Введение История применения микроволновой радиометрии в

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ РАДИОМЕТРИИ
В ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ: ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ
М.Н. Поспелов
Институт космических исследований РАН
E-mail: michael.pospelov@iki.rssi.ru
Собственное тепловое микроволновое излучение морской поверхности является частично поляризованным, и может быть описано с помощью параметров Стокса. Возникающие на морской поверхности вследствие воздействия ветра гравитационно-капиллярные и
гравитационные волны служат причиной заметных азимутальных вариаций параметров
Стокса. В работе обобщены результаты многолетних исследований микроволнового излучения морской поверхности с помощью самолетных поляриметров. Эти экспериментальные
результаты позволили предложить алгоритм восстановления вектора приповерхностного
ветра из поляриметрических измерений и наметить основные принципы построения спутниковой аппаратуры для получения глобальной информации о поле ветра над океаном.
Введение
История применения микроволновой радиометрии в дистанционном зондировании
Земли из космоса насчитывает более трех десятилетий. В наши дни спутниковая микроволновая радиометрия обеспечивает на регулярной основе круглосуточно и вне зависимости от облачности получение в глобальном масштабе информации о ключевых гидрометеорологических параметрах, таких как скорость ветра над океаном, влагосодержание
атмосферы и водозапас облачности над океаном, характеристики ледового покрова, оценка
интенсивности осадков.
Развитие средств спутниковой микроволновой радиометрии до последнего времени
шло, главным образом, по двум основным направлениям. Во-первых, расширялся частотный диапазон измеряемого из космоса радиотеплового излучения природных сред. Вовторых, увеличивалась точность измерений, для чего разрабатывалась высокочувствительная приемная аппаратура, и повышалось пространственное разрешение путем увеличения
размеров приемной антенны. В последние годы наметились еще два перспективных направления развития спутниковой радиометрии, обещающих дальнейшее увеличение точности и расширение перечня определяемых дистанционно параметров. Это – применение в
радиометрии принципов синтеза антенной апертуры, блестяще зарекомендовавших себя в
радиолокации, и поляризационные микроволновые измерения. Причем, если радиометры с
синтезированной апертурой пока существуют в виде лабораторных и самолетных прототипов, то первый космический радиополяриметр был в начале 2003 г. запущен на орбиту.
С точки зрения задач дистанционного зондирования микроволновые поляризационные измерения дадут возможность:
• измерять одновременно скорость и направление ветра над океаном, выделять поляризованное излучение морской поверхности на фоне слабополяризованного излучения облаков и осадков;
• определять влажность почвы и зоны осадков над сушей;
• измерять параметры спектра морского волнения в гравитационно-капиллярной области.
Предметом настоящей работы является ретроспективный анализ применения пассивной микроволновой поляриметрии в дистанционном зондировании, на основе которого делаются предложения об ее дальнейшем развитии и перспективах использования в спутниковых исследованиях системы океан – атмосфера. Основное внимание уделено результатам
58
М.Н. ПОСПЕЛОВ
экспериментов с использованием самолетных радиополяриметров, в том числе проводившихся на протяжении более чем двух десятилетий в Институте космических исследований.
1. Принципиальные основы радиополяриметрии
Прежде чем будут представлены данные экспериментальных микроволновых радиополяриметрических измерений, напомним некоторые основные понятия и принципы поляризационных измерений.
Понятие поляризации, характерное для поперечных волн, к которым относятся в том
числе и электромагнитные волны, было введено первоначально для монохроматических
волн. В этом случае характер поляризации определяется годографом, описываемым концом
вектора напряженности электрического Е (или магнитного Н) поля в данной точке пространства за период колебания Тω = 2π/ω электромагнитной волны частоты f = ω/2π.
Тепловое электромагнитное излучение физических тел порождается совокупностью
элементарных излучателей, образованных хаотическим тепловым движением входящих в
их состав заряженных частиц. Каждый такой излучатель в каждый отдельный момент времени излучает электромагнитную волну случайной фазы и поляризации. Суперпозиция
электромагнитных волн элементарных излучателей, в общем случае некоррелированных
между собой, в каждый момент времени в каждой точке пространства имеет случайное положение вектора Е, и приведенное выше определение поляризации теряет смысл. В этом
случае следует перейти к статистическим характеристикам случайного электромагнитного
поля, в том числе и при описании его поляризационного состояния. Если положения конца
вектора Е в плоскости фазового фронта электромагнитной волны равновероятны за некоторый, достаточно большой по сравнению со средним периодом электромагнитных колебаний, промежуток времени, то такая волна будет полностью неполяризованной. В общем
случае, благодаря самым различным факторам, на практике имеют дело с частично поляризованными электромагнитными волнами, которые, не являясь монохроматическими, в то
же время не отвечают условиям неполяризованной волны.
