izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2021-6-59-65izmertech-1915Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯRADIO MEASUREMENTSИзмерение высоты морских волн методом радиолокационного зондирования поляризационно-модулированными сигналамиMeasurement of sea wave height by radar sounding with polarizationmodulated signalshttps://orcid.org/0000-0003-2750-4797ШошинЕ. Л.ShoshinE. L.

Евгений Леонидович Шошин

 Ханты-Мансийский автономный округ – Югра, г. Сургут

Evgeny L. Shoshin

KHMAO-Yugra, Surgut

shoshin6@mail.ruСургутский государственный университетРоссияSurgut State UniversityRussian Federation202104082023065965Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1915

Исследованы актуальные для морского судоходства способы определения высоты морских волн. Рассмотрен метод измерения высоты морских волн путём радиолокационного зондирования поляризационно-модулированными сигналами. Описаны энергетические и спектральные характеристики радиолокационного сигнала, отражённого от морской поверхности при малых углах облучения. Предложен алгоритм расчёта средней высоты волн по результатам измерения поляризационной анизотропии удельной эффективной поверхности рассеяния участка моря. Приведена связь средней частоты амплитудных флуктуаций отражённых радиолокационных сигналов с волнением моря. Выполнен анализ спектральных характеристик отражённых морской поверхностью радиолокационных сигналов при облучении её поляризационно-модулированными сигналами. Рассмотрена процедура формирования эффективной статистической оценки средней высоты волн по результатам спектральных измерений. Выполнен анализ погрешностей формируемых оценок высоты волн, связанных с погрешностями измерения поляризационной анизотропии эффективной поверхности рассеяния и средней частоты огибающей амплитудных флуктуаций, обусловленных проявлением эффекта Доплера. Приведены результаты экспериментальных измерений спектров амплитудных флуктуаций огибающей отражённых сигналов при различном состоянии поверхности моря. Приведена аналитическая зависимость поляризационной анизотропии эффективной поверхности рассеяния моря от угла облучения относительно направления распространения волн. Проведено сравнение оценок высоты морских волн, полученных по данным радиолокационного зондирования и метеонаблюдения.

Methods for determining the height of sea waves, which are relevant for maritime navigation, have been investigated. The measurement of the height of sea waves by the method of radar sounding by polarization-modulated signals is considered. The energy and spectral characteristics of the radar signal reflected by the sea surface at low angles of incidence are described. An algorithm for calculating the average wave height based on the results of measuring the polarization anisotropy of the specificeffective scattering surface of the sea area is considered. The relation of the average frequency of the amplitude fluctuations of the reflected radar signals with the sea waves is given. The spectral characteristics of radar signals reflected by the sea surface when irradiated with polarization-modulated signals are analyzed. The procedure for forming an effective statistical estimate of the average wave height based on the results of spectral measurements is considered. The errors of the generated estimates of the wave height associated with the measurement errors of the polarization anisotropy of the effective scattering surface and the average frequency of the envelope of the amplitude fluctuations caused by the Doppler effect are analyzed. The results of experimental measurements of the spectra of the amplitude fluctuations of the envelope of the reflected signals at different states of the sea surface are presented. The analytical dependence of the polarization anisotropy of the effective sea scattering surface on the irradiation angle relative to the wave propagation direction is given. A comparison of estimates of the height of sea waves obtained from radar sounding and meteorological observation data is carried out.

