Войти на сайт
МЕЖДУНАРОДНЫЕ ЕЖЕГОДНЫЕ КОНФЕРЕНЦИИ
"СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА"
(Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, природных и антропогенных объектов)
Архив конференций
Дополнительная информация
Подписка/отписка
на рассылку новостей

Шестнадцатая Всероссийская Открытая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)»

Участие в Школе молодых Участие в конкурсе молодых ученых 

XVI.E.407

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

Рябкова М. С. (1), Титченко Ю.А. (1), Мешков Е. М. (1), Караев В.Ю. (1)
(1) Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
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).

Ключевые слова: натурный эксперимент, обработка данных, ветровое волнение, акустический волнограф, параметры поверхностного волнения, численное моделирование, Доплеровский спектр
Литература:
  1. Yu.A. Titchenko, V.Yu. Karaev, M.A. Panfilova, E.M. Zuykova, E.M. Meshkov, M.V. Osipov, and V.A. Khlusov, “Experimental study of the microwave radar doppler spectrum backscattered from the sea surface at small incidence angles” Radio and Antenna Days of the Indian Ocean, 2015, doi: 10.1109/RADIO.2015.7323374
  2. Yu. Titchenko, V. Karaev, E. Meshkov, E. Zuikova «Measuring the variance of the vertical orbital velocity component by an acoustic wave gauge with a single transceiver antenna» // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2015, v. 53, N 8, pp.4340-4347, doi: 10.1109/TGRS.2015.2396120
  3. Y. Titchenko and V. Karaev, "Sea surface waves parameters retrieval method based on the measurement of the Doppler spectrum at small incident angle," 2017 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), Fort Worth, TX, 2017, pp. 721-724. doi: 10.1109/IGARSS.2017.8127054
  4. Караев В., Мешков Е., Титченко Ю., Подводный акустический высотомер, Известия ВУЗов, сер. Радиофизика, 2014, т. 57, стр. 543-554

Дистанционные исследования поверхности океана и ледяных покровов

313