Тепловое радиоизлучение водной поверхности представляет собой типичный пример
частично поляризованного излучения, поскольку при измерениях на различных поляризациях ее радиояркостная температура будет меняться вследствие того, что коэффициенты
Френеля имеют отличающиеся значения для волн вертикальной и горизонтальной поляризации. Для описания частично поляризованных волн на практике часто используют параметры Стокса S = (I, Q, U, V), определяемые для случая теплового электромагнитного излучения следующим образом [1]:
I =< E x E x* > + < E y E *y >;
Q =< E x E x* > − < E y E *y >;
U = 2 Re(< E x E *y > );
V = 2 Im(< E x E *y >) .
(1)
(< > — статистическое усреднение; * — комплексное сопряжение; Ex, Ey – ортогональные
компоненты электрического поля). Статистическое усреднение, как правило, заменяется на
усреднение по времени, исходя из предположения об эргодичности процесса. В дальнейшем речь будет идти о пассивной поляриметрии, где время накопления сигнала существенно превосходит время корреляции, и, следовательно, указанное выше предположение будет
вполне справедливым.
Первый параметр Стокса I соответствует полной мощности электромагнитного излучения, в то время как остальные три описывают его поляризационные свойства. Из (1) видно, что первый параметр Стокса инвариантен относительно выбора ортогонального базиса,
в то время как остальные параметры зависят от такого выбора. Как правило, в качестве базисных выбираются вертикальная и горизонтальная поляризации, поскольку в излучении
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ РАДИОМЕТРИИ В ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ…
59
гладкой водной поверхности на этих поляризациях наблюдаются экстремальные значения
радиояркостной температуры.
В монографии [2] показано, что параметры Стокса также могут быть определены путем измерения радиояркостной температуры на нескольких базисных поляризациях:
I = (Tx + T y )C ;
Q = (Tx − T y )C ;
U = (T45 − T− 45 )C ;
V = (Tl − Tr )C ,
(2)
где Tx, Ty — радиояркостные температуры, измеренные на ортогональных линейных поляризациях; T45, T–45 — то же, но на линейных поляризациях, повернутых на ±45° относительно оси Х; Tl, Tr — радиояркостные температуры, измеренные на левой/правой круговой
поляризации; C — коэффициент пропорциональности. Довольно часто также используется
модифицированная запись параметров Стокса S = (Tv, Th, U, V) [3], где в качестве первых
двух параметров принимаются значения радиояркостной температуры на базисных ортогональных поляризациях (вертикальной и горизонтальной). Такое представление, как и представление (2), позволяет опираться на традиционно используемое в дистанционном зондировании Земли понятие радиояркостной температуры и использовать соответствующие
методы ее измерения с помощью микроволновых радиометров.
Из формул (1) и (2) с очевидностью следуют два различных подхода к построению
радиометров-поляриметров. В первом варианте поле на выходе антенны с изотропной поляризацией расщепляется на две ортогональные компоненты, которые после усиления подвергаются корреляционной обработке в соответствии с формулой (1), и на выходе прибора
выделяются все четыре параметра Стокса. При различных конкретных схемах аппаратурной реализации таких корреляционных поляриметров (см., например, [4], [5]), общими для
них являются жесткие требования на идентичность и стабильность (долговременную, температурную и пр.) амплитудных и фазовых передаточных характеристик обоих высокочастотных трактов. Альтернативным подходом к экспериментальному определению параметров Стокса, как видно из формулы (2), является измерение радиояркостной температуры на
нескольких базовых поляризациях. В ИКИ были разработаны и в течение ряда лет успешно
функционируют модуляционные радиометры-поляриметры 8-мм, 1,5- и 2-см диапазонов
длин волн, основанные на указанном принципе [6].
