Экспериментальное исследование механизма радиолокационного рассеяния X-диапазона на крутых гравитационно-капиллярных волнах

Как известно, микроволновые радиолокаторы X-диапазона, в том числе спутникового базирования, широко применяются для зондирования морской поверхности. Несмотря на большое количество теоретических и экспериментальных исследований особенностей рассеяния излучения X-диапазона на ветровом волнении, изучение механизмов такого рассеяния продолжает оставаться актуальной задачей. В отличие от высокочастотных радаров, для которых общепринятым является брэгговский механизм, последний для микроволнового диапазона при умеренных углах падения радиоволн является не единственным, а часто и не основным. Причины этого состоят как в неприменимости теории возмущений (брэгговской модели), поскольку волны, определяющие рассеяние, не малы по амплитуде по сравнению с зондирующей длиной волны, так и в существенно нелинейном характере ветрового волнения. При небольших скоростях ветра, когда отсутствуют сильные обрушения волн (“барашки’), нелинейность гравитационно-капиллярных волн (ГКВ) см-дм-диапазонов длин наиболее ярко проявляется в возбуждении так называемой паразитной капиллярной ряби (ПКР), а также характерных валообразных (bulge-toe) структур вблизи гребней ГКВ. В отличие от Ka-диапазона, для которого при умеренных углах падения радиоволн ПКР отвечает условию брэгговского резонанса, в X-диапазоне эта рябь не является резонансной и фактически не должна влиять на рассеяние. В настоящей работе в контролируемых лабораторных условиях исследованы особенности обратного рассеяния микроволнового излучения X-диапазона на вертикальной и горизонтальной поляризациях при умеренных углах падения в присутствии квазипериодических ГКВ как на чистой воде, так и в присутствии пленок поверхностно-активных веществ (ПАВ). Показано, что рассеяние носит неполяризованный характер, а его интенсивность резко возрастает с крутизной ГКВ и практически не зависит от наличия поверхностных пленок при небольших концентрациях ПАВ. Установлено, что скорости рассеивателей микроволн, соответствующие доплеровским сдвигам радиолокационных сигналов, равны или несколько меньше фазовых скоростей ГКВ, что свидетельствует о неполной стационарности этих рассеивателей. Сделан вывод о том, что рассеяние на крутых квазипериодических ГКВ определяется наличием на профиле волн валообразных структур, характеристики которых определяются в основном крутизной ГКВ; пленки с малой концентрацией ПАВ, меньшей, чем для насыщенной пленки, слабо влияют на эти структуры. Этот вывод существенно отличается от случая рассеяния излучения Ka-диапазона, на которое влияют как паразитная капиллярная рябь, отвечающая за брэгговскую компоненту, так и валообразные структуры, определяющие неполяризованное рассеяние.
Работа выполнена при поддержке РНФ (Проект № 25-77-20016), измерения и анализ характеристик пленок ПАВ проводились в рамках Госзадания ИПФ РАН FFUF-2024-0033.