Комплексная обработка данных лидарной съемки морских акваторий

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.

1. Vasilkov 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.40.004353

2. Churnside 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/fsp029

3. Collister 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.389845

4. Churnside 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/rs3030621

5. Goldin 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:10.1117/12.740456

6. Zhong 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/rs13193875

7. Churnside 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:10.1080/01431160410001735076

8. Bukin 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:10.1080/014311698215946

9. Глухов 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/S2073667321030084

10. Hoge 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.27.003969

11. Goldin 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:10.1117/12.740466

12. Гольдин 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.

13. 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/S207366731702006X

14. 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. P. 175–178.

15. 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).7

16. Серебряный А.Н., Иванов В.А. Исследования внутренних волн в Черном море с океанографической платформы МГИ // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2013. № 3. С. 34–45.

17. 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.

18. 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.

19. 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:10.22449/0233-7584-2019-4-322-340

20. 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.1145

21. Жегулин 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.

22. Press W.H., Teukolsky S.A. Savitzky–Golay smoothing filters // Computers in Physics. 1990. Vol. 4, N 6. P. 669–672. doi:10.1063/1.4822961

23. Короновский А.А., Храмов А.Е. Непрерывный вейвлетный анализ и его приложения. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 176 с.

24. Huang 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:10.1029/2007RG000228

25. 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.

26. Навроцкий 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).9

27. 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.2004.03.007

28. Ezer 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/s10236-010-0367-2