Достижения и трудности лазерных методов измерения параметров морского волнения

В рамках гранта РНФ проводятся комплексные эксперименты по исследованию сложных и неоднозначных связей между тремя физическими процессами: приводным ветром, структурой ветровых волн и собственным микроволновым излучением на границе морской поверхности и атмосферы. Отличительной особенностью этих исследований является то, что особое внимание уделяется регистрации капиллярной составляющей морского волнения, которая нередко вносит определяющий вклад в рассеяние микроволн и излучение морской поверхности. Эти исследования носят фундаментальный характер, поскольку необходимы для решения сложных многопараметрических задач оптического и микроволнового зондирования Земли из космоса или борта летательных аппаратов.
В докладе обсуждаются успехи, достигнутые в разработке новых лазерных методов сканирования морской поверхности и получения основных характеристик ветровых волн. Отмечается, что лазерное сканирование совместно с видео регистрацией профиля поверхности в настоящее время позволяет получать одномерные и ортогональные профили протяженностью свыше 1,5 метров и частотой обновления 30-60 кадров в секунду. При этом удается корректировать профили и приводить их к единому моменту времени с точностью до 0,1 мс. На основе полученных изображений можно получать: одноточечные временные спектры с очень малыми шумами до частот 30 Гц; двумерные распределения уклонов на интервале масштабов от 2 метров до 5 мм; одномерные и двумерные пространственные спектры; капиллярные колебания амплитудой до 80 мкм. Следует отметить, что столь малые амплитуды колебаний не всегда удается измерить даже в бассейне.
Достоинством разработанных методов являются: их прямой характер, возможность их использования в качестве эталона при валидации многих косвенных методов измерения волнения, дистанционный характер измерений, отсутствие влияние ветра и течения, возможность измерений, как ночью, так и днем.
Как у любого метода измерений в предложенном методе имеются ограничения и трудности. В докладе обсуждаются ограничения, связанные с трудностью автоматической обработки видео кадров при сильном ветре, появлении пены, брызг, обрушений, при большой амплитуде волнения. Очевидны сложности и при дневных измерениях, обусловленные засветками от ярких облаков. Весьма непросто проводить регистрацию капиллярных волн. Обсуждаются методы, которые помогают решать некоторые из возникающих проблем.
В докладе все достижения и проблемы иллюстрируются результатами натурных измерений на платформе гидрофизического полигона, которая расположена в поселке Кацивели, Крым.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 23-17-00189.