Поляризационные радиотепловые методы в исследованиях параметров морского волнения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

003055646

САДОВСКИЙ Илья Николаевич

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ РАДИОТЕПЛОВЫЕ МЕТОДЫ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ПАРАМЕТРОВ МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ

Специальность 01 04 01 приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2007

003055646

Работа выполнена в Институте космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН)

Научный руководитель-

доктор физико-математических наук, профессор Шарков Евгений Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Гранков Александр Георгиевич

Институт радиотехники и электроники РАН, Фрязинский филиал

кандидат физико-математических нау.с

Литовченко Констанитин Цезарьевич

Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения»

Ведущая организация:

Институт физики атмосферы им А М Обухова РАН

Защита диссертации состоится 10 апреля 2007 г в 11 часов на заседании диссертационного совета Д002 113 01 в конференц-зале ИКИ РАН по адресу 117997, г Москва, ул Профсоюзная, д 84/32, подъезд № 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН Автореферат разослан 6 марта 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д002 113 01 кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

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 изучении океана 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 сантиметровом диапазоне наиболее чувствительно именно к поверхностным волнам с периодами порядка длины электромагнитной волны, что соответствует капиллярным и гравитационно-капиллярным волнам (ГКВ) Область гравитационно-капиллярных волн труднодоступна исследованию прямыми волнографическими методами и в то же время играет важную роль в развитии и установлении волнения, а также в процессах взаимодействия океана и атмосферы В связи с этим, представляется крайне важным установление количественных соотношений между характеристиками волнения в этой области и радиотепловыми контрастами морской поверхности, измеряемыми радиометрами Это невозможно сделать без проведения модельных исследований с их последующей проверкой в ходе выполнения лабораторных экспериментов, позволяющих осуществлять точные измерения характеристик изучаемых поверхностей (в отличие от натурных условий) Кроме того, повышение точности дистанционных методов радиотепловой локации морской поверхности напрямую связано с наличием данных подспутниковых натурных измерений, обеспечивающих пространственное разрешение, сравнимое с размерами элементов разрешения приборов космического базирования

Все перечисленные факты определяют актуальность данной работы

Цель диссертационной работы

Спектры ветровых волн в гравитационно-капиллярном интервале исследованы крайне мало Теоретическое описание затруднено сложностью нелинейных механизмов накачки энергии от ветра, потока энергии, импульса и волнового действия в пространстве волновых чисел, диссипацией за счет вязкости, поверхностных пленок, турбулентности, нелинейной диссипации, ограничивающей рост волн Экспериментальные данные о характеристиках ГКВ имеются в небольшом количестве Преимущественно они получены с использованием ветровых бассейнов и сильно отличаются друг от друга В то же время, интерпретация данных самолетных и спутниковых радиолокационных, оптических и микроволновых радиометрических измерений требует детального знания параметров ГКВ

При изучении собственного радиотеплового излучения взволнованной водной поверхности особый интерес представляет случай, когда период неровностей сравним с длинами принимаемых электромагнитных волн В такой ситуации в радиоизлучении возникают особенности — так называемые «критические явления» В частности, для вертикальной поляризации принимаемого сигнала при наблюдении в плоскости, совпадающей с направлением волнового вектора неровностей, имеет место резонансное усиление коэффициента излучения поверхности Здесь, следует отметить особое значение экспериментальных исследований (1976— 1979), выполненных сотрудниками ИКИ РАН, с борта самолета-лаборатории при осуществлении круговых полетов в акваториях Баренцева, Белого, Каспийского, Охотского и Черного морей Эти исследования послужили основой последующих экспериментальных и теоретических работ, направленных на изучение и объяснение обнаруженного эффекта азимутальной анизотропии теплового излучения взволнованной морской поверхности вообще, и «критических явлении», как одного из определяющих факторов ее существования, в частности Следует отметить, что определяющий вклад в развитие теоретических основ данного явления был сделан В С Эткиным и Ю А Кравцовым с соавторами В дальнейшем, теория явления была обобщена В Г Ирисовым на случай произвольной поляризации волны и произвольной плоскости падения относительно волнового вектора неровностей, т е задача была решена в общем трехмерном случае Однако вопрос об экспериментальном

подтверждении основных положений развитой теории был решен лишь в общем, качественном виде

Полученные в представленных работах результаты легли в основу новой области применения микроволновой радиополяри-метрии — радиоспектроскопических исследований ветрового волнения В частности, Ю Г Трохимовский в своих работах показал высокую чувствительность азимутальной анизотропии теплового излучения морской поверхности к параметрам ГКВ и продемонстрировал возможность восстановления параметров спектра этого волнового интервала по данным угловых радиополяриметрических измерений К сожалению, безвременная кончина ученого не позволила закончить ему работу над этой тематикой, оставив без ответа многие актуальные вопросы

Все перечисленные факты, а также анализ работ Ю Г Трохи-мовского, развитием идей которого является настоящая диссертация, определили основные задачи данной работы

1. Создание лабораторной физической установки для проведения высокоточных исследований рассеяния и излучения резонансного характера сложных шероховатых поверхностей

2. Проведение лабораторного эксперимента по исследованию микроволнового излучения взволнованной водной поверхности на гравитационно-капиллярных масштабах

3 Проведение модельных расчетов радиояркостных контрастов в соответствии с теорией «критических явлений»

4. Сравнение результатов выполненных лабораторных исследований с модельными расчетами и представление заключения о применимости положений теории для описания собственного радиотеплового излучения шероховатой поверхности

5. Разработка методики восстановления параметров спектра волнения в гравитационно-капиллярном интервале по данным угловых радиополяриметрических измерений на основе двух-масштабной модели волнения

6. Проведение модельных расчетов, направленных на выяснение чувствительности разработанной методики к вариациям различных параметров, входящих в модель радиотеплового излучения

7. Использование разработанной методики восстановления параметров спектра ГКВ при обработке данных натурных исследований и рассмотрение возможности ее применения в исследованиях морской поверхности

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие положения

1. Результаты сравнения модельных расчетов с данными лабораторных исследований подтверждают высокую чувствительность модифицированных параметров Стокса теплового излучения периодически неровной водной поверхности к ее геометрии Хорошее соответствие этих результатов позволяет использовать соотношения теории «критических явлений» в приближении метода малых возмущений для описания вклада коротковолновых компонент спектра волнения в итоговое значение радиотеплового излучения

2. Разработанная методика анализа данных дистанционных угловых радиополяриметрических измерений позволяет восстанавливать параметры спектра гравитационно-капиллярных волн При этом ошибка восстановления в основном определяется, точностью определения интегрального поглощения атмосферы, точностью проведения калибровок радиометрических приемников и их юстировки, а также такими их характеристиками как значения кросс-поляризационных коэффициентов и коэффициент рассеяния антенных систем

3 Результаты обработки данных натурного эксперимента САРМ08'05 с использованием разработанной методики демонстрируют высокую степень зависимости спектра кривизны ГКВ от скорости приповерхностного ветра, достигающую своих максимальных значений в области спектрального максимума (К «7,0 рад /см) Чувствительность восстановленных значений дисперсии уклонов поверхностных волн (по данным 8-мм радиометра) к вариациям скорости ветра начинает проявляться при Л" «1,5 рад/см (указанное значение волнового числа К соответствует верхнему пределу интегрирования в соотношении для вычисления дисперсии) Максимум корреляции этих величин соответствует верхней границе диапазона рассматриваемых волновых чисел (К ~ 15 рад/см)

Научная новизна результатов

1. Впервые проведена серия лабораторных экспериментов по исследованию радиотеплового излучения на гравитационно-

капиллярных масштабах в условиях детального контроля профиля волнения с использованием полупроводникового лазера

2 Впервые разработана и применена в ходе комплексного натурного эксперимента методика восстановления параметров спектра ГКВ на основе данных угловых радиополяриметрических измерений

3 Впервые разработан и реализован программный комплекс для восстановления параметров спектра ГКВ на основе данных многочастотных угловых радиополяриметрических измерений

4. Впервые проведена серия модельных расчетов, направленных на выяснение чувствительности разработанной методики к вариациям различных параметров, входящих в модель радиотеплового излучения

5. Впервые, на основе радиополяриметрических измерений, восстановлена динамика изменения параметров спектра в зависимости от скорости ветра при постоянном контроле состояния морской поверхности посредством проведения контактных измерений с использование решетки струнных волнографов

Научная и практическая ценность работы

Диссертация выполнялась в соответствии с научными планами ИКИ РАН, темы «Океан Физические основы космического дистанционного зондирования поверхности океана в микроволновом диапазоне» (государственная регистрация № 01 20 0200163) Автор принимал участие в выполнении работ в рамках проектов грант РФФИ № 00-05-64508, грант РФФИ № 01-05-06240 и № 0205-06478 (в рамках гранта РФФИ № 00-05-64508), грант РФФИ № 01-02-16538, грант ШТАБ № 03-51-4789, грант РФФИ № 05-0579113, грант РФФИ № 05-05-64451, грант РФФИ № 05-05-64235 Предложенный в диссертации подход к анализу микроволновых данных может быть применен для дополнения и развития существующих алгоритмов обработки данных дистанционного зондирования Разработка методики дистанционного исследования характеристик пространственного спектра ГКВ в натурных условиях позволит изучать влияние параметров ветрового потока, энергонесущих компонент волнения, поверхностно-активных веществ, турбулентности в приповерхностном слое на процесс развития волнения Данные будут использованы для проверки моделей, в которых

делаются разные предположения об основных источниках накачки и диссипации энергии в гравитационно-капиллярном интервале, а также других процессах, отражающих энерго- и массообмен в системе океан—атмосфера Разработанный комплекс программ, будет использован для анализа состояния морской поверхности в режиме реального времени при проведении экспериментальных исследований в будущем Научная ценность работы была отмечена Фондом содействия отечественной науке Автор дважды (в 2004 и 2005 гг ) становился лауреатом конкурса «Лучшие аспиранты РАН» по направлению «Физика и астрономия», проводимого этим фондом Кроме этого, для выполнения научных исследований Департамент образования г Москвы выделял автору в 2004 и 2005 гг гранты в рамках конкурса «Гранты Москвы» в области наук и технологий в сфере образования

Личный вклад автора

Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами Автору принадлежат разработка методики экспресс оценки параметров волнения в лабораторных условиях и создание соответствующей установки, модернизация измерительного комплекса для проведения лабораторных исследований, участие в лабораторных экспериментах по исследованию радиотеплового излучения на гравитационно-капиллярных масштабах, усовершенствование программного комплекса по расчету радиотеплового излучения на гравитационно-капиллярных масштабах, проведение соответствующих модельных расчетов, разработка программного комплекса по расчету радиояр-костных контрастов для волн различных масштабов, разработка методики восстановления параметров спектра ГКВ, проведение модельных расчетов по оценке влияния различных параметров атмосферы, водной поверхности и измерительного оборудования как на результат расчета радиояркостных контрастов водной поверхности, так и на результат восстановления параметров спектра ГКВ по данным угловых радиополяриметрических измерений, разработка программного комплекса для проведения анализа угловых зависимостей радиояркостных контрастов с целью восстановления параметров спектра, участие в натурных исследованиях и обработка полученных данных, участие в комплексном натурном эксперименте САРМ08'05

Апробация результатов

Результаты, вошедшие в диссертацию, получены автором в период с 1999 по 2006 год Они докладывались на следующих отечественных и международных конференциях

Всероссийская НТК «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы астрокосмическими средствами» (Муром, 2001), 5-ая Международная НТК «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» ФРЭМЭ'02 (Владимир, 2002), Всероссийская научная конференция «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы» (Москва, 2002), НТК преподавателей, сотрудников и аспирантов факультета Радиофизики, электроники и медицинской техники (Владимир, 2003), 9-я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-9 (Красноярск, 2003), Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2003), 8-th Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing Application (Rome, Italy, 2004), Конференция молодых ученых, посвященная Дню космонавтики (Москва, 2004), Вторая открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2005), Третья открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2006), 3-я Конференция молодых ученых, посвященная Дню космонавтики (Москва, 2006), VII Международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Владимир, 2006)

