автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.12, диссертация на тему:Рассеяние радиолокационного сигнала морской поверхностью при скользящих углах зондирования

Р Г Б Ой 1 о АПР 1995

На правах рукописи

Яковлев Виталий Витальевич

РАССЕЯНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ПРИ СКОЛЬЗЯЩИХ УГЛАХ ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность - 05.07.12 - Дистанционные аэрокосмические исследования

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1995

Работа выполнена в Институте космических исследований Российской Академии Наук

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор B.C. Эткнн

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор В.П. Яковлев, Государственная академия нефти и газа, г.Москва - кандидат физико-математических наук Ю.В. Гребешок, Центральный научно-исследовательский институт "Комета", г.Москва

Ведущая организация - Институт общей физики РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится " 1995р.

в " № " часов " ОО" минут на заседании диссертационного совета

Д.002.94.03 в Институте космических исследований РАН но адресу:

117810, г.Москва, уЛ. Профсоюзная, д. 84/32, подъезд Ns2.

j

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института космических исследований РАН.

Автореферат разослан "

Ученый секретарь

к.т.н. -^7/СЛ^^ М.Я. Натензон

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

В настоящее время радиолокационное (РЛ) зондирование является одним из основных методов дистанционного исследования как океанических процессов, так и процессов взаимодействия океана и атмосферы. Общепризнано, что наиболее информативными из средств активного дистанционного зондирования морской поверхности (МП) являются радиолокационные станции бокового обзора (РЛСБО) авиационного и космического базирования. Получаемые с их помощью двумерные распределения РЛ-сечения обратного рассеяния позволяют наблюдать пространственные характеристики изучаемых явлений, проводить структурный, спектральный и другие виды анализа интенсивности рассеянных полей и связанных с ними процессов на поверхности океана. Исследования трансформации спектра поверхностных волн на мелководье и градиентных течениях, определение областей разгона длинных гравитационных волн, изучение структуры внутренних волн в океане (ВВО) на протяженных участках МП от источника генерации до области разрушения, выявление пространственных характеристик конвективных процессов в атмосфере и т.д. не представляются возможными без привлечения аэрокосмических средств дистанционного зондирования. В настоящее время происходит переход от качественной интерпретации наблюдаемых явлений к количественному анализу степени их воздействия на поверхность океана и, соответственно, на глубину модуляции обратно рассеянного РЛ-сигнала. Тот факт, что диэлектрические свойства МП практически однородны, существенно облегчает анализ радиолокационных изображений (РЛИ) и позволяет связать интенсивность обратно рассеянного сигнала с геометрической шероховатостью поверхности океана.

РЛ-образ морской поверхности зависит от диапазона, поляризации и угла падения электромагнитной волны, что объясняется преобладанием тех или иных механизмов формирования обратно рассеянного РЛ-сигнала. Большинство широко известных радпогидрофпзичсских экспериментов, таких как MARINELAND, MARSEN, JOWIP, SARSEX, TOVVARD' и другие исследовании, проводились преимущественно n Х- и

Ь-диапазонах зондирования при вертикальной поляризации излучения и средних (область плато) углах падения электромагнитной волны. Модельные расчеты наблюдаемых гидрологических процессов, таких как, например, внутренние волны в океане, • выполненные в Ь-днапазонс в рамках теории резонансного рассеяния, показали хорошее соответствие с экспериментальными данными. Однако в более коротковолновом X-диапазоне расчеты оказались менее удовлетворительными даже в рамках двухмасштабной модели "рябь на крупной волне". Как известно из серии экспериментов "Восток", выполненных ИКИ РАН в период с 1977 по 1991г., в Ки-диапазоне и настильных углах зондирования формирование обратно рассеянного электромагнитного ноля имеет еще более сложный характер, .что, с одной стороны, связано с гидродинамическими особенностями модуляции брэгговских компонент волнения, а с другой - вовлечением дополнительных электродинамических механизмов рассеяния. Множественность и недостаточная изученность механизмов формирования и модуляции РЛИ МП как на вертикальной (ВВ), так и на горизонтальной (ГГ) поляризации не позволяет на данный момент времени построить однозначную передаточную функцию типа "морская поверхность - РЛ-сигнал". Для решения этой задачи необходимы как всесторонняя достоверная экспериментальная информация, так и теоретическая проработка возможных гидро- и электродинамических моделей. Перечисленные проблемы являются предметом исследования настоящей диссертационной работы, что и определяет ее актуальность.

