Russian Journal of Earth Sciences Russian Journal of Earth Sciences Russian Journal of Earth Sciences 1681-1208 96038 10.2205/2025es001017 kzhtur ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ ORIGINAL ARTICLES ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ Numerical Simulation of Radar Signal Reflected by Sea Surface with Different Sea Ice Concentration Численное моделирование радиолокационного сигнала, отражённого морской поверхностью с разной сплочённостью морского льда https://orcid.org/0000-0001-7762-7731 Титченко Юрий Андреевич Titchenko Yuriy Andreevich yuriy@ipfran.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-4054-4905 Караев Владимир Юрьевич Karaev Vladimir Yur'evich volody@ipfran.ru https://orcid.org/0000-0002-3795-0347 Панфилова Мария Андреевна Panfilova Mariya Andreevna https://orcid.org/0000-0003-3189-7095 Понур Кирилл Александрович Ponur Kirill Aleksandrovich https://orcid.org/0009-0009-5114-2125 Кузнецов Ярослав Александрович Kuznetsov Yaroslav Aleksandrovich https://orcid.org/0000-0002-5353-7528 Мешков Евгений Михайлович Meshkov Evgeniy Mihaylovich Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук Nizhny Novgorod RU Institute of Applied Physics Nizhny Novgorod RU Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук Россия Federal Research Center A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences Russian Federation Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук Россия Federal Research Center A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences Russian Federation Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского Россия National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod Russian Federation 03 05 2025 03 05 2025 25 3 1 11 11 03 2025 25 04 2025 https://rjes.ru/en/nauka/article/96038/view

В настоящее время активно развиваются методы радиолокационного дистанционного зондирования при малых углах падения (от вертикали до 15∘). Важным приложением этих методов является определение наличия и сплочённости морского льда. В данной работе представлен подход численного моделирования, в рамках которого моделируется отражающая поверхность с различной сплочённостью морского льда, и затем моделируются характеристики радиолокационного сигнала, отражённого этой поверхностью при заданной геометрии измерений. Без потери общности в данной работе будем рассматривать конкретную геометрию радиолокатора DPR (Dual-frequency Precipitation Radar) на спутнике миссии GPM (Global Precipitation Measurement) и только Ku-диапазон этого радиолокатора. Сигнал, отражённый морским волнением, будет рассчитываться в рамках приближения Кирхгофа. Поскольку общепризнанной модели для сигнала, рассеянного поверхностью морского льда при малых углах падения нет, то в качестве модели будет использоваться эмпирическая формула, полученная по данным DPR. В работе обсуждается метод определения сплочённости морского льда по данным радиолокационного зондирования при малых углах падения.

Currently, methods of radar remote sensing at small incidence angles (from the vertical to 15∘) are actively developed. An important application of these methods is the determination of the presence and sea ice concentration. This paper presents an approach to numerical simulation of an experiment in which a reflecting surface with different sea ice concentrations is modeled and then the characteristics of the radar signal reflected by this surface for a given measurement geometry are modeled. Without loss of generality, in this paper we will consider a specific geometry of the DPR (Dual-frequency Precipitation Radar) radar on the GPM (Global Precipitation Measurement) mission satellite and only the Ku-band of this radar. The signal reflected by sea waves will be calculated within the Kirchhoff approximation. Since there is no generally accepted model for the signal scattered by the sea ice at small incidence angles, an empirical formula obtained from DPR data will be used as a model. The paper discusses a method for determining sea ice concentration using radar sensing data at low incidence angles.

 морской лёд морское волнение сечение обратного рассеяния малые углы падения квазизеркальное отражение сплочённость морского льда sea ice sea waves backscattering cross section small incidence angles quasi-specular reflection sea ice concentration Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда №23-77-10064, https://rscf.ru/project/23-77-10064/. Авторы благодарят анонимных рецензентов за ценные замечания, что позволило существенно улучшить работу. The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 23-77-10064, https://rscf.ru/project/23-77-10064/. The authors thank the anonymous reviewers for their valuable comments, which allowed them to significantly improve the work.

