Моделирование формы эхосигнала радиовысотомера

Введение. При получении профиля земной поверхности методом дистанционного зондирования используется радиолокационный радиовысотомер (РВМ). При этом информационным параметром является зависимость мощности эхосигнала от времени, усредненная по совокупности серии зондирований. В частности, по характеристикам профиля мощности оцениваются параметры морской поверхности. Для расчета профиля мощности при наличии морского волнения требуются сведения о плотности распределения вероятности (ПРВ) аппликат морской поверхности. Существующие модели ПРВ аппликат (линейная модель, модель на основе усеченных рядов Грама–Шарлье, комбинированная модель) имеют известные недостатки, что приводит к ошибкам при оценке параметров морской поверхности по профилю мощности эхосигнала. В результате актуальной является задача поиска моделей ПРВ, обеспечивающих лучшие результаты определения профиля мощности. Одной из таких моделей, ранее не применявшихся в рассматриваемой задаче, является нелинейная модель Кримера.

Цель работы. Апробировать нелинейную модель Кримера для получения оценки ПРВ аппликат морской поверхности в задаче моделирования профиля мощности эхосигнала РВМ с учетом однозначной связи между статистическими параметрами ПРВ и скоростью ветра.

Материалы и методы. Для оценки ПРВ аппликат морской поверхности выполнено математическое моделирование в среде MatLab двумерной морской поверхности конечных размеров с пространственным спектром Эльфохейли для линейной модели и нелинейной модели Кримера. Получена зависимость профиля мощности эхосигнала РВМ от времени с учетом скорости ветра над морской поверхностью и параметров РВМ.

Результаты. Апробация нелинейной модели Кримера для получения оценки ПРВ аппликат морской поверхности при моделировании профиля мощности эхосигнала РВМ дала положительный результат. Установлено, что при небольших значениях скорости ветра (до 3 м/c) ПРВ аппликат морской поверхности, полученная по нелинейной модели Кримера, подчиняется гауссовскому закону. При бо́ льших скоростях ветра идентифицировать закон распределения не удалось, в связи с чем предложено использовать в качестве оценки ПРВ при расчетах выборочные гистограммы. Результаты расчета показали, что для нелинейной модели увеличение длительности эхосигнала РВМ с возрастанием скорости ветра происходит медленнее, в среднем на 5.47 %, чем для линейной модели. Временной сдвиг переднего фронта эхосигнала для нелинейной модели относительно линейной из-за трансформации ПРВ может достигать 70 нс, что эквивалентно 10.5 м.

Заключение. Использование нелинейной модели Кримера в задаче моделирования профиля мощности эхосигнала РВМ при наличии морского волнения обеспечивает однозначную связь между статистическими параметрами ПРВ аппликат морской поверхности и скоростью ветра. Модель рекомендуется к использованию при формировании теоретического профиля мощности эхосигнала, используемого в качестве исходных данных при оценке информационных параметров эхосигнала РВМ на этапе дообработки.

1. Brown G. S. The average impulse response of a rough surface and its applications // IEEE Trans. on Ant. and Prop. 1977. Vol. AP-25, iss. 1. P. 67−74. doi: 10.1109/TAP.1977.1141536

2. Hayne G. S. Radar altimeter mean return waveform from near-normal-incidence ocean surface scattering // IEEE Trans. on Ant. and Prop. 1980. Vol. AP-28, iss. 5. P. 687−692. doi: 10.1109/TAP.1980.1142398

3. Эхосигнал спутникового высотомера с учетом доплеровского рассеяния / Д. С. Боровицкий, А. Е. Жестерев, В. П. Ипатов, Р. М. Мамчур // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2017. № 3. С. 46−52.

4. Оценка параметров эхосигнала спутникового высотомера методами статистической подгонки на стадии дообработки / Д. С. Боровицкий, А. Е. Жестерев, В. П. Ипатов, Р. М. Мамчур // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2019. Т. 22, № 1. С. 5−16. doi: 10.32603/1993-8985-2019-22-1-5-16

5. Показеев К. В., Запевалов А. С., Пустовойтенко В. В. Моделирование формы отраженного импульса радиоальтиметра // ВМУ. Сер. 3. Физика земли, атмосферы, гидросферы. 2013. № 5. С. 80−85. doi: 10.3103/S0027134913050135

6. Запевалов А. С. К расчету формы импульса радиоальтиметра, отраженного от морской поверхности // Журн. радиоэлектроники. 2016. № 11. 14 с.

7. Запевалов А. С., Пустовойтенко В. В. Влияние нелинейности морских волн на результаты радиоальтиметрических измерений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10, № 1. С. 34−48.

8. Nouguier F., Guerin C. A., Chapron B. Choppy wave model for nonlinear gravity waves // J. of Geophysical Research. 2009. Vol. 114, iss. C9. 16 p. doi: 10.1029/2008JC004984

9. Bourlier C., Saillard J., Berginc G. Intrinsic infrared radiation of the sea surface // Progress in electromagnetics research. 2000. Vol. 27. P. 185−335. doi: 10.2528/PIER99080103

10. A unified directional spectrum for long and shot wind-driven waves / T. Elfouhaily, B. Chapron, K. Katsaros, D. Vandemark // J. of Geophysical Research. 1997. Vol. 102, iss. C7. P. 15781−15796. doi: 10.1029/97JC00467

11. Johnson J. T., Toporkov J., Brown G. A Numerical study of backscattering from time-evolving sea surfaces: comparison of hydrodynamic models // IEEE Trans. On GeoScience and Remote Sensing. 2001. Vol. 39, iss. 11. P. 2411−2420. doi: 10.1109/36.964977

12. Sun R.-Q., Zhang M., Wang C. Scattering Analysis for Ship Kelvin Waves on Two-Dimensional Linear and Non-Linear Sea Surfaces // Progress in Electromagnetic Research B. 2013. Vol. 52. P. 405–423. doi: 10.2528/PIERB13041807

13. Time-varying ocean-like surface scattering at grazing incidence: numerical analysis of doppler spectrum HF/VHF/UHF Bands / Y. Hou, B. Wen, C. Wang, Y. Yang // Intern. J. of Ant. and Prop. 2019. Vol. 2019. 15 p. doi: 10.1155/2019/5363264

14. Improved linear representation of ocean surface waves / D. Creamer, F. Henyey, R. Schult, J. Wright // J. of Fluid Mechanics. 1989. Vol. 205. P. 135−161. doi: 10.1017/S0022112089001977

15. Satellite Altimetry / D. B. Chelton, J. C. Ries, B. J. Haines, L.-L. Fu, P. S. Callahan. San Diego: Academic Press, 2001. 132 p. URL: https://www.researchgate.net/publication/281019054_Satellite_altimetry (дата обращения 01.06.2022)