Цель диссертационной работы

Цель работы состояла в экспериментальном исследовании и численном моделировании особенностей формирования РЛ-сигнала, рассеянного морской поверхностью в Ки-диапазоне при больших углах надеиия электромагнитной волны.

Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи: - разработка цифровой аппаратуры регистрации РЛ-изображсиий, отвечающей требованиям точности н современным видам анализа;

- разработка алгоритмов и программ сбора, первичной и целевой обработки РЛИ МП;

- анализ эффективности модуляции РЛИ МП иа ГГ и ВВ поляризации океаническими и атмосферными процессами;

- выявление характерных структурных особенностей РЛИ МП на ГГ и ВВ поляризации в зависимости от стратификации пограничного слоя атмосферы;

- исследование закономерностей формирования РЛ-образов поверхностных проявлений внутренних поли о океане н длинных гравитационных волн в зависимости от условий наблюдения;

- проведение численных модельных расчетов сечения обратного рассеяния МП на вертикальной и Горизонтальной поляризации с учетом эффекта многократных нереотраженнй.

Научная новизна диссертации

1. Разработан и реализован многоканальный комплекс цифровой регистрации РЛ-ИЗображеннй МП, превосходящий ранее существовавшие аналоги и обеспечивающий получение достоверных характеристик РЛ-рассеянных сигналов, высокоточную пространственную привязку РЛ-изображеннЙ, автоматизацию научных исследований с использованием компьютерной техники.

2. Впервые на основе статистического анализа РЛИ МП К„-днапаэоиа получены комплексные количественные поляризационные зависимости модуляции РЛ-сиптла поверхностными проявлениями ВВО (ППВВО) от устойчивости пограничного слоя атмосферы, азимута визирования, угла зондирования относительно ветра и угла падения зондирующей волны.

3. Впервые иа оснопс количественного анализа экспериментальных данных показана важная роль механизма модуляции источника при формировании РЛ-образов длинных гравитационных поверхностных полн.

4. Впервые проведено численное моделирование эффекта многократных нереотражений РЛ-сигнала морской поверхностью и получена оценка его вклада п сечение обратного рассеяния на ВВ к ГГ нолярнзаци-ях в К„-диапазонс зондирования для ветрового поверхностного волнения и для случая модуляции поверхностных волн течением, индуцированным внутренней полной.

Положения, пыносшше на защиту

На защиту выносятся:

1. Комплекс цифровой регистрации и пространственной привязки РЛ-изображени,1 подстилающей поверхности, разработанный для самолетной РЛСБО "НнтЬ'Сх" на базе 1ВМ совместимого компьютера и специализированных сигнальных процессоров, и также комплекс алгоритмов и программ первичной и целевой обработки цифровых изображений, предназначенных для: коррекции, фильтрации и пространственной привязки результатов РЛ-сьемки; определения статистических, модуляционных и спектральных характеристик различных океанических и атмосферных процессов,

2. Результаты статистического анализа экспериментальных данных но активному дистанционному зондированию ШЮ и выявленные па его основе закономерности формирования РЛ-образов впутрпиолпоиых возмущений в Кц-диапазоие зондирования на ВИ и ГГ поляризации. 1) частности, установлено:

- наличие двух ветвей регрессионной зависимости РЛ-коп трастов ППВВО на ВВ поляризации от РЛ-коиграстои па ГГ поляризации, соответствующих условиям устойчивой и неустойчивой стратификации пограничного слоя океан-атмосфера;

- двоякое влияние неустойчиво стратифицированного погранелон океан-атмосфера па РЛ-образы ППВВО, выражающееся в усилении модуляции РЛ-сишала внутриволновыми возмущениями и маскировании ППВВО в зависимости от условий наблюдения.

