A Surface Waves Group Structure Effect on the Ocean Level Accuracy Rate via Spacecraft Laser Sensing

• Published in: Radiatsionnaya Gygiena = Radiation Hygiene
• Main Authors: A. Zapevalov S., N. Lebedev E., А. Запевалов С., Н. Лебедев Е.
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: Russian
• Published: National Electronic Information Consortium 2016
• Subjects: laser sensing;altimeter;sea surface level;surface wave; лазерное зондирование;альтиметр;уровень морской поверхности;поверхностные волны; Arctic
• Online Access: https://www.radiovega.su/jour/article/view/66; https://doi.org/10.7463/rdopt.0316.0847197

Sea waves are the main factor leading to remote measurement error of the sea surface level from the spacecraft. The fundamental difference between laser altimetry from the radio-altimeter is that the area irradiated by the laser surface is much less than the surface irradiated by the radar. The diameter of the laser spot on the sea surface is comparable to the length of the dominant sea waves and in some situations is considerably less. Laser sensing allows determines an average distance between the spacecraft and the plot of the excited surface. This plot can be displaced with respect to the unperturbed level surface. Displacement creates errors that correspond to the shifts both up and down the surface level.The analysis was based on the numerical simulation. An analytical model describing topographic structure of the sea surface is used. The paper analyses the errors in determining the level of the sea surface caused by the nonlinear effects of the dominant waves. The effects created by the surface waves, which have a group structure, are explored. The work also studies the maximum values of the error affected by the distribution variances of wave elevation of the sea surface from the Gaussian distribution.It is shown that the error of a determining level of the sea surface is in direct proportion to the significant wave height. They also depend on the ratio of the laser spot diameter on the surface to the length of the dominant sea waves. The most visible changes of the measurement error occur in the region where the diameter of the laser spot on the sea surface is less than the length of the dominant sea waves. If the ratio of spot diameter to the length of the dominant wave tends to zero, the uncertainty can reach 60 % of the significant wave height.The skewness of distribution of sea surface elevations created by surface waves affects the level of uncertainty in determining the level of the sea surface. With changing the skewness from 0 to 0.4 the maximum error of the individual measurements can vary by 10-11 %.The paper conducts analysis using the regular group structure model of the surface waves. The next step expects to involve a consideration of the intergroup variation of the wave characteristics. Морское волнение является основным фактором, приводящим к погрешности дистанционного определения с космических аппаратов уровня морской поверхности. Принципиальным отличием лазерной альтиметрии от радиоальтиметрии является то, что площадь, облучаемой лазером поверхности, много меньше поверхности, облучаемой радаром. Диаметр лазерного пятна на морской поверхности сравним с длиной морских доминантных волн и в некоторых ситуациях заметно меньше. При лазерном зондировании определяется среднее расстояние от космического аппарата до участка взволнованной поверхности. Этот участок может быть смещен относительно уровня невозмущенной поверхности. Смещения создают ошибки, которые соответствуют как смещению вверх, так и смещению вниз уровня поверхности.Анализ проводится на основе численного моделирования. Используется аналитическая модель, описывающая топографическую структуру морской поверхности. Проводится анализ погрешности определения уровня морской поверхности, вызванной нелинейными эффектами доминантных волн. Проанализированы эффекты, создаваемые поверхностными волнами, которые имеют групповую структуру. Также проанализировано влияние на максимальные значения погрешности отклонений распределений волновых возвышений морской поверхности от распределения Гаусса.Показано, что ошибки определения уровня морской поверхности прямо пропорциональны значимой высоте волн. Они также зависят от отношения диаметра лазерного пятна на поверхности и длины доминантных волн. Наиболее заметные изменения погрешности измерений происходят в области, где диаметр лазерного пятна на морской поверхности меньше длины доминантных морских волн. Если отношение диаметра пятна к длине доминантной волны стремится к нулю, то погрешность может достигать 60 % от значимой высоты волн.Асимметрия распределения возвышений морской поверхности, создаваемых поверхностными волнами влияет на уровень погрешности определения уровня морской поверхности. При изменении асимметрии от 0 до 0.4 максимальные значения погрешности отдельных измерений могут меняться на 10-11 %.Анализ проведен в рамках модели регулярной групповой структуры поверхностных волн. Следующим шагом должен стать учет межгрупповой изменчивости волновых характеристик.