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, перечисленных в конце автореферата

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и библиографии В ней содержится 184 страниц, в том числе, 83 рисунка, 31 таблица Библиография включает 215 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Первая глава носит обзорный характер

Для полной характеристики квазистационарного волнения необходимо знать бесконечномерный закон распределения аппликат волновой поверхности, однако для практических целей обычно используются более простые вероятностные характеристики, описывающие квазистационарное волнение лишь приближенно К таким характеристикам относятся двумерный спектр возвышений морской поверхности и функции распределения элементов волн В данной главе приведены основные соотношения, использующиеся в настоящее время для описания пространственно-временного распределения ветрового волнения на поверхности океана в приближении его локальной квазистационарности Также представлены формулы взаимного преобразования наиболее используемых характеристик ветрового волнения (табл 1)

Проведенный анализ теоретических и экспериментальных работ, посвященных вопросу дистанционного определения параметров спектра гравитационно-капиллярных волн, позволил сделать следующие выводы

Исследования в оптическом и микроволновом диапазонах обладают высокой чувствительностью к геометрии подстилающей поверхности, что делает возможным их использование для изучения ветрового волнения

Таблица 1

Соотношение между основными спектральными характеристиками волнового процесса (по материалам работы \Elfouhaily <?/ а1, 1997])

Функция Обозначение Направленность

Спектр возвышении, м3/рая БЩ ненаправленные

Спектр уклонов, м рад Р{К) = ^(Ю

Спектр кривизны, рад2 В(К) = К^(К)

Спектр возвышений, м4/рад2 5(КХ, К у), Б(К, ф) направленные

Спектр уклонов вдоль и поперек генерального направления распространения волн, м2 Рх =К2хБ(Кх,Ку) Ру=ф{Кх,Ку)

Спектр кривизны, рад2 В(КХ, А'1') = К^(КХ, К у)

Полуэмпирические модели волнения, составленные на основе результатов исследований в одном из указанных частотных диапазонов (видимый или микроволновый), хорошо объясняют экспериментальные зависимости, полученные тем же самым методом В общем случае, использование этих моделей при переходе к другому методу исследований не всегда объясняет наблюдаемые результаты

С этой точки зрения, преимуществом обладают полуэмпирические модели, представляющие собой обобщение имеющихся к настоящему времени результатов экспериментальных исследований, полученных разными методами

При этом следует отметить большую роль лабораторных исследований, которые являются эффективным способом доказательства основных концепций, обнаружения специфических взаимодействий, опробования методик и т п Задача экспериментального подтверждения теории «критических явлений», лежащей в основе радиополяриметрических методов определения параметров спектра ГКВ, решена только в качественном виде Дальнейшее развитие радиополяриметрического метода требует ее количественного решения Результаты сравнения данных модельных расчетов радиоярко-стной температуры, выполненных в соответствии с двухмасш-табной моделью волнения, с различными экспериментальными данными, позволяет сделать вывод о правомерности использования этой модели при описании теплового излучения морской поверхности в нештормовых условиях Исследования параметров морского волнения с использованием радиометров-поляриметров в настоящее время ограничиваются результатами работ Трохимовского Ю Г и Ирисова В Г В указанных печатных работах отсутствуют данные о точности и чувствительности методов восстановления спектра ветровых волн, основанных на радиополяриметрических измерениях, к вариациям параметров морской поверхности и приводного слоя атмосферы, а так же характеристик измерительного оборудования

В рассмотренных работах отсутствует информация о динамике изменения спектра волнения, восстановленного с использованием данных радиометрических исследований, в условиях изменяющейся скорости приповерхностного ветра, подтвержденных синхронными измерениями контактным методом.

Во второй главе представлены результаты лабораторных исследований собственного радиотеплового излучения периодически неровной водной поверхности и их сравнения с данными модельных расчетов, выполненных в соответствии с теорией «критических явлений» в приближении метода малых возмущений (ММВ)

Тепловое радиоизлучение неровной водной поверхности в том случае, когда характерные размеры неровностей близки к длине волны излучения, обладает рядом специфических особенностей В частности, при некоторых условиях, определяемых выражением (1), возникает резонансное увеличение коэффициента излучения поверхности Причем, если на горизонтальной поляризации на резонансных длинах волн отмечаются относительно незначительные скачки излучательной способности 5(Х, А, 9, ср), то на вертикальной поляризации отмечаются резкие и высокие пики в излучении (рис 1)

X

р2+ 2р51п0созф-со52 9 = 0 , где р = /7—, н =+1, +2, (1)

где \ — длина волны принимаемого электромагнитного излучения, А — период поверхностной волны, 9 и ф — соответственно вертикальный и азимутальный углы наблюдения

15-,,

2 10-

5-

- о _5 -.а. й

Вертикальная | поляризация

-0=00

------ 0=20°

--- 0=400|

- - 0=60"у

— — 0=80°J

IV

-ю-

—I—'—I—■—I—■—1—

04 08 1 2 1 6 Отношение длин волн А/Л

04-1

2 §

3 ¡034

5 о

0 2-

5 0 1-

3 2

-0 1-

Горизонтальная

поляризация -0=00

------ 0=200

--- 0=400

- - 0=600

— — 0=800

т-1-1-1-1---1-1

04 08 1 2 1 6 2

Отношение длин волн А/Л

Рис 1. Приращение излучательной способности на вертикальной и горизонтальной поляризации в зависимости от отношения длин волн для различных углов зондирования (ср = 0")

В данной главе приведены основные соотношения теории «критических явлений» и решение задачи изменения излучатель-ной способности водной поверхности при наличии периодических неровностей в приближении ММВ На основе представленных соотношений разработан комплекс программ, позволяющий определять радиояркостные контрасты водной поверхности для произвольных углов зондирования в присутствии систем волн с известными параметрами

В рамках работы над диссертацией, разработана и создана лабораторная физическая установка для проведения высокоточных исследований рассеяния и излучения резонансного характера сложных шероховатых поверхностей Конструкция установки позволяет осуществлять измерения радиофизических характеристик водной поверхности в широком диапазоне углов зондирования, как по азимуту (от 0 до 360°), так и по углу места (от 10 до 70°) Для снижения влияния на результаты исследований подсвета окружающих предметов и элементов конструкций в схеме установке предусмотрена система переотражателей

Проведена серия лабораторных экспериментов по исследованию радиотеплового излучения водной поверхности на гравитационно-капиллярных масштабах в условиях постоянного контроля профиля волнения В качестве объекта исследований использована диэлектрическая ванна с водой, на поверхности которой создавалась система периодических возвышений (с использованием рамки с нитями) Преимуществом такого типа шероховатой («замороженной») поверхности перед генерируемыми волнопродукто-ром или ветровым потоком систем волн, является постоянство ее структуры и возможность точного измерения профиля неровностей В рамках выполненных исследований, разработана методика контроля профиля неровностей на водной поверхности с использованием полупроводникового лазера Основой предложенной методики является определение координат единичных векторов, задающих направление падающего и отраженного лучей лазера при сканировании в направлении, перпендикулярном направлению натяжения нитей Периодические неровности с периодом 12 мм и амплитудой 0,6 мм привели в описанном эксперименте к увеличению радиояркостной температуры на 9 К (рис 2)

Результаты сравнения модельных расчетов, выполненных в соответствии с представленными соотношениями теории «критических явлений», с данными лабораторных исследований подтвержда-

ют, во-первых, высокую чувствительность радиояркостных контрастов периодически неровной водной поверхности к ее геометрии, а во-вторых, служат убедительным свидетельством того, что короткие гравитационно-капиллярные волны играют определяющую роль в формировании теплового радиоизлучения взволнованной водной поверхности Хорошее совпадение этих результатов позволяет использовать соотношения теории для описания вклада коротковолновых компонент спектра в итоговое значение радио-яркостной температуры водной поверхности, обусловленной присутствием волн различных масштабов

Третья глава посвящена разработке алгоритма восстановления параметров спектра ГКВ по данным угловых радиополяриметрических измерений Исходя из результатов анализа литературы и лабораторных исследований, процесс разработки методики восстановления параметров спектра ГКВ был разделен на следующие этапы

♦ Разделение различных параметров водной поверхности, атмосферы, измерительного оборудования по их влиянию на регистрируемые значения радиояркостной температуры взволнованной водной поверхности

• Разработка алгоритма восстановления параметров спектра ГКВ на основе данных угловых радиополяриметрических измерений

-5-1—1—1—■——I—1—■—I—>—|—г-^

10 20 30 40 50 60 70

Угол наблюдения, 0 (град )

Рис 2 Зависимость радиояркостного контраста возмущенной поверхности от угла зондирования

Оценка степени влияния каждого из параметров первого пункта на результат восстановления характеристик ветрового волнения и разработка требований, предъявляемых к методике проведения измерений и характеристикам используемых радиометрических приемников

Расчет радиояркостных контрастов А (в), определяемых как разность радиояркостной температуры взволнованной и гладкой водной поверхности Тя гл (0) при фиксированных значениях температуры, солености и состояния атмосферы, производился с учетом вклада всего спектра поверхностных волн, пены и модуляции переотраженного излучения атмосферы Вычисления выполнены в рамках двухмасштабной модели волнения Учет длинных волн

(£ » К , где к = 2п/Х и К = 2л/Л) произведен по методу Кирхгофа в приближении геометрической оптики (3), а коротковолновые компоненты учтены (К > КДЛ, Кщ = 0,05к) в соответствии с теорией «критических явлений» в приближении ММВ (5) Важно, что указанные соотношения, как и используемые в методике восстановления параметров спектра ГКВ, относятся к усредненным по азимутальным направлениям яркостным контрастам

&Тя_мод = ЛТЯ К0Р + АТЯ_ДЛ , (2)

(еЬ Jft (Му)(тв (4Ä|2) + H2 тл (е-М)лpxdb -

-Тя_гл{Ъ) (3)

где и ц>у — уклоны крупных волн, — функция рас-

пределение вероятностей уклонов при наблюдении под углом 9 ,

Тв — физическая температура поверхности воды, Я = Я.(ВЛ) — локальный коэффициент Френеля, Тп — яркостная температура излучения подсвета, которая равна яркостной температуре атмосферы Тя АТМ или излучению поверхности в зависимости от угла наблюдения и локальных уклонов ф, и Ф^, 6j - локальный угол падения Интегрирование проводится по всем видимым участкам

поверхности Связь между локальным углом падения и углами 0, Фх и Фу легко находится из простого геометрического рассмотрения Величины Я, Тп и Тя_гл (б) меняются в зависимости от

выбора поляризации Важно, что так как распределение уклонов близко к Гауссовой функции, то естественно использовать дисперсию уклонов ад (4) в качестве единственного параметра, описывающего изменение радиояркости за счет крупных волн, длины которых много больше длины электромагнитного излучения Иными

словами АТя_дл , где

^ млн

ад = 2л | К~хВ(К)с1К (4)

о

Вклад коротковолновых компонент спектра, может быть определен

СО

АТЯ КОР(9) = 2к | В{К)0{К)К(1К> (5)

Кдч

где В(К) — функция, пропорциональная приращению излучатель-ной способности, имеющая смысл яркостного контраста, усредненного по всем азимутальным направлениям и обусловленного присутствием данной гармоники в спектре поверхностного волнения, В{К) — спектр кривизны, усредненный по всем азимутальным направлениям

В данной главе представлены результаты анализа характера влияния различных параметров атмосферы и водной поверхности на расчетные значения радиояркостных контрастов Как показали выполненные исследования, значительное влияние на регистрируемые значения радиояркостных контрастов оказывают ошибки определения интегрального поглощения атмосферы, ошибки определения калибровочных коэффициентов радиометрических

приемников, ошибки юстировки антенных систем радиометрических приемников, реальные характеристики антенных систем, присутствие кросс-поляризационных эффектов По сравнению с перечисленными факторами, влиянием вариаций температур воды, воздуха и значений солености можно пренебречь