3. Результаты анализа особенностей формирования РЛ-образов длинных гравитационных воли в Кц'Диапазоие зондирования, па основании которого обоснована важная роль механизма модуляции источника -модуляции спектральной плотности ряби флюктуацнями скорости приповерхностного ветра, обусловленными наличием крупных воли,

4. Результаты комплексного анализа океанических и атмосферных процессов, на основании которого идентифицировано склоновое течение и интерпретирована модуляция пространственных масштабов конвективных процессии в пограничном слое океан-атмосфера в области свала глубин на обрыве континентального шельфа, <

5. Результаты модельных расчетов сечения обратного рассеяния МП при больших углах падения зондирующего сигнала, выполненных с учетом эффекта затенений и многократных переотражений. Установлю.о, что на ГГ поляризации вклад эффекта многократных переотражений в сечение обратного рассеяния оказывается существенным и составляет 25%, на ВВ поляризации вклад незначителен и составляет 5%. Прн модуляции спектра поверхностного волнения течением, индуцированным внутренней волной в океане, отношение удельного сечения обратного рассеяния в сулое к среднему невозмущеиному фоновому значению при угле падения £=75° па вертикальной поляризации составляют ~ 1,1, а на горизонтальной ~2,5.

Практическая ценность н прикладное значение

Схемные и алгоритмические решения, полученные при разработке комплекса цифровой регистрации и пространственной привязки РЛ-изображений, могут быть использованы при создании штатной аэрокосмической аппаратуры, а гибкое сочетание программных и аппаратных средств позволяет использовать данную разработку п таких областях дистанционного зондирования, как мстеолокация, теплолокация и т.д.

Разработанное программное обеспечение является универсальным и может быть использовано для статистического, спектрального и др. видов анализа радиолокационных, оптических и др. типов изображений. Отдельные компоненты программного обеспечения переданы в составе радиогидрофизнческого программного комплекса в ИРЭ РАН для использования в космическом проекте "Природа".

Методика и алгоритмы, использованные для численного моделирования рассеяния РЛ-сигиала, основаны на анализе геометрии подстилающей поверхности с учетом эффектов затенений и многократных переотражений, что позволяет использовать их для любых профилей поверхности при решении задач распространения и рассеяния радиоволн.

Диссертация выполнена п соответствии с научными планами ИКИ РАН, ее результаты вошли в 4 отчета.

Личный вклад автора

Результаты, изложенные и диссертации, получены автором самостоятельно или на рапных правах с соавторами. Автору принадлежит: разработка аппаратно-программного комплекса цифровой регистрации РЛИ; непосредственное участие в натурных экспериментальных работах в состапс научного экипажа самолета-лаборатории "Ту-134Сх"; интерпретация полученных с помощью разработанного устройства цифровых РЛИ МП; постановка задачи, разработка алгоритмов и создание комплекса программ для численного моделирования рассеяния РЛ-снгнала морской поверхностью.

Апробация результатов

Результаты, вошедшие в диссертацию, получены автором в период с 1989 по 1994 год. Они докладывались на: Всесоюзной конференции "Использование спутниковой информации в исследовании океана и атмосферы", г.Звенигород (1989г.), III Международной школе-семинаре по космическим исследованиям, г.Суздаль (1991г.), Всесоюзной конференции-семинаре по спутниковой гидрофизике, г.Севастополь (1991г.), а также па трех Международных симпозиумах по наукам о Земле и дистанционному зондированию: IGARS&92, США, Хьюстон (1992г.), lGARSWZ Япония, Токио (1993г.), IGARSS'94, США, Пасадена (1994г.).

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, Перечисленных в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из «ведения, 4 глав, заключения и приложения. I) ней содержится 175 страницы маашнопиеппго текста, в том числе 49 рисунков и 5 таблиц. Библиография включает 157 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, ставятся основные задачи исследований, раскрывается научная новизна полученных результатов, формулируются положения, выносимые на защиту, и дается краткий обзор содержания работы.

Первая глава содержит обзор литературы по дистанционному зондированию морской поверхности. В ней рассматриваются механизмы формирования обратно рассеянного РЛ-сигнала, электродинамические модели морской поверхности, модели пространственных спектров поверхностного волнения, а также приводится обзор радиогидрофизических натурных экспериментов, в котором основное внимание уделяется исследованию формирования РЛ-образов поверхностных проявлений внутренних волн в океане и энергонесущих компонент поверхностного волнения. Анализ литературы показал, что в коротковолновых СВЧ диапазонах при больших углах падения зондирующего сигнала проблема определения параметров морской поверхности по радиолокационным данным на настоящий момент времени остается открытой.

