ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 4, с. 62-77
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ^^^^^^^^^^
ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДИСПЕРСИИ НАКЛОНОВ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ВОЛН ПО РАДИОЛОКАЦИОННЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ В СВЧ-ДИАПАЗОНЕ
© 2012 г. В. Ю. Караев1*, М. А. Панфилова1, Г. Н. Баландина1, К. Чу2
1 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород 2Институт океанологии Китайской академии наук, Циндао * E-mail: volody@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 14.09.2011 г.
Для повышения достоверности извлекаемой из отраженного радиолокационного (РЛ) сигнала информации предложена оригинальная процедура обработки данных дождевого радиолокатора (Precipitation Radar (PR)). Для восстановления дисперсии наклонов одновременно используются два известных подхода: линейный угловой алгоритм и двухточечный угловой алгоритм. Оба алгоритма основаны на теоретической модели обратного рассеяния, однако отличаются подходом к обработке PR-данных. Точность алгоритмов зависит от исходных данных, поэтому в работе значительное внимание уделяется выявлению выбросов (промахов). Разработанная процедура впервые позволяет оценивать точность восстановления дисперсии наклонов крупномасштабного волнения. Одновременно алгоритмы восстанавливают сечение обратного рассеяния, соответствующее нулевому углу падения, что позволяет сформировать радиолокационное панорамное изображение поверхности. В результате обработки PR-данных построена зависимость дисперсии наклонов и сечения обратного рассеяния от скорости ветра и показано, что сечение обратного рассеяния при надирном зондировании сильнее коррелирует с дисперсией наклонов. Был разработан однопараметрический алгоритм восстановления дисперсии наклонов по сечению обратного рассеяния, измеренного при нулевом угле падения.
Ключевые слова: радиолокационное зондирование, обратное рассеяние при малых углах падения, морская поверхность, алгоритмы обработки, измерение дисперсии наклонов
ВВЕДЕНИЕ
Радиолокационные (РЛ) методы зондирования морской поверхности активно развиваются и используются для изучения процессов, происходящих на ее поверхности. Серьезным преимуществом активных РЛ-инструментов является независимость получения информации от времени суток и от состояния облачного слоя, что, к сожалению, существенно ограничивает возможности оптических и радиометрических каналов. Также затруднено проведение измерений с использованием этих каналов в области солнечной дорожки.
В настоящее время в режиме непрерывного обзора Мирового океана работают скаттерометры и радиоальтиметры, и собираемая информация активно ассимилируется в численные модели волнения и климатические модели (Hou et al., 2000a; 2000б; Lopez et al., 2000).
Скаттерометры работают в области средних углов падения, когда обратное рассеяние является резонансным. В этом случае рассеивателем является мелкая рябь, чувствительная к скорости приповерхностного ветра. Вклад крупномасштабного волнения сводится в модуляции спектральной плотности резонансной ряби вдоль профиля вол-
ны (гидродинамическая модуляция) и к изменению локального угла падения. Увеличение дисперсии наклонов ведет к росту сечения обратного рассеяния по сравнению с горизонтальной поверхностью.
Если спектральная плотность мелкой ряби тесно связана со скоростью ветра, то дисперсия наклонов крупномасштабного волнения зависит не только от скорости ветра, но и от условий формирования волнения, например, длины ветрового разгона, прихода волн зыби. В результате связь скорости ветра и сечения обратного рассеяния является неоднозначной, что приводит к ошибкам при восстановлении скорости ветра только по сечению обратного рассеяния.
С аналогичной проблемой сталкиваются при обработке радиоальтиметрических данных. Сечение обратного рассеяния при надирном зондировании зависит от дисперсии наклонов крупномасштабного волнения и от эффективного коэффициента отражения. Эффективный коэффициент отражения вводится вместо коэффициента Френеля, чтобы учесть ослабление отраженного сигнала мелкой рябью. Таким образом, зависимость сечения обратного рассеяния от скорости ветра
снова является неоднозначной, что приводит к ошибкам при восстановлении скорости ветра по сечению обратного рассеяния при радиоальти-метрических измерениях. Повысить точность восстановления скорости ветра можно за счет независимого измерения дисперсии наклонов.
Скаттерометры и радиоальтиметры выполняют непрерывное измерение скорости приповерхностного ветра. Текущая информация о поле ветра поступает пользователям для оперативного применения и хранится в архивах для последующего анализа, например, для проверки алгоритмов обработки и тестирования климатических моделей.
Независимое измерение дисперсии наклонов позволит сделать зависимость сечения обратного рассеяния от скорости ветра однозначной и, следовательно, повысит точность определения скорости приповерхностного ветра. Кроме того, расширится число измеряемых параметров морского волнения, что улучшит качество численных моделей волнения.
