Возможности определения параметров волнения на основе анализа формы отраженного акустического импульса

Данная работа посвящена обработке данных долговременного эксперимента с подводным акустическим волнографом «Кальмар» на океанографическом полигоне «Геленджик» ЮО ИО РАН. Прибор функционировал в Черном море на глубине 28 м с августа по сентябрь 2018 года и с апреля по июль 2019.
Акустический волнограф «Кальмар» включает в себя доплеровский и импульсный гидролокаторы, генераторы которых настроены на частоту 200 кГц, что позволяет излучать волну длиной 8 мм. Работа доплеровского гидролокатора на данном этапе не рассматривается. Антенна импульсного канала направлена вертикально вверх на морскую поверхность и имеет симметричную диаграмму направленности с шириной 15 градусов на уровне половинной мощности. Прибор позволяет выбрать длину излучаемого импульса от 5 до 40 мкс. Частота повторения импульса 2 Гц.
Для определения параметров поверхностных волн использовалось два независимых подхода обработки отраженных импульсов. Традиционный, в рамках которого анализируется время задержки до максимума в отраженном импульсе. В результате получаем временную реализацию расстояний от гидролокатора до наиболее отражающего участка поверхности. Вычитая среднее по реализации, получаем временную реализацию возвышений, как у струнного волнографа. Такой подход используется, например в акустическом доплеровском измерителе течений Nortek AWAC. Другой подход вместо временной реализации возвышений поверхности позволяет перейти к непосредственному измерению интегральных параметров поверхности таких как высота значительного волнения и дисперсия наклонов морской поверхности. Причем важными особенностями является независимость результатов от диаграммы направленности антенны и глубины погружения и измерение тех же самых параметров волнения, что влияют на рассеяние электромагнитных волн той же длины. Для получения достоверной оценки требуется достаточное время усреднения отраженного импульса. Принципиально подход аналогичен применяемому в спутниковой альтиметрии, где по ширине переднего фронта отраженного импульса определяют высоту значительного волнения. При использовании широкой диаграммы направленности антенны помимо высоты значительного волнения, определяемой по форме переднего фронта отраженного импульса, может быть восстановлена дисперсия наклонов поверхности по форме заднего фронта отраженного импульса. Причем это будет дисперсия наклонов с учетом сравнительно мелких волн, начиная с нескольких длин волн излученной волны. В нашем случае в дисперсию наклонов будут вносить вклад все волны длиннее 2-4 сантиметров. Алгоритм восстановления параметров волнения по форме отраженного импульса основан на разработанной ранее теоретической модели отраженного импульса [1].
В результате получено сравнение работы двух подходов измерения параметров поверхностного волнения по данным длительных натурных измерений подводного акустического волнографа. Так же проведено исследование особенностей формирования отраженного импульса при различных состояниях водной поверхности и различном времени накопления отраженного импульса.
Авторы выражают благодарность Куклеву Сергею Борисовичу, Баранову Владимиру Ивановичу и сотрудникам Южного отделения ИО РАН за помощь в проведении экспериментальных работ на полигоне "Геленджик".
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 17-05-00939 а).