hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667320030089hydrophysics-117Research ArticleТЕХНИЧЕСКАЯ ГИДРОФИЗИКАTECHNICAL HYDROPHYSICSОпределение скорости течения на морской поверхности доплеровским радиолокатором X-диапазонаDetermination of the Sea Surface Current by a Doppler X-Band RadarЕрмошкинА. В.ErmoshkinA. V.

603950, ул. Ульянова, д. 46, г. Нижний Новгород

603950, Ulyanova Str., 46, Nizhny Novgorod

al-ermoshkin@yandex.ruКапустинИ. А.KapustinI. A.

603950, ул. Ульянова, д. 46, г. Нижний Новгород

603950, Ulyanova Str., 46, Nizhny Novgorod

МольковА. А.MolkovA. A.

603950, ул. Ульянова, д. 46, г. Нижний Новгород

603950, Ulyanova Str., 46, Nizhny Novgorod

БогатовН. А.BogatovN. A.

603950, ул. Ульянова, д. 46, г. Нижний Новгород

603950, Ulyanova Str., 46, Nizhny Novgorod

Институт прикладной физики РАНРоссияInstitute of Applied Physics RASRussian Federation20200312202113393103Copyright © Ермошкин А.В., Капустин И.А., Мольков А.А., Богатов Н.А., 20212021Ермошкин А.В., Капустин И.А., Мольков А.А., Богатов Н.А.Ermoshkin A.V., Kapustin I.A., Molkov A.A., Bogatov N.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/117

В работе предложена методика определения скорости и направления поверхностного течения по измерениям скоростных радиолокационных панорам доплеровским радиолокатором X-диапазона. На основе результатов численного моделирования доплеровской скорости брэгговских волн в поле ветрового волнения и течения выбран диапазон дальностей для измерения скорости поверхностного течения, при котором можно не учитывать эффект затенения участков морской поверхности гребнями волн. Проведены продолжительные натурные эксперименты, в ходе которых предлагаемая методика была проверена. Скорость и направление поверхностного течения вычислялись как векторная сумма скорости течения водной толщи и 3% скорости ветра, при этом одновременно измерялись скоростные радиолокационные панорамы морской поверхности. Показано, что при зондировании навстречу ветру/волнению средние скорости рассеивающих СВЧ радиоволны элементов морской поверхности существенно выше предсказаний двухмасштабной модели рассеивания, учет которых для восстановления скорости поверхностного течения, был проведен эмпирически. При зондировании по ветру/волнению наблюдалось хорошее согласие с результатами моделирования. Корреляционный анализ поверхностного течения, вычисленного через гидрометеорологические параметры и по скоростным радиолокационным панорамам, продемонстрировал максимальный коэффициент корреляции для величины скорости 0.88 со среднеквадратичной ошибкой 8 см/с, а для направления 0.98 — со среднеквадратичной ошибкой 14°. Отмечается, что пленочные слики на морской поверхности приводят к существенному уменьшению усредненной доплеровской скорости, что может выступать дополнительным критерием при дистанционном обнаружении разливов нефти и нефтепродуктов.

The paper proposes a methodology for determining the speed and direction of the sea surface current from measurements of Doppler radar panoramas with an X-band Doppler radar. Numerical simulation of the Doppler velocity of the Bragg waves in the field of wind waves and currents were carried out. The range of distance was selected for measuring the velocity of the surface current at which the effect of shading of the sea surface sections by wave crests can be ignored. Long field experiments were conducted, during which the proposed method was tested. The velocity and direction of the surface current were calculated as the vectorial sum of the velocity of the water column and 3% of the wind speed, while at the same time Doppler radar panoramas of the sea surface were measured. It was shown that, for upwind/upwave radar sensing, the average Doppler velocity of the scattering microwave waves of sea surface elements are significantly higher than the predictions of the two-scale scattering model. To restore the velocity of the surface current the registration was carried out empirically. For downwind/downwaves radar sensing, good agreement with the simulation results was observed. A correlation analysis of the surface current, calculated through hydro meteorological parameters and Doppler radar panoramas, showed a maximum correlation coefficient for a velocity value is about 0.88 with a root mean square error of 8 cm/s, and for a direction is about 0.98 with a root mean square error of 14 degrees. It is noted that film slicks on the sea surface lead to a significant decrease in the average Doppler velocity, which may serve as an additional criterion for the remote detection of oil spills.

