Природно-ресурсные и экологические исследования
Развитие теории микроволнового рассеяния на крутых обрушающихся волнах.
Продолжены работы, направленные на развитие теории микроволнового рассеяния на крутых обрушающихся волнах и описание нерезонансных механизмов радиолокационного сигнала на морской поверхности, т.е. механизмов, не связанных с определенным соотношением длин волны излучения и волны на поверхности.
Теоретическая часть проекта привела к следующим результатам: с помощью методов геометрической теории дифракции получены аналитические выражения сечений обратного рассеяния на двух поляризациях для модели обрушающейся волны; показано, что интерференция между четырьмя различными каналами рассеяния может существенно усилить различие между эффективными сечениями рассеяния на двух поляризациях, так как условия конструктивной интерференции для горизонтальной и вертикальной поляризаций не совпадают, кроме того интерференцией обусловлен колебательный характер зависимости сечений обратного рассеяния от высоты обрушающейся волны имеют, вызванный между различными каналами рассеяния; отмечено, что важной причиной поляризационных различий на настильных углах наблюдения является гашение вертикально поляризованной электромагнитной волны у подножия обрушающейся волны;. оценены границы применимости модели и отмечено, что эффекты, описанные выше, имеют место только при настильных углах наблюдения. При средних углах зондирования и тем более при углах близких к надиру, двойное отражение маловероятно, так что вклад обрушающихся волн становится незаметным на фоне более существенного при таких условиях резонансного рассеяния.
Основные результаты выполнения экспериментальной части проекта таковы: показано, что при настильных углах зондирования появляются значительные различия между данными наблюдений и предсказаниями брэгговской теории, особенно заметные на горизонтальной поляризации зондирующего излучения; зарегистрированы всплески рассеяния на горизонтальной поляризации, амплитуда которых на 10-15 дБ превышает средний уровень рассеяния рябью; проанализирована угловая зависимость сечения обратного рассеяния на вертикальной и горизонтальной поляризациях. Экспериментально измеренное сечение рассеяния на горизонтальной поляризации уменьшается далеко не так быстро, как это следует из резонансной теории; выявлено, что при настильных углах наблюдения доплеровский сдвиг на вертикальной поляризации вполне отвечает предсказаниям брэгговской теории, в то время как на горизонтальной поляризации доплеровское смещение оказывается значительно большим, чем должно быть при резонансном рассеянии, и отвечает фазовой скорости морских волн длиной около 1 м при помощи мобильного двухполяризационного радиолокатора с высоким разрешением во время экспериментов на Черном море зарегистрированы отражения от уединенных крутых готовых обрушиться волн и проведены оценки числа уединенных крутых волн на единицу поверхности - оно составило около 0.0004 1/кв.м на горизонтальной и 0. 0005-0.0006 1/кв.м на вертикальной поляризациях.
(д.ф.-м.н. Ю.А. Кравцов, к.ф.-м.н.М.И. Митягина, e-mail: mityag@mx.iki.rssi.ru ; A.N. Churyumov, Yu. A. Kravtsov et al. Resonant and Nonresonant Mechanisms of Forming Space Radar Images of the Ocean // Advances in Space Research, 2002, Vol. 29. No.1, pp.111-116. A. N. Churyumov , Yu. A. Kravtsov , O. Yu. Lavrova , K. Ts. Litovchenko , M. I. Mityagina , K. D. Sabinin Signatures of resonant and non-resonant scattering mechanisms on radar images of internal waves // International Journal of Remote Sensing, 2002, Vol. 23, No 20, pp. 4341 - 4355.)
Собственное и рассеянное микроволновое излучение морской поверхности, возмущаемой потоком газовых пузырьков
Экспериментальные исследования радиотепловых и радиолокационных контрастов, создаваемых на поверхность моря потоком воздушных пузырей, осуществлялись с помощью радиофизического комплекса ИКИ РАН, который включал в себя следующие приборы двухполяризационный радиолокатор 3 см. диапазона с цифровой записью радиоизображения и набор радиометров-поляриметров 0.8 и 1.5 см [2]. С помощью радиометров-поляриметров определялись значения радиояркостной температуры на вертикальной (V) и горизонтальной (H) поляризациях и на двух поляризациях, повернутых на углы 450 и -450
Наблюдения показали, что даже при малом расходе воздуха, не превышающем 15 л/с, в зоне возмущения имеют место большие радиояркостные контрасты, существенно превышающие типичные ( не более 8-9К) вариации радиояркостной температуры, связанные с изменением поверхностного волнения. Радиояркостный контраст на горизонтальной поляризации достигал 16-17K при расходе 15 л/с, тогда как радиояркостный контраст на вертикальной поляризации был 5-6К. С уменьшением угла зондирования, при приближении к надиру, абсолютные значения контрастов и поляризационная разность уменьшаются. Значения радиояркостных температур Т +45 и Т -45 наблюдались практически одинаковыми, что означает равенство нулю третьего параметра Стокса собственного радиоизлучения поверхности, возмущенной потоком газовых пузырей. Измерения показали, что радиояркостные контрасты в диапазонах волн 0.8 и 1.5см, практически одинаковы. Обнаружено также, что увеличение глубины погружения источника потока пузырей от 1.7м до 9м приводит лишь к не значительному уменьшению радиояркостных контрастов.