Басс Ф., Фукс И. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. — Москва : Наука, 1972. — 424 с. Bass F., Fuchs I. Wave scattering on a statistically uneven surface. — Moscow : Nauka, 1972. — P. 424. — (In Russian). Заболотских Е. В., Хворостовский К. С., Животовская М. А. и др. Спутниковое микроволновое зондирование морского льда Арктики. Обзор // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. — 2023. — Т. 20, № 1. — С. 9—34. — DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-1-9-34. Zabolotskikh E. V., Khvorostovsky K. S., Zhivotovskaya M. A., et al. Satellite microwave remote sensing of the Arctic sea ice. Review // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. — 2023. — Vol. 20, no. 1. — P. 9–34. — DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-1-9-34. — (In Russian). Караев В. Ю., Панфилова М. А., Митник Л. М. и др. Обратное рассеяние радиолокационного сигнала СВЧ диапазона однолетним морским льдом при малых углах падения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. — 2021. — Т. 18, № 3. — С. 229—241. — DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-3-229-241. Karaev V. Yu., Panfilova M. A., Mitnik L. M., et al. Backscattering of microwave radar signal by first year sea ice at small incidence angles // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. — 2021. — Vol. 18, no. 3. — P. 229–241. — DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-3-229-241. — (In Russian). Радиолокационные методы и средства оперативного дистанционного зондирования Земли с аэро-космических носителей / под ред. С. Н. Конюхова, В. И. Драновского, В. Н. Цымбала. — Киев : Авиадиагностика, 2007. — 440 с. Radar methods and means of operational remote sensing of the Earth from aerospace carriers / ed. by S. N. Konyukhov, V. I. Dranovsky, V. N. Tsymbal. — Kyiv : Aviadiagnostika, 2007. — P. 440. — (In Russian). Chan M. A., Comiso J. C. Arctic Cloud Characteristics as Derived from MODIS, CALIPSO, and CloudSat // Journal of Climate. — 2013. — Vol. 26, no. 10. — P. 3285–3306. — DOI: 10.1175/jcli-d-12-00204.1. Chan M. A., Comiso J. C. Arctic Cloud Characteristics as Derived from MODIS, CALIPSO, and CloudSat // Journal of Climate. — 2013. — Vol. 26, no. 10. — P. 3285–3306. — DOI: 10.1175/jcli-d-12-00204.1. Comiso J. C., Cavalieri D. J., Markus T. Sea ice concentration, ice temperature, and snow depth using AMSR-E data // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. — 2003. — Vol. 41, no. 2. — P. 243–252. — DOI: 10.1109/tgrs.2002.808317. Comiso J. C., Cavalieri D. J., Markus T. Sea ice concentration, ice temperature, and snow depth using AMSR-E data // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. — 2003. — Vol. 41, no. 2. — P. 243–252. — DOI: 10.1109/tgrs.2002.808317. Hauser D., Tison C., Amiot T., et al. SWIM: The First Spaceborne Wave Scatterometer // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. — 2017. — Vol. 55, no. 5. — P. 3000–3014. — DOI: 10.1109/tgrs.2017.2658672. Hauser D., Tison C., Amiot T., et al. SWIM: The First Spaceborne Wave Scatterometer // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. — 2017. — Vol. 55, no. 5. — P. 3000–3014. — DOI: 10.1109/tgrs.2017.2658672. JAXA. GPM Data Utilization Handbook. Version 1.0. — Japan Aerospace Exploration Agency, 2014. — 92 p. JAXA. GPM Data Utilization Handbook. Version 1.0. — Japan Aerospace Exploration Agency, 2014. — 92 p. Karaev V., Ponur K., Panfilova M., et al. Radar Sensing of SEA ICE at the Small Incidence Angles: Simulation and Comparison of the Different Approaches // IGARSS 2022 - 2022 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. — IEEE, 2022. — P. 3818–3821. — DOI: 10.1109/igarss46834.2022.9883231. Karaev V., Ponur K., Panfilova M., et al. Radar Sensing of SEA ICE at the