На основании проведенного обзора литературы в последнем параграфе главы формулируются цели диссертационной работы.

Во второй главе приводится описание разработанного автором комплекса цифровой регистрации и пространственной привязки РЛ-рассеянных сигналов, а также программного обеспечения но сбору, первичной и целевой обработке РЛ-изображений морской поверхности. Проблема заключается в том, что широко используемые в настоящее время самолетные радиолокационные станции бокового обзора земной поверхности оснащены технически и функционально несовершенными устройствами регистрации, в основу которых часто заложены фотоэлектронные принципы, не обеспечивающие точности, надежности и возможности воспроизведения РЛ-информации без потери качества. Активно развивающиеся средства вычислительной техники позволяют совершенствовать методы и аппаратуру регистрации рассеянных РЛ-сигналов, а использование современных компьютеров для обработки РЛИ позволяет автоматизировать процесс научных исследований.

Выносимый на защиту комплекс разработан на базе персонального

компьютера типа 1ВМ РС/АТ и ориентирован на серийную самолетную РЛСБО "Нить-Сх". Комплекс обслуживает 4 капала приема и накопления РЛ-информации, поступающей от радиолокаторов левого и правого борта на двух поляризациях зондирующего сигнала, а также канал приема навигационной информации.

В состав комплекса входят аппаратно-программные интерфейсы сопряжения с РЛСБО "Нить-Сх" и бортовой ЦВМ навигационного комплекса "МАК". Комплекс выполняет следующие основные функции:

-преобразование в реальном времени аналоговых сигналов с видеовыходов РЛС в цифровую форму;

-синхронное цифровое накопление сигналов с учетом весовой коррекции диаграммы направленности антенны и динамического диапазона РЛ-сигнала в течение заданного интервала времени (количество накапливаемых РЛ эхо-сигналов определяется автоматически на основании текущей путевой скорости носителя и пространственного разрешения по азимуту или устанавливается оператором);

-привязка накопленных сигналов к навигационным параметрам; -вывод накопленных сигналов на устройства массового хранения информации;

-оперативная индикация радиолокационной обстановки по данным накопленных сигналов.

Основные технические характеристики разработанного интерфейса РЛСБО "Нить-Сх" приведены в таблице.

Технические характеристики разработанного интерфейса РЛСБО

Полоса пропускания видеоусилителя Диапазон цифровой автоматической регулировки усиления видеоусилителя Разрядность аналого-цифрового преобразователя Частота дискретизации Количество накапливаемых строк (РЛ эхо-сигналов) Число элементов разрешения по дальности на строку Полоса обзора Динамический диапазон накапливаемого сигнала Количество каналов приема

3 МГц -10..+10 дБ

8 разрядов

6 МГц 1+511

512

12,5 км 16 разрядов

Для оперативного управления комплексом цифровой регистрации РЛ-снгналов и пространственной привязки РЛ-изображепий используется навигационная информация, поступающая от бортовой навигационной ЦВМ. Основными регистрируемыми параметрами являются: географические долгота и широта местоположения носителя, курс съемки, высота полета, путевая скорость, угол сноса, крена и тангажа.

Программное обеспечение первичной обработки радиолокационной и навигационной информации предназначено для:

- геометрической коррекции РЛ-изображений: преобразование наклонной дальности в истинную, компенсация сноса и др.;

- яркостной коррекции РЛ-изображений: компенсация неравномерности диаграммы направленности по дальности, оптимизация динамического диапазона сигнала и др.;

- географической и топографической (батиметрической) привязки РЛ-изображений по навигационным данным.

Программное обеспечение целевой радиогидрофизической обработки радиолокационных изображений предназначено для:

- определения модуляции обратно рассеянных РЛ-сигналов разного рода атмосферными и океаническими процессами;

- исследования статистических характеристик обратно рассеянных РЛ-сигналов;

- одномерного и двумерного спектрального анализа пространственных вариаций волнового поля и приповерхностного ветра на основе преобразований Фурье, Хартли и Адамара-Уолша.

