О верификации измерений скорости поверхностных течений когерентным радаром СВЧ-диапазона с помощью дрифтеров

Введение. Традиционные контактные средства измерений гидрографических параметров зачастую не обеспечивают необходимую оперативность получаемых данных для решения задач мониторинга акваторий. Перспективным направлением является применение когерентных радаров, позволяющих непосредственно измерять скорости поверхностных течений.
Цель работы. Оценка достоверности результатов измерений приповерхностной скорости течения доплеровским радаром сравнением с данными дрифтеров.
Материалы и методы. В июне 2022 г. был проведен эксперимент по прибрежной оперативной океанографии в Черном море на акватории гидрофизического полигона "Геленджик" Южного отделения Института океанологии РАН с использованием доплеровского радара. Скорость течения измерялась когерентизированным навигационным радиолокатором сантиметрового диапазона с цифровой обработкой, установленным на научноисследовательском судне "Ашамба", одновременно с дрифтерными экспериментами с использованием лагранжевых дрифтеров приповерхностного слоя с подводным парусом высотой 0.5 м, с передачей координат по мобильной связи. Данные дрифтеров о скорости и направлении течения использовались для верификации радарных измерений. Измерения проводились с борта научно-исследовательского судна на малом ходу на различном расстоянии от берега, вблизи дрифтеров. В процессе измерений осуществлялась запись треков судна и дрифтеров. Обработка данных радиолокатора основана на исследовании спектральных характеристик отраженного сигнала, позволяющих оценивать динамические процессы на морской поверхности.
Результаты. По результатам обработки доплеровских спектров были получены радиальные составляющие скорости приповерхностных течений, далее было выполнено сопоставление скорости течений по данным дрифтеров и данным радиолокации.
Заключение. Настоящая работа является определенным шагом в усовершенствовании методов измерений поверхностных течений с борта движущегося судна доплеровским радаром. Результаты верификации подтверждают пригодность аппаратно-программной части радара и алгоритмов обработки сигнала для измерения течений. Данные радиолокационных измерений хорошо согласуются с данными дрифтеров в диапазоне скоростей от 15 см/с.

1. Бархатов А. В., Веремьев В. И., Попов А. Г. Радиолокационный гидрографический мониторинг Невской губы // Материалы НПК "Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий", СПб., 20 нояб. 2003. С. 30–32.

2. Сравнение характеристик течений, измеренных КВ и СВЧ радиолокаторами на гидрофизическом полигоне ИО РАН в Черном море, с данными ADCP и дрифтеров / А. Г. Зацепин, В. В. Горбацкий, С. А. Мысленков, Н. Н. Шпилев, Д. И. Дудко, Д. В. Ивонин, К. П. Сильвестрова, В. И. Баранов, В. А. Телегин, С. Б. Куклев // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14, № 7. С. 250–266. doi: 10.21046/2070-7401-2017-14-7-250-266

3. Определение скорости течения по измерениям навигационного радара с широкой диаграммой направленности антенны / Д. В. Ивонин, В. А. Телегин, А. И. Азаров, А. В. Ермошкин, В. В. Баханов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8, № 4. С. 219–227.

4. Булатов М. Г., Раев М. Д., Скворцов Е. И. Исследование динамики морских волн в прибрежной зоне по данным радиолокационных наблюдений высокого разрешения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2005. Т. 5, № 2. С. 76–81.

5. Предварительные результаты сравнения измерений вектора скорости течения навигационным радаром X-диапазона и донной станцией ADCP / Д. В. Ивонин, П. В. Чернышов, С. Б. Куклев, С. А. Мысленков // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13, № 2. С. 53–66. doi: 10.21046/2070-7401-2016-13-2-53-66

6. Wind Waves in the North Atlantic from Ship Navigational Radar: SeaVision Development and Its Validation with the Spotter Wave Buoy and WaveWatch III / N. Tilinina, D. Ivonin, A. Gavrikov, V. Sharmar, S. Gulev, A. Suslov, V. Fadeev, B. Trofimov, S. Bargman, L. Salavatova, V. Koshkina, P. Shishkova, E. Ezhova, M. Krinitsky, O. Razorenova, K. P. Koltermann, V. Tereschenkov, A. Sokov // Earth Syst. Sci. Data. 2022. Vol. 14. P. 3615–3633. doi: 10.5194/essd-14-3615-2022

7. Remote sensing in the Neva Bight / F. Ziemer, C. Brockmann, R. A. Vaughan, A. Barkatov // EARSeL eProceedings. 2004. Vol. 3, № 2. P. 276–281.

