hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/fpg/26nu-3hte-3n48hydrophysics-717Research ArticleТЕХНИЧЕСКАЯ ГИДРОФИЗИКАTECHNICAL HYDROPHYSICSКомплексная обработка данных лидарной съемки морских акваторийComplex Processing of Lidar Survey Data of Marine Areashttps://orcid.org/0000-0003-4555-8879ГлуховВ. А.GlukhovV. A.

Глухов Владимир Алексеевич. Научный сотрудник

WoS ResearcherID: GSD‑4886-2022

Scopus AuthorID: 57191414331

elibrary AuthorID: 916467

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

117997, Nahimovsky Pr., 36, Moscow

vl.glukhov@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5731-5458ГольдинЮ. А.GoldinYu. A.

Гольдин  Юрий Анатольевич. Кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Scopus AuthorID: 6602648464

elibrary AuthorID: 58653

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

117997, Nahimovsky Pr., 36, Moscow

goldin@ocean.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8762-0899ЖегулинГ. В.ZhegulinG. V.

Жегулин Глеб Викторович. Научный сотрудник

WoS ResearcherID: AAP‑7395-2021

Scopus AuthorID: 57195070290

elibrary AuthorID: 768992

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

117997, Nahimovsky Pr., 36, Moscow

gleb-jegulin@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7397-0548РодионовМ. А.RodionovM. A.

Родионов  Максим Анатольевич. Кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Scopus AuthorID: 56034199200

elibrary AuthorID: 203807

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

117997, Nahimovsky Pr., 36, Moscow

maxim_rodionov@mail.ruИнститут океанологии им. П.П. Ширшова РАНРоссияShirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of SciencesRussian Federation2022091020221532742Copyright © Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Жегулин Г.В., Родионов М.А., 20222022Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Жегулин Г.В., Родионов М.А.Glukhov V.A., Goldin Y.A., Zhegulin G.V., 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/717

Выполнена комплексная обработка данных судовой лидарной съемки прибрежных районов Черного моря, в которых ранее с использованием контактных и спутниковых методов наблюдались короткопериодные внутренние волны. В качестве источника зондирующих линейно-поляризованных лазерных импульсов в лидаре использован твердотельный лазер с диодной накачкой активного элемента АИГ: Nd с импульсной мощностью 20 мДж на длине волны 532 нм и длительностью 7 нс. В ходе лидарной съемки регистрировались ко- и кросс-поляризованная компонента эхо-сигнала. При обработке использовалась в основном кросс-поляризованная компонента эхо-сигнала в силу её большей чувствительности к различного рода неоднородностям распределения гидрооптических характеристик с глубиной. Цель обработки — выявление квазипериодических структур в пространственном распределении характеристик лидарных эхо-сигналов, обусловленных распространением короткопериодных внутренних волн. В работе использовано три метода обработки: аппроксимационный метод, метод вейвлет-анализа и  метод Гильберта-Хуанга. Обработан большой массив данных, полученных в результате 50 часов лидарной съемки. Выявлено три шестидесятиминутных трека, содержащих квазипериодические структуры. Результаты, полученные с использованием трех методов обработки, хорошо согласуются между собой и  позволяют получить наиболее полную информацию о  параметрах исследуемых процессов. Параметры зарегистрированных квазипериодических процессов характерны для внутренних волн, наблюдаемых в прибрежных районах Черного моря. В дальнейшем при обработке большого объема данных лидарного зондирования целесообразно на первом этапе проводить быструю обработку автоматизированными спектральными методами, а детальную обработку аппроксимационным методом проводить только для тех участков съемки, на которых выявлены квазипериодические процессы.

The complex processing of data from the shipborne lidar survey of the Black Sea coastal areas was carried out. In this area, internal waves are often observed according to contact and satellite observations. The source of probing linearly polarized laser pulses in the lidar is a solid-state laser with diode pumping of the YAG: Nd active element with a pulse power of 20 mJ at a wavelength of 532 nm and a duration of 7 ns. The co- and cross-polarized components of the echo signal were recorded during the lidar survey. The cross-polarized component of the echo signal was mainly used due to its greater sensitivity to various kinds of inhomogeneities in the vertical distribution of hydrooptical characteristics. The purpose of processing is to identify quasi-periodic structures in the spatial distribution of the characteristics of lidar echo signals caused the propagation of short-period internal waves. Three processing methods were applied: the approximation method, the wavelet analysis method, and the Hilbert-Huang transform method. A large array of data obtained during 50 hours of lidar survey has been processed. Three 60-minute tracks containing quasi-periodic structures have been identified. The three processing methods results are in good agreement with each other and make it possible to obtain the most complete information about the parameters of the studied processes. The parameters of the recorded quasi-periodic processes are typical for internal waves observed in the coastal areas of the Black Sea. In the future, when processing a large amount of lidar sounding data, it is advisable to carry out fast processing by automated spectral methods at the first stage, and to carry out detailed processing by the approximation method only for those survey areas where quasi-periodic processes have been identified.

