Развитие когерентных радиофизических методов измерения параметров приповерхностных динамических процессов в океане

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-77-10081

НазваниеРазвитие когерентных радиофизических методов измерения параметров приповерхностных динамических процессов в океане

Руководитель Ермошкин Алексей Валерьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-501 - Физика океана

Ключевые слова когерентное зондирование, эффект Доплера, гидроакустическое зондирование, радиолокационное зондирование, оптическое зондирование, морская поверхность, ветровое волнение, течения

Код ГРНТИ37.25.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основная идея проекта состоит в использовании комбинации различных методов и средств когерентного дистанционного наблюдения водной поверхности и верхнего слоя океана, а именно, подводной когерентной гидроакустической системы, а также когерентных радиолокационных станций и оптических приборов для наблюдения поверхности сверху. Одновременное измерение амплитудных и фазовых характеристик рассеяния зондирующего излучения позволяет получать информацию о параметрах динамических процессов в верхнем слое океана. Комплексный подход позволит измерить характеристики ветрового волнения в различных, дополняющих друг друга, участках спектра ветровых волн, что в свою очередь дает возможность обнаруживать и идентифицировать различные динамические процессы в приповерхностном слое моря. В заявленном проекте предлагается провести исследование ветрового волнения и неоднородных течений в верхнем слое океана и на его поверхности с помощью когерентного акустического зондирования среды, когерентного радиолокационного зондирования, стереофотосъемки и оптического зондирования. Для достижения дальности зондирования, необходимой для исследования мезомасштабных процессов, будет применена гидроакустическая система, работающая на частоте порядка первых единиц килогерц. Для средне- и низкочастотного звука основными рассеивателями в приповерхностном слое будут являться поверхностные волны и пузырьки, возникающие при их обрушении. Спектр рассеянного звукового сигнала в каждой пространственной ячейке будет претерпевать двойное уширение: за счет осцилляций самих рассеивателей (волн, пузырей в поле течений и волновых движений), и за счет их поступательного движения вместе со средой. Опираясь на соответствующие модели рассеяния звука в условиях стоячей воды, развитые ранее, улучшая и модифицируя их, авторы будут решать обратную задачу по определению скорости движения среды исходя из спектра рассеянного сигнала. При горизонтальном гидроакустическом зондировании будет получена информация о вертикальном распределении скоростей акустических рассеивателей. По данным когерентного микроволнового радиолокационного зондирования будет восстанавливаться скоростное радиолокационное изображение морской поверхности, содержащее информацию о поверхностной скорости течения и орбитальной скорости ветровых волн. Привлекая и уточняя теоретические модели рассеяния радиоволн СВЧ диапазона взволнованной водной поверхностью, будут определены скорости поверхностного течения в меньшей области, позволяющие откалибровать и дополняющие данные гидроакустического зондирования. Прямое измерение орбитальных скоростей длинных ветровых волн гидроакустическими и радиолокационными средствами будут дополнены измерениями коротких ветровых волн в оптическом диапазоне. В ходе выполнения проекта предполагается: 1. Выполнить теоретическую проработку проявления динамических процессов в приповерхностном слое океана в когерентных сигналах акустического, радиолокационного и оптического зондирования. 2. Разработать методику совместных измерений когерентными акустическими, радиолокационными и оптическими средствами, разработать программное обеспечение для совместной обработки сигналов. 3. Провести с использованием разработанной методики натурные эксперименты по наблюдению динамических процессов в приповерхностном слое океана и измерить их параметры, оценить точность и определить пределы применимости развитого подхода. 4. На основе сопоставления с данными экспериментов провести верификацию результатов модельных расчетов, развить методы восстановления направленных спектров ветрового волнения и скорости течения в приповерхностном слое океана по данным комплекса когерентных средств дистанционного зондирования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ермошкин А.В., Капустин И.А., Мольков А.А., Богатов Н.А. Theoretical and experimental studies of sea surface current and wind waves spectra estimation using microwave Doppler marine radars SPIE Remote Sensing, Proc. SPIE 11529, Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions 2020, 115290U (20 September 2020); (год публикации - 2020)
10.1117/12.2574264

2. Титов В.И., Баханов В.В., Кориненко А., Рябкова М., Сергиевская И.А., Зуйкова Э.М. Remote sensing of near surface layer of the ocean for inclined angles of sight SPIE Remote Sensing, Proc. SPIE 11529, Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions 2020, 115290R (год публикации - 2020)
10.1117/12.2574105

3. Ермошкин А.В., Купаев А.И., Мольков А.А. High resolution radar observation sea surface states during AMK82 cruise International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS) (год публикации - 2021)

4. Разумов Д.Д., Салин М.Б. Особенности дифракции звука на взволнованной водной поверхности в среднем диапазоне частот Фундаментальная и прикладная гидрофизика (год публикации - 2021)

5. Богатов Н.А., Мольков А.А. Восстановление характеристик ветровых волн в Атлантике по данным судовой стереосъемки Фундаментальная и прикладная гидрофизика (год публикации - 2021)

