Автономный акустический волнограф измеряет высоту волн и толщину льда прямо из-под воды — там, где спутники бессильны, а постоянных станций нет.
Спутник видит океан не всегда. Поверхность — почти никогда напрямую.
Дистанционное зондирование зависит от погоды: облачность, осадки и атмосферные помехи делают снимки непригодными. Добавьте периодичность пролётов и погрешности калибровки — и станет ясно, зачем нужны подспутниковые измерения прямо с поверхности воды.
Разработать и испытать автономный акустический волнограф для комплексного мониторинга волнового и ледового режима удалённых акваторий.
Шесть шагов: от литературы до открытого моря
Четыре инструмента — от спутника до статистики
Спектрорадиометрия
Анализ снимков NASA Terra MODIS для оценки ледового режима исследуемых водоёмов.
Акустические измерения
Прибор излучает импульс и принимает отражённый от границы раздела двух сред сигнал. По параметрам отражённого сигнала восстанавливаются статистические характеристики поверхности.
Эксперимент
Полный цикл: сборка устройства, испытания в лаборатории, бассейне и морской акватории.
Математика и статистика
Обработка данных, оценка точности измерений и анализ изменений волнового и ледового режима.
Большую часть времени акватории закрыты облаками
Мы взяли снимки NASA Terra MODIS и попытались оценить ледовую обстановку. Очень быстро выяснилось: по одним оптическим снимкам непрерывно отслеживать лёд невозможно — особенно в Арктике и Антарктиде, где облачность перекрывает поверхность. Смотрите сами: сканер идёт по акватории, а под лучом — облако.
Ледовый период сокращается по всем водоёмам
Продолжительность ледостава для трёх крупных озёр устойчиво падает вслед за ростом средних температур. Тенденция подтверждает необходимость постоянного мониторинга. Но полагаться только на спутники нельзя. Чтобы следить за изменениями ледового периода, наведите курсор на график.
Радар видит лёд сквозь облака и полярную ночь
В отличие от оптики, радиолокационные данные почти не зависят от погоды. Мы сопоставили треки радара GPM DPR с картой сплочённости льда AMSR2 над Антарктидой: на кромке льда коэффициент обратного рассеяния σ⁰ меняется закономерно — радар физически чувствует границу вода-лёд.
Пространственная привязка
При переходе от открытой воды к льду σ⁰ возрастает из-за смены шероховатости — это позволяет отбирать измерения именно по морскому льду.
σ⁰ ↑ на кромке льдаКомплексная обработка
Сила подхода не в отдельном спутнике, а в совместной обработке нескольких источников: она даёт достоверную картину радиолокационных свойств льда.
Что происходит на самой поверхности
Как измеряют волны
В отличие от буйковых станций, струнных волнографов и ADCP, которые обычно требуют жёсткого крепления и дают точечные измерения, мы делаем ставку на автономный акустический волнограф: он работает в толще воды, собирает статистику по поверхности и не нуждается в обслуживании, что особенно важно для удалённых районов.
Как измеряют толщину льда
Наш прибор измеряет толщину льда напрямую, фиксируя расстояние между двумя границами — лёд–воздух и вода–лёд, что позволяет получать данные без косвенных расчётов. При этом регистрируемый сигнал несёт дополнительную информацию о внутреннем строении ледяного покрова, включая возможные неоднородности и слоистость.
Два устройства работают в связке
Автономный акустический волнограф
Излучает импульс и принимает эхо от границы раздела сред. По времени прихода и форме сигнала вычисляет высоту волн, их статистику и толщину льда.
Подводный дрон
Несёт прибор и обеспечивает позиционирование. Волнограф закрепляется на специальную конструкцию, а балансировочный груз задаёт правильную ориентацию в воде.
Отправьте импульс — и посмотрите на эхо
От воды приходит один пик. От льда — два: сигнал отражается сразу от двух границ, лёд-вода и лёд-воздух. Переключите поверхность и жмите «Импульс».
Python-модуль восстанавливает волнение и лёд
Программа находит максимумы волнения, считает средний отражённый импульс, средний уровень поверхности и значимую высоту волн, а для льда ищет расщепление сигнала на два пика. Расчётный импульс подгоняется к экспериментальному подбором дисперсии уклонов — прямо как на этой анимации.
Значение, при котором расчётная кривая совпала с экспериментальной. Фиолетовая — эксперимент, бирюзовая — модель. Совпадение подтверждает корректность математической модели и точность прибора.
| Параметр | Запись 17.11.23 | Запись 23.11.23 | Запись 26.11.23 |
|---|---|---|---|
| H, м | 23.7 | 23.8 | 23.7 |
| SWH, м | 1.6 | 0.8 | 5.1 |
Шторм поднял уровень моря почти на метр
ПО отлаживалось на реальных записях со шторма на черноморском побережье — их вела более ранняя, неавтономная версия прибора с похожим форматом данных. Мы обработали все 75 файлов: средний уровень поверхности за шторм вырос почти на метр — это ветровой нагон, а SWH (высота самых мощных волн) взлетела до рекордных значений. Чтобы следить, ведите курсором по графикам.
От бассейна до открытого моря
Прибор закрепили с помощью разработанного нами крепления на подводном дроне, добавили балансировочный груз и прошли полный цикл испытаний: бассейн и море. Записи, полученные в ходе экспериментов, обработали через наше ПО. ПО отработало правильно - получили средний импульс и волнение в условиях испытаний.
бассейн 
бассейн 
бассейн 
море 
море 
море Видео с подводных испытаний
Взгляд в иллюминатор: связка «подводный дрон + волнограф» уходит под воду, и гидрофон начинает писать отражённый импульс. Здесь — кадры, снятые во время морских испытаний.
Задачи выполнены. Система работает
Ограничения спутников выявлены: облачность и периодичность пролётов делают подспутниковые измерения обязательными.
ПО разработано: модуль на Python восстанавливает волнение (H, SWH) и толщину льда из акустического сигнала.
Прибор создан и испытан: автономный волнограф на базе подводного дрона прошёл бассейн и морскую акваторию.
Модель подтверждена: расчётный импульс совпал с экспериментальным при σ² = 0.02.
Метод двух границ работает: толщина льда измеряется напрямую, точнее пересчёта через уровень воды.
Комплексный мониторинг возможен: спутник + радар + волнограф обеспечивают комплексный мониторинг удалённых акваторий.
Кто стоит за проектом
Восемь человек, одна лаборатория и один подводный дрон. Ниже — все, кто собирал, программировал, погружал и вытаскивал прибор обратно.
фото 01
фото 02
фото 03
фото 04
фото 05
фото 06
фото 07
фото 08
общее фото команды
подставьте src в <img> Спасибо за внимание!
Мы не только выявили ограничения спутниковых методов, но и собрали автономную систему: акустический волнограф, подводную платформу-носитель и специализированное ПО. Вместе они открывают комплексный мониторинг там, где традиционные методы не работают.