Расчетные значения радиояркостных контрастов, в силу резонансного характера радиотеплового излучения на волновых числах, близких к длине волны используемых радиометров, проявляют сильную зависимость от формы спектра поверхностного волнения При этом характер вносимых изменении определяется соотношением длин волн поверхностной гармоники и рабочей длины волны выбранного радиометрического канала «Уникальный» характер функции Д7^(б), соответствующей конкретному набору параметров водной поверхности и атмосферы, позволяет решить задачу восстановления параметров спектра ГКВ путем подбора таких значении спектра кривизны В(К) и дисперсии уклонов

крупных волн ар , которые минимизируют расхождение экспериментально измеренных и модельных значений ДТя (8) Эти положения легли в основу разработанного метода восстановления параметров ГКВ по данным угловых радиополяриметрических измерений Схема алгоритма программного комплекса, реализующего представленную методику, приведена на рис 3 Диапазон волновых чисел [Кмин, Кшкс], в котором могут быть восстановлены параметры спектра, определяется максимальным и минимальным значениями частот используемых радиометрических каналов (Кмш = 0,05кшии, КШКС =2,Окошкс, кшш и кШАКС суть минимальное и максимальное волновое число (к0) принимаемого излучения для всего набора радиометрических каналов) Кроме расширения диапазона волновых чисел, использование данных многочастотных измерений позволяет повысить достоверность восстанавливаемых значений и минимизировать влияние ошибок различного характера

На примере модельных расчетов показано, что разработанная методика восстановления параметров спектра ГКВ, в отсутствии влияния вариаций входных данных позволяет восстанавливать значения спектра кривизны В(К), функции дисперсии уклонов с2 (К) и дисперсии уклонов крупных волн стц с точность не хуже 7,0 %, 1,0 % и 15,0 % соответственно (рис 4)

Формирование файла входных данных

(аТ'я _экСп)

Учет мелкомасштабных компонент волнения

Учет длинных волн

I I I

I I I I I I I I I

Расчет значений функции D{K)

Выбор начальных значений Д7и В {К)

Г

н

Расчет значений АГя=ЬГя_Д1+АГякоР

Расчет значений функции

Вычисление коэффициентов с, аппроксимирующей функции

Разбиение волнового интервала на 6 частей случайным образом (200 разбиений)

Вычисление функции невязки

т

Генерация новых значений

' В(К) (10000 итераций)

ATI,

Занесение в память наилучших значений

АГк,а20 и В (К) для данного разбиения

т

Усреднение наилучших решений для каждого из 200 разбиений с учетом значения е

Рис. 3. Алгоритм восстановления параметров спектра

Результаты электродинамического моделирования, позволили произвести оценку влияния вариаций параметров, входящих в расчет, на точность восстановления параметров спектра На основе анализа выработана система требований к измерительному оборудованию и методике проведения измерений, которые направлены на повышение качества восстановления параметров морского волнения (табл 2)

0 01 0 1 1 10 100 0 01 0 1 1 10 100

Волновое число, К (рад/см) Волновое число, К (рад/см)

Рис. 4. Спектр В(К) (слева) и функция дисперсии уклонов а2 (А') (справа), восстановленные (крестики) в соответствии с разработанной методикой при использовании данных набора радиометров 8 мм (горизонтальная поляризация), 3 мм (вертикальная поляризация) и 8 см (вертикальная поляризация) Случай отсутствия вариаций входных параметров Сплошная линия — исходные значения В(К) и ст2 (А')

Таблица 2

Требования, предъявляемые к измерительному оборудованию

Параметр/измеряемая величина Значение/Точность определения

Температура водной поверхности не хуже ±0,5 °С

Температура атмосферы и АЧТ не хуже ±0,5 °С

Соленостьне хуже ±1,0 %о

Интегральное поглощение атмосферы не хуже ±2,5 %

Точность юстировки антенн радиометров не хуже ±0,2°

Определение значений калибровочных не хуже ±1,5 %

коэффициентов

Уровень кросс-поляризации не хуже 17,0 дБ

Коэффициент рассеяния антенных систем не более 0,1

Чувствительность радиометра не хуже 0,1 К

В четвертой главе представлены результаты восстановления параметров спектра гравитационно-капиллярных волн на основе данных натурного эксперимента CAPMOS'05 (Combined Active/ Passive Microwave Measurements of Wind Waves for Global Ocean Salinity Monitoring) Приоритетными целями этого международного

научного проекта являлись- исследование влияния температуры, солености и волнения на характеристики излучаемых и рассеиваемых морской поверхностью электромагнитных волн, а также развитие средств и методов дистанционного зондирования Океана на основе полученных данных

Измерения были выполнены с научно-исследовательской океанографической платформы, расположенной у южного берега Крыма вблизи п Кацивели, в период с 1 по 21 июня 2005 г Географическое расположение платформы таково, что при господствующих ветрах восточного и западного направления, тем более при южном ветре со стороны открытого моря, обеспечивается достаточный разгон ветровых волн, что позволяет относить волновые измерения к условиям глубокой воды и развитого волнения Измерения радиотеплового излучения взволнованной водной поверхности производились непрерывно 24 часа в сутки с регистрацией экспериментальных данных в цифровой форме на персональных компьютерах и сопровождались метеорологическими измерениями Измерения скорости и направления ветра (и температуры атмосферы) проводились с помощью акустических анемометров, входящих в состав метеокомплексов МК-15, установленных на высоте 1,5 и 21,5 м над уровнем морской поверхности

Представленные в диссертации результаты относятся к периоду 8—9 июня и получены с помощью 8-мм радиометра-поляриметра (горизонтальная и вертикальная поляризации) С целью обеспечения требуемого качества входных данных, предъявляемого разработанной методикой восстановления параметров спектра, измерения производились на шести азимутальных углах и в диапазоне вертикальных углов наблюдения от 10 до 170 градусов от надира Для этого была задействована автоматическая сканирующая платформа По полученным данным, после соответствующей обработки (калибровки радиометрических каналов, отсеивания ошибочных точек и т п ) и усреднения по азимутальным направлениям, с использованием представленной методики вычислялись параметры спектра ГКВ

Как было показано в третьей главе, использование данных радиометрических измерений на длине волны А = 0,8 см (к = 7,85 рад/см), позволяет восстанавливать значения спектра

кривизны Б(К) и функции дисперсии уклонов а2 (А') в диапазоне волновых чисел [0,39, 15,7] рад/см, а значение дисперсии уклонов

крупных волн стр — для компонент спектра К < 0,39 рад/см Пример восстановленных характеристик спектра ГКВ, полученных на основе данных 25-минутных измерений, представлен на рис 5 Для сравнения, на том же рисунке представлены аналогичные зависимости, рассчитанные в соответствии с моделями \Apel, 1994] (А), \Elfouhaily е? а1, 1997] (Е) и \Romaiser е1 а1, 1997] (К) для скорости ветра 4,15 м/с (соответствующей данному временному отрезку) Из графиков видно, что восстановленные значения В(К) значительно превышают данные модельных расчетов, выполненных по любой из моделей Найденная функция В{К) имеет ярко выраженный максимум на К » 7 рад/см , в то время как аналогичный характер кривой наблюдается лишь для модели (А) при скорости ветра 8,5 м/с Следует отметить, что восстановленные значения спектра кривизны для всего диапазона скоростей ветра имеют аналогичный характер (максимум на К » 7рад/см), при этом рост скорости ветра сопровождается ростом амплитуды В{К)

О 006-т

д- 0 005-я

з 0 004-

СО

| 0 003-

о.

р- 0 0021)

5 0 001 •

+ Эксп 4 15 м/с

-----(А) 4 15 м/с

---(Е) 4 15 м/с

— — (I?) 4 15 м/с (А) 8 5 м/с

0 06-1

! ____|__ 1 1 -] } 4 ! А 1

/ 11

^71/'2 'Т

¡1 I ^

0 ~ I I I ■ ■ III] I I к Ш11| I I I шп| ^'п 001 01 1 10

К, рад/см

Рис 5 Восстановленные значения спектра кривизны В{К) и зависимости дисперсии уклонов в сравнении с моделями (А), (Е) и (Я)

Звездочки — значения дисперсии уклонов волн для всех К < 0,125 и К< 0,066 рад/см, измеренные с помощью струнного волнографа Цифрами обозначено расположение в спектре тех волновых чисел, для которых на рис 6 и рис 7 построены временные зависимости

На фоне значительной переоценки В(К), зависимость ст2(ЛГ) характеризуется более низкими значениями относительно модель-

ных Так, для нижней границы интервала волновых чисел, в котором происходит решение обратной задачи, восстановленное а^ в

два раза меньше модельных значений

Проведение радиополяриметрических измерений сопровождалось данными решетки струнного волнографа Его описание и методика обработки получаемых результатов представлены в настоящей главе Геометрия расположения струн позволяла определять мгновенные значения уклонов морской поверхности, соответствующих всем волновым компонентам, удовлетворявшим условиям К < 0,125 или К< 0,066 рад/см Данные волнографа, отчасти, служат подтверждением достоверности результатов восстановления параметров спектра ГКВ Так, на рис 5 обозначены с, полученные посредством этого устройства (звездочки) Ввиду гладкости функции с2 (А') в данном волновом интервале, экстраполирование экспериментальной кривой а2 в область К= 0,066 рад/см наилучшим образом ложится на соответствующие данные волнографа

Анализ результатов контактных измерений, полученных посредством волнографа, позволяет сделать следующие выводы

1. В случае не усредненных по азимутальному углу значений уклонов, функция их распределения (для К< 0,125 рад/см) не может быть описана нормальным законом

2. Максимум этой функции смещен в сторону генерального направления распространения волн

3. Распределение уклонов, усредненных по всем направлениям, близко к гамма-распределению или X -распределению случайных величин

На графиках (рис 6 и рис 7) представлена динамика изменения восстановленных параметров спектра ГКВ в сравнении со скоростью приповерхностного ветра Найденные значения спектра кривизны ГКВ В(К) проявляют высокую степень зависимости от скорости приповерхностного ветра, достигающую своих максимальных

значений в области спектрального максимума (К ~ 7,0 рад/см ) Также из представленных зависимостей видно, что чувствительность восстановленных значений дисперсии уклонов поверхностных волн к вариациям скорости ветра начинает проявляться при

г 15

-12,

----9

-6

ГI I | I I I I Г'р

-3

■''' I''1'' I.....

