Высокоточный лазерный интерферометрический измеритель подводного давления на океанографической платформе в Черном море

Г. И. Долгих1, В. А. Дулов2, ✉, В. А. Чупин1, А. В. Гармашов2, В. А. Швец1, С. В. Яковенко1, А. А. Латушкин2, О. Т. Каменев3

1 Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток, Россия

2 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

3 Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток, Россия

✉ e-mail: dulov1952@gmail.com

Аннотация

Цель. В работе представлен эксперимент по пробному запуску высокоточного лазерного интерферометрического измерителя подводного давления в морской среде (ЛИПДМС) на океанографической платформе Морского гидрофизического института РАН в Черном море в октябре — ноябре 2024 г. Сверхвысокая чувствительность прибора приводит к зависимости его характеристик от условий работы, прежде всего от глубины погружения и температуры воды. Основная цель работы — выполнить калибровку прибора с учетом условий его функционирования на платформе. Для этого необходимо было решить нетривиальную самостоятельную задачу — экспериментально оценить передаточную функцию, связывающую частотные спектры возвышений морской поверхности и флуктуации давления на глубине 27 м.

Методы и результаты. Особенностью прибора ЛИПДМС является практически неограниченный динамический диапазон при сохранении высокой чувствительности, для чего используется оригинальная система регистрации данных. В настоящем исследовании предложен алгоритм извлечения данных из сырых записей. Анализ всего массива данных проведен классическими спектральными методами. Обнаружено сильное влияние температуры воды на сигнал давления, выражающееся в их высокой когерентности на всех периодах, превышающих 30 с, и связанное, по-видимому, с температурным расширением элементов конструкции. Экспериментально исследована связь флуктуации давления на глубине 27 м с возвышениями морской поверхности, синхронно измеряемыми с платформы волнографом, и дана оценка соответствующей передаточной функции. Волнографические записи позволили выполнить сквозную калибровку ЛИПДМС.

Выводы. Влияние температуры воды на сигнал ЛИПДМС требует уточнения его механизма и разработки средств его учета или подавления. Прямая экспериментальная оценка передаточной функции от спектров поверхностных волн к спектрам флуктуаций давления, измеряемого ЛИПДМС, показала линейную связь, которая описывается классической формулой линейной теории гравитационных волн на воде промежуточной глубины. Калибровка ЛИПДМС, выполненная для глубины 27 м и диапазона температуры воды от 15 до 9 °С, позволяет переводить сигнал прибора в физические единицы давления (Па) и использовать полученные данные как калиброванные измерения придонного давления на временны́х масштабах ниже 30 с. Устройство ЛИПДМС показало в целом стабильное функционирование при относительно длительной работе на океанографической платформе в сложных метеоволновых условиях, характерных для осеннего сезона в Черном море.

Ключевые слова

лазерные интерферометрические измерители, высокоточный датчик подводного давления, океанографическая платформа Морского гидрофизического института РАН, натурные морские измерения, поверхностные волны на промежуточной глубине, флуктуации подводного давления

Благодарности

Авторы выражают благодарность заведующему лабораторией прикладной физики моря Морского гидрофизического института РАН Ю. Ю. Юровскому за обеспечение эксперимента волнографическими и метеорологическими данными и за полезные обсуждения работы. Финансирование исследований выполнялось по договору ЕП-19/2025 от 29 апреля 2025 г. в рамках проекта Министерства науки и высшего образования РФ «Исследование процессов и закономерностей возникновения, развития и трансформации катастрофических явлений в океанах и на континентах методами сейсмоакустического мониторинга» (№ 075-15-2024-642 от 12 июля 2024 г.).

Для цитирования

Высокоточный лазерный интерферометрический измеритель подводного давления на океанографической платформе в Черном море / Г. И. Долгих [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2025. Т. 41, № 6. С. 823–842. EDN BDAPJS.