судовой поляризационный лидарлидарная съемкаморские акваториивнутренние волнывейвлет-анализпреобразование Гильберта-Хуангаshipboard polarized lidarlidar surveymarine areasinternal waveswavelet analysisHilbert-Huang transformЭкспериментальные исследования и обработка зарегистрированного массива данных спектральными методами была выполнена в рамках государственного задания по теме № FMWE‑2021–0014. Обработка зарегистрированного массива данных аппроксимационным методом выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ проект № 075–15–2021–934 («Исследование антропогенных и естественных факторов изменений состава воздуха и объектов окружающей среды в Сибири и Российском секторе Арктики в условиях быстрых изменений климата с использованием УНУ «Самолет-лаборатория Ту‑134 «Оптик»).Experimental studies and processing of the registered data array by spectral methods were carried out as part of the state assignment No. FMWE‑2021–0014. The processing of the registered data array by the approximation method was carried out with the financial support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation project No. 075-15-2021-934 (The study of anthropogenic and natural factors of changes in the composition of air and environmental objects in Siberia and the Russian sector of the Arctic in conditions of rapid climate change using the Tu‑134 Optik flying laboratory).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 // Applied Optics. 2001. Vol. 40, N 24. P. 4353–4364. doi:10.1364/AO.40.004353Vasilkov A.P., Goldin Yu.A., Gureev B.A., Hoge F.E., Swift R.N., and Wright C.W. Airborne polarized lidar detection of scattering layers in the ocean. Applied Optics. 2001, 40, 4353–4364. doi:10.1364/AO.40.004353Churnside J.H., Donaghay P.L. Thin scattering layers observed by airborne lidar // ICES Journal of Marine Science. 2009. Vol. 66, N4. P. 778–789. doi:10.1093/icesjms/fsp029Churnside J.H., Donaghay P.L. Thin scattering layers observed by airborne lidar. ICES Journal of Marine Science. 2009, 66(4), 778–789. doi:10.1093/icesjms/fsp029Collister B.L., Zimmerman R.C., Hill V.J., Sukenik C.I., Balch W.M. Polarized lidar and ocean particles: insights from a mesoscale coccolithophore bloom // Applied Optics. 2020. Vol. 59, N 15. P. 4650–4662. doi:10.1364/AO.389845Collister B.L., Zimmerman R.C., Hill V.J., Sukenik C.I., Balch W.M. Polarized lidar and ocean particles: insights from a mesoscale coccolithophore bloom. Applied Optics. 2020, 59(15), 4650–4662. doi:10.1364/AO.389845Churnside J.H., Brown E.D., Parker-Stetter S., Horne J.K., Hunt G.L., Hillgruber N., Sigler M.F., Vollenweider J.J. Airborne remote sensing of a biological hot spot in the southeastern Bering Sea // Remote Sensing. 2011. Vol. 3, N 3. P. 621–637. doi:10.3390/rs3030621Churnside J.H., Brown E.D., Parker-Stetter S., Horne J.K., Hunt G.L., Hillgruber N., Sigler M.F., Vollenweider J.J. Airborne remote sensing of a biological hot spot in the southeastern Bering Sea. Remote Sensing. 2011, 3(3), 621–637. doi:10.3390/rs3030621Goldin Y.A., Vasilev A.N., Lisovskiy A.S., Chernook V.I. Results of Barents Sea airborne lidar survey // Proceedings SPIE. Current Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters (13 April 2007). 2007. Vol. 6615. P. 126–136. doi:10.1117/12.740456Goldin Y.A., Vasilev A.N., Lisovskiy A.S., Chernook V.I. Results of Barents Sea airborne lidar survey. Proceedings SPIE. Current Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters (13 April 2007). 2007, 6615E, 126– 136. doi:10.1117/12.740456Zhong C., Chen P., Pan D. An Improved Adaptive Subsurface Phytoplankton Layer Detection Method for Ocean Lidar Data // Remote Sensing. 2021. Vol. 13, N 19. P. 3875. doi:10.3390/rs13193875Zhong C., Chen P., Pan D. An improved adaptive subsurface phytoplankton layer detection method for ocean lidar data. Remote Sensing. 2021, 13(19), 3875. doi:10.3390/rs13193875Churnside J.H., Ostrovsky L.A. Lidar observation of a strongly nonlinear internal wave train in the Gulf of Alaska // International Journal of Remote Sensing. 2005. Vol. 26, N 1. P. 167–177. doi:10.1080/01431160410001735076Churnside J.H., Ostrovsky L.A. Lidar observation of a strongly nonlinear internal wave train in the Gulf of Alaska. International Journal of Remote Sensing. 