Радиолокационное рассеяние в Ка -диапазоне на обрушающихся волнах на воде, покрытой полиэтиленовой пленкой. Лабораторное и численное моделирование

Актуальность задач дистанционной диагностики пластикового мусора (ПМ) в океане и внутренних водоемах с использованием радиолокаторов СВЧ-диапазона обусловлена нарастающим уровнем загрязнения пластиком водной среды. Короткие ГКВ, определяющие рассеяние микроволн, уже при небольших и умеренных ветрах характеризуются достаточно сильной нелинейностью, которая, в частности для волн дм-диапазона длин, проявляется как обрушения типа spilling. Радиолокационное (РЛ) рассеяние на обрушающихся волнах на чистой воде изучалось в целом ряде работ, однако, к настоящему времени практически отсутствуют исследования как собственно процессов обрушения ГКВ, так и рассеяния СВЧ излучения на обрушающихся волнах при наличии ПМ - плавающих пластиковых пакетов, пленок, и пр. В работе представлены результаты первых лабораторных исследований по данной проблеме, в которых ПМ моделируется плавающими на поверхности полиэтиленовыми (ПЭ) пленками.
Эксперименты проводились в овальном ветровом бассейне ИПФ РАН с использованием когерентного скаттерометра (рабочая длина волны 8,7 мм) при зондировании на вертикальной и горизонтальной поляризациях и умеренных углах падения, струнных волнографов, системы визуализации профиля волн со специальной лазерной подсветкой и видеосъемки. Обрушение ГКВ достигалось в результате дисперсионной фокусировки генерируемого волнопродуктором пакета волн с линейно меняющейся частотой. Характерная длина обрушающейся волны была порядка 70 см. Обработка данных включала оцифровку профилей обрушающихся ГКВ, анализ спектров и интенсивности РЛ сигналов на вертикальной и горизонтальной поляризациях для чистой поверхности и в присутствии ПЭ плёнок различной толщины.
Получено, что ПЭ плёнки сглаживают профиль обрушающейся волны (spilling breaker), при этом слабо влияя на процесс укручения ее профиля при длинах ПЭ пленки порядка длин обрушающихся волн. В моменты, близкие к обрушению, углы наклона переднего склона ГКВ оказываются достаточно большими, что обеспечивает условия для квазизеркального отражения зондирующего микроволнового излучения. Это подтверждают и результаты численного моделирования динамики ГКВ большой крутизны, выполненного в пакете “OpenFoam”. Показано, что спектр РЛ сигнала, рассеянного из области обрушений меняется по частоте и интенсивности в зависимости от типа ПЭ плёнки на воде, при этом поляризационное отношение сигнала на вертикальной и горизонтальной поляризациях сохраняется близким к единице.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-17-00167). https://rscf.ru/project/23-17-00167/