Программное обеспечение целевой обработки РЛИ выполнено в основном в виде интегральной графической интерактивной среды.

Разработанный аппаратно-программный комплекс использовался при проведении ряда натурных экспериментов. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о высоких технических характеристиках устройства цифровой регистрации, а результаты обработки - о широких функциональных возможностях разработанного программного обеспечения.

В третьей главе анализируются результаты совместного российско-американского натурного аэрокосмкческого эксперимента но дистанционному зондированию внутренних волн в океане ЛГБЯЕХ, выполненного в

области свала глубин на обрыве континентального шельфа к юго-востоку от о. Лонг-Айленд в 1992г.

Эксперимент проводился в условиях высокой циклонической активности, которая обуславливала частую смену состояний пограничного слоя океан-атмосфера. Средняя скорость ветра составляла 7м/с, среднее направление - вдоль обрыва континентального шельфа по нормали к направлению волновых векторов ВВО основной системы.

Структурный анализ результатов РЛ-съсмки, выполненной с использованием космического радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА) Е115-1, самолетного РСА БС-8 и самолетной РЛСБО "Нить-Сх" в Р-, Ь-, С- и Ки-диапазонах зондирования, показал, что в условиях неустойчивой стратификации пограничного слоя океан-атмосфера наиболее чувствительным к пульсациям приповерхностного иетра, вызванным конвективными процессами и турбулентностью, является Ки-диапазон при вертикальной поляризации зондирующего сигнала. Отмечено, что высокая чувствительность к атмосферным процессам ве является особенностью рассеяния на скользящих углах, а определяется малым временем релаксации резонансно рассеивающей ряби с Л«1,2см.

На основании топографической привязки результатов площадной РЛ-съсмки синтезировано пространственное поле внутрпволновых возмущений в океане и идентифицированы источники генерации внутренних волн в районе проведения эксперимента; получены оценки средней за приливной цикл групповой скорости распространения пакетов ВВО и фазовой скорости уединенных ВВО.

Анализ РЛ-контрастов ППВВО в К„-диапазонс выявил их сильную зависимость от стратификации пограничного слоя океан-атмосфера. Если при устойчивой стратификации пограислоя РЛ-контрасты внутри-океанических процессов на ГГ и ВВ поляризации отличаются в основном количественно, то при неустойчивой стратификации РЛ-образы ППВВО могут отличаться качественно. Характер этого отличия зависит как от взаимных направлений визирования, ветра и распространения ВВО, так и от степени развитости конвективных процессов и турбулсптности в атмосфере. Показано, что регрессионная зависимость Р'Л-коитрастов ППВВО на ЬВ поляризации от РЛ-контрастов на ГГ поляризации имеет две ветви в соответствии с условиями стратификации пограислоя. РЛ-

и

контрасты ППВВО на ВВ поляризации в условиях неустойчивой стратификации погранслоя превосходят наблюдаемые при устойчивой стратификации, однако при определенных условиях (при зондировании вдоль среднего направления ветра или в условиях сильно развитой конвекции при зондировании поперек направления ветра) - могут полностью отсутствовать.

На основании статистического анализа получепы количественные зависимости модуляции обратно рассеянного РЛ-сигнала в Ки-диапазоне при скользящих углах зондирования течениями, индуцируемыми ВВО, от поляризации излучения, азимута визирования, угла зондирования относительно ветра и угла падения зондирующего сигнала. Проведено сопоставление результатов синхронной аэрокосмической съемки ППВВО в Р-, Ь-, С- и Ки-диапазонах зондирования. Несмотря на то, что гидроэлектроди-иамичсские механизмы модуляции РЛ-сигнала в Р- и Ки-дианазонах различны, было установлено, что эти диапазоны являются наиболее эффективными для обнаружения поверхностных проявлений ВВО.

