Для изучения и использования коротковолновой части спектра волнения в модельных построениях необходимо научиться их измерять. Однако в морских условиях измерение коротковолновой части спектра волнения в морских условиях является сложной задачей.
Морские буи, например, NDBC хорошо себя зарекомендовали при измерении длинноволновой составляющей спектра волнения (> 6-10 м). Ограничения обусловлены большими геометрическими размерами морского буя, а при выборе буя меньшего размера скорость приводного ветра не может быть измерена. Крупнейшая сеть морских буев размещена в территориальных водах США и данные архивируются национальным центром морских буев NDBC. Их сеть насчитывает более 1000 измерительных буев и активно развивается. Данные NDBC буев позволяют успешно валидировать алгоритмы тематической обработки орбитальных радиолокаторов (например, скаттерометров и альтиметров).
ADCP широко применяются для измерения спектра волнения, однако могут работать при глубинах не более 30-60 м и пространственное разрешение также составляет порядка 3-6 м. Существенным недостатком подхода является то, что он не позволяет восстановить дисперсию уклонов мелкомасштабного волнения.
Лазерные волнографы хорошо измеряют уклоны коротких волн, однако могут работать только в лабораторных условиях или при отсутствии высоких волн.
Наиболее «широкополосным» является струнный волнограф, например, волнограф установленный на океанографической платформе в Черном море (пос. Кацивели) способен измерять спектр волнения до длины волны 1-1,5 м.
В связи с этим разработка новых приборов для измерения «шероховатости» коротковолновой части спектра волнения (длина волны до 2 см) является крайне актуальной и важной. Эта информация востребована специалистами, изучающими взаимодействие атмосферы и океана, развивающими численные модели ветрового волнения.
Для этого можно воспользоваться подходом, используемым в радиолокации. В рамках этого подхода дисперсия уклонов в одном направлении может быть восстановлена по зависимости сечения обратного рассеяния от меняющегося угла падения в этом направлении. Обычно для измерения зависимости отраженной мощности от угла падения используют поворот диаграммы направленности антенны (изменение угла падения).
В данной работе представляется метод вычисления зависимости мощности отраженного излучения от угла падения без изменения ориентации антенны гидролокатора. Этот метод основан на разработанной аналитической модели формы отраженного акустического импульса и проведенном численном и экспериментальном исследовании формы импульса от параметров поверхностного волнения.
В разрабатываемом методе ориентация антенны не меняется. В основе нового метода лежит геометрия взаимодействия излученного акустического импульса с морской поверхностью. При углах близких к вертикальному зондированию, отраженный сигнал формируется участками морской поверхности, ориентированными перпендикулярно падающему излучению. На начальной стадии приема, отраженный импульс формируется отражениями от гребней морской поверхности, находящихся максимально близко к перпендикуляру из точки излучения к морской поверхности, затем область, вносящая вклад в отраженный сигнал, начинает представлять из себя круг с увеличивающимся во времени радиусом. Так как длина импульса ограничена, то с некоторого момента отраженный сигнал начинает формироваться кольцом, внешний радиус которого определяется передним фронтом импульса, а внутренний радиус определяется задним фронтом излученного импульса. С этого момента мощность отраженного сигнала определяется участком морской поверхности, наблюдаемым под увеличивающимся углом падения. В результате анализируя задний фронт отраженного импульса можно построить зависимость отраженной мощности от угла падения. Причем в отличии от механического наклона антенны в предлагаемом методе «угловая» зависимость будет определяться суммарной дисперсией уклонов поверхности, а не только в одном направлении.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-77-10089)