высота волнприводной ветерэффективная поверхность рассеяниядоплеровский спектрполяризационная модуляцияматрица рассеянияthe height of the wavesnear-water windthe effective surface scatteringDoppler spectrumpolarization modulationscattering matrixReferencesChu X., He Y., Karaev V., Chen G., IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2012, vol. 50, no. 11, pp. 4599–4609. https://doi.org/10.1109/TGRS.2012.2191560Chu X., He Y., Karaev V., Chen G., IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2012, vol. 50, no. 11, pp. 4599– 4609. https://doi.org/10.1109/TGRS.2012.2191560Hauser D., Tison C., Amiot T., Delaye L., Corcoral N., Castillan P., IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2017, vol. 55, no. 5, pp. 3000–3014. https://doi.org/10.1109/TGRS.2017.2658672Hauser D., Tison C., Amiot T., Delaye L., Corcoral N., Castillan P., IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2017, vol. 55, no. 5, pp. 3000–3014. https://doi.org/10.1109/TGRS.2017.2658672Gohil B. S., Sarkar A., Agarwal V., IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2008, vol. 5, no. 3, pp. 387–391. https://doi.org/10.1109/LGRS.2008.917129Gohil B. S., Sarkar A., Agarwal V., IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2008, vol. 5, no. 3, pp. 387–391. https://doi.org/10.1109/LGRS.2008.917129Stoff elen A., Aaboe S., Calvet J.-Ch., Cotton J., De Chiara G., Saldana J. F., Mouche A., Portabella M., Scipal K., Wagner W., IEEE J. Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2017, vol. 10, no. 5, pp. 2086–2097. https://doi.org/10.1109/JSTARS.2017.2696424Stoff elen A., Aaboe S., Calvet J.-Ch., Cotton J., De Chiara G., Saldana J. F., Mouche A., Portabella M., Scipal K., Wagner W., IEEE J. Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2017, vol. 10, no. 5, pp. 2086–2097. https://doi.org/10.1109/JSTARS.2017.2696424Nekrasov A. V., Khachaturian A., Abramov E. S., Popov D., Markelov O., Obukhovets V. A., Veremyev V., Bogachev M., Remote Sensing, 2018, vol. 10, no. 10, pp. 1501–1519. https://doi.org/10.3390/rs10101501Nekrasov A. V., Khachaturian A., Abramov E. S., Popov D., Markelov O., Obukhovets V. A., Veremyev V., Bogachev M., Remote Sensing, 2018, vol. 10, no. 10, pp. 1501–1519. https://doi.org/10.3390/rs10101501Wentz F., Smith D., J. Geophysical Research, 1999, vol. 104, no. C5, pp. 11499–11514. https://doi.org/10.1029/98JC02148Wentz F., Smith D., J. Geophysical Research, 1999, vol. 104, no. C5, pp. 11499–11514. https://doi.org/10.1029/98JC02148Караев В. Ю., Титченко Ю. А., Мешков Е. М., Панфилова М. А., Рябкова М. С. Доплеровский спектр радиолокационного сигнала, отражённого морской поверхностью при малых углах падения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 6. С. 221–234. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2019-16-6-221-234Karayev V. Yu., Titchenko Yu. A., Meshkov E. M., Panfi lova M. A., Ryabkova M. S., Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Current problems in remote sensing of the Earth from space], 2019, vol. 16, no. 6, pp. 221–234. (in Russ.) https://doi.org/10.21046/2070-7401-2019-16-6-221-234Караев В. Ю., Панфилова М. А., Рябкова М. С., Титченко Ю. А., Мешков Е. М. Доплеровский спектр радиолокационного сигнала, отражённого морской поверхностью при малых углах падения: эксперимент // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 2. С. 149–161. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2020-17-2-149-161Karayev V. Yu., Panfi lova M. A., Ryabkova M. S., Titchenko Yu. A., Meshkov E. M., Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Current problems in remote sensing of the Earth from space], 2020, vol. 17, no. 2, pp. 149–161. (in Russ.) https://doi.org/10.21046/2070-7401-2020-17-2-149-161Кутузов В. М., Михайлов В. Н. Методика расчёта отражений от морской поверхности при оценке зоны видимости морской РЛС // Материалы международной конференции «Системы Радиолокационного Мониторинга», Ханой, Вьетнам, 21–23 ноября 2017. С. 23–32.Kutuzov V. M., Mikhaylov V. N., Metodika rascheta otrazheniy ot morskoy poverkhnosti pri otsenke zony vidimosti morskoy RLS, Proceedings of International Conference “Radar Monitoring Systems – 2017”, Hanoi, Vietnam, 2017, November 21–23, pp. 23–32.Keith D. Ward, Robert J. A. Tough, Simon Watts, Sea clutter: scattering, the K distribution and radar performance, 2nd edition, Croydon, CPI Group Ltd, 2013, 586 p. https://doi.org/10.1049/PBRA020EKeith D. Ward, Robert J. A. Tough, Simon Watts, Sea clutter: scattering, the K distribution and radar performance, 2nd edition, Croydon, CPI Group Ltd, 2013, 586 p. https://doi.org/10.1049/PBRA020EЗагородников A. A. Радиолокационная съёмка морского волнения с летательных аппаратов. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 240 с.Zagorodnikov A. A., Radiolokatsionnaya s”emka morskogo volneniya s letatel’nykh apparatov [Radar survey of sea waves from aircraft], Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1978, 240 p. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.