2. История поляризационных радиометрических исследований
Первые микроволновые радиометры для дистанционного зондирования из космоса
земной поверхности, установленные на спутниках «Космос-243» в 1968 г. и «Космос-384»
в 1970 г., принимали микроволновое радиотепловое излучение на одной линейной поляризации. Позднее общепринятым стандартом стало использование в радиометрах, предназначенных для исследования подстилающей поверхности, двух ортогональных линейных поляризаций: вертикальной и горизонтальной. Это связано с тем, что при зондировании на
этих поляризациях радиояркостная температура водной поверхности достигает своих экстремальных значений вследствие различия коэффициентов Френеля для электромагнитных
волн указанных поляризаций. Такой подход использовался и в многоканальном сканирующем радиометре SMMR на спутниках NIMBUS-7 и SEASAT (978), и в радиометре SSM/I,
который устанавливался на серии спутников BLOCK-5D, запускавшихся в США в рамках
военной метеорологической программы DMSP с 1987 г. и по настоящее время. Использование двух ортогональных поляризаций и широкого набора принимаемых частот позволило измерять из космоса скорость ветра над океаном, оценивать характеристики ледового
покрова и осадков, определять интегральное влагосодержание и водозапас атмосферы над
океаном.
60
М.Н. ПОСПЕЛОВ
Несмотря на длительную историю использования микроволновой радиометрии для
дистанционного зондирования поверхности Земли из космоса, до последнего времени осуществление поляризационных измерений, кроме уже упомянутых вертикальной и горизонтальной поляризации, не считалось полезным и необходимым. Лишь относительно недавно
было осознано, что измерения в полном поляризационном базисе способны повысить информативность данных дистанционного зондирования. Большая заслуга в развитии микроволновой поляриметрии принадлежит исследователям из ИКИ РАН, впервые продемонстрировавшим возможность восстанавливать скорость и направление ветра над
поверхностью океана из данных поляризационных радиометрических измерений [7–9]. После того как полученные в ИКИ результаты были доложены на международных симпозиумах [10], [6], за рубежом развернулись интенсивные исследования поляризационных
характеристик собственного радиотеплового излучения морской поверхности [11]-[13].
В том числе были проведены измерения с самолетов в диапазоне углов 30–60° от надира,
соответствующем углам зондирования существующих спутниковых радиометров.
Основные результаты этих экспериментальных исследований будут обобщены далее в
текущем разделе.
В основе методики дистанционного измерения вектора ветра над морской поверхностью лежит эффект азимутальной анизотропии собственного теплового радиоизлучения
взволнованной морской поверхности, обнаруженный в ходе проводившихся в ИКИ экспериментов по радиотепловому зондированию морской поверхности с борта самолеталаборатории [7]. Сущность эффекта заключается в зависимости измеренной радиояркостной температуры от угла между направлением зондирования и направлением ветра. В частности, при выполнении самолетом, на котором устанавливались микроволновые радиометры, виража (полета по замкнутому кругу) над участком поверхности с развитым
волнением выходной сигнал радиометра представлял собой квазигармоническую функцию
упомянутого угла. При зондировании в надир азимутальная анизотропия превращается в
поляризационную: радиояркостная температура максимальна, когда плоскость поляризации принимаемого излучения параллельна направлению ветра, и минимальна, когда они
ортогональны. Величина анизотропии возрастает с возрастанием скорости ветра. Таким
образом, обнаруженный эффект можно использовать для дистанционного измерения скорости и направления приповерхностного ветра.
Для практического применения предложенной методики необходимо было накопить
экспериментальные данные о характере зависимости радиояркостных контрастов от скорости ветра в различных частотных диапазонах и на различных углах зондирования, а также
исследовать влияние других факторов, таких как степень развитости волнения, наличие
зыби и пенного покрова, степень устойчивости пограничного слоя атмосферы, температура
и соленость поверхностного слоя и т. п. Основным методом измерений было выполнение
самолетом виражей с небольшим креном над выбранным участком взволнованной морской
поверхности. Пример записи вариаций радиояркостной температуры при выполнении самолетом виража, полученных исследователями ИКИ с помощью ориентированных в надир
микроволновых радиометров, представлен на рис. 1.
