Измерение дисперсии вертикальной составляющей орбитальной скорости поверхностного волнения акустическим волнографом

Развитие методов измерения статистических параметров волнения имеет важное значение для исследования различных процессов на водной поверхности и описания состояния приповерхностного слоя. В докладе рассматривается задача измерения статистических параметров крупномасштабного волнения дистанционным методом за счет анализа спектральных характеристик отраженного акустического сигнала.
Традиционно для определения параметров волнения используются струнные волнографы, способные измерять частотно-угловой спектр возвышений. Статистические параметры волнения вычисляются интегрированием по измеренному спектру волнения.
Предложен способ непосредственного измерения статистических характеристик волнения с помощью акустического доплеровского гидролокатора, ориентированного вертикально вверх. Преимущество предлагаемого способа связано с отсутствием необходимости жестко закреплять измерительную систему, как требуется для струнного волнографа, во время измерений и, следовательно, измерения могут проводиться в любом интересующем нас месте. Задавая конфигурацию акустической системы можно обеспечить измерение всех статистических параметров волнения второго порядка.
Для проведения первых экспериментов был разработан доплеровский гидролокатор с длиной волны 8 мм и широкой диаграммой направленности антенны. В ходе эксперимента измерения проводились при погружении гидролокатора на дно и ориентации антенны вертикально вверх. Наличие в измерительной системе только одной приемно-передающей антенны позволяет измерить только одну статистическую характеристику волнения.
Алгоритм восстановления основан на зависимости доплеровского спектра отраженного сигнала от основных статистических характеристик волнения. Численное моделирование показало, что для неподвижного гидролокатора основной вклад в ширину доплеровского спектра вносит дисперсия вертикальных составляющих орбитальных скоростей, поэтому мы можем оценить ее с приемлемой точностью.
Для проверки алгоритма были обработаны реальные данные, полученные в ходе экспериментов с корабля на Горьковском водохранилище. Сравнение с результатами численного моделирования подтвердило их работоспособность.
Перспективная акустическая система будет включать несколько антенн с двумя ножевыми, широкой и узкой диаграммами направленности, используя которые можно будет восстановить все основные статистические характеристики волнения.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 10-05-00181-а и 11-05-97014-р-п-а) и программы ОФН РАН «Радиофизика».