8. Hwang P. A., Sletten M. A., Toporkov J. V. A note on Doppler processing of coherent radar backscatter from the water surface: With application to ocean surface wave measurements // J. of Geophysical Research: Oceans. 2010. Vol. 115, № C03026. P. 1–8. doi: 10.1029/2009JC005870

9. On the Interpretation of Coherent Marine Radar Backscatter From Surf Zone Waves / M. Streßer, J. Seemann, R. Carrasco, M. Cysewski, J. Horstmann, B. Baschek, G. Deane // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2022. Vol. 60. Art № 5105514. Р. 1–14. doi: 10.1109/TGRS.2021.3103417

10. Determination of the Sea Surface Current Field from the Doppler Shift of the Coherent Radar Backscatter with Grazing Incidence / H. Hatten, J. Seemann, Ch. M. Senet, A. Bezuglov, V. Veremjev, F. Ziemer // OCEANS 2000 MTS/IEEE Conf. & Exhibition Providence. Conf. Proc. Providence, USA, 11–14 Sept. 2000. IEEE, 2002. P. 549–554. doi: 10.1109/OCEANS.2000.881312

11. Ziemer F., Braun N., Bezuglov A. Sea-Surface Current Features Observed by Doppler Radar // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2008. Vol. 46, № 4. P. 1125–1133. doi: 10.1109/TGRS.2007.910221

12. О проведении измерений характеристик морской поверхности с использованием когерентного радара СВЧ-диапазона / В. И. Веремьев, И. Г. Горбунов, А. Г. Зацепин, С. Б. Куклев, Д. Ю. Куликова, В. А. Телегин // Сб. ст. IV Междунар. науч.-практ. конф. "Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем" "Радиоинфоком-2019". М.: МИРЭА, 2019. С. 8–12.

13. Kulikova D. Yu., Gorbunov I. G. Analysis of the Sea Surface Parameters by Doppler X-Band Radar in the Coastal Zone of the Black Sea // Proc. of the IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). Saint Petersburg and Moscow, Russia, 28–31 Jan. 2019. IEEE, 2019. P. 1185–1188. doi: 10.1109/EIConRus.2019.8657257

14. Определение скорости течения на морской поверхности доплеровским радиолокатором X-диапазона / А. В. Ермошкин, И. А. Капустин, А. А. Мольков, Н. А. Богатов // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13, № 3. С. 93–103. doi: 10.7868/S2073667320030089

15. Изучение гидрофизических процессов на шельфе и верхней части континентального склона Черного моря с использованием традиционных и новых методов измерений / А. Г. Зацепин, А. О. Корж, В. В. Кременецкий, А. Г. Островский, С. Г. Поярков, Д. М. Соловьев // Океанология. 2008. Т. 48, № 4. C. 510–519.

16. Использование дрейфующих буев и буксируемого профилографа для исследования течений на шельфе Черного моря / С. А. Мысленков, А. Г. Зацепин, К. П. Сильвестрова, В. И. Баранов // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5: География. 2014. № 6. С. 73–80.

17. Возможности использования GPS-дрифтеров для исследования течений на шельфе Черного моря / К. П. Сильвестрова, С. А. Мысленков, А. Г. Зацепин, Е. В. Краюшкин, В. И. Баранов, Т. Е. Самсонов, С. Б. Куклев // Океанология. 2016. Т. 56, № 1. С. 159–166. doi: 10.7868/S0030157416010111

18. X-Band Microwave Backscattering from Ocean Waves / P. Y. Lee, J. D. Barter, K. L. Beach, C. L. Hindman, B. M. Lade, H. Rungaldier, J. C. Shelton, A. B. Williams, R. Yee, H. C. Yuen // J. of Geophysical Research. 1995. Vol. 100, № 2. P. 2591–2611. doi: 10.1029/94JC02741

19. Ziemer F., Cysewski M., Seemann J. Sea Surface Current Mapping by Radar Doppler Current Profiler // Oceans'10 IEEE Sydney. 2010. P. 1–7. doi: 10.1109/OCEANSSYD.2010.5603894

20. Бородин М. А., Михайлов В. Н., Филиппова П. А. Математическая модель доплеровского спектра сигнала, рассеянного морской поверхностью, при скользящих углах облучения // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2019. Т. 22, № 3. С. 63–73. doi: 10.32603/1993-8985-2019-22-3-63-73

21. Давидан И. Н., Лопатухин Л. И., Рожков В. А. Ветровое волнение в мировом океане / под ред. И. Н. Давидана. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 256 с.

22. Морская радиолокация / под ред. В. И. Винокурова. Л.: Судостроение, 1986. 256 с.