ООО 6 00 12 00 18 00 ООО

Время

6 00 12 00 18 00 ООО

4 о н

и

-О

Рис. 6 Временные зависимости восстановленных значений спектра кривизны В{К), рассчитанных для различных волновых чисел Цифры соответствуют волновым числам, расположение которых в спектре показано на рис 5 Сплошная линия — скорость приповерхностного ветра

0 00 6 00 12 00 18 00 0 00 6 00 12 00 18 00 0 00

Время

Рис. 7 Временные зависимости восстановленных значений функции дисперсии уклонов а2 (/Г), рассчитанных для различных волновых чисел Цифры соответствуют волновым числам, расположение которых в спектре показано на рис 5 Сплошная линия — скорость приповерхностного ветра Точками обозначены показания струнного волнографа (К < 0,125 рад/см)

/Г « 1,5 рад/см (указанное значение волнового числа К соответствует верхнему пределу интегрирования в соотношении для вычисления дисперсии) Максимум корреляции этих величин соответствует верхней границе диапазона рассматриваемых волновых чисел К »15 рад/см (при использовании данных 8-мм радиометра)

Заключение содержит основные результаты работы 1. Разработана и создана лабораторная физическая установка для проведения высокоточных исследований рассеяния и излучения резонансного характера сложных шероховатых поверхностей Конструкция установки позволяет осуществлять измерения радиофизических характеристик водной поверхности в широком диапазоне углов зондирования, как по азимуту, так и по углу места Для снижения влияния на результаты исследований подсвета окружающих предметов и элементов конструкций в схеме установке предусмотрена система переотражателей 2 Проведена серия лабораторных экспериментов по исследованию радиотеплового излучения водной поверхности на гравитационно-капиллярных масштабах в условиях постоянного контроля профиля волнения В качестве объекта исследований использована диэлектрическая ванна с водой, на поверхности которой создавалась система периодических возвышении (с использованием рамки с нитями) Преимуществом такого типа шероховатой («замороженной») поверхности перед генерируемыми волнопродуктором или ветровым потоком систем волн, является постоянство ее структуры и возможность точного измерения профиля неровностей В рамках выполненных исследований, разработана методика контроля профиля неровностей на водной поверхности с использованием полупроводникового лазера Основой предложенной методики является определение координат единичных векторов, задающих направление падающего и отраженного лучей лазера при сканировании в направлении, перпендикулярном направлению натяжения нитей Периодические неровности с периодом 12 мм и амплитудой 0,6 мм привели в описанном эксперименте к увеличению радиояркостной температуры на 9 К Полученные угловые зависимости радиояркостной температуры служат убедительным свидетельством того, что короткие гравитационно-капиллярные волны играют определяющую роль в формировании теплового радиоизлучения взволнованной

водной поверхности и дают достаточно оснований полагать, что именно эти короткие гравитационно-капиллярные волны служат основной причиной существования азимутальной анизотропии поляризационных параметров теплового радиоизлучения взволнованной морской поверхности

3. Разработан и реализован программный комплекс, позволивший произвести электродинамическое моделирование радио-яркостных контрастов, обусловленных коротковолновыми компонентами спектра ветрового волнения, в соответствии с теорией «критических явлений» Центральный модуль разработанного программного комплекса используется для решения задачи о падении пробной электромагнитной волны на неровную периодическую поверхность раздела двух сред Для решения используется метод малых возмущений, причем расчет ведется до величин второго порядка малости Модульный тип построения программного комплекса позволяет изменять модель радиотеплового излучения атмосферы, модель диэлектрической проницаемости воды, форму ДН используемых антенных систем, метод их учета и т д

4. Выполнен сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных, результаты которого свидетельствуют о возможности использования приведенной методики учета (и разработанного программного комплекса) коротковолновых составляющих при расчете радиояркостной температуры водной поверхности, обусловленной присутствием волн различных масштабов В частности, теоретически предсказанный резонансный максимум зависимости ЛТЯ (9) (для вертикальной поляризации принимаемого излучения), соответствующий условиям проведения лабораторных исследований, в точности совпал с полученным экспериментально как по углу, так и по амплитуде

5. Разработана методика восстановления параметров спектра волнения в гравитационно-капиллярном интервале по данным угловых радиополяриметрических измерений на основе двух-масштабной модели волнения «Уникальный» (за счет присутствия резонансных эффектов) характер функции Д Тя (9), соответствующей конкретному набору параметров водной поверхности и атмосферы, позволяет решить задачу восстановления параметров спектра ГКВ путем подбора таких значений спектра

л

кривизны В{К), дисперсии уклонов крупных волн а0 и ошибок калибровки по постоянному уровню д Тк для каждого из используемых радиометрических каналов, которые минимизируют расхождения экспериментально измеренных зависимостей АТя(в) и вычисленных по подобранным значениям искомых величин Методика предполагает использование численного метода решения обратной задачи, в качестве которого используется метод последовательных приближений В соответствии с представленным алгоритмом, диапазон волновых чисел, в котором осуществляется решение обратной задачи, определяется по известным рабочим длинам волн используемых радиометрических приемников

6. Разработан и реализован программный комплекс для восстановления параметров спектра ГКВ на основе данных многочастотных угловых радиополяриметрических измерений Функционально, разработанный программный комплекс состоит из трех модулей учет вклада длинноволновых компонент спектра по методу Кирхгофа с учетом переотраженного излучения атмосферы, оценка влияния коротковолновых гармоник в соответствии с теорией «критических явлений» в приближении метода малых возмущений и модуль поиска решения 03 На примере показано, что разработанная методика восстановления параметров спектра ГКВ, реализованная в виде программного комплекса, в отсутствии влияния вариаций входных данных позволяет восстанавливать значения В(К), сг2(/Г) и а^ с точностью не хуже 7,0, 1,0 и 15,0 % соответственно

7. Сформулированы требования, предъявляемые к измерительному оборудованию, а также к алгоритму проведения экспериментальных исследований на основе выполненных модельных расчетов, направленных на выяснение чувствительности разработанной методики к вариациям различных параметров, входящих в модель радиотеплового излучения, Также показано, что разработанный алгоритм восстановления параметров спектра ГКВ является наиболее чувствительным к точности определения угла визирования и юстировки радиометрических приемников, точности выполнения калибровок радиометрических каналов, точности определения параметров атмосферы по данным натурных измерений, а также таким параметрам измерительного оборудования как присутствие кросс-поляризационных эффектов и формы ДН используемых антенн

8. На основе данных международного натурного эксперимента САРМОБ'Об восстановлена динамика изменения параметров спектра ГКВ в зависимости от скорости ветра Восстановленные по представленной методике значения дисперсии уклонов

а2 (А") и спектра кривизны В(К) демонстрируют зависимость от величины скорости приповерхностного ветра Максимум зависимости спектра кривизны ГКВ от скорости приповерхностного ветра наблюдается для области волновых чисел, соответствующей спектральному максимуму (ЛГ^7,0рад/см) Чувствительность восстановленных значений дисперсии уклонов поверхностных волн к вариациям скорости ветра начинает проявляться при рад/см (указанное значение волново-

го числа ## соответствует верхнему пределу интегрирования в соотношении для вычисления дисперсии) Максимум корреляции этих величин соответствует верхней границе диапазона рассматриваемых волновых чисел (К «15 рад/см) Представленные результаты свидетельствуют о возможности применения разработанной методики восстановления параметров спектра ГКВ для мониторинга состояния водной поверхности, а в дальнейшем, ее использования для построения ветровых зависимостей, уточнения существующих или создания новых моделей волнения, а также для объяснения физических процессов на границе раздела океан — атмосфера

В Приложении 1 представлены результаты модельных расчетов собственного теплового излучения взволнованной морской поверхности в условиях вариации различных параметров водной поверхности, атмосферы и измерительного оборудования

Приложение 2 содержит результаты модельных расчетов по оценке влияния различных параметров водной поверхности, атмосферы и измерительного оборудования на результат восстановления параметров спектра ГКВ

Полученные в Приложении 1 и Приложении 2 результаты являются подтверждением основных выводов, представленных в Главе 3

В Приложении 3 приведен алгоритм учета характеристик антенных систем радиометрических приемников, использование которого, в дальнейшем, позволит повысить точность разработанного алгоритма восстановления параметров спектра ГКВ

Публикации по теме диссертации

1 Кузьмин А В , Никитин О Р , Поспелов М II , Садовский И Н , Трохимов-ский 10 Г Экспериментальная установка для определения профиля взволнованной водной поверхности в лабораторных условиях // 5-я Международ научно-технич конф «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» ФРЭМЭ'02 Тез докл Владимир, 2002 С 215-216

2 Кузьмин А В , Никитин О Р , Поспелов М II, Садовский И Н , Трохимовс-кий 10 Г Исследование радиотеплового излучения взволнованной морской поверхности//5-я Международ научно-технич конф «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» ФРЭМЭ'02 Тез докл Владимир, 2002 С 217-218

3 Кузьмин А В , Поспеюв МII, Репина И А , Садовский ИII, Смирнов М Т Предварительные результаты комплексного радиофизического эксперимента на Черном море «CAPMOS'05» // 3-я открытая Всероссийская конф «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Тез докл М ИКИ РАН, 2005 С 149

4 Кузьмин А В , Поспелов М II, Садовский И II Микроволновые радиометрические исследования морской поверхности в прибрежной зоне Черного моря // 2-я открытая Всероссийская конф «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Сб науч ст М Grand polygraph, 2005 Т 2 С 103-111

5 Поспелов М II, Кузьмин А В , Садовский И II Дистанционное измерение скорости и направления ветра над морской поверхностью с помощью микроволновой радиополяриметрии // Юбилейная Всероссийская науч конф «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы» М , 2002 С 50-51

6 Садовский И II Алгоритм восстановления параметров спектра гравитационно-капиллярных волн на основе данных угловых радиополяриметрических измерений //7-я Международная научно-технич конф «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» Сб докл Владимир, 2006 С 79-82

7 Садовский ИII Исследование параметров морского волнения радиополяриметрическими методами // Конференция молодых ученых, посвященная Дню космонавтики Тез докл М ИКИ РАН, 2004 С 28

8 Садовский ИII Методика восстановления параметров спектра гравитационно-капиллярных волн на основе данных угловых радиополяриметрических измерений //3-я Конференция молодых ученых, посвященная Дню космонавтики Тез докл М ИКИ РАН, 2006 С 38

9 Садовский И Н , Кузьмин А В , Поспелов М Н Измерение угловых зависимостей параметров стокса теплового радиоизлучения взволнованной водной поверхности в лабораторных условиях // Всероссийская конф «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Сб науч ст М ИКИ РАН, 2003 С 248-254

10 Садовский И Н , Кузьмин А В , Поспелов М Н Исследование спектров морского волнения с помощью микроволновых радиометрических измерений в акватории Черного моря // 3-я открытая Всероссийская конф

«Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Тез докл М ИКИ РАН, 2005 С 162

11 Садовский И Н , Кузьмин А В , Поспелов М II Лабораторный эксперимент по измерению угловых зависимостей параметров Стокса теплового радиоизлучения взволнованной водной поверхности //Исследование Земли из космоса 2005 №1 С 21—26

12 Садовский ИII, Кузьмин А В , Поспелов МII Экспериментальные исследования радиотеплового излучения взволнованной морской поверхности в лабораторных условиях // 9-я Всероссийская науч конф студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-9 Сб докл Красноярск, 2003 С 764-766

13 Садовский И Н , Кузьмин А В , Поспелов М II, Александров Д В Исследование микроволнового излучения взволнованной водной поверхности на гравитационно-капиллярных масштабах в лабораторных условиях Препринт М ИКИ РАН, 2003 Пр-2089 44 с

14 Садовский ИII, Кустов М , Никитин А Установка для радиотеплолока-ции // Областная научно-технич конф молодых специалистов и студентов «Проектирование и применение радиотехнических устройств» Тез докл Владимир, 2000 С 29-30

15 Садовский ИII, Никитин О Р Результаты экспериментальных исследований радиотеплового излучения взволнованной морской поверхности // Научно-технич конф преподавателей, сотрудников и аспирантов факультета Радиофизики, электроники и медицинской техники Владимир, 2003 С 136-138

16 Садовский ИII, Поспелов МII, Кузьмин А В Экспериментальные исследования собственного и рассеянного электромагнитного излучения морской поверхности на полигоне ЮО ИО РАН (г Геленджик) в 2002 году // Научно-технич конф преподавателей, сотрудников и аспирантов факультета Радиофизики, электроники и медицинской техники Владимир, 2003 С 154-156

17 Трохимовский 10 Г, Садовский ИII, Поспелов МII, Кузьмин А В , Марече-кС В , Медведев А П , Смирнов М В , Тищенко 10 Г Исследование радио-яркостной температуры взволнованной поверхности моря в экспериментах «Геленджик 1999/2000» //Всероссийская научно-технич конф «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы астрокос-мическими средствами» Сб докл Муром, 2001 С 255—259

18 Pospelov М , Kuzmin А , Medvedev A , Sadovsky I, Smirnov М , Trok/umov-skii Yu , Tishchenko Yu Microwave radiometric measurements of waved sea surface carried out from a pier // Program and abstracts of Specialist Meeting on Microwave Remote Sensing 5—9 Nov, 2001 Boulder, Colorado, USA 2001 P 185

19 Sadovsky I, Kuzmin A , Pospelov M The angular dependence of the Stokes parameters of thermal radio-emission from the rough water surface // Program and abstracts of 8th Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing Application 24-27 Feb , 2004 Rome, Italy 2004 P 185

20 Trokhimovsku Yu , Kuzmin A , Pospelov M , Irisov V, Sadovsky I Laboratory Polarimetrie measurements of microwave emission from capillary waves // Radio Science 2003 V 38 №3 8039

055(02)2 Ротапринт ИКИ РАН

_Москва, 117997, Профсоюзная ул , 84/32

Подписано к печати 27 02 2007 г

Заказ 2079 Формат 70x108/32 Тираж 100 2уч-издл

ВВЕДЕНИЕ.