Анализ условий успешного РЛ-обнаружения длинных гравитационных поверхностных волн (ДГПВ) в Кц-диапазоне зондирования с учетом направлений распространения, зондирования и ветра показал, что ДГПВ регистрировались исключительно в тех случаях, когда вектор скорости приповерхностного ветра имел компоненту, совпадающую (или противонаправленную) с направлением зондирования. При этом взаимные направления зондирования и распространения ДГПВ не имели столь критичного значения. При зондировании поперек направления ветра длинные ДГПВ независимо от направления распространения не идентифицировались. Это послужило основанием для предположения о том, что одним из механизмов модуляции РЛ-сигнала ДГПВ с периодами, лежащими в диапазоне, ограниченном снизу характерным временем возбуждения резонансной ряби, а сверху - ее изотропизации, является модуляция спектральной плотности ряби флюктуациями скорости приповерхностного ветра, обусловленными наличием крупных волн. Проведенные оценки инкремента роста брэгговских компонент поверхностного волнения'под действием приповерхностного ветра в совпадающем и ортогональных направлениях подтвердили выдвинутое предположение.

Проведен комплексный анализ взаимодействия различных океанических и атмосферных процессов, выполненный с использованием взаимодополняющих средств активного и пассивного ДЗ. На основе спектрального анализа РЛИ МП обнаружена рефракция длинных гравитационных волк в области свала глубин на обрыве континентального шельфа и идентифицировано склоновое течение. Проведена оценка скорости течения. Наблюдаемое по РЛИ изменение пространственных масштабов конвективных процессов в пограничном слое атмосферы в районе течения интерпретировано на основе вдольтрассового профиля температуры поверхности океана, восстановленного по радиометрическим измерениям. Установлено, что течение является разделом между холодными шельфо-выми водами и океаническими водами, находящимися под влиянием теплого Гольфстрима. Результаты совместного аиализа радиолокационных и радиометрических данных свидетельствуют о высокой эффективности комплексных исследований МП с привлечением взаимодополняющих средств активного и пассивного зондирования.

В четвертая главе методами численного моделирования исследуется вклад в обратно рассеянный РЛ-сигнал механизма многократного переотражения в рамках двухмасштабного приближения морской поверхности. Эффект увеличения сечения обратного рассеяния при многократ-. ных переотражениях возникает из-за того, что два луча, проходящие один и ¿тот же замкнутый путь (от излучателя через несколько элементов поверхности к приемнику, совмещенному с излучателем) в противоположных направлениях, складываются когерентно. Поскольку при скользящих углах зондирования коэффициент отражения на ГГ поляризации значительно превышает значения коэффициента отражения на ВВ поляризации, следует ожидать, что учет переотражений должен быть существенным прежде всего для вычисления сечения обратного рассеяния на горизонтальной поляризации.

Элементы поверхности, в которых происходит переотражение, определялись на основе геометрического анализа' модельной реализации поверхности, затененные участки поверхности исключались из общей статистики. При проведении расчетов предполагалось, что отражающий элемент поверхности является плоским и имеет достаточные размеры для того, чтобы было оправдано пренебрежение дифракционными эффектами.

Не учитывались также малые поправки к коэффициенту зеркального отражения, обусловленные шероховатостью поверхности. Крупные неоднородности поверхности считались цилиндрическими (не зависящими от координаты, перпендикулярной плоскости излучения). Удельное сечение обратного рассеяния определялось методом малых возмущений (в рамках двухмасштабного приближения "рябь на крупной волне").

Часть расчетов удельного сечения обратного рассеяния выполнена для разрезов, моделирующих поверхность с энергонесущими компонентами волнения, трансформированными наличием градиента течения, вызванного внутренней волной.

Проведенные исследования показали, что для принятой модели спектра поверхностного волнения на углах наблюдения 0~75+85° вклад механизма многолучевого рассеяния оказывается существенным прежде всего на горизонтальной поляризации и составляет ~25% по сравнению с сечением обратного рассеяния, рассчитанного в рамках двухмасштабного приближения. В случае вертикальной поляризации эффект оказывается несущественным и составляет ~5%. При модуляции спектра поверхностного волнения течением, индуцированным внутренней волной в океане, относительная величина вклада многократных переотражений существенно не меняется, а ее максимум перемещается в область меньших углов наблюдения, при этом РЛ-контрасты в сулое в при угле падения #=75° на вертикальной поляризации составляют ~ 1,1, а на горизонтальной —2,5. Необходимо отметить, что в последнем случае эффект непосредственной модуляции брэгговских (Ля1,2см) компонент спектра внутренней полной не учитывался, и эффект воздействия внутренней волны сводится к модуляции резонансных с нею компонент спектра поверхностного волнения. В расчетах использовалась модель спектра МП Донелана-Пирсона, которая в дальнейшем может быть уточнена с учетом влияния устойчивости пограничного слоя атмосферы, распределения мелких волн по более крупным и т.д. Кроме того, модель многократного персотражения допускает дальнейшее развитие с учетом эффектов обрушений, которые могут существенно увеличить вклад этого механизма и улучшить сте'пеиь соответствия результатов расчета с данными наблюдений.