6. Разумов Д.Д., Салин М.Б. Study of the Doppler spectrum of surface reverberation using numerical simulation Proceedings of the International Conference DAYS on DIFFRACTION 2021, pp. 141-146 (год публикации - 2021)
10.1109/DD52349.2021.9598681

7. Ермошкин А.В., Салин М.Б., Капустин И.А., Мольков А.А., Богатов Н.А. The multisensory approach to hydrophysical measurements of the ocen surface layer PROCEEDINGS OF SPIE, Proceedings Volume 11857, 118570S (2021) (год публикации - 2021)
10.1117/12.2600136

8. Разумов Д.Д., Салин М.Б. Особенности дифракции звука на взволнованной водной поверхности в среднем диапазоне частот Фундаментальная и прикладная гидрофизика, Т. 14, № 4, с. 98-110 (год публикации - 2021)
10.7868/S2073667321040092

9. Ермошкин А.В., Капустин И.А., Салин М.Б., Богатов Н.А., Мольков А.А., Костеев Д.Д. Результаты комплексного эксперимента по развитию когерентных радиофизических методов дистанционного зондирования океана Девятнадцатая международная конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)», XIX.A.351 (год публикации - 2021)

10. Ермошкин А.В., Купаев А.В., Мольков А.А. Радиолокационные исследования морской поверхности в рейсе АМК-82 Тезисы докладов Всероссийской научной конференции Моря России: год науки и технологий в РФ - десятилетие наук об океане ООН, с. 239-240 (год публикации - 2021)

11. Ермошкин А.В., Мольков А.А. High-Resolution Radar Sensing Sea Surface States During AMK-82 Cruise IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, vol. 15, pp. 2660-2666, 2022 (год публикации - 2022)
10.1109/JSTARS.2022.3161119.

12. Богатов Н.А., Ермошкин А.В., Капустин И.А., Купаев А.В., Мольков А.А. Retrieval of Wind Ripple Speed From Stereo Imagery of Sea Surface: Preliminary Results IGARSS 2022 (год публикации - 2022)

13. Д.А. Костеев, М.Б. Салин Теоретический анализ методов исследования всплывающего пузырькового потока Тр. XXXIV сессии РАО, XXXIV Сессия РАО, с. 665-672 (год публикации - 2022)
10.34756/GEOS.2021.17.38058

14. Ермошкин А.В., Костеев Д.А., Пономаренко А.А., Разумов Д.Д., Салин М.Б. Surface Waves Prediction Based on Long-Range Acoustic Backscattering in a Mid-Frequency Range Journal of Marine Science and Engineering, 10(6), 722 (год публикации - 2022)
10.3390/jmse10060722

15. Баханов В.В., Ермошкин А.В., Титов В.И. Комплексные натурные эксперименты по наблюдению динамических процессов в верхнем слое океана Материалы Двадцатой международной конференции «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)», XX.E.546 (год публикации - 2022)

16. Ермошкин А.В., Капустин И.А., Костеев Д.А., Мольков А.А., Пономаренко А.А., Разумов Д.Д., Салин М.Б. Определение состояния поверхности моря на основе акустического обратного рассеяния в среднем диапазоне частот Сборник трудов XVI Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (ГА-2022), Труды Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». — СПб. : Издательство «ЛЕМА», 2023 — 492 с. (год публикации - 2022)

17. Богатов Н.А., Капустин И.А., Мольков А.А., Ермошкин А.В. Измерение скорости ветровой ряби на профиле длинной волны с применением метода стереосъемки Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (год публикации - 2023)

18. Салин Б.М., Ермошкин А.В., Разумов Д.Д., Салин М.Б. Модели формирования доплеровского спектра поверхностной реверберации для звуковых волн метрового диапазона Акустический журнал, № 5, т. 69 (год публикации - 2023)

19. Ермошкин А.В.,Капустин И.А., Костеев Д.А., Пономаренко А.А., Разумов Д.Д., Салин М.Б. Monitoring Sea Currents with midrange Acoustic Backscattering Water (год публикации - 2023)

20. Салин М.Б., Витальский А.В. Usage of Single-camera Video Recording to Measure Sea Surface Roughness with Machine Learning Methods 7th International Conference on Computing, Control and Industrial Engineering (CCIE 2023), 1, X, 1490 (год публикации - 2023)
10.48550/arXiv.2303.09967

21. Пономаренко А.А., Разумов Д.Д., Салин М.Б. Применение машинного обучения в акустических исследования океана Тезисы докладов конференции "Комплексные исследования мирового океана" (КИМО), Санкт-Петербург, 2023 (год публикации - 2023)

22. Разумов Д.Д., Ермошкин А.В., Костеев Д.А., Пономаренко А.А., Салин М.Б. Dataset for Surface waves prediction based on acoustic backscattering Zenodo, база данных 10.5281/zenodo.6530915 (год публикации - 2022)
10.5281/zenodo.6530915

Публикации