Лабораторные исследования особенностей радиолокационного рассеяния на имитаторах морского льда различного масштаба в присутствии длинных волн

Спутниковое радиолокационное зондирование обеспечивает всепогодный мониторинг Земли, в том числе морского льда в полярных широтах, однако интерпретация изображений осложняется сильной зависимостью характеристик рассеяния от структуры и масштаба ледовых образований. Натурные исследования ледовых образований в арктических условиях ограничены сложностью проведения контролируемых измерений, что обусловливает необходимость лабораторного моделирования. Целью настоящей работы являлся сравнительный анализ спектральных характеристик — интенсивности и коэффициента модуляции радиолокационного сигнала полем длинной волны для модельных материалов, имитирующих ледовые образования различного масштаба.
Исследования проводились в овальном ветроволновом бассейне ИПФ РАН с использованием скаттерометра Ка-диапазона на соосной вертикальной поляризации. Волнопродуктором генерировались квазипериодические волны с частотой 1 Гц, распространяющиеся к радару. В качестве имитатора мелкомасштабной фракции льда использовались бамбуковые частицы размером около 5-6 мм, диэлектрическая проницаемость которых при намокании близка к проницаемости морского льда. Для имитации крупномасштабной фракции льда, включающей, в частности, отдельные торосы или крупные льдины, использовался блок поролона размерами 25 на 30 см и толщиной 8 см, свободно плавающий на водной поверхности так, что один край блока был сильнее погружен в воду, а другой выступал над поверхностью. Рассматривались два случая: а) когда блок был обращен к локатору полупогруженной частью (ориентация «плоскость»); б) когда к локатору была обращена сторона, сильнее выступающая из воды (ориентация «торец»). Отметим, что распространение длинных волн сопровождалось возбуждением мелкой ряби из-за небольших выступов на стенках бассейна, поэтому даже в отсутствие имитаторов льда наблюдалось рассеяние микроволнового сигнала.
Сопоставление средних спектральных плотностей мощности обратного рассеяния показало, что уровень сигнала для бамбуковых частиц близок к уровню чистой водной поверхности. Для случая рассеяния на мелких частицах в доплеровском спектре наблюдается максимум на частоте около 25 Гц, что хорошо согласуется с доплеровским сдвигом при рассеянии на частицах, движущихся с орбитальными скоростями длинной волны. Для поролона спектры более широкие: в случае «торец» максимум на частоте около 30 Гц; для ориентации «плоскость» спектр сильно размыт и максимум слабо выражен. Данные особенности можно связать с тем, что волнение приводит к собственным колебаниям поролона, которые в свою очередь генерируют свободные мелкомасштабные волны, определяющие дополнительное рассеяние. Доплеровские сдвиги этих свободных волн вносят вклад как в высокочастотную, так и в низкочастотную часть спектра, поскольку распространяются в обоих направлениях от поролона. При ориентации «торец» ребро обращено к локатору и обусловливает сильное рассеяние (дифракцию) на ребрах. Ориентация «плоскость» характеризуется более низким уровнем спектральной плотности мощности по сравнению с чистой водой, бамбуком и поролоном в ориентации «торец», что предположительно обусловлено меньшим уровнем обратного рассеяния непосредственно от плоскости поролона. Для всех исследованных поверхностей максимум вариаций удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) приходится на передний склон длинной волны, а минимум — на впадину.
Полученные данные показывают, что с ростом масштаба имитатора меняется сам механизм формирования сигнала: мелкие частицы лишь следуют за орбитальным движением длинной волны, тогда как крупный плавающий объект сам возбуждает мелкомасштабные волны. При этом уровень и форма спектра для такого объекта существенно зависят от его ориентации относительно направления зондирования. Привязка максимума вариаций УЭПР к переднему склону длинной волны сохраняется для всех поверхностей. Дальнейшие исследования позволят уточнить вклад отдельных механизмов рассеяния и улучшить методики мониторинга морского льда.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 25-77-00027).