Small Incidence Angles: Simulation and Comparison of the Different Approaches // IGARSS 2022 - 2022 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. — IEEE, 2022. — P. 3818–3821. — DOI: 10.1109/igarss46834.2022.9883231. Laxon S. W., Giles K. A., Ridout A. L., et al. CryoSat-2 estimates of Arctic sea ice thickness and volume // Geophysical Research Letters. — 2013. — Vol. 40, no. 4. — P. 732–737. — DOI: 10.1002/grl.50193. Laxon S. W., Giles K. A., Ridout A. L., et al. CryoSat-2 estimates of Arctic sea ice thickness and volume // Geophysical Research Letters. — 2013. — Vol. 40, no. 4. — P. 732–737. — DOI: 10.1002/grl.50193. Mitnik L., Kuleshov V., Baranyuk A., et al. Monitoring of the Arctic Region Using Optical and Infrared Data from the Highly Elliptical Arktika-M Space System and Microwave Measurements from Low Earth Orbit Satellites // IGARSS 2022 - 2022 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. — 2022. — P. 7194–7197. — DOI: 10.1109/igarss46834.2022.9883384. Mitnik L., Kuleshov V., Baranyuk A., et al. Monitoring of the Arctic Region Using Optical and Infrared Data from the Highly Elliptical Arktika-M Space System and Microwave Measurements from Low Earth Orbit Satellites // IGARSS 2022 - 2022 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. — 2022. — P. 7194–7197. — DOI: 10.1109/igarss46834.2022.9883384. Nekrasov A., Khachaturian A., Labun J., et al. Towards the Sea Ice and Wind Measurement by a C-Band Scatterometer at Dual VV/HH Polarization: A Prospective Appraisal // Remote Sensing. — 2020. — Vol. 12, no. 20. — P. 3382. — DOI: 10.3390/rs12203382. Nekrasov A., Khachaturian A., Labun J., et al. Towards the Sea Ice and Wind Measurement by a C-Band Scatterometer at Dual VV/HH Polarization: A Prospective Appraisal // Remote Sensing. — 2020. — Vol. 12, no. 20. — P. 3382. — DOI: 10.3390/rs12203382. Panfilova M., Karaev V. Sea Ice Detection Method Using the Dependence of the Radar Cross-Section on the Incidence Angle // Remote Sensing. — 2024. — Vol. 16, no. 5. — P. 859. — DOI: 10.3390/rs16050859. Panfilova M., Karaev V. Sea Ice Detection Method Using the Dependence of the Radar Cross-Section on the Incidence Angle // Remote Sensing. — 2024. — Vol. 16, no. 5. — P. 859. — DOI: 10.3390/rs16050859. Peureux C., Longépé N., Mouche A., et al. Sea-Ice Detection From Near-Nadir Ku-Band Echoes From CFOSAT/SWIM Scatterometer // Earth and Space Science. — 2022. — Vol. 9, no. 6. — DOI: 10.1029/2021ea002046. Peureux C., Longépé N., Mouche A., et al. Sea-Ice Detection From Near-Nadir Ku-Band Echoes From CFOSAT/SWIM Scatterometer // Earth and Space Science. — 2022. — Vol. 9, no. 6. — DOI: 10.1029/2021ea002046. Ryabkova M., Karaev V., Guo J., et al. A Review of Wave Spectrum Models as Applied to the Problem of Radar Probing of the Sea Surface // Journal of Geophysical Research: Oceans. — 2019. — Vol. 124, no. 10. — P. 7104–7134. — DOI: 10.1029/2018jc014804. Ryabkova M., Karaev V., Guo J., et al. A Review of Wave Spectrum Models as Applied to the Problem of Radar Probing of the Sea Surface // Journal of Geophysical Research: Oceans. — 2019. — Vol. 124, no. 10. — P. 7104–7134. — DOI: 10.1029/2018jc014804. Zabolotskikh E., Balashova E., Kudryavtsev V., et al. Synergistic Use of Satellite Scatterometer, SAR and Altimeter Data to Study First Year Sea Ice Properties // 2021 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium IGARSS. — IEEE, 2021. — P. 5633–5636. — DOI: 10.1109/igarss47720.2021.9553828. Zabolotskikh E., Balashova E., Kudryavtsev V., et al. Synergistic Use of Satellite Scatterometer, SAR and Altimeter Data to Study First Year Sea Ice Properties // 2021 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium IGARSS. — IEEE, 2021. — P. 5633–5636. — DOI: 10.1109/igarss47720.2021.9553828.