Доплеровские сдвиги частоты радиолокационного сигнала Ка-диапазона, рассеянного морской поверхностью

Морские течения являются важнейшим параметром, характеризующим динамику морской среды. Известно множество различных способов измерения скорости и направления течений. Наземные контактные измерения дают информацию о течениях в окрестности точки наблюдения. Радиолокационные высокочастотные станции позволяют вести наблюдения на удалении не более нескольких десятков километров от берега. Лагранжевы дрифтеры могут быть запущены в любой точке океана, однако в силу специфики измерений этот метод имеет низкое пространственное разрешение.
Спутниковые наблюдения способны охватить весь океан за несколько суток, однако единственным методом оценки течений остаётся восстановление геострофической компоненты скорости течения по динамической топографии морской поверхности. Измерение доплеровских сдвигов частоты радиолокационного сигнала из космоса открывает путь к созданию систем нового поколения, способных проводить прямые измерения скорости поверхностных течений с беспрецедентно высоким пространственным разрешением [1,2,3].
Доплеровский сдвиг рассеянного морем радиолокационного сигнала возникает (помимо движения спутника) из-за волновых движений морской поверхности и поверхностного течения. Для оценки скорости течения из измеренной доплеровской скорости (ДС) требуется вычесть компоненту, обусловленную поверхностным волнением, которая, в свою очередь, определяется модуляцией ДС и интенсивности сигнала.
В настоящей работе приводятся результаты исследований модуляционных характеристик радиолокационного сигнала, выполненных в ходе специализированных экспериментов на Океанографической платформе ЧГП РАН в Черном море. Для измерений использовался доплеровский двухполяризационный скаттерометр Ка-диапазона (длина волны 8 мм).
Данные синхронных волнографических измерений использованы для определения передаточной функции «орбитальная скорость-ДС». Показано, что модуль этой функции близок к 1 для всех условий наблюдения за исключением измерений на горизонтальной поляризации при угле падения 65-70 градусов. В этом случае вариации ДС превосходят орбитальные скорости в 2-3 раза, что говорит о влиянии так называемых «быстрых» рассеивателей, ассоциируемых с обрушением ветровых волн. Соответственно, при умеренных углах падения всплески ДС, вызванные обрушением волн, существенно ниже фазовой скорости обрушивающейся волны.
Модуляционная передаточная функция (МПФ) «уклон волны-интенсивность рассеяния» оценена по стандартной методике [4] с дополнительной коррекцией на отличия ДС от орбитальной скорости длинной волны. Полученная МПФ разделена на геометрическую (определена по эмпирической модели сечения рассеяния [5]) и гидродинамическую составляющие. Двухполяризационные измерения позволили выделить из гидродинамической МПФ модуляционные характеристики брегговской (рябь) и небрегговской (обрушения) компонент рассеяния.
Полученная эмпирическая МПФ в дальнейшем используется для определения вклада волн в среднюю ДС и оценки скорости поверхностного течения по радиолокационным измерениям.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда в рамках проекта 17-77-10052 «Развитие методов диагностики взволнованной морской поверхности на основе анализа доплеровского смещения частоты радиолокационного сигнала».