Таким образом, в ходе выполненных натурных экспериментов обнаружены микроволновые (радиолокационные и радиотепловые) поверхностные проявления потоков газа, имитирующие повреждения подводных газопроводов. Установлено, что радиотепловые контрасты могут достигать величин 16-17К, а радиолокационные изображения фонтанов имеют значительную интенсивность и поляризационную зависимость. Эти результаты позволяют рассматривать микроволновые радиофизические методы зондирования как эффективное средство обнаружения повреждений подводных газопроводов.
(к.ф.-м.н. М.Г. Булатов, 333-35-33, bulatov@mx.iki.rssi.ru; М.Г Булатов, М.Д. Раев, В.Г. Пунгин, Е.И. Скворцов. Рассеяние миллиметровых радиоволн морской поверхностью, возмущаемой подводной струей газа. Исследование Земли из космоса, 6, 2002)
Исследование динамических процессов в Беринговом проливе с помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) космического базирования.
На основе данных, полученных с помощью радиолокаторов, установленных на космических аппаратах ERS-1/2 и RADARSAT проведено исследование следующих динамических процессов: образование гидрологических фронтов, вызванных затоком арктических вод, образование вихрей и подветренных структур за природными препятствиями, генерация пакетов внутренних волн и их взаимодействие, образование "аркообразных" структур, вызванных неоднородностями дна.
На базе Южного отделения Института океанологии им. П.П. Ширшова в августе 2002 года проведены экспедиционные работы синхронно с радиолокационной съемкой изучаемого района, которая осуществлялась с помощью радиолокатора с синтезированной апертурой, установленного на европейском спутнике ERS-2. Накопленный экспериментальный материал позволит решать следующие научные задачи:
Проведены экспериментальные исследования микроволновых СВЧ-моделей диэлектрической проницаемости воды по данным угловых измерений собственного радиоизлучения в миллиметровом диапазоне длин волн. С этой целью поведены серии лабораторных и натурных измерений радиояркостной температуры с помощью микроволновых радиометров 3- и 8-мм диапазонов. В сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн релаксационные модели Коула-Коула и Дебая оказываются практически эквивалентными и совпадают с измеренными значениями диэлектрической проницаемости с точностью 6-9%. Однако, в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах наблюдается резкое различие между экспериментальными данными и расчетами по моделям Дебая и Коула-Коула, доходящие до 25% и более. Данная ситуация обусловливается неправомерностью применения релаксационной модели Дебая, ограниченной областью действия "сверх-дебаевской" полосы поглощения, и указывает на необходимость перехода к релаксационной модели Коула-Коула. Анализ чувствительности релаксационной модели Коула-Коула к вариациям ее параметров показал, что возможен выбор таких значений ? и ?Ґ, которые обеспечили бы более высокую степень сходимости модели в миллиметровом диапазоне длин волн, практически не изменив ее значений в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Величины оптимальных значений параметров релаксационной модели Коула-Коула составляют ? = 0,03, ?Ґ = 4,94, и обеспечивают согласие модельных и экспериментальных значений радиояркостных температур лучше 0.5-1% в миллиметровом - дециметровом диапазонах длин волн.
(к.ф.-м.н. А.В.Кузьмин, alexey.kuzmin@asp.iki.rssi.ru; Александров, Д.В., "Верификация СВЧ-моделей диэлектрической проницаемости воды по данным угловых измерений собственного радиоизлучения в миллиметровом диапазоне длин волн" // Препринт ИКИ РАН ПР-2066, 36 с., 2002.; Подготовлена статья в ИЗК.)
Проведены лабораторные исследования эффекта "Эткина-Кравцова" в микроволновом излучении периодически возмущенной водной поверхности, полученные результаты хорошо согласуются с существующей теорией.
Измерения проводились на крыше здания ИКИ. Экспериментальная установка состояла из радиометра с антенной, закрепленного на раме, ванны с водой и вспомогательных устройств (см рис.1).
