Резонансное рассеяние радиоволн сантиметрового диапазона в присутствии длинных морских волн

RESONANT SCATTERING OF THE CENTIMETER RANGE RADIO WAVES IN THE PRESENCE OF THE LONG SEA WAVES

Pustovoitenko V. V., Zapevalov A. S.

Marine Hydrophysical Institute Russian Academy of Sciences,

st. Kapitanska, 2, Sevastopol, 99011, Russia

Ph.: (692) 545065, e-mail: *****@***ru

Abstract — Analyses the effects of the resonance scattering of radio waves centimeter range due to changes in long waves slopes of the sea surface. We obtain estimates of the impact of energy wavelengths, as well as deviations distribution sea surface slopes from a Gaussian distribution. It has been shown that the presence of long wavelength may result in increase in the effective backscatter cross section of 50% with a horizontal polarization and 35% in the vertical polarization.

РЕЗОНАНСНОЕ РАССЕЯНИЕ РАДИОВОЛН САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА В ПРИСУТСТВИИ ДЛИННЫХ МОРСКИХ ВОЛН

Пустовойтенко В. В., Запевалов А. С.

Морской гидрофизический институт РАН,
, Севастополь, 99000,Россия

545065, e-mail: [e-mail]

Аннотация — Анализируются эффекты, возникающие при резонансном рассеянии радиоволн сантиметрового диапазона, обусловленные изменением длинным волнами уклонов морской поверхности. Получены оценки влияния энергии длинны волн, а также отклонений распределения уклонов морской поверхности от распределения Гаусса. Показано, что присутствие длинных волн может приводить к увеличению эффективного сечения обратного рассеяния на 50 % при горизонтальной поляризации и на 35 % при вертикальной поляризации.

I. Введение

Взаимодействие радиоволн с морской поверхностью описывается в рамках двухмасштабной модели [1]. Нелинейные процессы в поле поверхностных волн приводят к отклонениям распределений уклонов и возвышений морской поверхности от распределения Гаусса, что оказывает значительное влияние на рассеяние электромагнитного излучения морской поверхностью [2, 3].

Целью работы является анализ влияния длинных (по сравнению с резонансными составляющими) поверхностных волн на резонансное (брегговское) рассеяние радиоволн в обратном направлении.

II. Резонансное рассеяние

Условие резонанса, связывающее волновые числа поверхностных и рассеянных в обратном направлении электромагнитных волн , при угле падения имеет вид, . Если резонансные составляющие поля поверхностных волн распространяются по плоской поверхности, сечение обратного рассеяния можно представить в форме,

, (1)

где a – азимутальный угол; – функция угла зондирования, определяемая видом поляризации ; – спектр возвышения морской поверхности.

Будем считать длинными те волны, длина которых превосходит длину резонансных составляющих. Их присутствие приводит к тому, что брегговские составляющие распространяются по криволинейной поверхности. Это приводит к изменению локального угла падения радиоволн на величину угла наклона морской поверхности . Как следствие меняется значение функции и волновое число резонансной составляющей. В присутствии длинных волн выражение (1) приобретает вид,

(2)

где – угол наклона морской поверхности в направлении падения радиоволн.

Влияние длинных волн на величину рассеянного назад сигнала, можно учесть, усреднив выражение (2) по всему диапазону, создаваемых ими углов . Усреднение осуществляться с весом, определяющим вероятность появления тех или иных значений угла . Тогда,

(3)

Плотность вероятностей уклонов морской поверхности описывается квазинормальным распределением [4].

III. Количественные оценки

Для дальнейшего анализа воспользуемся данными прямых измерений уклонов морской поверхности, выполненными с помощью лазерного уклономера [5]. В качестве критерия, определяющего влияние длинных волн на резонансное рассеяние, будем рассматривать параметр

. (4)

Сначала рассмотрим, как изменения дисперсии уклонов влияют на резонансное рассеяние радиоволн при гауссовом распределении уклонов, затем проанализируем влияние нелинейных эффектов. Результаты расчета оценок параметра при зондировании в продольном направлении и угле падения 35° представлены на рис. 1. Верхние индексы и означают, что расчеты проводились для гауссова квазигауссова распределений.

 

Рис. 1. Влияние энергии поверхностных волн

на резонансное рассеяние.

Fig. 1. The effects of power surface waves
on the resonant scattering.

Видно, что уклоны морской поверхности, создаваемые волнами, длина которых больше длины резонансных компонент, значительно влияют на уровень рассеянного назад сигнала. При радиозондировании на горизонтальной поляризации присутствие длинных волн при скоростях ветра более 5 м/с приводит к увеличению рассеянного назад сигнала на 80-90 %.

Влияние отклонений распределений уклонов от распределения Гаусса на величину сечения обратного рассеяния проанализируем с помощью параметра

. (5)

Зависимость параметра от асимметрии распределения уклонов А представлена на рис. 2. Отрицательные значения асимметрии соответствуют зондированию в направлении по ветру. Расчеты проводились для зондирования на горизонтальной поляризации при 35° и 7.3°. Асимметрия по разному проявляется при зондировании на разных поляризациях. Ее влияние сильнее, если поляризация горизонтальная. Изменение эксцесса распределения уклонов незначительно меняет величину параметра .

IV. Заключение

Эффекты, обусловленные изменением длинными волнами локальных углов наклонов морской поверхности, приводят к увеличению сечения обратного рассеяния. Более сильно эти эффекты проявляются при работе радиолокатора на горизонтальной поляризации. При зондировании под углом 35° изменение сечения обратного рассеяния при сильных ветрах достигает на горизонтальной поляризации 50 %, на вертикальной поляризации – 35 %.

Рис. 2. Влияние нелинейности поверхностных волн на резонансное рассеяние.

Fig. 2. The effects of non-linearity surface waves
on the resonant scattering.

При зондировании на горизонтальной поляризации навстречу ветру и по ветру асимметрия распределения уклонов может приводить к отклонению сечения обратного рассеяния от рассчитанного для гауссовой поверхности на 15% (при 35°). При вертикальной поляризации отклонения примерно в два раза меньше. Изменениями эксцесса распределения уклонов при расчете сечения обратного рассеяния можно пренебречь.

V. Cписок литературы

[1] Zapevalov A. S. Bragg scattering of centimeter electromagnetic radiation from the sea surface: The effect of waves longer than Bragg components // Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 2009. Т. 45. № 2. С. 253-261.

[2] Pokazeev, K. V., Zapevalov, A. S., Pustovoytenko, V. V. The simulation of a radar altimeter return waveform // Moscow University Physics Bulletin, September 2013. V. 68, Issue 5, P. 420-425.

[3] Zapevalov A. S. Effect of skewness and kurtosis of sea surface elevations on the accuracy of altimetry surface level meaurements // Izvestiya - Atmospheric and Ocean Physics.  2012. V. 48, No 2.  P. 200-206. 

[4] Zapevalov A. S. Pustovoitenko V. V. Modeling of the probability distribution function of sea surface slopes in problems of radio wave scattering // Radiophysics and Quantum Electro­nics. 2010. Vol. 53, No. 2. P. 100-110.

[5] Zapevalov, A. S., Pokazeev, K. V. Sea surface slopes statistics and its application to the laser sounding //  Vestnik Moskovskogo Universita. Ser. 3 Fizika Astronomiya 2004 (5)  P. 53 - 56