Анализ точности восстановления высот индивидуальных волн и спектральных характеристик волнения, полученных прибрежным СВЧ- радиолокатором "Река" на основе стохастического численного моделирования и натурных данных

Представляются новые результаты, полученные с помощью СВЧ радиолокатора "Река" на экспериментальной базе Южного отделения Института Океанологии, г. Геленджик. Разработан и реализован метод преобразования радиолокационных снимков в карты возвышений взволнованной морской поверхности. Метод базируется на применении в трёхмерном Фурье-пространстве линейного фильтра, построенного на дисперсионном соотношении для поверхностных гравитационных волн с поправками на конечную глубину и скорость приповерхностного течения, для отделения сигнала морских волн от шума и высших гармоник, генерируемых основными механизмами модуляции. К фильтрованному комплексному сигналу в частотной области применяется эмпирическая модуляционно-передаточная функция с целью восстановления как спектра амплитуд, так и спектра фаз исходного волнового поля. После применения обратного преобразования Фурье получаются карты относительного возвышения морской поверхности, которые калибруются по известной значительной высоте волнения, полученной из радиолокационных или независимых натурных данных (волновых буёв, ADCP и т.д.).
Верификация предложенного метода на натурных данных представляет значительную трудность. Даже для сравнения результатов в точке требуется специальный эксперимент с очень точной синхронизацией по времени и пространству. Проведение такого эксперимента планируется в будущем, а пока была проведена предварительная верификация метода по данным стохастического численного моделирования. Для этого был разработан алгоритм, который позволяет по известным (спектральным) характеристикам морского волнения реализовывать четырёхмерные (три пространственные координаты и время) карты взволнованной морской поверхности с характеристиками дискретизации по координатам соответствующими радарной съёмке. В данном алгоритме предполагается линейная дисперсия волн и равномерно распределённые случайные фазы волновых гармоник. Далее к этим картам применяются основные изображающие (модуляционные) механизмы. Для настильных углов зондирования в качестве основных таких механизмов рассматриваются модуляции затенениями и уклонами волн. Также в схему введён случайный мультипликативный шум (для симуляции эффекта спекл-шума). В результате получается модель радиолокационного изображения взволнованной морской поверхности, к которому можно применять описанную выше методику обращения (инверсии). Поскольку имеется оригинальная информация о волнении (спектр и возвышения поверхности в каждой точке), то можно получить не только оценку точности восстановления высот индивидуальных волн, но и таких спектральных характеристик как частота и направление пика волнения.
Из полученных карт восстановленного возвышения морской поверхности видно, что данная техника действительно позволяет восстанавливать компоненты волнового поля близкие к энергонесущим. Средняя по карте ошибка восстановления высоты индивидуальных волн составляет 12±3 процента от значительной высоты волнения.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №14-05-31529 и РНФ №14-50-00095.