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 101 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.

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 сантиметровом диапазоне наиболее чувствительно именно к поверхностным волнам с периодами порядка длины электромагнитной волны, что соответствует капиллярным и гравитационно-капиллярным волнам (ГКВ). Область гравитационно-капиллярных волн труднодоступна исследованию прямыми волнографическими методами и в то же время играет важную роль в развитии и установлении волнения, а также в процессах взаимодействия океана и атмосферы. В связи с этим, представляется крайне важным установление количественных соотношений между характеристиками волнения в этой области и радиотепловыми контрастами морской поверхности, измеряемыми радиометрами. Это невозможно сделать без проведения модельных исследований с их последующей проверкой в ходе выполнения лабораторных экспериментов, позволяющих осуществлять точные измерения характеристик изучаемых поверхностей (в отличие от натурных условий). Кроме того, повышение точности дистанционных методов радиотепловой локации морской поверхности напрямую связано с наличием данных подспутниковых натурных измерений, обеспечивающих пространственное разрешение, сравнимое с размерами элементов разрешения приборов космического базирования.

Все перечисленные факты определяют актуальность данной работы.

Спектры ветровых волн в гравитационно-капиллярном интервале исследованы крайне мало. Теоретическое описание затруднено сложностью нелинейных механизмов накачки энергии от ветра, потока энергии, импульса и волнового действия в пространстве волновых чисел, диссипацией за счет вязкости, поверхностных пленок, турбулентности, нелинейной диссипации, ограничивающей рост волн. Экспериментальные данные о характеристиках ГКВ имеются в небольшом количестве. Преимущественно они получены с использованием ветровых бассейнов и сильно отличаются друг от друга. В то же время, интерпретация данных самолетных и спутниковых радиолокационных, оптических и микроволновых радиометрических измерений требует детального знания параметров ГКВ.

При изучении собственного радиотеплового излучения взволнованной водной поверхности особый интерес представляет случай, когда период неровностей сравним с длинами принимаемых электромагнитных волн. В такой ситуации в радиоизлучении возникают особенности — так называемые «критические явления». В частности, для вертикальной поляризации принимаемого сигнала при наблюдении в плоскости, совпадающей с направлением волнового вектора неровностей, имеет место резонансное усиление коэффициента излучения поверхности. Здесь, следует отметить особое значение экспериментальных исследований (1976-1979) с борта самолета-лаборатории при выполнении круговых полетов в акваториях Баренцева, Белого, Каспийского, Охотского и

Черного морей [Беспалова и др., 1979; 1982]. Эти исследования послужили основой последующих экспериментальных и теоретических работ, направленных на изучение и объяснение обнаруженного эффекта азимутальной анизотропии теплового излучения взволнованной морской поверхности вообще, и «критических явлений», как одного из определяющих факторов ее существования, в частности. Следует отметить, что определяющий вклад в развитие теоретических основ данного явления был сделан B.C. Эткиным и Ю.А. Кравцовым с соавторами [Эткин и др., 1978; Кравцов и др., 1978]. В дальнейшем, теория явления была обобщена В.Г. Ирисовым [Ирисов, 1984] на случай произвольной поляризации волны и произвольной плоскости падения относительно волнового вектора неровностей, т.е. задача была решена в общем трехмерном случае. Однако вопрос об экспериментальном подтверждении основных положений развитой теории был решен лишь в общем, качественном виде [Трохимовский и др., 1985].

Полученные в представленных работах результаты легли в основу новой области применения микроволновой радиополяриметрии — радиоспектроскопических исследований ветрового волнения [Irisov et al., 1987; Трохимовский, 1997]. В частности, Ю.Г. Трохимовский в своих работах [Трохимовский и др., 1985; Трохимовский, 1997; Trokhimovskii et al., 2000а; 2000b] показал высокую чувствительность азимутальной анизотропии теплового излучения морской поверхности к параметрам ГКВ и продемонстрировал возможность восстановления параметров спектра этого волнового интервала по данным угловых радиополяриметрических измерений. К сожалению, безвременная кончина ученого не позволила закончить ему работу над этой тематикой, оставив без ответа многие актуальные вопросы.

Все перечисленные факты, а также анализ работ Ю.Г. Трохимовского, развитием идей которого является настоящая диссертация, определили основные задачи данной работы:

1. Создание лабораторной физической установки для проведения высокоточных исследований рассеяния и излучения резонансного характера сложных шероховатых поверхностей.

2. Проведение лабораторного эксперимента по исследованию микроволнового излучения взволнованной водной поверхности на гравитационно-капиллярных масштабах.

3. Проведение модельных расчетов радиояркостных контрастов в соответствии с теорией «критических явлений».

4. Сравнение результатов выполненных лабораторных исследований с модельными расчетами и представление заключения о применимости положений теории для описания собственного радиотеплового излучения шероховатой поверхности.

5. Разработка методики восстановления параметров спектра волнения в гравитационно-капиллярном интервале по данным угловых радиополяриметрических измерений на основе двухмасштабной модели волнения.

6. Проведение модельных расчетов, направленных на выяснение чувствительности разработанной методики к вариациям различных параметров, входящих в модель радиотеплового излучения.

7. Использование разработанной методики восстановления параметров спектра ГКВ при обработке данных натурных исследований и рассмотрение возможности ее применения в исследованиях морской поверхности.

Научная новизна представленной диссертационной работы заключается в следующем:

1. Впервые проведена серия лабораторных экспериментов по исследованию радиотеплового излучения на гравитационно-капиллярных масштабах в условиях детального контроля профиля волнения с использованием полупроводникового лазера.

2. Впервые разработана и применена в ходе комплексного натурного эксперимента методика восстановления параметров спектра ГКВ на основе данных угловых радиополяриметрических измерений.

3. Впервые разработан и реализован программный комплекс для восстановления параметров спектра ГКВ на основе данных многочастотных угловых радиополяриметрических измерений.

4. Впервые проведена серия модельных расчетов, направленных на выяснение чувствительности разработанной методики к вариациям различных параметров, входящих в модель радиотеплового излучения.

5. Впервые, на основе радиополяриметрических измерений, восстановлена динамика изменения параметров спектра в зависимости от скорости ветра при постоянном контроле состояния морской поверхности посредством проведения контактных измерений с использованием решетки струнных волнографов.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты сравнения модельных расчетов с данными лабораторных исследований подтверждают высокую чувствительность модифицированных параметров Стокса теплового излучения периодически неровной водной поверхности к ее геометрии.

Хорошее соответствие этих результатов позволяет использовать соотношения теории «критических явлений» в приближении метода малых возмущений для описания вклада коротковолновых компонент спектра волнения в итоговое значение радиотеплового излучения.

2. Разработанная методика анализа данных дистанционных угловых радиополяриметрических измерений позволяет восстанавливать параметры спектра гравитационно-капиллярных волн. При этом ошибка восстановления в основном определяется: точностью определения интегрального поглощения атмосферы; точностью проведения калибровок радиометрических приемников и их юстировки, а также такими их характеристиками как значения кросс-поляризационных коэффициентов и коэффициент рассеяния антенных систем.

3. Результаты обработки данных натурного эксперимента CAPMOS'05 с использованием разработанной методики демонстрируют высокую степень зависимости спектра кривизны ГКВ от скорости приповерхностного ветра, достигающую своих максимальных значений в области спектрального максимума (К ~ 7,0 рад/см). Чувствительность восстановленных значений дисперсии уклонов поверхностных волн (по данным 8 мм радиометра) к вариациям скорости ветра начинает проявляться при К~ 1,5 рад/см (указанное значение волнового числа К соответствует верхнему пределу интегрирования в соотношении для вычисления дисперсии). Максимум корреляции этих величин соответствует верхней границе диапазона рассматриваемых волновых чисел (К~ 15 рад/см).

Научная и практическая ценность работы

Диссертация выполнялась в соответствии с научными планами ИКИ РАН, темы «Океан. Физические основы космического дистанционного зондирования поверхности океана в микроволновом диапазоне» (государственная регистрация № 01.20.0200163). Автор принимал участие в выполнении работ в рамках проектов: грант РФФИ № 00-05-64508; грант РФФИ № 01-05-06240 и № 02-05-06478 (в рамках гранта РФФИ № 00-05-64508); грант РФФИ № 01-02-16538; грант INTAS № 03-51-4789; грант РФФИ № 05-05-79113; грант РФФИ № 05-05-64451; грант РФФИ № 05-05-64235. Предложенный в диссертации подход к анализу микроволновых данных может быть применен для дополнения и развития существующих алгоритмов обработки данных дистанционного зондирования. Разработка методики дистанционного исследования характеристик пространственного спектра ГКВ в натурных условиях позволит изучать влияние параметров ветрового потока, энергонесущих компонент волнения, поверхностно-активных веществ, турбулентности в приповерхностном слое на процесс развития волнения. Данные будут использованы для проверки моделей, в которых делаются разные предположения об основных источниках накачки и диссипации энергии в гравитационно-капиллярном интервале, а также других процессах, отражающих энерго- и массообмен в системе океан-атмосфера. Разработанный комплекс программ, будет использован для анализа состояния морской поверхности в режиме реального времени при проведении экспериментальных исследований в будущем. Научная ценность работы была отмечена Фондом содействия отечественной науке. Автор дважды (в 2004 и 2005 гг.) становился лауреатом конкурса «Лучшие аспиранты РАН» по направлению «Физика и астрономия», проводимого этим фондом. Кроме этого, для выполнения научных исследований Департамент образования г. Москвы выделял автору в 2004 и 2005 гг. гранты в рамках конкурса «Гранты Москвы» в области наук и технологий в сфере образования.

Степень достоверности результатов проводимых исследований подтверждается: многочисленными экспериментами, как лабораторными, так и натурными; хорошим соответствием между найденными экспериментальными и теоретическими зависимостями; применением математического моделирования для анализа предложенного метода обработки и обработкой большого объема натурных и лабораторных данных; сравнение результатов исследований, полученных различными методами.

Апробация результатов

Результаты, вошедшие в диссертацию, получены автором в период с 1999 по 2006 г. Они докладывались на следующих отечественных и международных конференциях:

Всероссийская НТК «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы астрокосмическими средствами» (Муром, 2001); 5-я Международная НТК «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» ФРЭМЭ'02 (Владимир, 2002); Всероссийская научная конференция «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы» (Москва, 2002); НТК преподавателей, сотрудников и аспирантов факультета Радиофизики, электроники и медицинской техники (Владимир, 2003); 9-я Всероссийская Научная Конференция Студентов-Физиков и молодых ученых ВНКСФ-9 (Красноярск, 2003); Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса» (Москва, 2003); 8-th Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing Application (Rome, Italy, 2004); Конференция молодых ученых, посвященная Дню космонавтики (Москва, 2004); Вторая открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса» (Москва, 2005); Третья открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса» (Москва, 2006); 3-я Конференция молодых ученых, посвященная Дню космонавтики (Москва, 2006); VII Международная научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Владимир, 2006).

Публикации по теме работы

Результаты исследований отражены в 20 публикациях, которые приводятся в списке цитируемой литературы.