течения на морской поверхностикогерентное радиолокационное зондированиеэффект Доплерапленочные сликимоделированиеэкспериментыsea surface currentscoherent radar sensingDoppler effectfilm slicksmodelingexperimentsПроведение эксперимента в части радиолокационных наблюдений, обработка и анализ экспериментальных данных и написание статьи выполнено при поддержке проекта РНФ № 18–77–00072. Эксперименты с пленочными загрязнениями проведены при поддержке гранта РФФИ № 18–35–20054.ReferencesСтехновский Д. И., Зубков А.Е. Навигационная гидрометеорология. М.: Транспорт, 1977. 264 c.Stehnovskiy D.I., Zubkov A.E. Navigation and hydrometeorology. Moscow, Transport, 1977. 264 p. (in Russian).Будянский М. В. и др. Лагранжев анализ Курильских вихрей // Вестник ДВО РАН. 2017. № 4. С. 81–88.Budyanskiy M.V. et al. Lagrange analysis of the Kuril vortices. Vestnik DVO RAN. 2017, 4, 81–88 (in Russian).Зацепин А. Г. и др. Сравнение характеристик течений, измеренных КВ и СВЧ радиолокаторами на гидрофизическом полигоне ИО РАН в Черном море, с данными ADCP и дрифтеров // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14, № 7. С. 250–266.Zatsepin A.G. et al. Comparison of coastal currents measured by HF and X-band radars with ADCP and drifter data at the IO RAS hydrophysical test site in the Black Sea. Sovremennye Problemy Distantsionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. 2017, 14, 7, 250–266 (in Russian).Булатов М. Г. и др. Физические механизмы формирования аэрокосмических радиолокационных изображений океана // УФН. 2003. 173 (1). С. 69–87.Bulatov M.G. et al. Physical mechanisms for the formation of aerospace radar images of the ocean. UFN. 2003, 173 (1), 69–87 (in Russian).Переслегин С. В. и др. Формирование скоростных радиолокационных изображений морской поверхности со стационарных, авиационных и космических носителей // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2019. Т. 12, № 1. С. 21–29.Pereslegin S.V. et al. The forming of sea surface velocity images from stationary, airborne and spaceborne platforms. Fundamentalnaya i Prikladnaya Gidrofizika. 2019, 12, 1, 21–29 (in Russian).Braun N., Ziemer F., Bezuglov A., Cysewski M., Schymura G. Sea-surface current features observed by Doppler radar // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2008. V. 46, Iss. 4. P. 1125–1133. doi: 10.1109/TGRS.2007.910221Braun N., Ziemer F., Bezuglov A., Cysewski M., Schymura G. Sea-surface current features observed by Doppler Radar. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2008, 46, 4, 1125–1133. doi: 10.1109/TGRS.2007.910221Nyman L., Lund B., Romeiser R., Graber H., Horstmann J. A New Approach to Detect Surface Currents of Complex Flows Using Doppler Marine Radar // IGARSS2018–2018 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Valencia, 2018. P. 1493–1496. doi: 10.1109/IGARSS.2018.8519168Nyman L., Lund B., Romeiser R., Graber H., Horstmann J. A new approach to detect surface currents of complex flow using Doppler marine radar. IGARSS2018–2018 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Valencia, 2018, 1493–1496. doi: 10.1109/IGARSS.2018.8519168Moiseev A. et al. Evaluation of radial ocean surface currents derived from Sentinel-1 IW Doppler shift using coastal radar and Lagrangian surface drifter observations // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. 125. e2019JC015743. doi: https://doi.org/10.1029/2019JC015743Moiseev A. et al. Evaluation of radial ocean surface currents derived from Sentinel-1 IW Doppler shift using coastal radar and Lagrangian surface drifter observations. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020, 125, e2019JC015743. doi: https://doi.org/10.1029/2019JC015743Mouche A.A. et al. On the use of Doppler shift for sea surface wind retrieval from SAR // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2012. 50(7). P. 2901–2909. doi: https://doi.org/10.1109/TGRS.2011.2174998Mouche A.A. et al. On the use of Doppler shift for sea surface wind retrieval from SAR. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2012, 50(7), 2901–2909. doi: https://doi.org/10.1109/TGRS.2011.2174998Lund B. et al. Marine X-band radar currents and bathymetry: An argument for a wave number-dependent retrieval method // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. 