Особенности использования широкой диаграммы направленности антенны в приборах дистанционного зондирования, измеряющих форму импульса, отраженного водной поверхностью

Анализ отраженного импульса для восстановления параметров водной поверхности — это традиционная для спутниковой альтиметрии техника. С помощью спутниковой альтиметрии непрерывно на протяжении более 20 лет человечество измеряет высоту значительного волнения и уровень воды по всему Мировому океану. Традиционный спутниковый альтиметр оборудован приемопередающей антенной с шириной диаграммы направленности по уровню половинной мощности 1,5 градуса. Поэтому задний фронт отраженного импульса не содержит информацию о водной поверхности и его используют только для контроля ориентации антенны. В данной работе рассматриваются возможности техники анализа отраженного водной поверхностью импульса при использовании в приборах для дистанционного зонирования широких диаграмм направленности излучающей и приемной антенн. Использование широкой диаграммы направленности антенны позволяет наблюдать отражения от участков водной поверхности, ориентированных под разными углами к вертикали. В результате задний фронт отраженного импульса будет содержать информацию об уклонах водной поверхности. При этом передний фронт отраженного импульса сохранит информацию о высоте волны и об уровне воды. Однако следует помнить, что на традиционных орбитах спутниковых альтиметров не получиться использовать широкую диаграмму направленности приемопередающей антенны из-за требований получения заданной энергетики отражений. Использовать широкую диаграмму направленности антенны можно на самолетных радиоальтиметрах или, например, в подводных сонарах ориентированных вертикально на водную поверхность. В работе рассматривался случай подводного импульсного сонара, расположенного на дне.
В рамках двухмасштабной модели рассеивающей поверхности и метода Кирхгофа для описания формы отраженного импульса использовались две модели: модель Брауна (Brown, 1977) и модель Караева (Караев и др., 2014). Сравнение показало существенное различие моделей для случая широкой диаграммы направленности антенны. Обе модели одинаково описывают передний фронт отраженного импульса, однако для широкой диаграммы направленности наблюдаются существенные различия в поведении заднего фронта. Это обусловлено тем, что в модель Брауна не входит дисперсия уклонов крупномасштабного волнения, которая влияет на мощность отраженного импульса при наклонном падении зондирующего излучения. В результате задний фронт отраженного импульса получается более «затянутым» по сравнению с моделью Караева при прочих равных условиях.
Показано влияние длины волны излучения на форму отраженного импульса, что позволит использовать многочастотные системы для исследования волнения и оценки интенсивности коротковолновой части спектра волнения. Это связано с зависимостью дисперсии уклонов крупномасштабного волнения от длины волны зондирующего излучения.
В результате исследования показано, что использование широкой диаграммы направленности антенны позволяет помимо традиционных дисперсии высот и уровня воды измерять дисперсию уклонов волнения. Причем чем больше дальность до уровня невозмущенной водной поверхности и шире диаграмма направленности антенны, тем выше чувствительность отраженного импульса к дисперсии уклонов волн. Следует отметить, что несмотря на то, что вычисления выполнялись для акустического волнографа, приведенный подход применим и для радиолокации и может использоваться, например на беспилотных летательных аппаратах или вертолетах.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-77-10089)