Концепция подводного ультразвукового акустического высотомера

В настоящее время для дистанционного измерения высоты значительного волнения активно применяются спутниковые радиолокационные высотомеры (радиоальтиметры). Достоинством радиоальтиметра является высокая точность измерений и простой алгоритм обработки. Принцип измерения высоты волнения основан на анализе поведения переднего фронта отраженного импульса, что предъявляет высокие требования к радиолокатору по длительности зондирующего импульса и разрешению по дальности.
В ходе наземных экспериментов в морских условиях организовать аналогичные радиолокационные измерения высоты волнения крайне сложно, т.к. зондирование необходимо проводить вертикально вниз неподвижным радиолокатором. Оптимальным местом размещения радиолокационного высотомера является морская платформа, но в настоящее время в территориальных водах России нет ни одной научной гидрофизической платформы.
В наших предыдущих работах были рассмотрены возможности подводного доплеровского акустического волнографа для измерения параметров волнения. Было показано, что по сечению обратного рассеяния и ширине доплеровского спектра можно восстановить все статистические моменты второго порядка: дисперсии наклонов крупномасштабного волнения в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, дисперсию вертикальной составляющей орбитальной скорости и коэффициенты корреляции вертикальной составляющей орбитальной скорости и наклонов.
В данной работе обсуждается концепция подводного акустического гидролокатора, способного измерять высоту значительного волнения. Преимущество акустических волн, по сравнению с электромагнитными, связано с существенно более низкой скоростью распространения звука в воде, что снижает технические требования к гидролокатору по сравнению с радиоальтиметром, а размещение прибора под водой снимает сложности с его установкой в интересующей исследователя акватории. Гидролокатор может быть закреплен на подводном поплавке (платформе), что обеспечит вертикальную ориентацию антенны. В результате гидролокатор становится акустическим высотомером, измеряющим средний уровень водной поверхности и высоту значительного волнения.
Была построена теоретическая модель формы отраженного импульса акустического сигнала и выполнено исследование зависимости формы импульса от глубины погружения гидролокатора, ширины диаграммы направленности антенны и параметров волнения. Проведенный анализ показал, что принципиальное отличие акустического ультразвукового высотомера от радиолокационного связано с необходимостью использования широкой или ножевой диаграммы направленности антенны. Акустический высотомер с узкой диаграммой направленности антенны (как у радиоальтиметра) не способен измерять высоту значительного волнения.
Показано, что акустический ультразвуковой высотомер сможет измерять не только высоту значительного волнения, но и дисперсию наклонов крупномасштабного волнения. В результате можно будет оценить среднюю длину волны в спектре волнения, что расширяет возможности мониторинга поверхностного волнения.
Были проведены первые эксперименты с подводным ультразвуковым акустическим высотомером (длина волны 8 мм), которые подтвердили теоретические выводы. Планируется проведение цикла измерений для проверки работоспособности алгоритмов обработки, сравнение результатов с данными струнного волнографа и получение количественных оценок точности нового прибора.

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проекты № 13-05-00852а, программой ОФН РАН «Радиофизика» и гранта Правительства Российской Федерации (договор № 11.G34.31.0048).