2005, 26(1), 167–177. doi:10.1080/01431160410001735076Bukin O.A., Major A.Y., Pavlov A.N., Shevtsov B.M., Kholodkevich E.D. Measurement of the lightscattering layers structure and detection of the dynamic processes in the upper ocean layer by shipborne lidar // International Journal of Remote Sensing. 1998. Vol. 19, N 4. P. 707–715. doi:10.1080/014311698215946Bukin O.A., Major A.Y., Pavlov A.N., Shevtsov B.M., Kholodkevich E.D. Measurement of the lightscattering layers structure and detection of the dynamic processes in the upper ocean layer by shipborne lidar. International Journal of Remote Sensing. 1998, 19(4), 707–715. doi:10.1080/014311698215946Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Родионов М.А. Лидарный метод регистрации внутренних волн в водах с двухслойной стратификацией гидрооптических характеристик // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2021. Т. 14, № 3. С. 86–97. doi:10.7868/S2073667321030084Glukhov V.A., Goldin Yu.A., Rodionov M.A. Method of internal waves registration by lidar sounding in case of waters with two-layer stratification of hydrooptical characteristics. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2021, 14(3), 86–97 (In Russian). doi:10.7868/S2073667321030084Hoge F.E., Wright C.W., Krabill W.B., Buntzen R.R., Gilbert G.D., Swift R.N., Berry R.E. Airborne lidar detection of subsurface oceanic scattering layers // Applied Optics. 1988. Vol. 27, N19. P. 3969–3977. doi:10.1364/AO.27.003969Hoge F.E., Wright C.W., Krabill W.B., Buntzen R.R., Gilbert G.D., Swift R.N., Berry R.E. Airborne lidar detection of subsurface oceanic scattering layers. Applied Optics. 1988, 27(19), 3969–3977. doi:10.1364/AO.27.003969Goldin Y.A., Gureev B.A., Ventskut Y.I. Shipboard polarized lidar for seawater column sounding // Proccedings SPIE. Current Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters (13 April 2007). 2007. Vol. 6615. P. 152–159. doi:10.1117/12.740466Goldin Y.A., Gureev B.A., Ventskut Y.I. Shipboard polarized lidar for seawater column sounding. Proccedings SPIE. Current Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters (13 April 2007). 2007, 6615, 152–159. doi:10.1117/12.740466Гольдин Ю.А., Гуреев Б.А., Родионов М.А., Глухов В.А. Морской поляризационный лидар ПЛД‑1 // Труды XIII Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (Санкт-Петербург, 2016). Санкт-Петербург: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Санкт-Петербургский научный центр РАН, 2016. С. 215–217.Goldin Yu.A., Rodionov M.A., Gureev B.A., Glukhov V.A. Marine polarization lidar PLD‑1. Proceedings of XIII All-Russian Conference “Advanced Technologies of Hydroacoustics and Hydrophysics” (St. Petersburg, 2016). St. Petersburg, Saint-Petersburg Research Center of RAS, 2016, 215–217 (In Russian)Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Родионов М.А. Экспериментальная оценка возможностей лидара ПЛД‑1 по регистрации гидрооптических неоднородностей в толще морской среды // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 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. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2017, 10(2), 41–48 (In Russian). doi:10.7868/S207366731702006XGoldin 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.Химченко 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). Journal of Oceanological Research. 2018, 46(2), 69–87 (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 // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2013. № 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. Fundamental and Applied Hydrophysics. 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 г.). Феодосия: МБУК ФМД, «Арт-Лайф», 2017. С. 230–234.Zimin A.V., Svergun E.I. Analysis of the characteristics and assessment of the expected heights of internal waves on theЛаврова 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.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). Feodosia, Art-Life, 230–234 (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. doi:10.22449/0233-7584-2019-4-322-340Lavrova 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(4), 308–322 (in Russian).Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения // Успехи физических наук. 1996. Т. 166, № 11. С. 1145–1170. doi:10.3367/UFNr.0166.199611a.1145Ivanov V.A., Shul’ga T. Ya., Bagaev A.V., Medvedeva A.V., Plastun T.V., Verzhevskaia L.V., Svishcheva I.A. Internal waves on the Black Sea shelf near the Heracles Peninsula: Modeling and observation. Physical Oceanography. 2019, 26(4), 288–304. doi:10.22449/1573-160X‑2019-4-288-304Жегулин Г.В. Использование вейвлет-анализа для оценки связи гидрологических и гидрооптических колебаний в диапазоне внутренних волн по данным натурных наблюдений в Белом море // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2016. Т. 9, № 3. С. 48–56.Astaf’eva N.M. Wavelet analysis: basic theory and some applications. Physics-Uspekhi. 1996, 39(11), 1085. doi:10.1070/PU1996v039n11ABEH000177Press W.H., Teukolsky S.A. Savitzky–Golay smoothing filters // Computers in Physics. 1990. Vol. 4, N 6. P. 669–672. doi:10.1063/1.4822961Zhegulin G.V. Using wavelet analysis to assess the relationship of hydrological and hydrooptical oscillations in the range of internal waves according to in situ observations in the White Sea. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2016, 9(3), 48–56 (in Russian).Короновский А.А., Храмов А.Е. Непрерывный вейвлетный анализ и его приложения. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 176 с.Press W.H., Teukolsky S.A. Savitzky–Golay smoothing filters. Computers in Physics. 1990, 4(6), 669–672. doi:10.1063/1.4822961Huang N.E., Wu Z. A review on Hilbert-Huang transform: Method and its applications to geophysical studies // Reviews of Geophysics. 2008. Vol. 46, N 2. doi:10.1029/2007RG000228Koronovskiy A.A., Khramov A.E. Continuous wavelet analysis and its applications. Moscow, FIZMATLIT, 2003. 176 p. (in Russian).Навроцкий В.В., Ляпидевский В.Ю., Павлова Е.П., Храпченков Ф.Ф. Внутренние волны и перемешивание в шельфовой зоне моря // Известия ТИНРО (Тихоокеанского научно-исследовательского рыбохозяйственного центра). 2010. Т. 162. С. 324–337.Huang N.E., Wu Z. A review on Hilbert-Huang transform: Method and its applications to geophysical studies. Reviews of Geophysics. 2008, 46(2). doi:10.1029/2007RG000228Навроцкий В.В., Лобанов В.Б., Сергеев А.Ф., Воронин А.А., Горин И.И., Павлова Е.П. Динамическая структура каскадинга в заливе Петра Великого (Японское море) // Океанологические исследования. 2020. Т. 48, № 3. С. 148–163. doi:10.29006/1564–2291.JOR‑2020.48(3).9Navrotsky V.V. et al. Internal waves and mixing in the shelf zone of the sea. Izvestia TINRO (Pacific Research Fisheries Center). 2010, 162, 324–337 (in Russian).Dätig M., Schlurmann T. Performance and limitations of the Hilbert–Huang transformation (HHT) with an application to irregular water wave // Ocean Engineering. 2004. Vol. 31, N 14–15. P. 1783–1834. doi:10.1016/j.oceaneng.2004.03.007Navrotsky V.V., Lobanov V.B., Sergeev A.F., Voronin A.A., Gorin I.I., Pavlova E.P. Dynamic structure of cascading in the Peter the Great Bay (Sea of Japan). Oceanological Research. 2020, 48(3), 148–163 (in Russian). doi:10.29006/1564–2291.JOR‑2020.48(3).9Ezer T., Heyman W.D., Houser C., Kjerfve B. Modeling and observations of high-frequency flow variability and internal waves at a Caribbean reef spawning aggregation site // Ocean Dynamics. 2010. Vol. 61, N 5. P. 581–598. doi:10.1007/s10236-010-0367-2Dätig M., Schlurmann T. Performance and limitations of the Hilbert–Huang transformation (HHT) with an application to irregular water wave. Ocean Engineering. 2004, 31(14–15), 1783–1834. doi:10.1016/j.oceaneng.2004.03.007Ezer T., Heyman W.D., Houser C., Kjerfve B. Modeling and observations of high-frequency flow variability and internal waves at a Caribbean reef spawning aggregation site. Ocean Dynamics. 2010, 61(5), 581–598. doi:10.1007/s10236-010-0367-2Ezer T., Heyman W.D., Houser C., Kjerfve B. Modeling and observations of high-frequency flow variability and internal waves at a Caribbean reef spawning aggregation site. Ocean Dynamics. 2010, 61(5), 581–598. doi:10.1007/s10236-010-0367-2

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