ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭТАЛОННЫХ СПЕКТРОВ ВОЛНЕНИЯ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
MEASUREMENT OF REFERENCE SPECTRA OF MARINE SURFACE EXPLORATION

Изобретение относится к области океанологии и может найти применение при контроле гидрологических процессов на морской поверхности, течений, антропогенного загрязнения шельфовых зон.
Физически аномалия взволнованной морской поверхности проявляется в изменении пространственного спектра волнения относительно тестовых (эталонных) участков. Последнее, как правило, происходит при взаимодействии между собой разнородных физических процессов: ветрового волнения и внутренних волн, выходящих на поверхность подводных течений, либо при изменении коэффициента поверхностного натяжения воды в местах загрязнений нефтепродуктами, скоплениях планктона, выбросов очистных сооружений в прибрежные зоны и т.д.
Наличие или отсутствие мелкодисперсных образований (ряби) на поверхности крупных волн развитого волнения приводит также к изменению удельной эффективной площади рассеяния морской поверхности при ее радиолокационном зондировании.
Для обнаружения аномалий подстилающей поверхности при дистанционном зондировании используют различные методы и средства.
Известен «Способ определения загрязнений морской поверхности» (Патент RU №2596628, 2016 г.) путем восстановления спектра волнения поверхности по его изображению методами Фурье-преобразования и сравнения его со спектром тестовых участков - аналог.
Способ-аналог включает выбор трасс, содержащих тестовые участки, для дистанционного зондирования с авиационного носителя автодинным радиоволновым измерителем, частотное детектирование сигнала измерителя и создание базы эталонных сигналов ветрового волнения поверхности в виде их автокорреляционных функций, одновременное получение видеоизображений участков по трассе полета цифровой, соосно установленной, видеокамерой высокого пространственного разрешения с привязкой получаемых кадров к топографическим координатам посредством навигатора системы GPS, восстановление пространственного спектра волнения методом Фурье-преобразования изображения видеокадров, вычисление взаимной корреляционной функции сигнала автодинного измерителя и видеокамеры, расчет индекса загрязнения участков через отношение ширины взаимной корреляционной функции к ширине эталонной автокорреляционной функции на уровне 0,1 от их максимального значения, формирование массива данных из этих отношений, выделение методами пространственного дифференцирования изолиний контуров индекса загрязнений с нанесением их на контурную карту акватории.
Недостатками аналога являются:
- необходимость наличия спектров тестовых (эталонных) участков на трассе зондирования;
- относительность получаемых результатов сравнения степени загрязнения при отсутствии абсолютных значений измеряемых параметров тестовых участков.
Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Радиоволновой измеритель колебаний», АС SU №1446487, G01H, 3/12, 1988 г. Ближайший аналог содержит СВЧ-генератор, первичный преобразователь и блок измерения, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности первичный преобразователь выполнен в виде волновода с мембраной на торце, установленной от его входа на расстоянии, кратном половине длины волны в волноводе, и с возможностью перемещения вдоль него, а в качестве СВЧ-генератора использован СВЧ-генератор в режиме затягивания частоты.
К числу недостатков ближайшего аналога следует отнести:
- невозможность непосредственного измерения спектра пространственного волнения морской поверхности;
- отсутствие модели балльности морского волнения с учетом степени загрязнения поверхности тестовых участков.
Задача, решаемая заявленным техническим решением, состоит в создании базы эталонных сигналов спектров морского волнения для последующей калибровки трактов дистанционного зондирования морской поверхности при расчете индекса загрязнений акваторий прибрежных зон.
Поставленная задача решается тем, что измеритель эталонных спектров волнения морской поверхности выполнен на базе СВЧ-генератора, работающего в режиме затягивания частоты, нагруженного на волновую секцию с рупорной антенной на конце для облучения морской поверхности с контролируемой степенью загрязнения и балльностью волнения; в волноводную секцию последовательно включены направленный ответвитель, аттенюатор и фазовращатель; часть энергии генератора через направленный ответвитель, выполненный в виде короткозамкнутого отреза волновода, передается в измерительный тракт из последовательно подключенных регулятора мощности и кристаллического детектора, размещенных в ответвителе, усилителя зарядов, следящего фильтра, регистратора и спектроанализатора.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - функциональная схема устройства;
фиг. 2 - характеристика затягивания частоты СВЧ-генератора;
фиг. 3 - примеры спектров пространственного волнения поверхности в зависимости от балльности а) - один балл, б) - три балла;
фиг. 4 - спектры волнения в зависимости от степени загрязненности в) - нефтяная пленка, г) - планктон, взвеси стоков прибрежных очистных сооружений.
