Определение параметров и направления волнения с помощью акустического волнографа

В настоящее время космическая радиолокация предоставляет основной объем информации о приповерхностном слое Мирового океана. Однако использование радиолокационных данных невозможно без проведения постоянной валидации и верификации восстанавливаемой "тематической" информации. Для этого используют данные контактных измерений, получаемые, в частности, с помощью волнографов (см., например, [1]) и морских буев, расположенных в разных акваториях Мирового океана [2].
Данные морских буев применяют для валидации и верификации алгоритмов обработки радиолокационных данных и восстановления тематической информации. Однако использование буев затруднено в замерзающих водоемах и во время штормов. Для всепогодного мониторинга ветрового волнения предлагается использовать подводный акустический волнограф.
Акустический волнограф устанавливается на дне или на подводной плавучей платформе вблизи дна и зондирование выполняется вертикально вверх. В прототипе «Кальмар», работавшем на полигоне «Геленджик» в Черном море в 2020 году был установлен импульсный канал и один доплеровский канал. Приемо-передающая антенна импульсного гидролокатора ориентирована вертикально вверх, на морскую поверхность, антенна доплеровского гидролокатора отклонена на 5 градусов от направления в зенит. Прибор позволяет определить спектр волнения, высоту волн и дисперсию уклонов, а также доплеровский спектр отраженного акустического сигнала.
В работе проведено сравнение высот волн, измеренных в августе 2020 года акустическим волнографом "Кальмар", с измерениями волномерного буя Spotter, установленного в 7 км от него. Показано, что для волн, идущих с моря, высоты волн, измеренных волномерным буем и акустическим волнографом, коррелируют. Если теперь сравнить смещения доплеровских спектров для высот 0.2-0.4 м и направления волнения, измеренные буем, можно будет определить, как ориентирован волнограф относительно сторон света.
Результаты численного моделирования доплеровского спектра сигнала, отраженного водной поверхностью, показано, что смещение доплеровского спектра сильно зависит от азимутального угла и существует однозначная зависимость смещения доплеровского спектра от угла между направлением волнения и направлением зондирования. При зондировании перпендикулярно волнению смещение доплеровский спектр становится равным 0. По двум измерениям смещения доплеровского спектра при одном угле падения (около 5 градусов) при условии выполнения измерений для перпендикулярных направлений, можно однозначно определить направление волнения. Новый прототип акустического волнографа, установленный в 2021 вблизи океанографической платформы в Черном море около пгт. Кацивели, оснащен двумя доплеровскими каналами, в дальнейшем его измерения позволят уточнить метод определения направления волнения по доплеровскому спектру.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ MK-1130.2020.5 и госзадания 0030-2021-0005.