По результатам большого количества виражей (более 100), выполненных исследователями ИКИ в 80-е гг. прошлого века при различных скоростях ветра и в различных метеорологических и гидрологических условиях, были построены зависимости величины поляризационной анизотропии ∆Та (т. е. разности большой и малой оси поляризационного
эллипса при зондировании в надир, или, что то же самое, амплитуды второй гармоники
азимутальных вариаций второго и третьего параметров Стокса) от скорости ветра W для
различных частотных диапазонов. На рис. 2 приведен пример такой зависимости для длин
волн 8, 15 и 20 мм по результатам эксперимента 1985 г. в Баренцевом море. В диапазоне
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ РАДИОМЕТРИИ В ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ…
61
скоростей ветра до 12 м/с зависимость достаточно хорошо аппроксимируется степенной
функцией с показателем степени 1,5–2. Сплошной линией на рис. 2 нанесена парабола:
∆Ta = AW 2 ;
19,06⋅10 − 3 K⋅c 2 ⋅м − 2

A = 16,38⋅10 − 3 K⋅c 2 ⋅м − 2

−3
2 −2
13,51⋅10 K⋅c ⋅м
для λ =8 мм,
для λ =15 мм,
(3)
для λ = 20 мм .
При более высоких скоростях ветра экспериментальные данные не столь многочисленны, но, судя по отдельным экспериментальным значениям, полученным в штормовых
условиях, при скоростях ветра более 15 м/с крутизна зависимости уменьшается.
Рис. 1. Зависимость радиояркостной температуры и сечения обратного рассеяния в микроволновом диапазоне от относительного направления ветра. По горизонтали: азимутальный угол; по вертикали: вариации яркостной температуры и рассеянного сигнала. Сверху вниз: длина волны 3 мм, вертикальная поляризация; длина волны 8 мм, горизонтальная поляризация; длина волны 15 мм, горизонтальная и
вертикальная поляризация; длина волны 20 мм, горизонтальная и вертикальная поляризация; длина волны 3 см, скаттерометр
Величина поляризационной анизотропии существенно зависит от диапазона длин
волн принимаемого излучения. Эта зависимость проиллюстрирована на рис. 3, где в полулогарифмическом масштабе показан частотный ход величины поляризационной анизотропии при зондировании в надир. Поскольку в длинноволновой части сантиметрового диапа62
М.Н. ПОСПЕЛОВ
зона длин волн величина анизотропии невелика даже при сильном ветре, данные радиометра 8-см диапазона были получены путем синхронного (по относительному азимутальному
углу) сложения записей нескольких виражей и последующего усреднения [14]. Наряду с
данными самолетных экспериментов, на рисунке представлены также результаты измерения с дирижабля при угле зондирования 18º [15] и результаты статистического анализа
данных трехчастотного радиометра TMR, установленного на спутнике TOPEX/POSEIDON
[16]. При качественном совпадении результатов заметное количественное отличие спутниковых данных объясняется в [16] тем, что эти результаты были получены путем сравнения
с данными скаттерометра SeaWinds, установленного на спутнике QUICKSCAT, которые изза значительной шумовой составляющей сигнала направления ветра подвергались усреднению, и тем самым азимутальная зависимость радиометрических данных сглаживалась.
3
∆T a, K
2
a
1
W , м/с
0
3
0
3
6
9
12
∆T a, K
2
б
1
W , м/с
0
3
0
3
6
9
12
∆T a, K
2
в
1
W , м/с
0
0
3
6
9
12
Рис. 2. Зависимость от скорости ветра величины поляризационной анизотропии на длинах волн 0,8 (а),
1,5 (б) и 2 (в) см при зондировании в надир. Эксперимент 1985 г.
Из данных рис. 3 видно, что при переходе от миллиметрового в длинноволновую
часть сантиметрового диапазона эффект поляризационной анизотропии уменьшается почти
на порядок. С другой стороны, для длин волн короче 6 мм резко возрастает затухание СВЧизлучения в атмосфере. Отсюда следует, что оптимальным, с точки зрения применения для
восстановления вектора скорости приповерхностного ветра, является диапазон длин волн
от 8 мм до 2 см.
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ РАДИОМЕТРИИ В ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ…
63
T a, K
2.0
1.5
1.0
0.5
λ, см
0.0
1
2.0
3.0
5.0
10
Рис. 3. Зависимость величины поляризационной анизотропии при средней скорости ветра 10 м/с от длины волны принимаемого излучения. ◊ — измерения ИКИ с самолета Ан-12 в надир; × — измерения ETL
с дирижабля под углом 18°; ▼ — результаты анализа данных спутникового радиометра TMR, установленного в надир.