Личный вклад автора

Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами. Автору принадлежат: разработка методики экспресс оценки параметров волнения в лабораторных условиях и создание соответствующей установки; модернизация измерительного комплекса для проведения лабораторных исследований; участие в лабораторных экспериментах по исследованию радиотеплового излучения на гравитационно-капиллярных масштабах; усовершенствование программного комплекса по расчету радиотеплового излучения на гравитационно-капиллярных масштабах; проведение соответствующих модельных расчетов; разработка программного комплекса по расчету радиояркостных контрастов для волн различных масштабов; разработка методики восстановления параметров спектра ГКВ; проведение модельных расчетов по оценке влияния различных параметров атмосферы, водной поверхности и измерительного оборудования как на результат расчета радиояркостных контрастов водной поверхности, так и на результат восстановления параметров спектра ГКВ по данным угловых радиополяриметрических измерений; разработка программного комплекса для проведения анализа угловых зависимостей радиояркостных контрастов с целью восстановления параметров спектра; участие в натурных исследованиях и обработка полученных данных; участие в комплексном натурном эксперименте CAPMOS'05.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и библиографии. В ней содержится 184 страницы, в том числе 83 рисунка и 31 таблица. Библиография включает 215 наименований.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана и создана лабораторная физическая установка для проведения высокоточных исследований рассеяния и излучения резонансного характера сложных шероховатых поверхностей. Конструкция установки позволяет осуществлять измерения радиофизических характеристик водной поверхности в широком диапазоне углов зондирования, как по азимуту, так и по углу места. Для снижения влияния на результаты исследований подсвета окружающих предметов и элементов конструкций в схеме установке предусмотрена система переотражателей.

2. Проведена серия лабораторных экспериментов по исследованию радиотеплового излучения водной поверхности на гравитационно-капиллярных масштабах в условиях детального контроля профиля волнения. В качестве объекта исследований использована диэлектрическая ванна с водой, на поверхности которой создавалась система периодических возвышений (с использованием рамки с нитями). Преимуществом такого типа шероховатой («замороженной») поверхности перед генерируемыми волнопродуктором или ветровым потоком систем волн, является постоянство ее структуры и возможность точного измерения профиля неровностей. В рамках выполненных исследований, разработана методика контроля профиля неровностей на водной поверхности с использованием полупроводникового лазера. Основой предложенной методики является определение координат единичных векторов, задающих направление падающего и отраженного лучей лазера при сканировании в направлении, перпендикулярном направлению натяжения нитей. Периодические неровности с периодом 12 мм и амплитудой 0,6 мм привели в описанном эксперименте к увеличению радиояркостной температуры на 9 К. Полученные угловые зависимости радиояркостной температуры служат убедительным свидетельством того, что короткие гравитационно-капиллярные волны играют определяющую роль в формировании теплового радиоизлучения взволнованной водной поверхности и дают достаточно оснований полагать, что именно эти короткие гравитационно-капиллярные волны служат основной причиной существования азимутальной анизотропии поляризационных параметров теплового радиоизлучения взволнованной морской поверхности.

3. Разработан и реализован программный комплекс, позволивший произвести электродинамическое моделирование радиояркостных контрастов, обусловленных коротковолновыми компонентами спектра ветрового волнения, в соответствии с теорией «критических явлений». Центральный модуль разработанного программного комплекса используется для решения задачи о падении пробной электромагнитной волны на неровную периодическую поверхность раздела двух сред. Для решения используется метод малых возмущений, причем расчет ведется до величин второго порядка малости. Модульный тип построения программного комплекса позволяет изменять: модель радиотеплового излучения атмосферы, модель диэлектрической проницаемости воды, форму ДН используемых антенных систем, метод их учета и т.д.

4. Выполнен сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных, результаты которого свидетельствуют о возможности использования приведенной методики учета (и разработанного программного комплекса) коротковолновых составляющих при расчете радиояркостной температуры водной поверхности, обусловленной присутствием волн различных масштабов. В частности, теоретически предсказанный (соотношение (2.15)) резонансный максимум зависимости АТЯ (9) для вертикальной поляризации принимаемого излучения), соответствующий условиям проведения лабораторных исследований, в точности совпал с полученным экспериментально как по углу, так и по амплитуде.

5. Разработана методика восстановления параметров спектра волнения в гравитационно-капиллярном интервале по данным угловых радиополяриметрических измерений на основе двухмасштабной модели волнения. «Уникальный» (за счет присутствия резонансных эффектов) характер функции АТЯ (0), соответствующей конкретному набору параметров водной поверхности и атмосферы, позволяет решить задачу восстановления параметров спектра ГКВ путем подбора таких значений спектра кривизны В(к), дисперсии уклонов крупных волн а2 и ошибок калибровки по постоянному уровню АТк для каждого из используемых радиометрических каналов, которые минимизируют расхождения экспериментально измеренных зависимостей АТя(0) и вычисленных по подобранным значениям искомых величин. Методика предполагает использование численного метода решения 03, в качестве которого используется метод последовательных приближений. В соответствии с представленным алгоритмом, диапазон волновых чисел, в котором осуществляется решение 03, определяется по известным рабочим длинам волн используемых радиометрических приемников.

6. Разработан и реализован программный комплекс для восстановления параметров спектра ГКВ на основе данных многочастотных угловых радиополяриметрических измерений. Функционально, разработанный программный комплекс состоит из трех модулей: учет вклада длинноволновых компонент спектра по методу Кирхгофа с учетом переотраженного излучения атмосферы; оценка влияния коротковолновых гармоник в соответствии с теорией «критических явлений» в приближении метода малых возмущений и модуль поиска решения ОЗ. На примере показано, что разработанная методика восстановления параметров спектра ГКВ, реализованная в виде программного комплекса, в отсутствии влияния вариаций входных данных позволяет восстанавливать значения В(к), ст2 (£) и с точностью не хуже 7,0; 1,0 и

15,0 % соответственно.

7. Сформулированы требования, предъявляемые к измерительному оборудованию, а также к алгоритму проведения экспериментальных исследований на основе выполненных модельных расчетов, направленных на выяснение чувствительности разработанной методики к вариациям различных параметров, входящих в модель радиотеплового излучения,. Также показано, что разработанный алгоритм восстановления параметров спектра ГКВ является наиболее чувствительным к: точности определения угла визирования и юстировки радиометрических приемников; точности выполнения калибровок радиометрических каналов; точности определения параметров атмосферы по данным натурных измерений; а также таким параметрам измерительного оборудования как присутствие кросс-поляризационных эффектов и формы ДН используемых антенн.

8. На основе данных международного натурного эксперимента CAPMOS'05 восстановлена динамика изменения параметров спектра ГКВ в зависимости от скорости ветра. Восстановленные по представленной методике значения дисперсии уклонов ст2 (£) и спектра кривизны В(к) демонстрируют зависимость от величины скорости приповерхностного ветра. Максимум зависимости спектра кривизны ГКВ от скорости приповерхностного ветра наблюдается для области волновых чисел, соответствующей спектральному максимуму (К ~ 7,0 рад/см). Чувствительность восстановленных значений дисперсии уклонов поверхностных волн к вариациям скорости ветра начинает проявляться при AT ~ 1,5 рад/см (указанное значение волнового числа К соответствует верхнему пределу интегрирования в соотношении для вычисления дисперсии). Максимум корреляции этих величин соответствует верхней границе диапазона рассматриваемых волновых чисел (К ~ 15 рад/см). Представленные результаты свидетельствуют о возможности применения разработанной методики восстановления параметров спектра ГКВ для мониторинга состояния водной поверхности, а в дальнейшем, ее использования для построения ветровых зависимостей, уточнения существующих или создания новых моделей волнения, а также для объяснения физических процессов на границе раздела океан -атмосфера.

В заключение автор выражает глубокую признательность Е.А. Шаркову за постоянное внимание к его работе и чуткое научное руководство. Автор признателен

Ю.Г. Трохимовскому], А.В. Кузьмину, М.Н. Поспелову за постановку задачи и помощь в проведении лабораторных и натурных экспериментов, а также за многочисленные обсуждения работы и ряд полезных замечаний, сделанных в ходе ее выполнения. Автор выражает благодарность Н.Ю. Комаровой за оказание помощи при подготовке текста диссертации, а также всем сотрудникам отдела №55 «Отдел исследований Земли из космоса» ИКИ РАН за поддержку в течение всего периода работы над диссертацией.

Заключение

1. Басс Ф.Г., Фукс ИМ. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972.424 с.

2. Баханов В.В., Зуйкова Э.М., Кемарская О.Н., Титов В.И. Определение спектров волнения по оптическому изображению морской поверхности // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2006. Т. 49. № 1. С. 53-63.

3. Богородский В.В., Канарейкин Д.Б., Козлов А.И. Поляризация рассеянного и собственного радиоизлучения земных покровов. JL: Гидрометеоиздат, 1981,279 с.

4. БондурВ.Г., Шарков Е.А. Статистические характеристики пенных образований на взволнованной морской поверхности // Океанология. 1982. Т. 22. № 3. С. 372-379.

5. Бондур В.Г., Шарков Е.А. Статистические характеристики элементов линейной геометрии пенных структур на поверхности моря по данным оптического зондирования // Исследование Земли из космоса. 1986. № 4. С. 21-31.

6. Ветер и волны в океанах и морях. Справочные данные /Под ред. И.Н.Давидана, Л.И. Лопатухина, В.А. Рожкова. Л.: Транспорт, 1974. 359 с.

7. Ворсин И.Н., Глотов А.А., Мировский В.Г. и др. Натурные радиотепловые исследования пенных образований // Исследование Земли из космоса. 1982. № 3. С. 98-102.

8. Вуд Р.В. Физическая оптика. М.; Л., 1936.

9. ГенчевЖ.Д. Рассеяние электромагнитных волн на поверхности с малыми пологими неровностями // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1984. Т. 27. № 1. С. 48-55.

10. Гершензон В.Е., Новак Б.Л., Райзер В.Ю., Эткин B.C. Тепловое излучение статистически неровной поверхности. Квазистатическое приближение // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1983. Т. 26. № 5. С. 587-592.

11. Гершензон В.Е., Райзер В.Ю., Эткин B.C. Метод переходного слоя в задаче о тепловом излучении шероховатой поверхности //Известия ВУЗов. Радиофизика. 1982. Т. 25. №11. С. 1279-1284.

12. Гершензон В.Е., Ирисов В.Г., Трохимовский Ю.Г., Эткин B.C. Азимутальные эффекты при критических явлениях в тепловом радиоизлучении шероховатой поверхности: Препринт. М.: ИКИ АН СССР, 1986. Пр-1104.23 с.

13. Гершензон В.Е., Ирисов В.Г., Трохимовский Ю.Г., Эткин B.C. Исследование резонансных эффектов в радиотепловом излучении водной поверхности. //Известия ВУЗов. Радиофизика. 1986. Т. 29. № 4. С. 379-384.

14. Гершензон В.Е., Ирисов В.Г., Трохимовский Ю.Г., Эткин B.C. Критические явления в радиотепловом излучении неровной водной поверхности при произвольных углах наблюдения // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1987. Т. 30. № 7. С. 1159-1163.

15. Гершензон В.Е., Райзер В.Ю., Эткин B.C. Влияние мелкомасштабных неровностей на распространение волн через границу раздела двух сред //ДАН СССР. 1982. Т. 263. №4. С. 859-861.

16. Давидан И.Н., КублановЯ.М., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Результаты экспериментальных исследований вероятностных характеристик ветрового волнения // Морские гидрофизические исследования. 1975. № 4. С. 73-82.

17. Давидан ИН., Лопатухин ЛИ., Рожков В.А. Ветровое волнение в Мировом океане. JL: Гидрометеоиздат, 1985.256 с.

18. Давидан ИИ., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс. JL: Гидрометеоиздат, 1978. 288 с.

19. Дебай П., Закк Г. Теория электрических свойств молекул. М.: Изд-во иностр. лит., 1936.

20. ДзюраМ.С., Кузьмин А.В., Поспелов М.Н., Трохимовский Ю.Г., Эткин B.C., Способ дистанционного определения скорости и направления ветра над водной поверхностью. А.С. № 1582849 от 23.05.1988. Опубл. Бюл. № 45-46. 1993.

21. Ильин В.А., Наумов А.А., Райзер В.Ю. и др. Влияние коротких гравитационных волн на тепловое радиоизлучение водной поверхности //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1985. Т. 21. № 1. С. 83-89.

22. Ирисов В.Г., Исследование излучения электромагнитных волн периодически неровной поверхностью: Препринт. М.: ИКИ АН СССР, 1984. Пр-944.18 с.

