемые поляризационные особенности обратного рассеяния при настильных углах зондирования, в частности, высокий доплеровский сдвиг на горизонтальной поляризации, превышение интенсивности рассеяния на горизонтальной поляризации над интенсивностью рассеяния на вертикальной поляризации и наличие всплесков обратно рассеянного сигнала, особенно заметных на горизонтальной поляризации. Установлено, что основными причинами значительных поляризационных различий являются интерференция между различными каналами рассеяния и брюстеровское ослабление вертикально поляризованного излучения на настильных углах. Резкая анизотропия обратного рассеяния на крутых обрушающихся волнах позволяет судить о преимущественном направлении их распространения, которое может свидетельствовать о направлении движения внутренних волн или о направлении ветра.

3. Проанализирована роль крутых обрушающихся волн в формировании теплового излучения океана и получены оценки их вклада в приращение яркостной температуры на двух поляризациях с помощью модели обрушающейся волны в виде наклоненной площадки. Показано, что этот вклад может оказаться существенным при наблюдении с близкого расстояния. Сделан вывод, что основными причинами значительных (по модулю) приращений яркостной температуры, вызванных крутыми обрушающимися волнами, являются их крутизна и возможность переотражения электромагнитных волн. Отмечено, что

64 при попадании обрушающейся волны в поле зрения радиометра должны наблюдаться всплески наблюдаемой яркостной температуры, аналогичные всплескам обратного рассеяния, имеющим место при тех же условиях. Автор выражает глубокую благодарность своему руководителю профессору Юрию Александровичу Кравцову за внимательное руководство, а также Марине Ивановне Митягиной, Юрию Гаевичу Трохимовскому и Михаилу Григорьевичу Булатову за многочисленные полезные обсуждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Чурюмов, Антон Николаевич, 2000 год

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

2. Исимару А., Распространение и рассеяние волн в случайно неоднородных средах, 2 тома, М., Мир, 1981, т. 1 — 280 стр., т. 2 — 317 стр.

3. Wright J. W., A new model for sea clutter // IEEE Trans. Antennas Propag., 1968 Feb., V. 16, pp. 217-223.

4. Valenzuela G. R., Theories for the interaction of electromagnetic and ocean waves—A review // Boundary Layer Meteorol., 1978, V. 13, pp. 61-85.

5. Beckmann P., Spizzichino A., The scattering of electromagnetic waves from rough surface, New York: McMillan, 1963.

6. Рытое С. M., Кравцов Ю. А., Татарский В. И., Введение в статистическую радиофизику, ч. 2. Случайные поля, М., Наука, 1978, 436 с.

7. Райзер В. Ю., Черный И. В., Микроволновая диагностика поверхностного слоя океана, С.-Пб., Гидрометеоиздат, 1994.

8. Guinard N. W„ Ransone J. Т., Daley J. С., Variation of the NRCS of the sea with increasing roughness, J. Geophys. Res., 1971, V. 76, pp. 1525-1538.

9. Gasparovic R. F. and Etkin V. S., An overview of the joint US/Russia Internal Wave Remote Sensing Experiment // Proceedings of IGARSS'94, Pasadena, С A, USA, Aug 8-12, 1994, pp. 741-743.

10. Кравцов Ю. А., Литовченко К. Ц., Митягина М. И., Радиолокационные исследования внутренних волн в океане и атмосфере // Труды VI Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах», Красно-видово, май 1998, С. 95-96.

11. Кравцов Ю. А., Митягина М. И., Лунгин В. Г., Яковлев В. В., Проявления конвективных процессов в приводном слое атмосферы на радиолокационных изображениях морской поверхности // Исследование Земли из космоса, 1996, № 1,С. 3-14.

12. Plant W. J., A model for microwave Doppler sea return at high incidence angles: Bragg scattering from bound, tilted waves // J. Geophys. Res., 1997, V. 102, No. C9, pp. 21131-21146.

13. Zavorotny V. U. and Voronovich A. G., Two-scale model and ocean radar Doppler spectra at moderate- to low-grazing angles // IEEE Trans. Ant. and Propag., 1998, V. 46, No. 1, pp. 84-92.

14. Lee P. H. Y., Barter J. D., Beach K. L., Hindman C. L., Lake В. M., Run-galdier H., Shelton J. C., Williams А. В., Yee R., Yuen H. С., X band microwave backscattering from ocean waves // J. Geophys. Res., 1995, V. 100, No. C2, pp. 2591-2611.

15. Lee P. H. Y., Barter J. D., Caponi E., Caponi M., Hindman C. L., Lake В. M., Rungaldier H., Wind speed dependence of small-grazing-angle microwave back-scatter from sea surfaces // IEEE Trans. Antennas Propag., 1996, V. AP-44, No. 3, pp. 333—340.

16. Лейкин И. А., Островский И. E., Розенберг А. Д., Рускевич В. Г., Фукс И. М., Влияние длинных волн на энергетический спектр радиосигналов, рассеянных поверхностью моря // Изв. вузов: Радиофизика, 1975, Т. 18, № 3, С. 346—357.