Наиболее просто задача восстановления скорости и направления ветра из поляриметрических измерений решается при наблюдении в надир. Это связано с тем, что при вертикальном наблюдении собственное излучение гладкой водной поверхности не поляризовано,
и, следовательно, появление поляризованной компоненты связано с ветровыми волнами, а
ее величина зависит от скорости ветра. Таким образом, используя квадратичную аппроксимацию вида (3), для дистанционного определения скорости ветра W в диапазоне скоростей
до 12 м/с по поляризационным измерениям в надир можно использовать формулу:
W = b ∆Ta = b (Q 2 + U 2 )1 / 4 ,
(4)
где b — эмпирический коэффициент.
Для определения направления ветра используется зависимость параметров Стокса от
взаимного угла между плоскостью поляризации и направлением ветра (см. рис. 1). При
зондировании в надир эта зависимость аппроксимируется гармонической функцией удвоенного угла, т. е.:
Q = Tx − T y = ∆Ta cos2ϕ;

U = T− 45 − T45 = ∆Ta sin 2ϕ;
1
2
ϕ = arctg
U
,
Q
(5)
где φ — угол между плоскостью поляризации, обозначенной X, и направлением ветра. Из
выражения (5) видно, что при зондировании в надир существует неопределенность в 180° в
определении направления ветра. Для устранения этой неопределенности могут привлекаться какие-либо дополнительные данные (привязка к данным контактных измерений в опорных точках, барометрические карты и т. п.).
При переходе к углам зондирования, отличным от надира, в излучении морской поверхности даже в отсутствие ветровых волн появляется поляризованная компонента, связанная с уже упоминавшейся зависимостью коэффициентов Френеля от поляризации и угла
зондирования. Величина этой компоненты при измерениях со спутника будет зависеть не
только от частоты и угла зондирования, но и от собственного радиоизлучения атмосферы,
64
М.Н. ПОСПЕЛОВ
переотраженного от морской поверхности. Основной вклад в излучение атмосферы в диапазоне коротких сантиметровых и миллиметровых волн вносит поглощение микроволнового излучения в кислороде, водяном паре и жидкокапельной влаге облаков, причем две последние составляющие изменяются в пространстве и во времени в очень широких
пределах. Вклад атмосферы в поляризованную составляющую сигнала становится существенным при углах зондирования более 20°, и его необходимо учитывать при решении обратной задачи дистанционного определения вектора приповерхностного ветра.
С другой стороны, при наклонном зондировании, вследствие асимметрии характеристик излучения взволнованной морской поверхности при зондировании по направлению
ветра и против, в азимутальной зависимости параметров Стокса появляется, кроме второй,
еще и первая гармоника азимутального угла:
I = a0 ( I ) + a1 ( I ) cos ϕ + a2 ( I ) cos 2ϕ,
Q = a0 (Q ) + a1 (Q ) cos ϕ + a2 (Q ) cos 2ϕ,
U = a1 (U ) sin ϕ + a2 (U ) sin 2ϕ,
(6)
V = a1 (V ) sin ϕ + a2 (V ) sin 2ϕ.
Это позволяет устранить неопределенность в 180º при измерении направления ветра, существующую при зондировании в надир, и тем самым повысить достоверность восстановления вектора скорости ветра.
