Третий параметр Стокса собственного излучения взволнованной морской поверхности. Теория и эксперимент

Работа посвящена анализу данных натурного эксперимента (реализованного в сентябре-ноябре 2019 года на платформе ЧГП РАН) по исследованию собственного радиотеплового излучения взволнованной морской поверхности. По сравнению с предыдущими исследованиями, в 2019 году измерения выполнялись на четырех линейных поляризациях - вертикальной, горизонтальной, а также поляризациях, повернутых на 45 градусов ("по" и "против" часовой стрелки) относительно вертикальной. Соответственно, это позволило определять величины первых трех параметров Стокса излучения, используемых для решения большинства практических задач пассивного дистанционного зондирования.
Анализ полученных экспериментальных зависимостей третьего параметра Стокса от углов визирования выявил их существенное расхождение как с результатами предварительных модельных оценок, так и с данными других авторов, описанными в литературе.
Последовательный отсев предположительных причин наблюдаемых расхождений в совокупности с проведенными дополнительными исследованиями позволил выделить неконтролируемое изменение положения радиометрических приемников в пространстве в качестве основной из них. В частности, было показано, что при сканировании морской поверхности и атмосферы возникают углы крена, рыскания и тангажа, приводящие к изменению ориентации векторов напряженности принимаемого излучения относительно горизонтальной и вертикальной составляющей излучения поверхности. Для третьего параметра Стокса величина расхождения при этом достигает 20 К.
С целью подтверждения высказанного предположения был проведен комплекс исследований, включающий в себя лабораторный эксперимент и серию модельных расчетов. В рамках электродинамического моделирования была проведена оценка влияния углов крена, тангажа и рыскания на величину третьего параметра Стокса. На основании выполненных расчетов были подобраны как характер вариаций этих углов, так и их величины, объясняющие результаты экспериментальных исследований. Целью лабораторного эксперимента была попытка определения реальных углов визирования радиометрических приемников при имитации режимов сканирования, аналогичных использованных в натурном эксперименте. Для этого радиометры закреплялись таким же образом на сканирующую платформу, как это было в экспедиции, после чего с помощью системы зеркал и полупроводникового лазера определялись их углы крена, тангажа и рыскания. Было показано, что в силу отсутствия абсолютной жесткости крепления радиометров на сканирующей платформе, а также ошибок оператора при их монтаже, действительно, происходит неконтролируемое изменение указанных углов при выполнении угломестных и азимутальных сканов. Характер вариаций этих параметров схож с подобранным в рамках модельных расчетов.
Результаты выполненных работ наглядно демонстрируют необходимость контроля за геометрией эксперимента, особенно при работе с третьим параметром Стокса. В случае, если в ходе измерений невозможно полностью исключить вариации углов крена, тангажа и рыскания (например, платформа ЧГП РАН имеет свой угол наклона, порядка 4 градусов, на это накладываются углы крена рабочей палубы и т.д.) обязательно наличие трёхосевой системы измерения углов визирования в каждом измерительном приборе.

Работа выполнена при поддержке темы «Мониторинг» (Государственное задание № 01.20.0.2.00164) и гранта РФФИ № 18-02-01009-а.