Dolgikh, G.I., Dulov, V.A., Chupin, V.A., Garmashov, A.V., Shvets, V.A., Yakovenko, S.V., Latushkin, A.A. and Kamenev, O.T., 2025. High-Precision Laser Interferometric Underwater Pressure Meter at the Oceanographic Platform in the Black Sea. Physical Oceanography, 32(6), pp. 841–860.

Список литературы

  1. Цифровая система регистрации лазерно-интерференционных установок / Долгих Г. И. [и др.] // Приборы и техника эксперимента. 2008. № 5. С. 158–159. EDN JRFQMP.
  2. Лазерный гидрофон на основе зеленого лазера LCM-S-111 / Долгих Г. И. [и др.] // Приборы и техника эксперимента. 2013. № 5. С. 140–141. EDN QZDFZF. https://doi.org/10.7868/S0032816213040216
  3. Лазерный измеритель вариаций давления гидросферы / Долгих Г. И. [и др.] // Приборы и техника эксперимента. 2005. № 6. С. 137–138. EDN HSJOFV.
  4. Яковенко С. В., Будрин C. С., Швец В. А. Измеритель флуктуаций давления // Международный научно-исследовательский журнал. 2018. № 12–1 (78). C. 141–145. EDN YSUKBN. https://doi.org/10.23670/IRJ.2018.78.12.025
  5. Определение областей формирования волн «предвестников» тайфунов, проходящих над Восточно-Китайским и Японским морями / Долгих Г. И. [и др.] // Доклады Российской академии наук. Науки о Земле. 2023. Т. 513, № 2. С. 245–249. EDN BJDFJW. https://doi.org/10.31857/S2686739723601576
  6. Особенности взаимодействия инфрагравитационных и ветровых морских волн / Долгих Г. И. [и др.] // Подводные исследования и робототехника. 2023. № 2 (44). С. 57–66. EDN PAIRBR. https://doi.org/10.37102/1992-4429_2023_44_02_05
  7. Study of Free Oscillations of Bays in the Northwestern Part of Posyet Bay / V. Chupin [et al.] // Journal of Marine Science and Engineering. 2022. Vol. 10, iss. 8. 1005. https://doi.org/10.3390/jmse10081005
  8. Яковенко С. В. Система учета температурной погрешности показаний интерферометра автономного лазерного измерителя колебаний давления // Фотоника. 2020, T. 14, № 6. C. 532–537. EDN UKHRRA. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.6.532.537
  9. Ветровые волны в прибрежной зоне Южного берега Крыма — оценка качества моделирования на основе морских натурных измерений / М. В. Шокуров [и др.] // Океанология. 2016. Т. 56, № 2. С. 230–241. EDN VRYSVD. https://doi.org/10.7868/S0030157416020192
  10. Смолов В. Е., Розвадовский А. Ф. Применение платформы Arduino для регистрации ветровых волн // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 4. С. 467–479. EDN AKIIBG. https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-4-467-479
  11. Экстремальный черноморский шторм в ноябре 2023 года / В. А. Дулов [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2024. Т. 40, № 2. С. 325–347. EDN ESLTYQ.
  12. Dulov V., Kudryavtsev V., Skiba E. On fetch- and duration-limited wind wave growth: Data and parametric model // Ocean Modelling. 2020. Vol. 153. 101676. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2020.101676
  13. Юровский Ю. Ю., Кудинов О. Б. Волноизмерительный буй-логгер для прибрежных исследований // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2025. № 3. С. 115–127. EDN UVGARW.
  14. Bishop C. T., Donelan M. A. Measuring waves with pressure transducers // Coastal Engineering. 1987. Vol. 11, iss. 4. P. 309–328. https://doi.org/10.1016/0378-3839(87)90031-7
  15. Заславский М. М., Красицкий В. П. О пересчете данных волнографа с датчиком давления на спектр поверхностных волн // Океанология. 2001. Т. 41, № 2. С. 195–200.
  16. On the recovery of surface wave by pressure transfer function / C.-H. Tsai [et al.] // Ocean Engineering. 2005. Vol. 32, iss. 10. P. 1247–1259. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2004.10.020
