Подводный акустический волнограф "Кальмар" для долговременного мониторинга состояния морской поверхности: первые испытания и численное моделирование

Для обеспечения непрерывных измерений параметров волнения, влияющих на отражение акустических и электромагнитных волн, на полигоне Южного отделения института океанологии (ЮО ИО РАН) в г. Геленджик летом 2018 года был установлен подводный акустический волнограф «Кальмар». Прибор работает в непрерывном режиме, планируется создать архив измерений и веб-интерфейс для обеспечения свободного доступа к ним.
Акустический волнограф устанавливается вблизи дна, так, чтобы антенный блок ориентировался на водную поверхность. Акустический волнограф "Кальмар" оснащен импульсным и непрерывным каналом. Приемо-передающая антенна импульсного канала ориентируется в зенит на водную поверхность. Антенный блок непрерывного канала ориентирован под углом от вертикали к водной поверхности 4-6 градусов. Импульсный канал предназначен для измерения уровня воды, высоты значительного волнения и полной дисперсии наклонов водной поверхности. Длина излученного импульса может настраиваться от 5 до 80 мкс. В непрерывном режиме волнограф излучает гармонический сигнал с частотой 200 кГц (длина волны 7.5 мм) и измеряет доплеровский спектр (ДС) сигнала отраженного водной поверхностью. Небольшой наклон от надира позволяет обеспечить ненулевое смещение допплеровского спектра, оставаясь в рамках действия приближения Кирхгофа, что позволяет увеличить число восстанавливаемых параметров поверхности. Раскрыв диаграммы направленности приемо-передающей антенны составляет 30 градусов.
Согласно работе [1] сечение обратного рассеяния, ширина и смещение ДС при малых углах падения определяются статистическими характеристиками крупномасштабного волнения и геометрией наблюдения. В работе [1, 2] экспериментально показана работоспособность используемой модели доплеровского спектра. Кроме того экспериментально показано, что дисперсия вертикальной составляющей орбитальной скорости восстанавливается с высокой точностью.
Тестовые испытания прибора были проведены 22-25 декабря 2017 года с пирса на полигоне ЮО ИО РАН в г. Геленджик. Спектр волнения измерялся одноканальным волнографом, метеостанция, установленная на полигоне, измеряла скорость и направление ветра на высоте 10 метров с периодичностью 15 минут. Акустический волнограф измерял доплеровский спектр сигнала отраженного водной поверхностью, время усреднения записи акустического волнографа – 5 минут. Струнный волнограф измерял спектр высот (частоты до 5 Гц), время усреднения – 28 минут. В случае чисто ветрового волнения возможно подобрать модельный спектр, соответствующий измеренному струнным волнографом. С использованием спектра, измеренного струнным волнографом, а также с использованием модельного спектра были посчитаны такие параметры как значительная высота волнения, дисперсия наклонов и дисперсия вертикальной составляющей орбитальной скорости. Ширина доплеровского спектра в основном определяется дисперсией орбитальных скоростей [2] , что и подтверждается синхронным поведением ширины доплеровского спектра и дисперсии орбитальных скоростей в эксперименте. Смещение доплеровского спектра определяется проекцией фазовой скорости энергонесущей волны в плоскости направления зондирования [3], которая обратно зависит от дисперсии наклонов в той же плоскости. Сечение обратного рассеяния обратно пропорционально зависит от дисперсии наклонов [1-3]. В дальнейшем по измеренному и модельному спектру будут смоделированы ДС. Кроме того в настоящее время обрабатываются измерения подводного импульсного волнографа, который позволит измерить дисперсию высот и дисперсию наклонов независимым способом [4].

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №17-77-10125).