Использование доплеровского спектра отраженного излучения для восстановления параметров волнения и направления ветра

Информация о морском волнении применяется для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач, начиная с мониторинга климатических изменений и заканчивая обеспечением безопасности судоходства и жизнедеятельности в прибрежных районах. Наиболее доступной является информация о дисперсии высот морской поверхности, так как энергия морских волн связана с этим параметром. Дисперсия высот измеряется с помощью волнографических морских буев (которых более 1500 в Мировом океане) и космических радиовысотомеров, которые обеспечивают непрерывный ряд измерения по всему Мировому океану более 25 лет. Интенсивность тепло- и газообмена между атмосферой и океаном в значительной степени зависит от шероховатости морской поверхности и для оценки степени шероховатости можно использовать дисперсию уклонов морского волнения. Однако в настоящее время этот параметр не измеряется на регулярной основе.
Данная работа посвящена разработке нового метода восстановления ключевых характеристик морской поверхности (включая дисперсию уклонов), а также направления распространения волнения как в Мировом океане, так и во внутренних водоемах.
Рассмотрим гидролокатор, установленный на дне или плавучей подводной платформе так, чтобы его антенны были направлены вверх на морскую поверхность с небольшим отклонением (<10°) от вертикали. Размещение измерительной системы под водой обеспечивает работоспособность в любых погодных условиях, в замерзающих водоемах и в Арктике. Основой предлагаемого подхода является зависимость доплеровского спектра отраженного излучения только от схемы измерений, параметров излучающей и приемной антенн и параметров волнения. Зависимости получены в приближении Кирхгофа для зоны Фраунгофера в предположении гауссова распределения высот поверхности. В результате выражения для доплеровского спектра (ДС) отраженного излучения и отраженного импульса в явном виде зависят от схемы измерений и параметров отражающей поверхности, что позволяет выбрать оптимальную схему измерений. Особенностью используемого подхода является получение финальных выражений для характеристик доплеровского спектра отраженного излучения выражающих явную связь с 6 статистическими параметрами водной поверхности: дисперсия вертикальной скорости, дисперсия уклонов в 2 взаимно перпендикулярных плоскостях, коэффициент взаимной корреляции уклонов в двух плоскостях, 2 коэффициента корреляции уклонов в одной из плоскостей и вертикальной скоростью.
В данной работе решается обратная задача по восстановлению параметров волнения в схеме измерений с тремя доплеровскими гидролокаторами, направленными на водную поверхность под разными азимутальными углами с одинаковыми углами падения. Аналогичным случаем будет вращение одного гидролокатора в азимутальной плоскости. Преимуществом полученного способа решения обратной задачи является наличие во входных параметрах только ширины и смещения ДС отраженного излучения, и отсутствие во входных параметрах сечения обратного рассеяния, требующего сложной процедуры калибровки. В данной схеме измерений возможным является так же определение направления распространения волнения по сдвигу доплеровского смещения 3 антенн.
По аналогии с работами (Караев и др, 2021; Karaev et al., 2021) параметры волнения представляются в зависимости от азимутального направления зондирования и направление ветра. Такое представление параметров волнения позволило уменьшить число неизвестных параметров входящих в систему уравнений для решения обратной задачи.
В результате в работе проведено теоретическое исследование характеристик ДС от скорости и направления ветра. Представлены зависимости параметров поверхностного волнения от направления и скорости ветра. Решена обратная задача по восстановлению всех неизвестных параметров волнения по измерениям ширины и смещения ДС. Несмотря на то, что решение обратной задачи рассмотрено для одного случая направления ветра, из вида зависимостей для ширины и смещения ДС от направления ветра можно сделать вывод о том, что этот подход может использоваться для любого направления ветра и направление ветра может быть определено.
Важным преимуществом полученных формул является отсутствие необходимости измерения сечения обратного рассеяния, требующего сложной процедуры калибровки. Особенностью всех приведенных рассуждений является их схожесть как для гидроакустических, так и для радиолокационных измерений.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-77-10089)