Задача измерения наклонов в полном объеме может быть решена с помощью перспективных радиолокаторов, работающих при малых углах падения, например (Karaev et al., 2006; 2010).
Для проверки новых алгоритмов восстановления дисперсии наклонов, разработанных для радиолокатора с ножевой диаграммой направленности антенны, можно привлечь данные PR-ра-диолокатора, предназначенного для измерения интенсивности осадков.
Дождевой радиолокатор (Precipitation radar — далее PR-радиолокатор) был разработан в Японии и входит в состав аппаратуры американо-японского спутника, работающего в тропической и субтропической зонах Мирового океана (Tropical Rain Measuring Mission) (NASDA, 2001; Cecil et al., 2005).
В своих работах (Караев и др., 2010; 2012) мы использовали данные PR-радиолокатора для моделирования измерений радиолокатора с ножевой диаграммой направленности антенны и были получены первые оценки дисперсии наклонов. Непосредственно задаче восстановления дисперсии наклонов по данным PR-радиолокатора в работе было уделено мало внимания и многие вопросы не обсуждались. В данной статье подробно рассматривается процедура обработки PR-дан-ных и восстановления дисперсии наклонов и сечения обратного рассеяния. Разработанные алгоритмы могут использоваться для формирования поля наклонов по аналогии с полем ветра по существующим РЛ-данным.
В работе обсуждаются способы удаления недостоверных данных (промахов), сравниваются алгоритмы обработки и рассматриваются особенности формирования панорамного РЛ-изображе-
ния морской поверхности при малых углах падения. Разработан оригинальный алгоритм определения дисперсии наклонов по сечению обратного рассеяния.
ХАРАКТЕРИСТИКА PR-РАДИОЛОКАТОРА
В 1997 г. стартовал совместный американо-японский проект (Tropical Rainfall Measuring Mission), целью которого является измерение пространственного распределения осадков и их вертикального профиля для определения интенсивности осадков в тропической и субтропической зонах Мирового океана (NASDA, 2001; Cecil et al., 2005). Для решения этой задачи на спутнике была установлена разнообразная измерительная аппаратура, в состав которой входит радиолокатор Ku-диапазона для измерения вертикального профиля осадков, разработанный японскими учеными.
Особенностью PR-радиолокатора является то, что он работает под малыми углами падения и, в отличие от скаттерометра, потенциально способен восстанавливать недоступную ранее информацию о параметрах крупномасштабного волнения, в частности, о дисперсии наклонов.
Схема измерений PR-радиолокатора показана на рис. 1. При движении происходит сканирование в направлении, перпендикулярном направлению полета. Видно, что за счет применения режима сканирования узким лучом в интервале углов падения ±17° удается получить широкую полосу обзора даже при надирном режиме зондирования. Частота сканирования подобрана так, что смещение PR-радиолокатора за время скана составляет около 4 км, т.е. происходит полная засветка полосы обзора при размере пятна около 5 км.
PR-радиолокатор измеряет распределение осадков с высоким разрешением по высоте (250 м по дальности). Сечение обратного рассеяния, измеренное на максимальной дальности, соответствует отражению от поверхности, поэтому оно может быть использовано для определения параметров рассеивающей поверхности.
В настоящее время PR-радиолокатор успешно применяется для измерения интенсивности осадков, однако наличие потенциальной возможности восстановления по данным PR-радиолокатора дополнительной информации привлекает к себе внимание исследователей, и известно несколько попыток использования данных PR-радиолока-тора для измерения дисперсии наклонов и скорости приповерхностного ветра, например (Freilich, Vanhoff, 2003; Li et al., 2004; Tran et al., 2007).
Отметим также ряд работ, посвященных восстановлению дисперсии наклонов по самолетным данным, например (Jackson et al., 1992; Hauser et al., 2008).
Рис. 1. Схема американо-японской спутниковой системы по измерению осадков в тропиках (The Tropical Rainfall Measuring Mission — TRMM). Дождевой радиолокатор (PR) измеряет в полосе обзора шириной 247 км с разрешением 5 км.
При наличии эффективного алгоритма обработки можно использовать существующие данные PR-радиолокатора для измерения дисперсии наклонов в оперативном режиме и сделать их доступными потребителям.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Для проведения данного исследования были взяты измерения сечения обратного рассеяния при малых углах падения, выполненные PR-ра-диолокатором. Данные были предоставлены God-dard Distributed Active Archive Center и извлечены из стандартного продукта 2A21 (версия-6).
Информация о скорости и направлении ветра, а также о параметрах волнения была получена из архива National Data Buoy Center (NDBC). NDBC-буи обеспечивают измерения скорости и направления ветра каждые 10 мин на высоте 5 м над морской поверхностью.
Последующая обработка позволила сформировать объединенный массив PR и буйковых дан-
ных, охватывающий период 2001—2009 гг. В качестве критерия использовались следующие услови
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.