Характер зависимости амплитуды азимутальных вариаций параметров Стокса от частоты, угла зондирования и скорости ветра исследовался различными научными группами в
ряде натурных экспериментов с самолетов и дирижабля. В качестве примера полученных
результатов на рис. 4 и 5 приведены угловые зависимости амплитуды первой и второй азимутальной гармоники модифицированных параметров Стокса на частоте 37 ГГц при скорости ветра 10 м/с. На графиках приведены экспериментальные данные, полученные в ИКИ
на самолете-лаборатории Ан-12 [10], [14], в ETL-NOAA — с дирижабля в эксперименте
COPE [15], в JPL-NASA — с самолетов-лабораторий DC-8 и P-3 [17], а также результаты
статистического анализа данных спутникового радиометра SSM/I и их сравнения с данными сети океанографических буев [18]. Сразу же следует отметить хорошее совпадение данных, полученных разными авторами с помощью различных приборов и при различных условиях наблюдения. Это говорит в пользу обоснованности предлагаемого подхода к
восстановлению скорости и направления ветра из поляризационных измерений. Заметное
отличие наблюдается лишь в значениях амплитуды второй гармоники горизонтальной поляризации по данным [17], которое, с нашей точки зрения, может быть объяснено не вполне адекватной схемой измерений на горизонтальной поляризации в этом эксперименте:
фактически измерения проводились только на вертикальной и ±45º линейных поляризациях, а вариации на горизонтальной поляризации получались расчетным путем, исходя из сохранения полной интенсивности излучения в любом ортогональном базисе. Также в исходных данных отличается знак вариаций второй гармоники третьего параметра Стокса в [17]
по сравнению с [10] и [15], что может быть связано с разным направлением отсчета углов,
принятым разными авторами. Поэтому, для наглядного отображения угловой зависимости
абсолютной величины азимутальной анизотропии, на рис. 5 данные [10] и [15] приведены с
обратным знаком по отношению к первоисточникам. Не приводятся графики четвертого
параметра Стокса, поскольку эти измерения проводились только в экспериментах JPLNASA, и набор полученных экспериментальных данных невелик. Впрочем, можно отметить, что по данным [17] амплитуда первой гармоники азимутальных вариаций четвертого
параметра Стокса не превышает 0,1 К при скорости ветра 10 м/с, а второй составляет порядка 0,5–0,8 К в диапазоне углов 45–65º.
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ РАДИОМЕТРИИ В ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ…
65
a1, K
2
Вертикальная поляризация
1
0
-1
-2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
50
60
70
80
90
a1, K
2
Горизонтальная поляризация
1
0
-1
-2
0
10
20
30
40
Угол зондирования, град.
Рис. 4. Угловая зависимость амплитуды первой гармоники азимутальных вариаций первого и второго
модифицированных параметров Стокса на длине волны 8 мм при скорости ветра 10 м/с: ◊ — измерения
ИКИ с самолета Ан-12; ○ — измерения JPL с самолетов DC-8 и P-3; ▲ — анализ данных радиометра
SSM/I
a2 , K
2
Вертикальная поляризация
1
0
-1
-2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
60
70
80
90
60
70
80
90
a2 , K
2
Горизонтальная поляризация
1
0
-1
-2
0
10
20
30
40
50
a 2, K
2
U (3-й параметр Стокса)
1
0
-1
-2
0
10
20
30
40
50
Угол зондирования, град.
Рис. 5. Угловая зависимость амплитуды второй гармоники азимутальных вариаций первых трех модифицированных параметров Стокса на длине волны 8 мм при скорости ветра 10 м/с. ◊ — измерения ИКИ с
самолета Ан-12; ○ — измерения JPL с самолетов DC-8 и P-3; × — измерения ETL с дирижабля; ▲ —
анализ данных радиометра SSM/I
66
М.Н. ПОСПЕЛОВ
Качественный анализ представленных на рис. 4, 5 данных позволяет сделать следующие выводы. Амплитуда вызываемых ветром азимутальных вариаций параметров Стокса составляет заметную величину (порядка 1–4 К при скорости ветра 10 м/с), которая
вполне может быть измерена с помощью современных чувствительных радиометровполяриметров и использована для решения обратной задачи восстановления скорости и направления ветра из поляризационных измерений. Для решения этой задачи предпочтительно использовать не традиционные измерения на вертикальной и горизонтальной поляризации, а второй и третий параметры Стокса (Q, который равен разности температур на
вертикальной и горизонтальной поляризации, и U), так как они менее чувствительны к вариациям атмосферных параметров; измерения первого и четвертого параметров Стокса могут быть использованы в качестве вспомогательных для коррекции атмосферного поглощения микроволнового сигнала, особенно в условиях сильной облачности и дождя. Вторая
гармоника азимутальных вариаций второго и третьего параметров Стокса уменьшается с
увеличением углов зондирования, причем особенно круто при углах выше 50º. Первая гармоника азимутальных вариаций нарастает от нуля с увеличением угла зондирования от 0º
примерно до 55º и затем начинает уменьшаться. Следовательно, для определения направления ветра предпочтительно использовать диапазон углов зондирования 40-50º. В то же
время следует отметить, что объем полученных на сегодняшний день экспериментальных
данных относительно невелик, и необходимость продолжения экспериментальных исследований видится весьма насущной, принимая во внимание представляющий практический
интерес диапазон возможных частот, углов зондирования и скоростей ветра.