Функциональная схема измерителя фиг.1 содержит генератор СВЧ 1, нагруженный на волноводную секцию 2 в составе направленного ответвителя 3, аттенюатора 4, фазовращателя 5, рупорной антенны 6 на конце волновой секции. Часть энергии СВЧ-генератора 1 через направленный ответвитель 3 отбирается в измерительный тракт 7 в составе объемного резонатора 8 на базе короткозамкнутого отрезка волновода с помещенным вовнутрь регулятором мощности 9 и детектором 10 на кристаллическом диоде, усилителя зарядов 11, следящего фильтра 12, регистратора 13, спектроанализатора 14. Антенна 6 служит для облучения морской поверхности 15 на участке акватории 16. Загрязнения прибрежных акваторий морской поверхности 15 моделируются взвесями (планктон, ряска), нефтяными и масляными пленками в соответствии с программой испытаний.
Динамика взаимодействия элементов измерителя состоит в следующем. В режиме затягивания частоты СВЧ-генератора достигается совмещение передающего и приемного трактов. Такие системы получили название автодинных. В автодинных системах автогенератор и объект образуют квазиединую систему, содержащую переменный параметр - меняющуюся длину радиолинии из-за волнения морской поверхности и фазы отраженного сигнала. На фиг. 2 представлено семейство кривых затягивания частоты твердотельного генератора СВЧ, выполненного на туннельном диоде Ганна Ф.225. При зондировании взволнованной морской поверхности изменяется длина радиолинии (Δl) и фаза отраженного сигнала
В результате происходит частотная модуляция генерируемого сигнала с девиацией частоты Δf:
Δf=ΔF⋅K⋅sinϕ;
ΔF - паспортная характеристика прибора (коэффициент затягивания) для Ф.225 ΔF составляет ≈50 МГц.
- коэффициент отражения падающей волны от облучаемой поверхности.
Посредством аттенюатора 4 и фазовращателя 5 выбирают рабочую точку на линейном участке характеристики затягивания фиг. 2. Спектр пространственных волн (герцовый диапазон) без искажений (линейно) переносится в область СВЧ.
Данный измеритель обладает высокими метрологическими характеристиками:
- разрешение по амплитуде (высоте) волн - доли мм;
- разрешение по частоте - определяется техническими характеристиками следящего фильтра 12 [Паспортная характеристика следящего фильтра фирмы  и Кjaer, Дания, полоса 1,5 Гц].
Часть энергии частотно-модулированного сигнала автогенератора отбирается из волноводного тракта 2 посредством направленного ответвителя 3 в измерительный тракт. Направленный ответвитель выполнен в виде щелевого моста [см, например, А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко «Антенно-фидерные устройства». М.: Сов. Радио, 1964 г., стр. 748-749, рис. ХIХ.44]. В измерительном тракте используют существующие технические средства фирмы  и Къеr: аттенюаторы М-34706-2, усилители зарядов тип 2626, 2628, регистратор тип 2307, спектроанализатор СЧ-27.
Для оценки ветрового волнения (в баллах) используют шкалу Бофорта [см., например, Советский энциклопедический словарь. Под ред. A.M. Прохорова, 4-е изд., М.: Сов. Энцикл., 1089 г., стр. 1632].
Извлечение из шкалы Бофорта представлено в таблице 1.
Зарегистрированные спектры ветрового волнения иллюстрируются графиками фиг. 3 а) - один балл, б) - три балла. В областях аномалий наблюдается выглаживание спектров ветрового волнения и поглощение мелкодисперсной ряби.
Аномалии наблюдаются в местах выхода внутренних волн на поверхность, кильватерных следах судов, при загрязнении поверхности нефтепродуктами, планктоном, ряской, взвесями и т.д., вследствие изменения коэффициента поверхностного натяжения от 0,071 н/м (чистая вода) до 0,021 н/м (нефтяная пленка).
Измеренные на модели спектры пространственного волнения загрязненной морской поверхности иллюстрируются фиг. 4 при балльности волнения 2 балла в) - нефтяная пленка, г) - взвеси.
Эффективность заявленного технического решения характеризуется высокими метрологическими показателями, достаточными для создания базы эталонных сигналов, используемой при калибровке приборов аэрокосмического зондирования прибрежных акваторий и оценки степени их загрязнения.