17. Rino С. L. and Ngo H. D., Numerical simulation of low-grazing-angle ocean microwave backscatter and its relation to sea spikes // IEEE Trans. Ant. and Propag. 1998, V. 46, No. 1, pp. 133-141.

18. Kalmykov A. I. and Pustovoytenko V. V., On polarization features of radio signals scattered from the sea surface at small grazing angles // J. Geophys. Res., 1976, V. 81, No. 12, pp. 1960-1964.

19. Liu Y., Frasier S. J., Mcintosh R. E., Measurement and classification of low-grazing-angle radar sea spikes // IEEE Trans. Ant. and Propag., 1998, V. 46, No. 1, pp. 27-40.

20. Lyzenga D. R., Maffett A. L., Shuchman R. A., The contribution of wedge scattering to the radar cross section of the ocean surface // IEEE Trans. Geosc. Remote Sens., 1983, V. 21, No. 4, pp. 502-505.

21. Lyzenga D. R. and Erics on E. A., Numerical calculations of radar scattering from sharply peaked ocean waves // IEEE Trans. Geosc. Remote Sens., 1998, V. 36, No. 2, pp. 636-646.

22. Кравцов Ю. А., Митягина M. К, Чурюмов A. H., Нерезонансный механизм рассеяния электромагнитных волн на морской поверхности: рассеяние на крутых заостренных волнах // Изв. вузов. Радиофизика. 1999, Т. 42, № 3, С. 240-254.

23. Кравцов Ю. А., Митягина М. И., Чурюмов А. Н., Рассеяние электромагнитных волн на мезомасштабных обрушающихся волнах на морской поверхности // Известия РАН. Серия физическая, 1999, Т. 63, № 12, С. 2403-2410.

24. Churyumov А. N. andKravtsov Yu. A., Microwave Backscatter from Mesoscale Breaking Waves on the Sea Surface // Waves in Random Media, 2000, V. 10, No. 1, pp. 1-15.

25. Кравцов Ю. А., Литовченко К. Ц., Митягина M. И., Чурюмов А. Н., Резонансные и нерезонансные явления при микроволновом дистанционном зондировании поверхности океана // Радиотехника, 2000, № 1, С. 61-73.

26. Kwoh D. S. W. and Lake В. М., A deterministic, coherent, and dual-polarized laboratory study of microwave backscattering from water waves, Part I: Short gravity waves without wind // IEEE J. Oceanic Eng., 1984, V. OE-9, No. 5, pp. 291-308.

27. Sletten M. A., Multipath scattering in ultrawide-band radar sea spikes // IEEE Trans. Ant. and Propag., 1998, V. 46, No. 1, pp. 45-56.

28. Bonmarin P., Geometric properties of deep water breaking waves // J. Fluid Mech., 1989, V. 209, pp. 405-433.

29. Hanson S. G. and Zavorotny V. U., Polarization dependency of enhanced mul-tipath backscattering from an ocean-like surface // Waves Rand. Med., 1995, V. 5, pp. 159-165.

30. Trizna D. В., A model for Brewster angle damping and multipath effects on the microwave radar sea echo at low grazing angles // IEEE Trans. Geosc. Remote Sens., 1997, V. 35, No. 5, pp. 1232-1244.

31. Barabanenko Yu. N., Kravtsov Yu. A., Ozrin V. D., Saichev A. I., Enhanced back-scattering in optics 11 Progress in Optics (Editor E. Wolf), 1991, V. 29, pp.67197.

32. Боровиков В. А., Кинбер Б. E., Геометрическая теория дифракции, М., Связь, 1978.

33. Holliday D., DeRaadL. L., St-Cyr G, J., Sea spike backscatter from a steepening wave//IEEE Trans. Ant. and Propag., 1998, V. 46, No. 1, pp. 108-113.электродинамике, M., 1967, 307 c.

34. Ильин В. А., Каменецкая M. С., Райзер В. Ю. и др., Радиофизические исследования нелинейных поверхностных волн // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1988, Т. 24, № 6, С. 640—646.

35. Haimbach S. P., Wu J., Directional slope distributions of wind-disturbed water surface // Radio Sci., 1986, V. 21, No. 1, P. 73—79.

36. Wu S. Т., Fung A. K., A noncoherent model for microwave emissions and back-scattering from the sea surface // J. Geophys. Res., 1972, V. C77, No. 30, pp. 5917—5929.

37. Кравцов Ю. А., Мировская E. А., Попов A. E., Троицкий И. А., Эткин В. С., Критические явления в тепловом излучении периодически неровной водной поверхности // Известия АН СССР, Сер. Физика атмосферы и океана, 1978, Т. 14, № 7, С. 733-739.

38. Трохимовский Ю. Г., Модель радиотеплового излучения взволнованной морской поверхности // Исследование Земли из космоса, 1997, №1, С. 39-49.

39. Михайлова Д. В., Фукс И. М, Излучательная способность статистически неровной поверхности с учетом многократных отражений // Радиотехника и электроника, 1993, № 6, С. 1016-1025.

40. Liebe Н. J., МРМ — An atmospheric millimeter-wave propagation model // Intern. J. of Infrared and Millimeter Waves, 1989, V. 10, № 10, pp. 631-650.