3. Возможности развития спутниковой радиополяриметрии
Подводя некоторый итог представленным в данной работе, а также в цитированных
публикациях (круг которых на самом деле мог бы быть расширен) экспериментальным
данным, можно сделать вывод, что с помощью самолетных, наземных и модельных лабораторных исследований накоплен достаточный материал для того, чтобы ставить вопрос о
разработке спутниковой радиополяриметрической системы для глобального мониторинга
вектора приповерхностного ветра. Возьмем на себя смелость предложить, в общих чертах,
две возможные концепции такой системы.
Первый, более простой и экономичный вариант, предусматривает трассовые измерения трех (желательно четырех) параметров Стокса со спутника в надир в несканирующем
режиме. Преимущество этого варианта состоит в том, что уже сейчас на спутниках, имеющих в составе аппаратуры микроволновые альтиметры (таких как ERS-1/2,
TOPEX/POSEIDON), установлены надирные радиометры 8- и 15-мм диапазонов длин волн,
предназначенные для коррекции данных альтиметра на дополнительные фазовые задержки,
вызываемые водяным паром и жидкокапельной влагой в атмосфере. И в перспективных
спутниках дистанционного зондирования предполагается использование аналогичной аппаратуры. Незначительная модернизация надирных радиометров, заключающаяся во включении в антенный тракт устройств поляризационной селекции (например, фарадеевского
гиратора), позволила бы придать им новое качество измерителя вектора ветра, которое
вполне сочеталось бы с уже решаемыми ими задачами. Как показывают результаты работы
[16], величина измеренной из космоса азимутальной составляющей близка к нашим оценкам, полученным в ходе самолетных экспериментов, и предлагаемая методика вполне может быть реализована с минимальными затратами.
Второй вариант предполагает разработку специального сканирующего радиометраполяриметра, измеряющего все параметры Стокса на нескольких частотах в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн. Такой подход уже нашел практическую реализацию в
виде поляриметра WindSat, запущенного на орбиту в интересах ВМС США в январе 2003 г.
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ РАДИОМЕТРИИ В ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ…
67
на спутнике Coriolis [19]. Интересной особенностью этого поляриметра, отличающей его
ото всех микроволновых радиометров, работавших в космосе ранее, является возможность
сканирования по полной образующей конуса, что позволяет получать почти для всех элементов снимаемой сцены два изображения под разными азимутальными углами (подобно
тому, как это делается, например, в спутниковом скаттерометре с коническим сканированием SeaWinds) и, соответственно, повысить точность определения направления ветра.
Глобальный мониторинг поля ветра над океанами необходим как для практических
целей метеопрогнозирования, судовождения и промысловой рыбодобычи, так и для решения фундаментальных задач исследования процессов взаимодействия океана и атмосферы.
В этой связи трудно переоценить значение и актуальность разработки отечественной спутниковой системы для такого мониторинга, в основу которой могли бы быть положены описанные в настоящей работе принципы.
Заключение
В заключение автор считает своим долгом подчеркнуть огромную роль В.С. Эткина
как инициатора работ по микроволной поляриметрии морской поверхности не только в
России, но и в мире, а также ведущую роль в многочисленных лабораторных и натурных
поляриметрических экспериментах безвременно ушедшего из жизни в 2002 г. Ю.Г. Трохимовского. Автор глубоко признателен принимавшим в разные годы участие в описанных
исследованиях сотрудникам отдела «Исследования Земли из космоса» ИКИ РАН, среди
которых нельзя не упомянуть В.Г. Ирисова, М.С. Дзюру и А.В. Кузьмина.
Работа была выполнена при поддержке РФФИ (проекты № 00-05-64508 и 01-0216538) и ИНТАС (проект N° 03-51-4789).
Литература
1. Краус Дж.Д. Радиоастрономия // М.: Сов. радио, 1973. 456с.
2. Богородский В.В., Канарейкин Д.Б., Козлов А.И. Поляризация рассеянного и собственного радиоизлучения земных покровов. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 279 с.
3. Yueh S.H., Kwok R. Electromagnetic fluctuations for anisotropic media and the generalized Kirchhoff's law // Radio Science. 1993. V. 28. P. 471–480.
4. Swift C.T., Hevisi L. Design of a Ka Band Polarimetric Radiometer // Proc. Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. (IGARSS’94), Pasadena, CA, USA, 1994. P. 2419–2420.
