Синхронные радиолокационные и акустические измерения спектральных характеристик отраженного взволнованной водной поверхностью излучения в лабораторных условиях

В феврале 2018 года были проведены синхронные радиолокационные и акустические измерения отраженного взволнованной водной поверхностью излучения в высокоскоростном ветроволновом канале Большого термостратифицированного опытого бассейна ИПФ РАН (включенного в Реестр установок национальной значимости РФ №01-19) [1]. В экспериментах поверхностное волнение генерировалось с помощью управляемого волнопродуктора и/или с помощью ветрового потока в ветро-волновом канале при эквивалентной скорости ветра на высоте 10 метров до 30 м/с. Под водой были жестко закреплены гидролокаторы с различными схемами измерений: импульсный гидролокатор ориентированный вертикально вверх [2], импульсный гидролокатор ориентированный вдоль распространения волнения под углом падения 30 градусов от вертикали, доплеровский гидролокатор [3] ориентированный вдоль распространения волнения под углом падения 30 градусов от вертикали, доплеровский гидролокатор ориентированный против распространения волнения под углом падения 7 градусов от вертикали. Все акустические волнографы работали на частоте 200 кГц (длина волны 8 мм). Над водой зондирование велось 3 см (Х-диапазон) доплеровским радиолокатором [4] ориентированным против направления распространения волнения под углом падения 30 градусов от вертикали. Особенностью данного радиолокатора является возможность проводить одновременные мультиполяризационные (VV, HH, VH, HV) измерения.
В данной постановке задачи исследовалась возможность измерения профиля волнения импульсным акустическим волнографом с широкой диаграммой направленности антенны, для синхронного контроля радиолокационных измерений без паразитных интерференций. Исследовались особенности формирования доплеровского спектра, отраженного акустического и радиолокационного сигнала. Проводилось сравнение с данными численных экспериментов для данной схемы измерений.
В результате проведены уникальные синхронные радиолокационные и акустические измерения спектральных характеристик отраженного взволнованной поверхностью излучения. При сравнении с данными струнного волнографа была подтверждена возможность импульсного гидролокатора с широкой диаграммой направленности антенны измерять профиль волнения и уровень воды даже в лабораторных условиях, когда высота волнения мала. Это может быть использовано, например, для контроля профиля волнения в экспериментах с радиолокатором без паразитных интерференций.
При сравнении доплеровских спектров, измеренных гидролокатором и радиолокатором виден провал части спектра, измеренного радиолокатором. Это может объясняться уменьшением числа зеркально отражающих площадок (крупных по сравнению с длиной излученной волны) для радиолокатора по сравнению с акустическим волнографом, так как радиолокатор имеет большую длину волны (3,2 см против 8 мм у акустической волны).
Проведено сравнения измеренного доплеровского спектра с моделью резонансного [5] и зеркального [6] рассеяния. Параметры поверхностного волнения для расчета моделей определялись по измерениям струнного волнографа.
Следует отметить, что особенности формирования доплеровского спектра в лабораторном эксперименте в значительной степени определяются спецификой волнения, генерируемого в ветро-волновом канале. Дело в том, что волнение наблюдалось при сверхкоротком разгоне, из-за чего отсутствовало крупное волнение, имеющее большую фазовую скорость. Это привело к тому, что смещение брэгговской компоненты сильнее, чем зеркальной, тогда как в реальных условиях брэгговская компонента смещена меньше.

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