23. Ирисов В.Г., Трохимовский Ю.Г., Эткин B.C. Радиометрические методы диагностики океана //Дистанционные методы исследования океана. Горький: ИПФ, 1987а. С.34-58.

24. Ирисов В.Г., Трохимовский Ю.Г., Эткин B.C. Радиотепловая спектроскопия морской поверхности // ДАН СССР. 19876. Т. 297. № 3. С. 587-589.

25. Китайгородский С.А. Физика взаимодействия океана и атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1989.165 с.

26. Кононкова Г.Е., Кузнецов В. В. Регистрация наклонов взволнованной поверхности воды // Вестник МГУ. Физика, астрономия. 1971. № 3. С. 257-261.

27. Кононкова Г.Е., Показеев КВ. Динамика морских волн. М.: Изд-во МГУ, 1985.297 с.

28. Лейкин И.А., Розенберг А.Д. О высокочастотном участке спектра ветровых волн // ДАН

29. СССР. 1980. Т. 255. № 2. С. 455-458. Марцинкевич JI.M. Исследование статистических характеристик уклонов взволнованной поверхности моря по планшетам стереофотосъемки // Метеорология и гидрология. 1970. №11. С. 83-86.

30. Милицкий Ю.А., РайзерВ.Ю., Шарков Е.А., ЭткинВ.С. О рассеянии СВЧ-излученияпенообразными структурами // Письма ЖТФ. 1976. Т. 2. Вып. 18. С. 851-855. МонинА.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 375 с.

31. РайзерВ.Ю., Смирнов А.В., Эткин B.C. Динамика крупномасштабной структуры взволнованной поверхности океана по данным обработки оптических изображений // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1990. Т. 26. С. 276-284.

32. Райзер В.Ю., Филонович С.Р. Излучательные характеристики гармонически неровной поверхности в кирхгофовском приближении // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1984. Т. 27. № 7. С. 940-942.

33. РайзерВ.Ю., Черный И. В. Микроволновая диагностика поверхностного слоя океана. СПб.: Гидрометеоиздат, 1994. 231 с.

34. Роль Г. У. Физика атмосферных процессов над морем. JL: Гидрометеоиздат, 1968. 398 с.

35. Рытое С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Случайные поля. М.: Мир, 1976.428 с.

36. Садовский И. Н. Исследование параметров морского волнения радиополяриметрическими методами //Конференция молодых ученых, посвященная Дню космонавтики: Тез. докл. М.: ИКИ РАН, 2004. С. 28.

37. Садовский И. Н. Методика восстановления параметров спектра гравитационно-капиллярных волн на основе данных угловых радиополяриметрических измерений // 3-я Конференция молодых ученых, посвященная Дню космонавтики: Тез. докл. М.: ИКИ РАН, 2006b. С. 38.

38. Садовский КН., Кузьмин А.В., Поспелов М.Н. Лабораторный эксперимент по измерению угловых зависимостей параметров Стокса теплового радиоизлучения взволнованной водной поверхности // Исследование Земли из космоса. 2005а. № 1. С.21-26.

39. Садовский КН., Кузьмин А.В., Поспелов М.Н., Александров Д.В. Исследование микроволнового излучения взволнованной водной поверхности на гравитационно-капиллярных масштабах в лабораторных условиях: Препринт. М.: ИКИ РАН, 2003. Пр-2089. 44 с.

40. Садовский КН., Кустов М., Никитин А. Установка для радиотеплолокации //Областная научно-технич. конф. молодых специалистов и студентов «Проектирование и применение радиотехнических устройств»: Тез. докл. Владимир, 2000. С. 29-30.

41. Трохимовский Ю.Г. Модель радиотеплового излучения взволнованной морской поверхности // Исследование Земли из космоса. 1997. № 1. С. 39-49.

42. Трохимовский Ю.Г., Хапин Ю.Б., Эткин B.C. Поляризационные и спектральные характеристики радиотеплового излучения взволнованной поверхности моря: Препринт. М.: ИКИ АН СССР, 1983. Пр-821. 36 с.

43. Трохимовский Ю.Г., Эткин B.C. Лабораторные и натурные исследования критических явлений в радиотепловом излучении взволнованной водной поверхности: Препринт. М.: ИКИ АН СССР, 1985. Пр-988. 23 с.

44. Филипс О. Динамика верхнего слоя океана. JI.: Гидрометеоиздат, 1980.319 с.

45. Цейтлин Н.М. Антенная техника и радиоастрономия. М.: Сов. радио, 1976. 350 с.

46. Циплухин В.Ф., Марцинкевич Л.М. Исследование вероятностных характеристик наклонов взволнованной поверхности моря //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1973. Т. 9. № 7. С. 748-753.

47. Шарков Е.А. О выборе релаксационной модели диэлектрических свойств воды для задач дистанционного зондирования: Препринт. М.: ИКИ РАН, 1983. Пр-800.30 с.

48. Шутко А.И. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М.: Наука, 1986.

49. Эткин B.C., Ворсин Н.Н., Кравцов Ю.А., Мировский В.Г., Никитин В.В., ПоповА.Е., Троицкий И.А. Обнаружение критических эффектов при тепловом радиоизлучении неровной водной поверхности //Известия ВУЗов. Радиофизика. 1978. Т. 21. №3. С. 454—456.

50. Эткин B.C., Алексин Б.Е., Анискович В.М. и др. Многоканальный самолетный комплекс для радиогидрофизических исследований: Препринт. М.: ИКИ АН СССР. 1987. Пр-1279.41 с.

51. ApelJ.R. An improved ocean surface wave vector spectrum //J. Geophysical Research. 1994. V. 99. P. 16.269-16.291.

52. Bahar E. Scattering cross sections for random rough surfaces: Full wave analysis //Radio Science. 1981a. V. 16. P. 331-341.

53. Bahar E. Scattering cross sections for composite random surfaces: Full wave analysis // Radio Science. 1981b. V. 16. P. 1327-1335.

54. Banner M.L. Equilibrium spectra of wind waves //J. Physical Oceanography. 1990. V. 20. P. 966-984.

55. Banner M.L., Jones I.S.F., Tinder J.C. Wave number spectra of short gravity waves // J. Fluid Mechanics. 1989. V. 198. P. 321-344.

56. Banner M.L., Phillips O.M. On the incipient breaking of small scale waves // J. Fluid Mechanics. 1974. V. 65. P. 647-656.

57. Barrick D.E. Rough surface scattering based on the specular point theory // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. 1968. V. AP-16. P. 449-454.

58. BassF.G., FuksI.M. Wave Scattering from Statistically Rough Surfaces'. Pergamon, Oxford, 1979.

59. Весктапп P., Spizzichino A. The Scattering of Electromagnetic Waves from Rough Surfaces. Pergamon, Oxford, 1963.

60. Bespalova E.A. et al. Investigations of wind sea roughness's anisotropy with variability of thermal radioemission // Doklady Acad. Nauk. Russian Academy of Sciences. Earth Science Section: Engl. Transl. 1979. V. 246. № 6. P. 1482-1485.

61. Bespalova E.A. et al. On determination of wind speed with polarization anisotropy measurements of thermal and backscattering microwaves. Earth Research from Space. 1982. № 1. P. 87-94.

62. Bjerkaas A. W., Riedel F. W. Proposed model for the elevation spectrum of a wind-roughed sea surface //Technical Rep. APL-TG-1328-1-31, 31 p., Applied Physics Laboratory, Johns Hopkins University, Laurel, Md., 1979.

63. Blanc T.V. Variation of bulk-derived surface flux, stability, and roughness results due to the use of the different transfer coefficient scheme //J. Physical Oceanography. 1985. V. 15. P. 650-669.

64. Blume H.-J.C., Huhnerfuss H., Alpers W. Variation of the microwave brightness temperature of sea surface covered with mineral and monomolecular oil films // IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing. 1983. V. 21. № 3. P. 295-300.

65. Bock E.J., Нага T. Optical measurements of gravity-capillary wave spectra using a scanning lase slope gauge // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 1995. V. 12(2). P. 395-403.

66. Brown G.S. Backscattering from a Gaussian-distributed perfectly con dueling rough surface // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. 1978. V. AP-26. P. 472-482.

67. Brown G.S., Stanley H.R., Roy N.A. The wind speed measurement capability of spaceborne radar altimeters // IEEE J. Oceanic Engineering. 1981. V. OE-6. P. 53-59.

68. Brown G.S. Quasi-specular scattering from the air-sea interface. Surface Waves and Fluxes / Eds. W. Plant, G. Geemaert. Kluwer Academic. 1990. V. 2. P. 1-40.

69. Chan H.L., FungA.K. A theory of sea scatter at large incident angles // J. Geophysical Research. 1977. V. 82. P. 3439-3444.

70. Chan M.F., FungA.K. A numerical study of the regions of validity of the Kirchhoff and small-perturbation rough surface scattering models // Radio Science. 1988. V. 23. № 2. P. 163— 170.

71. Chelton D.B., WentzFJ. Further development of an improved altimeter wind speed algorithm //J. Geophysical Research. 1986. V. 91. P 14.250-14.260.

72. Cox C.S. Measurement of slopes of high-frequency wind waves //J. of Marine Research. 1958. V.16. P.199-225.

73. Cox C.S., Munk W. Slopes of the sea surface deduced from photographs of sun glitter // Bull.

74. Science. 1981. V. 16. № 3. P. 229-302. FungA.K, LeeK.K. A semi-empirical sea spectrum model for scattering coefficient estimation

75. Gasiewski A.J., KunkeeD.B. Polarized microwave emission from water waves //Radio Science. 1994. V. 29. № 6. P. 1449-1466.

76. Haimbach S.P. Development of slope spectra of the wind-disturbed water surface: Doctoral dissertation. Univ. of Del. Newark, 1985.

77. Haimbach S.P., Wu J. Directional slope distributions of wind-disturbed water surface // Radio Science. 1986. V.21.P. 73-79.

78. Haimhach S.P., Wu J. Field trials of an optical scanner for studying sea-surface fine structures // IEEE J. Oceanic Engineering. 1985. V. OE-IO. P. 451-453.

79. Hasselmann K. et al. Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP) // Deutsche Hydrographical Institute, Suppl. A. 1973. № 12. P. 1-96.

80. Holliday D. Resolution of a controversy surrounding the Kirchhoff approach and the small perturbation method in rough surface scattering theory // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. 1987. V. AP-35. P. 120-122.

81. Holliday D. Backscattering of electromagnetic waves from a perfectly conducting, gently sloping surface of finite amplitude //IEEE Transaction on Antennas and Propagation. 1991. V. 39. P. 251-252.

82. Holliday D., St-CyrG., Woods N.E, A radar ocean imaging model for small to moderate incidence angles // Intern. J. Remote Sensing. 1986. V. 7. P. 1809-1834.

83. Holliday D., St-Cyr G., Woods N.E. Comparison of a new radar ocean imaging model with SARSEX internal wave image data //Intern. J. Remote Sensing. 1987. V. 8. P. 13231430.

84. Hollinger J.P. Passive microwave measurements of sea surface roughness // IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing. 1971. V. 9. P. 165-169.

85. Hollinger J.P. Passive microwave measurements of the sea surface // J. Geophysical Research. 1970. V. 75. № 27. P. 5209-5213.

86. Hughes B.A. The effect of internal waves on surface wind waves. 2. Theoretical analysis // J. Geophysical Research. 1978. V. 83. P. 455-465.

87. Hughes B.A., Grant H.L., ChappellR. W. A fast response surface-wave slope meter and measured wind-wave moments //Deep-Sea Research. Oceanographic research papers. 1977. V. 24. P.1211-1223.

88. Hughes B.A., Grant H.L., Chappell R. W. A fast response surface-wave slope meter and measured wind-wave moments // Deep-Sea Research. 1977. V. 24. P. 1211-1223.

89. Hwang P.A. Spatial measurements of small-scale ocean waves. Air-Water Gas Transfer // 3rd Intern. Symp. on Air-Water Gas Transfer / Eds. B. Jahne, E.C. Monahan. Aeon Verlag and Studio, 1995. P. 153-164.

