Измерение основных статистических параметров взволнованной водной поверхности доплеровским радиолокатором сантиметрового диапазона

Современные радиолокаторы позволяют измерять различные характеристики морской поверхности, например высоту волнения, скорость и направление ветра. В настоящее время при восстановлении параметров рассеивающей поверхности анализируется мощность отражённого сигнала, выражаемая через удельное сечение обратного рассеяния. В этом докладе рассматривается задача увеличения числа характеристик поверхности, которые могут быть измерены дистанционными методами, за счёт совместного анализа спектральных и энергетических характеристик отраженного радиолокационного сигнала, а именно ширины доплеровского спектра и сечения обратного рассеяния.
Предложен радиолокационный метод измерения характеристик волнения при прямолинейном движении носителя на небольшой высоте. Особенностью нового метода является независимость от угла между направлением распространения волнения и направлением движения радиолокатора.
В методе используются две взаимно перпендикулярные антенны с ножевыми диаграммами направленности. Алгоритм восстановления основан на зависимости сечения обратного рассеяния от дисперсий наклонов вдоль и поперек направления распространения волнения, и зависимости доплеровского спектра отраженного сигнала от основных статистических характеристик волнения.
При размещении измерительного радиолокационного комплекса на спутнике появляется проблема нестационарности волнения в пределах рассеивающей площадки. В этом случае ширина доплеровского спектра и сечения обратного рассеяния антенны несут информацию о статистических параметрах слишком большой площади поверхности, например, при высоте полета 500 км и ширине диаграммы направленности антенны 25 градусов, размер рассеивающей площадки равен 222 км. Известно, что волнение можно считать стационарным на расстоянии 25-50 км. Таким образом, дисперсия наклонов, скорость ветра будут меняться внутри рассеивающей площадки, и восстановить их невозможно в рамках рассмотренного подхода.
Была разработана специальная процедура обработки, которая позволяет определить дисперсию наклонов водной поверхности вдоль направления движения спутника по зависимости мощности отраженного сигнала от угла падения излучения для элементарной рассеивающей площадки, где волнение можно считать стационарным, например, 15 км х 15 км. Принцип обработки основан на применении антенны с широкой ДНА с последующей доплеровской или временной селекцией отраженного сигнала. Благодаря такому подходу отраженный сигнал от выбранной элементарной рассеивающей площадки принимается в течение всего времени пролета под разными углами падения. Первый этап обработки сводится к тому, чтобы выделить сигнал, пришедший от выбранной площадки и построению зависимости сечения обратного рассеяния от угла падения. На втором этапе полученная зависимость используется для вычисления дисперсии наклонов вдоль направления движения носителя на выбранной рассеивающей площадке.
В результате проведенного исследования были предложены оптимальные схемы проведения измерений и разработаны алгоритмы обработки данных, позволяющие восстанавливать основные статистические характеристики поверхностного волнения при движении носителя, как на небольшой, так и на большой высоте. Для проверки алгоритмов были обработаны реальные данные, полученные в ходе вертолетного эксперимента на Горьковском водохранилище.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 10-05-00181-а) и программы ОФН РАН «Радиофизика».