Исследование рассеяние микроволнового излучения X-диапазона на обрушениях волн в рамках лабораторного эксперимента

Доклад посвящен серии лабораторных экспериментов по исследованию влияния обрушений поверхностных волн на интенсивность и спектральные характеристики рассеянного радиолокационного сигнала.
Эксперименты проводились на реконструированном Ветро-волновом канале (ВВК) ИПФ РАН. Канал имеет длину 12 м, сечение канала изменяется с 0.7 м х 0.7 м на входе до 0.7 м х 0.9 м в рабочей секции на расстоянии 9 м за счёт наклонной крышки. Такая конструкция сохраняет эффективную площадь сечения вдоль формирования пограничного слоя, что позволяет поддерживать отсутствие градиента скорости на оси канала и, соответственно, давления. Скорость воздушного потока на оси составляет 3-35 м/с, что соответствует величинам приведенной к высоте 10 м скорости ветра 11-50 м/с.
Характеристики волнения в канале измерялись антенной их трех волнографов резистивного типа, расположенными в углах треугольника равной стороны со стороной 2,5 см, частота дискретизации данных составляла 200 Гц. Такая система позволяет восстанавливать пространственно-временные спектры поверхностных волн: от частоты волны, волнового числа и угла относительно направления ветра. Верхний предел спектра волновых чисел определяется расстоянием между волнографами в антенне и равен 1,25 рад/см.
Измерение параметров воздушного потока производилось градиентным методом. Для этого в рабочей секции производились измерения профилей скорости с помощью S-образной трубки Пито. Для определения параметров пограничного слоя атмосферы использовался алгоритм, основанный на автомодельности профиля скорости в канале.
Микроволновые измерения проводились с помощью когерентного допплеровского скаттерометра Х-диапазона с длиной волны 3,2 см с последовательным приемом линейных поляризаций. Антенна скаттерометра представляла собой пирамидальный рупор с квадратным сечением 224 мм x 224 мм и длиной 680 мм, который был оснащен разделителем ортогональных поляризаций (ОМТ) с разделением поляризаций более чем 40 дБ; ширина диаграммы направленности составляла 9 градусов. Абсолютное значение эффективной площади рассеяния (ЭПР) взволнованной поверхности воды определялось путем сравнения рассеянного сигнала с сигналом, отраженным от калибратора с известным значением ЭПР – металлического шарика диаметром 6 см. Окно наблюдения имело размеры 40 см x 40 см, угол падения составлял 30, 40 и 50 градусов в направлении навстречу ветру, расстояние до середины области измерения составляло 3,15 м, крышка рабочей части была изготовлена из радиопрозрачного материала (полистирола) толщиной 10 мм.
Были проведены 2 серии экспериментов. В первом случае исследовалось чисто ветровое волнение на глубокой воде, развивающееся под действием генерируемого вентилятора ветра. Во втором случае при включенном вентиляторе при помощи волнопродуктора в начале канала запускался цуг из трёх волн, а перед областью измерений под водой размещалась наклонная пластина, имитирующая выход на мелководье. В результате обрушение волн происходило в фиксированной точке и при более слабых ветрах по сравнению с чисто ветровой накачкой.
В результате было отмечено усиление интенсивности обратного рассеяния при искусственном обрушении волн в случае слабых ветров, при этом для сильных ветров эффект оказался незначительным, несмотря на увеличившуюся амплитуду исследуемых волн. Так же представлен анализ спектрограмм доплеровского сигнала, полученного от области обрушения.
Работа Байдакова Г.А., связанная с проведением радиолокационных измерений выполнена при поддержке гранта РНФ 20-77-00097. Работа Вдовина М.И., связанная с контактными измерениями выполнена при поддержке Гранта Президента МК-144.2019.5.