Поляризационные радиотепловые методы в исследованиях параметров морского волнения

• Автор: Садовский, Илья Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 184 с. : ил.

ГЛАВА I. ВЕТРОВОЕ ВОЛНЕНИЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНА
1.1. Вероятностные характеристики волнения
1.2. Экспериментальные исследования пространственно-временной структуры
волнения. Исследования в оптическом диапазоне
1.3. Экспериментальные исследования пространственно-временной структуры
волнения. Исследования в микроволновом диапазоне
1.4. Выводы
ГЛАВА II. ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ГРАВИТАЦИОННО-КАПИЛЛЯРНЫХ ВОЛН В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
2.1. Особенности теплового радиоизлучения водной поверхности с
периодическими неровностями
2.2. Описание частично поляризованного теплового радиоизлучения с
помощью параметров Стокса
2.3. Экспериментальная установка
2.4. Измерение профиля поверхности
2.5. Результаты измерений параметров Стокса теплового излучения
периодически неровной водной поверхности
2.6. Выводы
Глава III. МЕТОДИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СПЕКТРА ВЕТРОВОГО ВОЛНЕНИЯ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ УГЛОВЫХ РАДИОПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
3.1. Метод расчета радиотеплового излучения взволнованной морской
поверхности
3.2. Результаты модельных расчетов влияния параметров атмосферы и водной
поверхности на радиояркостные контрасты
3.3. Алгоритм решения задачи восстановления параметров спектра

3.4. Чувствительность метода к вариациям входных данных
3.5. Требования, предъявляемые к измерительному оборудованию и методике
проведения измерений
3.5. Выводы
ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СПЕКТРА ГКВ В РАМКАХ
МЕЖДУНАРОДНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА CAPMOS’05
4.1. Общая характеристика эксперимента
4.2. Описание измерительного комплекса по определению угловых
зависимостей радиотеплового излучения
4.3. Обработка экспериментальных данных
4.4. Измерение уклонов морской поверхности посредством антенны струнных
волнографов
4.5. Результаты восстановления параметров спектра ГКВ
4.6. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Оценка влияния параметров атмосферы, водной поверхности и измерительного оборудования на расчетные значения радиояркостных контрастов
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Оценка чувствительности методики восстановления параметров
спектра к вариациям входных данных
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Учет влияния характеристик реальных антенных систем
ЛИТЕРАТУРА

В настоящее время решение многих вопросов, имеющих большое научное и хозяйственное значение, невозможно без применения методов дистанционного зондирования, быстрое развитие которых обусловлено оперативностью сбора информации, охватом больших и зачастую труднодоступных районов, постоянным совершенствованием техники, повышением ее чувствительности и расширением используемых частотных диапазонов. Большую роль в этом играет использование искусственных спутников Земли в качестве носителей. Сбор информации с помощью космических аппаратов стимулировал развитие глобального подхода к исследованию природных ресурсов, атмосферных и океанических процессов, контролю за окружающей средой и т.д. В настоящее время, частотные диапазоны, в которых осуществляется дистанционное зондирование земной поверхности, охватывают почти все так называемые «окна прозрачности» в атмосфере.
С появлением микроволновой техники, способной решать задачи дистанционного зондирования как активного, так и пассивного, появились новые возможности в исследовании различных земных покровов, связанные с высокой проникающей способностью сантиметровых и дециметровых волн в земной атмосфере, сильной зависимостью уходящего теплового и рассеянного излучения от физических свойств исследуемых поверхностей. Наряду с этим, сантиметровые и миллиметровые волны с успехом используются для изучения атмосферы благодаря наличию в этом диапазоне линий поглощения кислорода и водяного пара.
Одним из важнейших объектов исследования методами дистанционного зондирования является Мировой океан. Важность океанических процессов и их поверхностных проявлений для понимания ряда вопросов с одной стороны, и фрагментарная обеспеченность контактными измерениями с другой, сделали дистанционные методы незаменимыми при изучения моря. Большое значение при этом имеет радиотепловая локация морской поверхности, так как уходящее тепловое излучение несет информацию о таких параметрах, как температура и соленость поверхностного слоя воды, наличие на поверхности пены и поверхностно-активных веществ и, наконец, характеристиках морского волнения, которые непосредственно связаны со скоростью и направлением приповерхностного ветра, а также с такими более тонкими особенностями, как проявление внутриокеанических процессов на поверхности океана. Радиометрия морской поверхности дает уникальную возможность в совокупности с другими методами изучать мелкомасштабную структуру волнения, так как тепловое излучение в

где ^(х) — положение границы, отсчитанное от уровня гладкой водной поверхности, р — плотность воды, g — ускорение свободного падения, а — коэффициент поверхностного натяжения; Ь — эмпирический коэффициент, учитывающий искажение формы поверхности за счет взаимного влияния двух близко расположенных нитей.
позволило теоретически рассчитывать профили неровностей для различных значений Л — периода неровностей и Л — высоты поднятия нитей над уровнем гладкой поверхности.
Расстояние между нитями Л в нашем эксперименте было фиксировано и составляло 12 мм, что примерно в 1,5 раза больше длины электромагнитной волны А.. Для изменения амплитуды формируемых неровностей использовались 3 юстировочных винта. Так как шаг резьбы винтов был известен (0,25 мм), то значение амплитуды неровностей оценивалось по числу оборотов винтов относительно гладкой поверхности воды.
СВЧ блок радиометра крепился на раме на удалении 1,5 м от поверхности воды. При проведении эксперимента использовалась ребристая рупорная антенна с шириной диаграммы направленности 9° по уровню 3 дБ. Пятно диаграммы направленности на поверхности воды составляло 25-30 см, так что оно полностью попадало в площадь, занятую нитями.
Изменение азимутального угла производилось посредством вращения в горизонтальной плоскости специальной автоматизированной поворотной платформы, на которую устанавливалась ванна с водой. Изменение вертикального угла наблюдения осуществлялось за счет вращения с помощью системы канатов и блоков рамы с закрепленным на ней радиометром таким образом, что при любом угле зондирования антенна была направлена в центр ванны. Для измерения ориентации радиометра относительно надира с точностью 0,1° использовались прецизионные датчики угла (инклинометры).
В ходе проведения эксперимента осуществлялась калибровка всей измерительной аппаратуры. Температура воды и воздуха непрерывно регистрировалась с помощью контактных термисторов. Периодическая проверка показаний термодатчиков и инклинометров проводилась с использованием, соответственно, ртутного термометра и электронного уровня.
Решение краевой задачи с граничными условиями £(0) = И и