Заключение содержит основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработан и реализован комплекс цифровой регистрации и пространственной привязки РЛ-изображений подстилающей поверхности, превосходящий ранее существовавшие аналоги как по техническим характеристикам, так и по функциональным возможностям и позволивший автоматизировать процесс научных исследований. Разработаны драйверы оригинальных периферийных устройств и программное обеспечение сбора РЛ и навигационной информации реального масштаба времени.

2. Разработан комплекс алгоритмов и программ первичной и целевой обработки РЛИ МП, предназначенных для:

- географической и топографической привязки РЛИ;

- геометрической и яркостной коррекции РЛИ;

- шумовой и целевой фильтрации РЛИ;

- определения модуляции обратно рассеянных РЛ-сигналов атмосферными и океаническими процессами;

- исследования статистических характеристик обратно рассеянных РЛ-сигналов;

- спектрального анализа пространственных вариаций волнового поля и-приповерхностного ветра.

3. Разработанный комплекс цифровой регистрации РЛИ был использован при проведении российско-американского аэрокосмического эксперимента по дистанционному зондированию внутренних волн в океане ДиБИЕХ-Эг. С его помощью автором были получены экспериментальные данные, которые и составили основу диссертационной работы.

4. Проведен структурный анализ .РЛИ МП, полученных на ВВ и ГГ поляризации в Ки-диапазоне зондирования. Установлено, что в силу малого времени релаксации резонансно рассеивающих волн ряби с Л=1,2см и слабой зависимости интенсивности обратного рассеяния от уклонов более крупных волн РЛИ МП на ВВ в большей степени отражают атмосферные процессы. Установлено, что в силу меньшей чувствительности к спектральной плотности брэгговских компонент волнения и высокой чувствительности к изменению локального угла рассеяния при больших углах падения зондирующего излучения РЛИ МП на ГГ поля-

ризации в'болынен степени отражают процессы, происходящие и океане. Результаты анализа подтверждаются модельными расчетами. Таким образом, сопоставление РЛИ МП К„-диапазона на ВВ и ГГ поляризации позволяет классифицировать и разделить источники модуляции РЛ-снгнала по принадлежности к атмосферным и океаническим процессам.

5. На основании сравнительного структурного анализа РЛИ МП, полученных в Ки-, С-, Ь- и Р-диапазонах зондировании, установлено, чг<> наиболее чувствительным к стратификации пограничного слоя атмосферы является К,.-диапазон. Анализ модуляционных характеристик океанических процессов в Ки-диапазоне зондирования должен проводиться г учетом стратификации пограничного слоя атмосферы.

6. На основе площадной съемки на пространственном масштабе, позволяющем проследить движение пакетов ВВО в течение четырех приливных циклов, синтезировано ноле внутрнволновых возмущений к северо-востоку от о. Лонг-Айленд. Топографическая привязка синтезированного изображения позволила идентифицировать два источника генерации ВВО в районе эксперимента - область свала глубин на обрыве континентального шельфа и Гудзон-каньон.

7. Впервые по результатам синхронной аэрокосмическон съемки ППВВО проведен совместный количественный анализ модуляции обратно рассеянного РЛ-сигнала в Ки-, С-, Ь- и Р-диапазонах зондирования. Показано, что наиболее эффективными для обнаружения ВВО являются Р- и Ки-диапазоны зондирования.

8. Выполнен статистический анализ особенностей отображения ВВО в РЛИ МП. Впервые получены комплексные количественные поляризационные зависимости РЛ-коитрастов ППВВО в К„-диапазоне зондирования от стратификации пограничного слоя атмосферы, азимута визирования, угла зондирования относительно ветра и угла падения электромагнитной волны. Показано, что для адекватной оценки индуцируемых ВВО течений на поверхности океана необходим учет всех указанных зависимостей.