125. e2019JC015618. doi: https://doi.org/10.1029/2019JC015618Lund B. et al. Marine X-band radar currents and bathymetry: An argument for a wave number-dependent retrieval method. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020, 125, e2019JC015618. doi: https://doi.org/10.1029/2019JC015618Ivonin D.V. et al. Monitoring system of surface currents on the base of low-cost X-band radar. First application on the Black Sea // Russian Journal of Earth Sciences. 2011. V. 13. ESES1001000. doi: 10.2205/2009ES000245Ivonin D.V. et al. Monitoring system of surface currents on the base of low-cost X-band radar. First application on the Black Sea. Russian Journal of Earth Sciences. 2011, 13, ESES1001000.Dankert H. Retrieval of surface-current fields and bathymetries using radar-image sequences // Proc. IGARSS. Toulouse, France, 2003. doi: 10.2205/2009ES000245Dankert H. Retrieval of surface-current fields and bathymetries using radar-image sequences. Proc. IGARSS. 2003. doi: 10.2205/2009ES000245Ermoshkin A.V., Kapustin I.A. Estimation of the wind-driven wave spectrum using a high spatial resolution coherent radar // Russian Journal of Earth Sciences. 2019. V. 19, N 3. P. ES1005 1–9.Ermoshkin A.V., Kapustin I.A. Estimation of the wind-driven wave spectrum using a high spatial resolution coherent radar. Russian Journal of Earth Sciences. 2019, 19, 3, ES1005 1–9.Ermoshkin A.V. et al. On the features of Doppler velocities estimation with coherent radar of high spatial resolution // Proc. SPIE. 2019. 111501I.Ermoshkin A.V. et al. On the features of Doppler velocities estimation with coherent radar of high spatial resolution. Proc. SPIE. 2019, 111501I.Valenzuela G.R. Theories for the interaction of electromagnetic and oceanic waves — a review // Boundary-Layer Meteorology. 1978. V. 13. P. 61–85.Valenzuela G.R. Theories for the interaction of electromagnetic and oceanic waves — a review. Boundary-Layer Meteorology. 1978, 13, 61–85.Johnson J.T., Chuang C.W. Quantitative Evaluation of Ocean Surface Spectral Model Influence on Sea Surface Backscattering // Technical Report 738927–1. Office of Naval Research, 2000. 47 p.Johnson J.T., Chuang C.W. Quantitative Evaluation of Ocean Surface Spectral Model Influence on Sea Surface Backscattering. Technical Report 738927–1. Office of Naval Research. 2000. 47 p.Salcedo-Sanz S. et al. Significant Wave Height Estimation using SVR Algorithms and Shadowing Information from Simulated and Real measured X-band radar images of the sea surface // Ocean Engineering. 2015. V. 101. P. 244–253. doi: https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2015.04.041Salcedo-Sanz S. et al. Significant Wave Height Estimation using SVR Algorithms and Shadowing Information from Simulated and Real measured X-band radar images of the sea surface. Ocean Engineering. 2015, 101, 244–253. doi: https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2015.04.041Hwang P.A., Sletten M.A., Toporkov J.V. Breaking wave contribution to low grazing angle radar backscatter from the ocean surface // Journal of Geophysical Research. 2008. V. 113, C09017. doi:10.1029/2008JC004752Hwang P.A., Sletten M.A., Toporkov J.V. Breaking wave contribution to low grazing angle radar backscatter from the ocean surface. Journal of Geophysical Research. 2008, 113, C09017.Wu J. Sea-surface drift currents induced by wind and waves // Journal of Geophysical Research. 1983. 13(8). P. 1441–1451.Wu J. Sea-surface drift currents induced by wind and waves. Journal of Geophysical Research. 1983, 13(8), 1441–1451. doi:10.1029/2008JC004752Капустин И.А. и др. Об оценке вклада приводного ветра в кинематику сликов на морской поверхности в условиях ограниченных разгонов волнения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16, № 2. С. 163–172.Kapustin I.A. et al. On the estimation of the contribution of near-surface wind to the kinematics of slicks on the sea surface under conditions of finite wave fetch. Sovremennye Problemy Distantsionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. 2019, 16, 2, 163–172 (in Russian).Ermoshkin A.V. et al. Statistical characteristics of Doppler velocity shift in artificial slick on sea surface // Proc. SPIE11150, 2019, 111501L.Ermoshkin A.V. et al. Statistical characteristics of Doppler velocity shift in artificial slick on sea surface. Proc. SPIE. 2019, 111501L.

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