С помощью рамы изменялся угол визирования радиометра относительно поверхности воды. На поверхности воды формировалась периодическая рябь системой параллельных нитей, натянутых на прямоугольную рамку размером 43x48 см. Намоченные нити поднимались над водной поверхностью, тем самым за счет сил поверхностного натяжения на поверхности воды возникала структура, близкая к синусоидальной. Профиль ряби измерялся с помощью лазера по специальной методике, определялась амплитуда возвышений и первые 10 поверхностных гармоник. Ванна располагалась на поворотном столе, таким образом, что можно было изменять азимутальный угол визирования радиометра относительно системы нитей.
Сравнение экспериментальных результатов с моделью показывает качественное согласие, получаемых контрастов радиояркостной температуры с теоретическими расчетами. В эксперименте наблюдались резонансные эффекты, предсказанные теорией "Эткина-Кравцова" (Рис.2). В то же самое время, существует сдвиг в 1-2 K между расчетными и измеренными контрастами яркости на вертикальной и горизонтальной поляризациях. Среди возможных причин такого расхождения быть изменчивость ослабления атмосферы, изменение температуры и уровня воды за счет испарения за время измерений.
 |  |
| Рис.1. | Рис.2. |
Продолжены экспериментальные исследования влияния поверхностных волн на радиотепловое излучение морской поверхности. Измерения проводились с пирса на базе Южного отделения института океанологии РАН (г. Геленджик). В измерениях был задействован комплекс радиометров мм диапазона длин волн (0.5, 0.8 и 1.5 см), а так же комплекс радиометров дм диапазона (8, 18, 27 см). Микроволновые измерения сопровождались данными метеопараметров и контактных датчиков, измеряющих соленость и электропроводность морской воды, амплитуду поверхностного волнения. Сотрудники ИФА РАН обеспечили измерение турбулентных пульсаций ветрового потока и температуры в различных метеоусловиях. Радиометрические измерения производились на фиксированных углах наблюдения 40, 60 и 65 градусов. По азимуту измерения проводились по и перпендикулярно направлению ветрового волнения. Результаты измерений обрабатываются.
(к.ф.-м.н. А.В.Кузьмин, alexey.kuzmin@asp.iki.rssi.ru; Кузьмин, А.В., О.Р. Никитин, М.Н. Поспелов, И.Н. Садовский, Ю.Г. Трохимовский "Исследование радиотеплового излучения взволнованной морской поверхности" // Доклады 5-й Международной научно-технической конференции "Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии", 25-28 июня 2002, Владимир, 217-218.; Поспелов, М.Н., А.В.Кузьмин, И.Н.Садовский "Дистанционное измерение скорости и направления ветра над морской поверхностью с помощью микроволновой радиополяриметрии" // Материалы Юбилейной Всероссийской научной конференции "Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы", 30 октября - 1 ноября 2002, Москва, МГУ, 50-51.)
Разработаны принципы и сформирована тематическая база данных динамических полей тропической атмосферы (экспедиция Тайфун-88), построенной на основе предложенного "сценарного" методологического подхода при исследовании атмосферных катастроф.
(научный руководитель д.ф.-м.н. Шарков Е. А, esharkov@iki.rssi.ru). Подготовка рукописи монографии для издательства Springer " Passive Microwave Remote Sensing of the Earth : Physical Foundations " (сдача в начале 2003г.).
Теоретические и экспериментальные исследования электродинамических свойств поверхностных пленок воды на частицах почвы.
Были проведены следующие работы: исследованы диэлектрические свойства влажных грунтов со сложным гранулометрическим составом; исследованы зависимости положения точки переходной влажности от гранулометрического состава грунта; доработана модель диэлектрических свойств влажной почвы.
(к.ф.-м.н. Боярский Д.А., Dmitri.Boyarskii@asp.iki.rssi.ru; Boyarskii D.A., Tikhonov V.V., Komarova N.Yu. Model of Dielectric Constant of Bound Water in Soil for Applications of Microwave Remote Sensing. Progress In Electromagnetics Research, PIER 35, 2002, p.p.251-270)
Выявление структуры гетерогенных сред с органическими примесями микроволновыми методами.
Проведены следующие исследования:
Создана коллекция аэрокосмических радиолокационных изображений морской поверхности.