9. Проанализированы особенности формирования РЛ-обра.юи длинных гравитационных волн в Ки-дианазоне зондирования. Впервые на основании экспериментальных количественных исследований зависимо! ш модуляции РЛП МП длинными гравитационными волнами от азимут;"

визирования и угла зондирования относительно ветра показана важная роль механизма модуляции источника - модуляции спектральной плотности ряби флюктуациями скорости приповерхностного ветра, обусловленными наличием крупных волн.

10. Проведен комплексный анализ взаимодействия различных океанических и атмосферных процессов, выполненный с использованием взаимодополняющих средств активного и пассивного ДЗ. На основе спектрального анализа РЛИ МП обнаружена рефракция длинных гравитационных волн и идентифицировано склоновое течение. Проведена оценка скорости течения. Наблюдаемое по РЛИ изменение пространственных масштабов конвективных процессов в пограничном слое атмосферы в районе течения интерпретировано на основе вдольтрассового профиля температуры поверхности океана, восстановленного по радиометрическим измерениям. Установлено, что течение является разделом между холодными шельфовыми водами и океаническими водами, находящимися под влиянием теплого Гольфстрима.

11. Проведено численное моделирование рассеяния РЛ-сигнала морской поверхностью, на основе которого были рассчитаны удельные сечения обратного рассеяния на ВВ и ГГ поляризации для случая плоской шероховатой поверхности, в рамках двухмасштабного приближения "рябь па крупной волне" с учетом эффекта затенений при больших углах зондирования и с учетом эффекта многократных псрсотражсний РЛ-сигнала морской поверхностью. Установлено, что на ГГ поляризации вклад эффекта многократных нереотражепий в сечение обратного рассеяния оказывается существенным и составляет 25%, па ВВ поляризации вклад незначителен и составляет 5%. При модуляции спектра поверхностного волнения течением, индуцированным внутренней волной в океане, РЛ-контрасты Г1ПВВО в сулое при угле падения 0=75° на вертикальной поляризации составляют ~ 1,1, а на горизонтальной ~2,5.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Расп М.Д., Смирнов А.В., Суслов А.И., Эткнн B.C., Якоплев В.В. Самолотные радиолокационные измерения параметров морского волнения. - Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Использование спутниковой информации в исследованиях океана и атмосферы", М., 1989, с.66.

Райзер В.Ю., Смирнов А.В., Эткин B.C., Яковлев В,В. Трансформация спектра поверхностного волнения в поле внутренней волны. - Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Использование спутниковой информации в исследованиях океана и атмосферы", М., 1989, с.63.

Трохнмовский Ю.Г., Яковлев В.В., Раев М.Д. Эффект многократного рассеяния радиолокационных сигналов морской поверхностью. -Препринт ИКИ РАН, Пр-1897, М., 1994, 25с.

Якоплев В.В. Комплекс цифровой регистрации и пространственной привязки радиолокационных изображений морской поверхности. -Препринт ИКИ РАН, Пр-1862, М., 1993, 25с.

Smlrnov А,V., Yakovlev V.V, Study of ocean surface features observed with airborne RAR and SAR A1MAZ-1 satellite. - Proceedings of ¡GARSST92, Houston, 1992, p.471-473.

Etkln V.S., Kuzmin A.V., Pospelov M.N., Smirnov A.I., Yakovlev V.V. Tlu: determination of sea surface wind and temperature with airborne radiometric data. - Proceedings of IGARSS43, Tokyo, 1993, p. 16221624.

Etkln V.S., Trokhinwvski Yu.G., Yakovlev V.V., Gasparovic R.F. Comparison analysis of Ku-band SLAR sea surface Images at VV and HH polarizations obtained during JUSREX. - Proceedings of 1GARSST94, Pasadena, 1994, p.744-746.

Trokhimovski Yu.G., Yakovlev V.V., Chapman R.D., Thompson D.R. The coherence of wind and radar data obtained during the joint US-Russia internal wave experiment. - Proceedings of ¡GARSS44, Pasadena, 1994, p.802-804.