5. Lahtinen J., Pihlflyckt J., Mononen I., Tauriainen S.J., Kemppinen M., Hallikainen M.T.
Fully Polarimetric Microwave Radiometer for Remote Sensing // IEEE Trans. Geoscience Remote
Sensing. 2003. V. 41. N 8. P. 1869–1878.
6. Dzura M.S., Etkin V.S., Khrupin A.S., Pospelov M.N., Raev M.D. Radiometerspolarimeters: Principles of design and applications for sea surface microwave emission polarimetry // Proc. Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. (IGARSS’92), Houston, TX,
USA. 1992. P. 1432–1434.
7. Беспалова Е.А., Веселов В.М., Глотов А.А., Милицкий Ю.А., Мировский В.Г., Покровская И.В., Попов А.Е., Раев М.Д., Шарков Е.А., Эткин В.С. Исследование анизотропии
ветрового волнения по вариациям поляризованного теплового излучения // Докл. АН
СССР. 1979. Т. 246. № 6. С. 1482–1485.
8. Беспалова Е.А., Веселов В.М., Гершензон В.Е., Милицкий Ю.А., Мировский В.Г., Покровская И.В., Раев М.Д., Семин А.Г., Смирнов Н.К., Скачков В.А., Трохимовский Ю.Г., Хапин Ю.Б., Чистяков В.Н., Шарков Е.А., Эткин В.С. Об определении скорости приповерхностного ветра по измерениям поляризационной анизотропии собственного и рассеянного
СВЧ-излучения // Исслед. Земли из космоса. 1982. № 1. С. 87–94.
68
М.Н. ПОСПЕЛОВ
9. Дзюра М.С., Кузьмин А.В., Поспелов М.Н., Трохимовский Ю.Г., Эткин В.С. Способ
дистанционного определения скорости и направления ветра над водной поверхностью. А.С.
1582849 от 23.05.1988 // Опубл. в «Бюл. изобретений». 1993. № 45, 46.
10. Irisov V.G., Kuzmin A.V., Pospelov M.N., Trokhimovski Yu.G., Etkin V.S. The dependence of sea brightness temperature on surface wind direction and speed. Theory and experiment
// Proc. Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. (IGARSS’91), Espoo, Finland. 1991.
P. 1297–1300.
11. Gasiewski A.J., Kunkee D.B. Polarized microwave emission from water waves // Radio
Science. 1994. V. 29. N° 6. P. 1449–1466.
12. Yueh S.H., Wilson W.J., Li F.K., Nghiem S.V., Ricketts W.B. Polarimetric measurements
of sea surface brightness temperature using an aircraft K-band radiometer // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1995. V. 33. N 1. P. 85 92.
13. Laursen B., Skou N. Wind Direction over the Ocean Determined by an Airborne, Imaging, Polarimetric Radiometer System // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2001.
V. 39. N 7. P. 1547–1555.
14. Ирисов В.Г., Кузьмин А.В., Трохимовский Ю.Г., Эткин В.С. Азимутальные зависимости собственного СВЧ-излучения поверхности океана на настильных углах наблюдения // Исслед. Земли из космоса. 1990. № 6. P. 79–86.
15. Trokhimovski Y.G., Irisov V.G., Westwater E.R., Fedor L.S., Leuski V.E. Microwave polarimetric measurements of the sea surface brightness temperature from a blimp during the
Coastal Ocean Probing Experiment (COPE) // J. Geophysical Research. 2000. V. 105. N C3.
P. 6501–6516.
16. Tran N., Vandemark D., Ruf C.S., Chapron B. The Dependence of Nadir Ocean Surface
Emissivity on Wind Vector as Measured With Microwave Radiometer // IEEE Trans. Geoscience
and Remote Sensing. 2002. V. 40. N 7. P. 515–523.
17. Yueh S.H., Wilson W.J., Dinardo S.J., Li F.K. Polarimetric Microwave Brightness Signatures of Ocean Wind Direction // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1999. V. 37.
N 2. P. 949–959.
18. Wentz F.J. Measurements of oceanic wind vector using satellite microwave radiometers,
// IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1992. V. 30. N 5. P. 960–972.
19. Gaiser P.W., St. Germain K.M. Spaceborne polarimetric microwave radiometry and the
Coriolis WindSat system // Proc. IEEE Aerospace Conf. 2000. V. 5. P. 159–164.
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ РАДИОМЕТРИИ В ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ…
69