В рамках работы по проекту INTAS-99-0242 "Развитие методов распознавания и интерпретации океанических и атмосферных явлений по данным двухполяризационной спутниковой и самолетной радиолокации" создана коллекция радиолокационных изображений морской поверхности. Коллекция оформлена в виде интернет-сайта (www.adidas.iki.rssi.ru). Основная цель - наглядно продемонстрировать возможности применения систем радиолокационного зондирования морской поверхности для исследования явлений и процессов в океане и в атмосфере над ним. Это определило структуру коллекции, рубриками которой стали физические явления, ассоциируемые с определенными типами сигнатур на радиолокационных изображениях. В коллекции собраны изображения, полученные пятью радиолокационными системами: спутниковыми с синтезированной апертурой ERS-1, ERS-2 и SIR-C/X и радиолокационными станциями бокового обзора, размещенными на спутнике OCEAN-7 и на самолете-лаборатории ТУ-134. Для каждого изображения приводятся все имеющиеся сведения о параметрах и условиях съемки, включая метеорологические, гидрологические, батиметрические и другие сведения, данные совместных контактных и других дистанционных измерений, а также прилагаются ссылки на публикации, в которых это изображение обсуждается.
(Ю. Бочарова, к.ф.-м.н. М.И. Митягина, к.ф.-м.н. О.Ю. Лаврова (е-mail: tabo@.iki.rssi.ru)
Разработана усовершенствованная методика оценки максимальной глубины подповерхностного зондирования, осуществляемой с помощью наземных георадаров. Суть усовершнствования состоит в установлении связи между глубиной зондирования и значениями вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги, что может иметь важные экономические результаты при решении принципиально разных задач подповерхностного зондирования, например, при обнаружении минных полей и забытых боепрпасов, когда требования к указанным вероятностям очень высоки, либо при оценке загрязнения грунтовых вод, когда эти требования могут быть не такими жесткими.
(к.т.н. Егоров В.В., 333-35-89, egorov@iki.rssi.ru
Тезисы докладов. Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика и общество" Москва, май 2002, с.51.)
Разработана оригинальная методика оценки максимальной глубины зондирования подповерхностных объектов и растительности с помощью георадаров, устанавливаемых на аэрокосмических носителях. Показано, что в отличие от наземного подповерхностного зондирования в данном случае имеет место сильное влияние мешающих фоновых отражений, приходящих от границы раздела "воздух-земная поверхность (растительность)", существенно снижающее максимальную глубину зондировани и ухудшающее показатели обнаружения.
(к.т.н. Егоров В.В., 333-35-89, egorov@iki.rssi.ru
Тезисы докладов. Первой Всероссийской научно-технической конференции по проблемам создания перспективной авионики. Москва, апрель, 2002.)
Разработана методика определения потенциальной точности оценки глубины залегания различных подповерхностных объектов.
(к.т.н. Егоров В.В., 333-35-89, egorov@iki.rssi.ru
Тезисы докладов. Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика и общество" Москва, май 2002, с.51.)
Выполнен цикл модельных компьютерных экспериментов по верификации методик расчета максимальной глубины подповерностного зондирования и точности оценки последней на примере таких объектов как карстовая зона, грунтовые воды, линзы воды в аридных регионах, загрязнение грунта нефтерподуктами, подповерхностные трубопроводы, малоразмерные объекты (мины, снаряды). Результаты модельных расчетов и их сравнение с результатами натурных измерений опубликованных в печати для соответствующих условий и объектов показали их хорошее согласие и, таким образом, подтвердили справедливость разработанных методик. Глубина зондирования может изменяться от нескольких сотен метров (в случае обнаружения линз воды в сухом песке) до нескольких дециметров (обнаружение мин и снарядов во влажной глине). Точность измерения глубины также варьирует от нескольких сантиметров до метра.
(к.т.н. Егоров В.В., 333-35-89, egorov@iki.rssi.ru
Тезисы докладов. Тезисы докладов. Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика и общество" Москва, май 2002, с.51.)
Завершен этап разработки компьютерной программы (EHIPS), относящийся к оценке риска для здоровья населения в связи с загрязнением окружающей среды.
(к.т.н. Егоров В.В., 333-35-89, egorov@iki.rssi.ru) Программа выложена на сайте: www.iki.rssi.ru/ehips/welcome.htm
Разработан метод повышения точности восстановления профиля температуры в атмосфере.
Метод основывается на использовании измерений с помощью Фурье-спетрометра высокого спектрального разрешения 0,1-0,5 cm и формировании синтезированных информационных каналов. На основе анализа количества информации в спектрах излучения атмосферы в диапазоне 13,7-15 мкм выделены интервалы спектра, объединение которых позволило согласовать свойства решаемой системы уравнений переноса излучения, априорную информацию в виде статистических данных и ошибки измерений. Среднеквадратичная ошибка определения профиля температуры на 17 основных стандартных и дополнительных уровнях для диапазона давлений 10-1000 мбар составляет 1К, что отвечает требованиям использования метеоданных.
Автор- Городецкий А.К.,к.ф.-м.н gora@iki.rssi.ru
Разработка методов и технологий спутникового мониторинга окружающей среды
В 2002 году по работам в этом направлении были получены следующие основные результаты: