hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667321030084hydrophysics-26Research ArticleТЕХНИЧЕСКАЯ ГИДРОФИЗИКАTECHNICAL HYDROPHYSICSЛидарный метод регистрации внутренних волн в водах с двухслойной стратификацией гидрооптических характеристикMethod of Internal Waves Registration by Lidar Sounding in Case of Waters with Two-Layer Sratification of Hydrooptical CharacteristicsГлуховВ. А.GlukhovV. A.

117997, Нахимовский пр., д. 36, г. Москва

117997, Nahimovsky Pr., 36, Moscow

vl.glukhov@inbox.ruГольдинЮ. А.GoldinYu. A.

117997, Нахимовский пр., д. 36, г. Москва

117997, Nahimovsky Pr., 36, Moscow

РодионовМ. А.RodionovM. A.

117997, Нахимовский пр., д. 36, г. Москва

117997, Nahimovsky Pr., 36, Moscow

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology, RASRussian Federation2021281120211438697Copyright © Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Родионов М.А., 20212021Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Родионов М.А.Glukhov V.A., Goldin Y.A., Rodionov M.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/26

Разработан метод обработки сигналов судового радиометрического поляризационного лидара, позволивший надежно и достаточно точно определить положение границы между слоями, различающимися по гидрооптическим характеристикам. Метод основан на анализе временной зависимости спада эхо-сигнала и позволяет фиксировать изменение положения границы с течением времени в отсутствие слоя повышенного светорассеяния. Модельные расчеты лидарных эхо-сигналов для двухслойной стратификации гидрооптических характеристик показали наличие резких изменений временной зависимости затухания эхо-сигнала в районе границы между слоями, особенно ярко проявляющейся в кросс-поляризованной компоненте эхо-сигнала. Выполнен долговременный цикл лидарного зондирования толщи морской воды. Измерения проводились с борта судна в дрейфе. Сопутствующие измерения гидрофизических характеристик и показателя ослабления света морской водой зондом SBE25 с прозрачномером в районе проведения экспериментальных исследований показали наличие границы между слоями на глубинах 15—17 м, приуроченной к глубине залегания пикноклина. В результате обработки и анализа полученного массива данных лидарного зондирования зарегистрированы периодические изменения положения границы между слоями. Максимальная зарегистрированная амплитуда составляет 3 м, а средний период колебаний – 8.5 мин. Полученные значения характерны для внутренних волн, наблюдаемых в шельфовой зоне Черного моря.

A method for processing a shipborne radiometric polarization lidar signals has been developed. The method allows to perform reliable and fairly accurate determination the position of the boundary between layers with different hydrooptical characteristics. The method is based on the analysis of the time dependence of the echo signal decay. This makes it possible to register changes of the boundary position in the absence of a high scattering layer. Model calculations of lidar echo signals for two-layer stratification of hydrooptical characteristics has showed sharp changes in the time dependence of the echo signal decay in the region of the boundary between the layers, which is especially pronounced for the cross-polarized component of the echo signal. A long-term cycle of lidar sounding of the seawater was performed. The accompanying measurements of the hydrophysical characteristics and the light attenuation coefficient by the Seabird SBE25 with a transmissometer in the experimental area showed the presence of a boundary between the layers at depths of 15—17 m, confined to the pycnocline depth. Processing and analysis of the resulting array of lidar sounding data made it possible to record periodic changes in the position of the boundary between the layers. The maximum recorded amplitude is 3 m, and the average oscillation time period is 8.5 min. The obtained values are typical for internal waves observed in the shelf zone of the Black Sea.

морской поляризационный лидардистанционное зондированиевнутренние волныгидрооптические характеристикиmarine polarized lidarremote sensinginternal waveshydrooptical characteristicsРабота выполнена в рамках государственного задания по теме № 0128-2021-0014.ReferencesVasilkov A.P., Goldin Yu.A., Gureev B.A., Hoge F.E., Swift R.N., Wright C.W. Airborne polarized lidar detection of scattering layers in the ocean // Appl. Opt. 2001. V. 40. P. 4353—4364. doi: 10.1364/AO.40.004353Vasilkov A.P., Goldin Yu.A., Gureev B.A., Hoge F.E., Swift R.N., Wright C.W. Airborne polarized lidar detection of scattering layers in the ocean. Appl. Opt. 2001, 40, 4353—4364. doi: 10.1364/AO.40.004353Goldin Y.A., Vasilev A.N., Lisovskiy A.S., Chernook V.I. Results of Barents Sea airborne lidar survey // Proc. SPIE. V. 6615, 66150E (Apr. 13, 2007).Goldin Y.A., Vasilev A.N., Lisovskiy A.S., Chernook V.I. Results of Barents Sea airborne lidar survey. Proc. SPIE. 2007, 6615, 66150E (Apr.13, 2007).Brian L. Collister, Richard C. Zimmerman, Victoria J. Hill, Charles I. Sukenik, William M. Balch. Polarized lidar and ocean particles: insights from a mesoscale coccolithophore bloom // Appl. Opt. 2020. V. 59. P. 4650—4662. doi: 10.1364/AO.389845Brian L. Collister, Richard C. Zimmerman, Victoria J. Hill, Charles I. Sukenik, William M. Balch. Polarized lidar and ocean particles: insights from a mesoscale coccolithophore bloom. Appl. Opt. 2020, 59, 4650—4662. doi: 10.1364/AO.389845Peituo Xu et al. Design and validation of a shipborne multiple-field-of-view lidar for upper ocean remote sensing // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2020. V. 254. 107201. doi: 10.1016/j.jqsrt.2020.107201Peituo Xu et al. Design and validation of a shipborne multiple-field-of-view lidar for upper ocean remote sensing. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2020, 254, 107201. doi: 10.1016/j.jqsrt.2020.107201Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Родионов М.А. Экспериментальная оценка возможностей лидара ПЛД-1 по регистрации гидрооптических неоднородностей в толще морской среды // Фундам. прикл. гидрофиз. 2017. Т. 10, № 2. С. 41—48. doi: 10.7868/S207366731702006XGlukhov V.A., Goldin Yu.A., Rodionov M.A. Experimental estimation of the capabilities of the lidar PLD-1 for the registration of various hydro-optical irregularities of the sea water column. Fundam. Prikl. Gidrofiz. 2017, 10, 2, 41—48 (in Russian). doi: 10.7868/S207366731702006XRoddewig M.R., Pust N.J., Churnside J.H., Shaw J.A. Dual polarization airborne lidar for freshwater fisheries management and research // Opt. Eng. 2017. V. 56. 031221. doi: 10.1117/1.OE.56.3.031221Roddewig M.R., Pust N.J., Churnside J.H., Shaw J.A. Dual polarization airborne lidar for freshwater fisheries management and research. Opt. Eng. 2017, 56, 3, 031221. doi: 10.1117/1.OE.56.3.031221Churnside J.H., David A. Demer, Behzad Mahmoudi. A comparison of lidar and echosounder measurements of fish schools in the Gulf of Mexico // ICES J. Mar. Sci. 2003. V. 60(1). P. 147—154. doi: 10.1006/jmsc.2002.1327Churnside J.H., David A. Demer, Behzad Mahmoudi. A comparison of lidar and echosounder measurements of fish schools in the Gulf of Mexico. ICES J. Mar. Sci. 2003, 60(1), 147—154. doi: 10.1006/jmsc.2002.1327Churnside J.H. et al. Airborne remote sensing of a biological hot spot in the southeastern Bering Sea // Remote Sens. 2011. V. 3, № 3. P. 621—637. doi: 10.3390/rs3030621Churnside J.H. et al. Airborne remote sensing of a biological hot spot in the southeastern Bering Sea. Remote Sens. 2011, 3, 3, 621—637. doi: 10.3390/rs3030621Churnside J.H., Marchbanks R.D. Subsurface plankton layers in the Arctic Ocean // Geophys. Res. Lett. 2015. V. 42. P. 4896—4902. doi: 10.1002/2015GL064503Churnside J.H., Marchbanks R.D. Subsurface plankton layers in the Arctic Ocean. Geophys. Res. Lett. 2015, 42, 4896— 4902. doi: 10.1002/2015GL064503Goldin Yu., Gureev B., Ventskut Yu. Shipboard polarized lidar for seawater column sounding // Proc. SPIE Current Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters. V. 6615. P. 66150H. (13 April 2007). doi: 10.1117/12.740466Goldin Yu., Gureev B., Ventskut Yu. Shipboard polarized lidar for seawater column sounding. Proc. SPIE Current Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters. 2007, 6615, 66150H (13 April 2007). doi: 10.1117/12.740466Hoge F., Wright C., Krabill W., Buntzen R., Gilbert G., Swift R., Yungel J., Berry R. Airborne lidar detection of subsurface oceanic scattering layers // Appl. Opt. 1988. V. 27. P. 3969—3977. doi: 10.1364/AO.27.003969Hoge F., Wright C., Krabill W., Buntzen R., Gilbert G., Swift R., Yungel J., Berry R. Airborne lidar detection of subsurface oceanic scattering layers. Appl. Opt. 1988, 27, 3969—3977. doi: 10.1364/AO.27.003969Churnside J.H., Donaghay P.L. Thin scattering layers observed by airborne lidar // ICES J. Mar. Sci. 2009. V. 66. Р. 778—789. doi: 10.1093/icesjms/fsp029Churnside J.H., Donaghay P.L. Thin scattering layers observed by airborne lidar. ICES J. Mar. Sci. 2009, 66, 778—789. doi: 10.1093/icesjms/fsp029Родионов М.А., Долина И.С., Левин И.М. Корреляции между вертикальными распределениями показателя ослабления света и плотности // Фундам. прикл. гидрофиз. 2012. Т. 5, № 4. С. 39—46.Rodionov M.A., Dolina I.S., Levin I.M. Correlations between depth distributions of water attenuation coefficient and density in the North Seas. Fundam. Prikl. Gidrofiz. 2012, 5, 4, 39—46. (in Russian).Жегулин Г.В. Оценка статистической взаимосвязи гидрологических и гидрооптических характеристик по данным измерения короткопериодных внутренних волн в глубоководном районе Баренцева моря // Фундам. прикл. гидрофиз. 2019. Т. 12, № 1. С. 85—94. doi: 10.7868/S2073667319010106Zhegulin G.V. Estimation of the statistical communication of hydrological and hydrooptical characteristics from the data of measurement of short-period inland waves in the deep-border region of the Barents Sea. Fundam. Prikl. Gidrofiz. 2019, 12, 1, 85—94 (in Russian). doi: 10.7868/S2073667319010106Walker R.E., Fraser A.B., Mastracci L., Hochheimer B.F. Optical sounding for internal waves on the ocean thermocline // Oceans 82 Conference Record (Washington, DC: American Geophysical Union). 20—22 September 1982. P. 247—250.Walker R.E., Fraser A.B., Mastracci L., Hochheimer B.F. Optical sounding for internal waves on the ocean thermocline. Oceans 82 Conference Record (Washington, DC : American Geophysical Union). 1982, 20—22 September, 247—250.Браво-Животовский Д.М., Долин Л.С., Савельев В.А. и др. Оптические методы диагностики океана. Лазерное дистанционное зондирование // Дистанционные методы изучения океана. Горький : ИПФ АН СССР, 1987. С. 84—125.Bravo-Zhivotovskii D.M., Dolin L.S., Savel’ev V.A., Fadeev V.V., Shegol’kov Y.B. Optical methods for ocean diagnostics. Laser Remote Sensing. Remote Methods for Ocean Studies. 1987, 84—125 (in Russian).Churnside J.H., Ostrovsky L.A. Lidar observation of a strongly nonlinear internal wave in the Gulf of Alaska // Int. J. Remote Sens. 2005. V. 26, № 1. P. 167—177. doi: 10.1080/01431160410001735076Churnside J.H., Ostrovsky L.A. Lidar observation of a strongly nonlinear internal wave in the Gulf of Alaska. Int. J. Remote Sens. 2005, 26, 1, 167—177. doi: 10.1080/01431160410001735076Долин Л.С., Долина И.С., Савельев В.А. Лидарный метод определения характеристик внутренних волн // Изв. РАН. Физ. атм. и океана. 2012. T. 48, № 4. C. 501—511.Dolin L.S., Dolina I.S., Savel’ev V.A. A lidar method for determining internal wave characteristics. Izv. Atmos. Ocean. Phys. 2012, 48, 4, 444—453. doi: 10.1134/S0001433812040068Долина И.С., Долин Л.С. Моделирование лидарных изображений нелинейных внутренних волн в мелком море // Фундам. прикл. гидрофиз. 2017. Т. 10, № 1. С. 31—36. doi: 10.7868/S207366731701004XDolina I.S., Dolin L.S. Simulation of lidar images of nonlinear internal waves in the shallow sea. Fundam. Prikl. Gidrofiz. 2017, 10, 1, 31—36 (in Russian). doi: 10.7868/S207366731701004XХимченко Е.Е., Серебряный А.Н. Внутренние волны на Кавказском и Крымском шельфах Черного моря (по летне-осенним наблюдениям 2011—2016 гг.) // Океанологические исследования. 2018. Т. 46, № 2. С. 69—87. doi: 10.29006/1564-2291.JOR-2018.46(2).7Khimchenko E.E., Serebryany A.N. Internal waves on the Caucasian and Crimean shelves of the Black Sea (according to summer-autumn observations 2011—2016). J. Oceanological Res. 2018, 46, 2. (in Russian). doi: 10.29006/1564-2291.JOR-2018.46(2).7Серебряный А.Н., Иванов В.А. Исследования внутренних волн в Черном море с океанографической платформы МГИ // Фундам. прикл. гидрофиз. 