Точность восстановления параметров волнения судовым радаром в зависимости от модели модуляционно-передаточной функции радара: результаты моделирования

В работе изучается влияние модели модуляционно-передаточной функции (МПФ) радара, используемой при разработке методов восстановлении высоты и спектра волнения поверхностных морских ветровых волн, на точность восстановления параметров волнения по данным судовых радаров Х-диапазона.Начиная с пионерской работы Young et al. (1985), в которой авторы предложили простой для понимания метод восстановления высоты значительных волн по данным некоггерентного навигационного судового радара, и продолжая многочисленными работами Nieto Borge et al. (2000) и др., где метод был расширен на случаи восстановления спектра волнения и, даже, отдельных высот волн, при выводе метода явно и неявно использовалась базовая двухмасштабная бреговская модель рассеяния электромагнитных (ЭМ) волн (Valenzuela, 1978). При этом, было уже известно сильное расхождение модели и экспериментальных результатов на несколько порядков для случая настильных углов зондирования, что соответствует режиму работы судовых радаров. Других популярных и доступных к применению моделей рассеяния в те годы не было. Помимо этого, для простоты, использовалась только одна составляющая МПФ радара – а именно, модуляция коэффициента рассеяния уклонами волн. Остальные – гидродинамическая модуляция спектра и модуляция поверхностного трения в расчет не принимались, по причине кардинального усложнения модели.

Результатом, такого подхода стало появление доступного и достаточно эффективного методов дистанционного определения высоты и спектров волнения, которые применяются в коммерческих системах Wamos II и др. с точностями в среднем около 0.5 м по высоте. Однако, достаточно часто наблюдаются выбросы на 2-3 м по высоте (Hessner et al., 1999; Wyatt et al., 2003; Tilinina et al., 2022), которые в рамках предложенного подхода (Young et al., 1985) исправить не удается.

По мнению авторов данной работы, происходит это вследствие неполноценности используемой модели МПФ, где не учитываются ведущие факторы формирования радиолокационного изображения поверхности моря. Кудрявцев и др. (2003) в своей работе показали, что ведущими слагаемыми при работе в настильных углах зондирования (т.е. углах больше 70 от вертикали) являются нерезонансные (небреговские) эффекты рассеяния, которые в этом случае на порядок (3-10 раз) сильнее остальных эффектов.

Другим следствием использования сильно упрощенного подхода является то, что в последние годы появилось много работ (например, Duan et al., 2020), где на его базе активно используется численное моделирование для формирования моделированных радиолокационных изображений морской поверхности и для последующего обучения нейронных сетей и т.д.. В результате, исходя из сильно искаженных представлений о МПФ, будут получаться сильно искаженные результаты моделирования и выводы.

Соответственно, в предлагаемой работе согласно (Кудрявцев и др.,2003) вычислены и ранжированы слагаемые МПФ в диапазоне углов 70-90 от вертикали по вкладу от различных механизмов модуляции. Продемонстрировано, что ведущими в МПФ являются обрушения на гребне волн и модуляции скорости трения фазовой скоростью волн. Эти механизмы сильно зависят от скорости ветра, возраста волнения, плотности и стратификации воздуха. Таким образом, в рамках МПФ (Кудрявцев и др., 2003) появляется возможность реализовать более точный метод определения параметров волнения.

В работе приведены результаты моделирования морской поверхности следуя (Чернышов и др., 2016) и рассеяния от нее как согласно двухмасштабной бреговской модели, так и модели Кудрявцева и др. (2003). Предложен метод, в котором введены дополнительные параметры, которые могут быть получены как из радиолокационных снимков, так и из данных метеостанции – скорость и направление ветра. Продемонстрировано улучшение точности определения высоты и спектров волнения, и соответствующее уменьшения количества выбросов.


Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ № FMWE-2021-0003 и FMWE-2022-0002.

Ключевые слова: высота морского волнения, спектр волнения, модуляционно-передаточная функция радара, МПФ, навигационный радар, Х-диапазон

Литература:

1. Young I., Rosenthal W., Ziemer F. A three–dimensional analysis of marine radar images for the determination of ocean wave directionality and surface currents // J. Geophys. Res. 1985. V. 90. № C1. P. 1049–1059

2. Nieto Borge J.C., Soares G. Analysis of directional wave fields using X-band navigation radar // Coastal Engi neering. 2000. Vol. 40. P. 375−391.

3. Valenzuela, G. R., Theories for the interaction of electromagnetic and ocean
waves—A review, Boundary Layer Meteorol., 13, 61 – 85, 1978.

4. Hessner K., Borge J. C. N., Reichert K. Estimation of the significant wave height with x-band nautical radars //Proceedings of the 28th International Conference Offshore Mechanics and Arctic Engineering (OMAE), Madrid, Spain. – 1999. – С. 17-22.

5. Wyatt L. R. et al. Validation and intercomparisons of wave measurements and models during the EuroROSE experiments //Coastal Engineering. – 2003. – Т. 48. – №. 1. – С. 1-28.

6. Tilinina N. et al. Wind waves in the North Atlantic from ship navigational radar: SeaVision development and its validation with the Spotter wave buoy and WaveWatch III //Earth System Science Data. – 2022. – Т. 14. – №. 8. – С. 3615-3633.

7. Kudryavtsev V. et al. A semiempirical model of the normalized radar cross‐section of the sea surface 2. Radar modulation transfer function //Journal of Geophysical Research: Oceans. – 2003. – Т. 108. – №. C3. – С. FET 3-1-FET 3-16.

8. Duan W. et al. Numerical investigations on wave remote sensing from synthetic X-band radar sea clutter images by using deep convolutional neural networks //Remote Sensing. – 2020. – Т. 12. – №. 7. – С. 1117.

8. Chernyshov P. V. et al. Accuracy analysis of individual waves retrieval from X-band nautical radar data by means of stochastic modeling of sea clutter images //Sovremennye Problemy Distantsionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. – 2016. – Т. 13. – №. 5. – С. 68-78.