90. Hwang P.A. A study of the wavenumber spectra of short water waves in the ocean. Part II: Spectral model and mean square slope // J. of Atmospheric and Ocean Technology. 1997. V.14. P.1174-1186.

91. Hwang P.A., AtakturkS., Sletten M.A., Trizna D.B. A study of the wavenumber spectra of short water waves in the ocean // J. Physical Oceanography. 1996. V. 26. P. 1266-1285.

92. Hwang P.A., Shemdin O.H. The dependence of sea surface slope on atmospheric stability and swell conditions // J. Geophysical Research. 1988. V. 93. P 13.903-13.912.

93. Jackson F.C., Walton W.T., Hines D.E., Walter B.A., PengC.Y. Sea surface mean square slope from Ku-band backscatter data //J. Geophysical Research. 1992. V.97. P. 11.411— 11.427.

94. Jahne В., RiemerK.S. Two-dimensional wave spectra of small-scale surface waves //J. Geophysical Research. 1990. V. 95. № C7. P. 11.531-11.546.

95. Jones W.L., Schroeder L. С. Radar backscatter from the ocean: Dependence on surface friction velocity//Boundary-Layer Meteorology. 1978. V. 13. № 1. P. 133-149.

96. Jones W.L., SchroederL.C., Mitchell J.L. Aircraft measurements of the microwave scattering signature of the ocean // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. 1977. V. A P-25. P. 52-61.

97. KerrD.E. The Propagation of Short Radio Waves. MIT Radiat. Lab. Ser. № 13. McGraw-Hill. N. Y., 1951.

98. Kinsman B. Some evidence on the effect of nonlinearity on the position of the equilibrium range in wind-wave spectra//J. Geophysical Research. 1961. V. 66(8). P. 2411-2415.

99. Kitaigorodskii S.A. On the theory of the equilibrium rande in the spectrum of wind-generated gravity waves // J. Physical Oceanography. 1983. V. 13. P. 816-827.

100. Kitaigorodskii S.A., Krasitskii V.P., Zaslavskii MM. On Phillips' theory of equilibrium rande in the spectrum of wind-generated gravity waves //J. Phys. Oceanography. 1975. V. 5. P. 410-420.

101. Klein A., Swift C. An improved model for the dielectric constant of sea water at microwave frequencies // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. 1977. V. 25. № 1. P. 104— 111.

102. Kravtsov Yu.A. et al. Critical effects in the thermal radiation of a periodically uneven water surface // Izvestiya VUZ. Atmospheric and Oceanic Physics: Engl. Transl. 1978. V. 14. № 7. P. 522-526.

103. Kravtsov Y.A., Mirovskaya E.A., Popov A.E., Troitskiy I.A., Etkin V.S. Critical effects in the thermal radiation of a periodically uneven water surface // Izv. Russ. Acad. Ser. Atmos. Oceanic Phys.: Engl. Transl. 1978. V. 14(1). P. 522-526.

104. Physical Oceanography. 1977. V. 7. № 6. P. 883-891. Mitsuyasy H., Honda T. The high frequency spectrum of wind generated waves // J.

105. Oceanographical Society of Japan. 1974. V. 30. P. 185-195. Moore R.K. Radar sensing of the ocean // IEEE J. Oceanic Engineering. 1985. V. OE-IO. P. 84112.

106. Moore R.K., FungA.K. Radar determination of winds at sea //Proc. IEEE. 1979. V. 67. № 11. P. 1504-1521.

107. Pierson W.J. The theory and applications of ocean wave measuring systems at and below the sea surface, on the land, from aircraft, and from spacecraft: NASA Contract Rep. CR-2646. № 76-17775.1976.

108. Pierson W.J., Moskowitz L. A proposed spectral form of fully developed wind seas based on the similarity theory of S.A. Kitaigorodskii //J. Geophysical Research. 1964. V. 69. № 24. P. 5181-5190.

109. Pierson W.J., Stacy R.A. The elevation slope and curvature spectra of a wind roughened sea surface: NASA Contract Rep. CR-2247.1973. 126 p.

110. Plant W.J. A relationship between wind stress and wave slope //J. Geophysical Research. 1982. V. 87. P.1961-1967.

111. Plant W.J., Wright J. W. Growth and equilibrium of short gravity waves in a wind-wave tank // J. Fluid. Mechanics. 1977. V. 82. P. 767-793.

112. PospelovM.N., KuzminA.V., Trokhimovskii Yu.G. Polarimetric measurements of microwave emission from capillary waves // International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'01): Proc. Sydney, Australia. 2001. P. 1561-1563.

113. RiceS.O. Reflection of electromagnetic waves from slightly rough surfaces //Communications on Pure and Applied Mathematics. 1951. V. 4. P. 351.

114. SchroederL.C., Grantham W.L. SASS measurements of the Ku-band radar signature of the ocean // IEEE J. Oceanic Eng. 1982. V. OE-7. № 1. P. 3-14.

115. SchuleJ.J., Simpson L.S., De Leonibus P.S. A study of fetch limited wave spectra with an airborne laser// J. Geophysical Research. 1971. V. 76. P. 4160-4171.

116. Sharkov E.A. Passive Microwave Remote Sensing of the Earth: Physical Foundations. Berlin: Springer. Praxis Publishing. 2003. 613 p.

117. Shaw T.A., ChurnsideJ.H. Scanning-laser glint measurements of sea-surface slope statistics // Applied Optics. 1997. V. 36(18). P. 4202-4213.

118. ShemdinO.H., TranH.M., WuS.C. Directional measurements of short ocean waves with stereophotography//J. Geophysical Research. 1988. V. 9S. P. 13891-13901.

119. Shemdin O.H., Hwang P.A. Comparison of measured and predicted sea surface spectra of short waves // J. Geophysical Research. 1988. V. 93. P. 13.883-13.890.

120. Skou N., Laursen B, Measurement of Ocean Wind Vector by an Airborne, Imaging, Polarimetric Radiometer//Radio Science. 1998. V. 33. № 3. P. 669-675.

121. Stogrin A. Equations for calculating the dielectric constant for saline water // JEEE Transaction Microwave Theory and Techniques. 1971. V. 19. № 8. P. 733-736.

122. Stogryn A. The apparent temperature of the sea at microwave frequencies // IEEE Transaction on Antennas and Propagation 1967. V. 15. P. 278-286.

123. Stogryn A. The emissivity of sea foam at microwave frequencies // J. Geophysical Research. 1972. V. 72. №9. P. 1658-1666.

124. Swift C.T. Microwave radiometric measurements of the Cape God Canal // Radio Science. 1974. V. 9. № 77. P. 641-653.

125. TangS., ShemdinO.H. Measurement of high frequency waves using a wave follower //J. Geophysical Research. 1983. V. 88. P. 9832-9840.

126. Tatarskii V.I. Wave Propagation in a Turbulent Medium. McGraw-Hill. N. Y., 1961.

127. ToberG., Anderson R.C., ShemdinO.H. Laser instrument for detecting water ripple slopes //Applied Optics. 1973. V. 12. P. 788-794.

128. Trokhimovskii Yu., KuzminA., PospelovM., IrisovV., Sadovskyl. Laboratory polarimetric measurements of microwave emission from capillary waves //Radio science. 2003. V. 38. № 3. P. 8039.

129. Trokhimovskii Yu.G. The model for microwave thermal emission of sea surface with waves // Earth Observation Remote Sensing. 1997. V. 1. P. 39-49.

130. Trokhimovskii Yu.G., Bolotnikova G.A., Etkin VS. et al. The dependence of s-band sea surface brightness temperature on wind vector at normal incidence //IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing. 1995. V. 33. № 4. P. 1085-1088.

131. Trokhimovskii Yu.G., Irisov V.G. Wind speed and direction measurements using microwave polarimetric radiometers: NOAA Technical Memorandum ELP ETL-250.1995. 35 p.

132. Trokhimovskii Yu.G., WestwaterE.R., HanY. Air-and sea surface temperature measurements using a 60 GHz microwave rotating radiometer // Proc. IGARSS'95. Florence, Italy. 1995. P.1110-1112.

133. Trokhimovskii Yu.G., Westwater E.R., Irisov V.G., Leuski V.E. 5-mm radiometric measurements from FLIP during COPE. A data summary: NOAA Technical Memorandum ERL ETL-258.1995.56 р.

134. Trokhimovskii Yu.G., Westwater E.R., Irisov V.G., Leuski V.E. A scanning 60 GHz radiometer to measure air-sea temperature difference: recent results during COPE // Proc. IGARSS'96. Nebraska, USA. 1995. P. 1672-1674.

135. Trokhimovskii Yu.G. Leuskiy V.E. Measurements of water surface temperature using 5-mm radiometer // Proc. IGARSS'93. Tokyo, Japan. 1993. P. 1625-1626.

136. UlabyF.T., MooreR.K., FungA.K. Microwave Remote Sensing: Active and Passive. Dedham, Mass.: Artech House, 1986. V. 3.2162 p.

137. UlabyF.T., MooreR.K., FungA.K. Microwave Remote Sensing, Addison-Wesley, Reading, Mass. 1982. V. 2.

138. Valenzuela G.R. Scattering of electromagnetic waves from a tilted, slightly rough surface // Radio Science. 1968. V. 3. P. 1057-1066.

139. Valenzuela G.R. Theories for the interaction of electromagnetic and oceanic waves-A: Review //Boundary-LayerMeteorology. 1978. V. 1-4.P. 61-85.

140. Valenzuela G.R., LaingM.B., Daley J.C. Ocean spectra for the high-frequency waves as determined from airborne radar // J. of Marine Research. 1971. V. 29. № 2. P. 69-84.

141. Wentz F.J. A two-scale scattering model for foam-free sea microwave brightness temperature // J. of Geophysical Research. 1975. V. 80. P. 3441-3446.

142. Wentz F.J., CardoneV.J., FedorL.S. Intercomparison of wind speeds inferred by SASS, altimeter, and SMMR // J. of Geophysical Research. 1982. V. 87. P. 3378-3384.

143. Wentz F.J., Measurement of oceanic wind vector using satellite microwave radiometers // IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing. 1992. V. 30. P. 960-972.

144. Wentz. F.J. A model function for ocean microwave brightness temperature // J. of Geophysical Research. 1983. V. 88. № C3. P. 1892-1907.

145. Witter D.L., Chelton D.B. A GEOSAT altimeter wind speed algorithm and a method for altimeter wind speed algorithm development // J. of Geophysical Research. 1991. V. 96. P. 8853-8860.

146. Wright J. W. A new model for sea clutter // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. 1968. V. AP-16. P. 217-223.

147. Wright J. W. Backscattering from capillary waves with application to sea clutter //IEEE Transaction on Antennas and Propagation. 1966. V. AP-14. P. 749-754.

148. WuJ. Directional slope and curvature distributions of wind waves //J. Fluid Mechanics. 1977. V. 79. P. 463-480.

149. Wu J. Mean square slopes of the wind disturbed water surface, their magnitude, directionality, and composition // Radio Science. 1990. V. 25. № 1. P. 37-48.

150. Wu J. Slope and curvature distributions of wind-disturbed water surface // J. Optical Society of America. Optical Physics. 1971. V. 61. P. 852-858.

151. Wu S.T., FungA.K. A noncoherent model for microwave emissions and backscattering from the sea surface // J. of Geophysical Research. 1972. V. 77. № 30. P. 5917-5929.

152. Yueh S.H., KwokR., LiF.K., NghiemS.V., Wilson W.J., KongJ.A. Polarimetric Passive Remote Sensing of Ocean Wind Vectors // Radio Science. 1994. V. 29. № 4. P. 799-814.

153. Yueh SR., NghiemS.V., KwokR., Wilson W.J., Li F.K., Johnson J.T., KongJ.A. Polarimetric thermal emission from periodic water surface // Radio Science. 1994. V. 29. № 1. P. 8796.

154. Yueh S.H., Wilson W.J., Dinardo S.J., Li F.K. Polarimetric Microwave Brightness Signatures of Ocean Wind Directions //IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing. 1999. V. 37. № 2. P. 949-959.