  17. Bonneton P., Lannes D. Recovering water wave elevation from pressure measurements // Journal of Fluid Mechanics. 2017. Vol. 833. P. 399–429. https://doi.org/10.1017/jfm.2017.666
  18. Marino M., Rabionet I. C., Musumeci R. E. Measuring free surface elevation of shoaling waves with pressure transducers // Continental Shelf Research. 2022. Vol. 245, iss. 4. 104803. https://doi.org/10.1016/j.csr.2022.104803
  19. Constantin A. On the recovery of solitary wave profiles from pressure measurements // Journal of Fluid Mechanics. 2012. Vol. 699. P. 376–384. https://doi.org/10.1017/jfm.2012.114
  20. Clamond D., Henry D. Extreme water-wave profile recovery from pressure measurements at the seabed // Journal of Fluid Mechanics. 2020. Vol. 903. R3. https://doi.org/10.1017/jfm.2020.729
  21. Восстановление поверхностных волн по измерениям вариаций давления на морском дне / К. И. Кузнецов [и др.] // Вестник Московского областного государственного университета. Серия Естественные науки. 2013. № 3. С. 110–117. EDN REIARD.
  22. Slunyaev A. V., Kokorina A. V., Klein M. Nonlinear dynamic pressure beneath waves in water of intermediate depth: Theory and experiment // European Journal of Mechanics – B/Fluids. 2022. Vol. 94. P. 155–170. https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2022.02.007
  23. Hasselmann K. A statistical analysis of the generation of microseims // Reviews of Geophysics. 1963. Vol. 1, iss. 2. P. 177–210. https://doi.org/10.1029/RG001i002p00177
  24. Farrell W. E., Munk W. What do deep sea pressure fluctuations tell about short surface waves? // Geophysical Research Letters. 2008. Vol. 35, iss. 19. L035008. https://doi.org/10.1029/2008GL035008
  25. Ardhuin F., Gualtieri L., Stutzmann E. Physics of Ambient Noise Generation by Ocean Waves // Seismic Ambient Noise / Eds. N. Nakata, L. Gualtieri, A. Fichtner. Cambridge : Cambridge University Press, 2019. P. 69–108. https://doi.org/10.1017/9781108264808.005
  26. Measurement and prediction of ultralow frequency ocean ambient noise off the eastern US coast / D. K. Wilson [et al.] // The Journal of the Acoustical Society of America. 2003. Vol. 113, iss. 6. P. 3117–3133. https://doi.org/10.1121/1.1568941
  27. Cavaleri L. Wave measurement using pressure transducer // Oceanologica Acta. 1980. Vol. 3, iss. 3. P. 339–345.
  28. Розвадовский А. Ф. Применение платформы Raspberry Pi для автоматизации натурных измерений морской среды, передачи и хранения полученных данных // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2024. № 4. С. 117–130. EDN NDHYGJ.
  29. Bendat J. S., Piersol A. G. Random Data: Analysis and Measurement Procedures / Eds. J. S. Bendat, A. G. Piersol. New Jersey : John Wiley & Sons, Inc., 2010. 640 p. (Wiley Series in Probability and Statistics). https://doi.org/10.1002/9781118032428
  30. Thomson R. E., Emery W. Data Analysis Methods in Physical Oceanography, Third and revised edition. Netherlands, Amsterdam : Elsevier Science, 2014, 729 p. https://doi.org/10.1016/C2010-0-66362-0
  31. Thompson R. Coherence Significance Levels // Journal of Atmospheric Sciences. 1979. Vol. 36, iss. 10. P. 2020–2021. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1979)0362020:CSL2.0.CO;2
  32. Kennedy J., Eberhart R. Particle Swarm Optimization // Proceedings of the IEEE International Conference on Neural Networks, 4. Perth, Australia, 1995. P. 1942–1948. http://dx.doi.org/10.1109/ICNN.1995.488968

Скачать статью в PDF-формате

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.