Волнографические измерения с помощью малогабаритных буёв: методология, валидация, перспективы миниатюризации

Основным инструментом для контактных измерений волн в морях и океанах являются волнографические буи, измерения которых являются основным источником достоверных данных о волнении, что делает их незаменимыми в различных океанографических задачах. Интенсивное использование данных, получаемых с буев, привело к созданию специализированной измерительной сети буев (National Data Buoy Center - NDBC), охватывающей значительную часть Мирового океана, а также сопутствующей индустрии по производству датчиков, используемых в таких и подобных им буях. Успешное развитие этого направления на «западе» указывает на очевидную, давно назревшую необходимость развития соответствующей отечественной отрасли науки. В последние десятилетия самое широкое распространение в робототехнике, навигации, индустрии развлечений получили инерциальные микроэлектромеханические (МЭМС)-датчики, позволяющие определять текущую ориентацию прибора по измерениям ускорений, скорости вращения и магнитного поля. Не стали исключением и волнографические буи, в которых вместо громоздких механически-стабилизированных платформ всё чаще используются инерциальные датчики, жестко привязанные к корпусу. Обратная задача - восстановление мгновенной ориентации датчика, а значит и характеристик волн - формально имеет решение при заданной начальной ориентации корпуса прибора. Однако, на практике в условиях морского волнения и конечного уровня шума измерений решение этой задачи без дополнительных допущений не представляется возможным. В связи с этим возможно построение различных методик оценки спектров волн по тем или иным комбинациям измерений. Использование миниатюрных МЭМС-датчиков позволяет радикально уменьшить размеры буя, тем самым существенно повысив верхний предел частотного диапазона регистрируемых волн. Известно, что именно короткие волны формируют сигналы активных и пассивных спутниковых сенсоров микроволнового и оптического диапазона, а также оказывают существенное влияние на процессы переноса на границе океан-атмосфера. Несмотря на это, надёжных инструментов для измерения коротких волн на сегодняшний день не существует. Малогабаритные буйковые сенсоры могли бы стать дополнительным инструментом для изучения физики коротких волн. Можно выделить два взаимосвязанных блока задач, которые планируется решить в рамках данного проекта: 1) Разработка и апробация различных методик восстановления характеристик поверхностного волнения по совместным измерениям линейных ускорений, скорости вращения и магнитного поля. 2) Оценка возможности измерения спектра ветровых волн, включая его коротковолновую часть, в натурных условиях с использованием миниатюрных инерциальных датчиков в корпусах малого размера. В проекте будут использованы весьма распространенные, недорогие и легкодоступные инерциальные МЭМС-сенсоры, широко применяемые в народном хозяйстве, например, практически повсеместно в носимых устройствах, разного рода «гаджетах» и т. п. Это обусловливает научную новизну исследований, которая заключается в том, что вместо готовых продуктов (например, спектральных моментов), получаемых с помощью традиционных узкоспециализированных датчиков, будут анализироваться исходные измерения векторов ускорений, скорости вращения и магнитного поля, что позволит определить оптимальный подход для обработки таких данных. В случае успешной реализации миниатюрного образца буйкового волнографа, позволяющего проводить измерения в том числе и коротких волн (с длинами, сопоставимыми с размером датчика), будут получены натурные данные, имеющие собственную научную ценность, поскольку исследования такого рода в натурных условиях довольно сложны и немногочисленны.