2013. Т. 6, № 3. С. 34—45.Serebryany A.N., Ivanov V.A. Study of internal waves in the Black Sea from oceanography platform of Marine Hydrophysical Institute. Fundam. Prikl. Gidrofiz. 2013, 3, 34—45 (in Russian).Зимин А.В., Свергун Е.И. Анализ характеристик и оценка ожидаемых высот внутренних волн на шельфе Крыма по данным экспедиции летом 2016 года // Труды Всероссийской научно-практической конференции «IV Феодосийские научные чтения», Санкт-Петербург, 11—12 сентября 2017. С. 230—234.Zimin A.V., Svergun E.I. Analysis of the characteristics and assessment of the expected heights of internal waves on the Crimean shelf according to the expedition data in the summer of 2016. Proceedings of the Russian Scientific and Practical Conference «IV Feodosia Scientific Readings» St. Petersburg, September 11—12, 2017, 230—234 (in Russian).Лаврова О.Ю., Серебряный А.Н., Митягина М.И., Бочарова Т.Ю. Подспутниковые наблюдения мелкомасштабных гидродинамических процессов в северо-восточной части Черного моря // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10, № 4. С. 308—322.Lavrova O.Y., Serebryany A.N., Mityagina M.I., Bocharova T.Y. Subsatellite observations of small-scale hydrodynamic processes in the northeastern Black Sea. Sovremennye Problemy Distantsionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. 2013, 10, 14, 308—322 (in Russian).Иванов В.А., Шульга Т.Я., Багаев А.В., Медведева А.В., Пластун Т.В., Вержевская Л.В., Свищева И.А. Внутренние волны на шельфе Черного моря в районе Гераклейского полуострова: моделирование и наблюдение // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 4. С. 322—340. doi: 10.22449/0233-7584-2019-4-322-340Ivanov V.A., Shul’ga T.Ya., Bagaev A.V., Medvedeva A.V., Plastun T.V., Verzhevskaya L.V., Svishcheva I.A. Internal waves on the Black Sea shelf near the Heracles Peninsula: modeling and observation. Physical Oceanography. 2019, 26, 4, 288—303. doi: 10.22449/1573-160X-2019-4-288-303Гольдин Ю.А., Родионов М.А., Гуреев Б.А., Глухов В.А. Морской поляризационный лидар ПЛД-1 // Труды XIII Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». СПб. : 2016. С. 215—217.Goldin Yu.A., Rodionov M.A., Gureev B.A., Glukhov V.A. Marine polarization lidar PLD-1. Proceedings of the XIII Russian conference «Applied technologies of hydroacoustics and hydrophysics». St. Petersburg, 2016, 215—217 (in Russian).Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Гуреев Б.А., Родионов М.А. Локация погруженных объектов в водах низкой прозрачности с использованием лидара ПЛД-1 // Труды IX Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы оптики естественных вод (ONW’2017)», Санкт-Петербург, 20—22 сентября 2017. С. 127—131.Glukhov V.A., Gol’din Yu.A., Gureev B.A., Rodionov M.A. Location of submerged objects in low-transparency waters using PLD-1 lidar. Proceedings of the IX Russian conference with international participation «Modern problems of optics of natural waters (ONW’2017)», St. Petersburg, 20—22 September 2017, 127—131 (in Russian).Lewis G.D., Jordan D.L., Roberts P.J. Backscattering target detection in a turbid medium by polarization discrimination // Appl. Opt. 1999. V. 38. P. 3937—3944. doi: 10.1364/AO.38.003937Lewis G.D., Jordan D.L., Roberts P.J. Backscattering target detection in a turbid medium by polarization discrimination. Appl. Opt. 1999, 38, 18, 3937—3944. doi: 10.1364/AO.38.003937Goldin Yu.A., Rogozkin D.B., Sheberstov S.V. Polarized Lidar Sounding of Stratified Seawater // Proceedings of IV International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters (ONW’2007)», Nizhny Novgorod, 2007. P. 175—178.Goldin Yu.A., Rogozkin D.B., Sheberstov S.V. Polarized lidar sounding of stratified seawater. Proceedings of IV International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters (ONW’2007)». Nizhny Novgorod, 2007, 175—178.Левин И.М., Копелевич О.В. Корреляционные соотношения между первичными гидрооптическими характеристиками в диапазоне 550 нм // Океанология. 2007. Т. 47, № 3. С. 344—348.Levin I.M., Kopelevich O.V. Correlations between the inherent hydrooptical characteristics in the spectral range close to 550 nm. Oceanology. 2007, 47, 344—349. doi: 10.1134/S000143700703006X

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