УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТНОГО ВОЛНЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к радиоокеанографии и предназначено для неконтактных измерений характеристик поверхностного волнения радиолокационными средствами.

Известно устройство, в которое входит импульсная РЛС с индикатором кругового обзора (ИКО) и фотоаппарат (Дремлюк В.В. Об определении некоторых элементов морских волн с помощью радиолокатора. - Труды Арктического и антарктического научно-исследовательского института, 1961, т. 210, вып. 1, с. 135-138).

Надводная обстановка отображается на экране ИКО. Изображения на ИКО фотографируют и на основании анализа этих снимков определяют характеристики поверхностного волнения. Зона эхо сигналов от морской поверхности на ИКО имеет форму овала, причем наибольшая ее часть расположена с наветренной стороны. Генеральное направление распространения волн определяют по круговой шкале радиолокатора на фотографиях. Для определения длины волны производят измерение расстояния между гребнями волн непосредственно на фотоснимке экрана радиолокатора с учетом масштаба изображения. Период волн определяют путем фиксации промежутка времени, за который через одну и ту же точку экрана пройдут два последовательных импульса от подветренных склонов волн.

Однако такое устройство может быть реализовано только на базе РЛС с высокой разрешающей способностью, обеспечивающей раздельное изображение на ИКО поверхностных волн, и не может быть реализовано при использовании РЛС с низкой разрешающей способностью. Кроме того, результата измерения и его точность в значительной степени зависят от квалификации и опыта оператора.

Указанный недостаток устраняется при использовании устройства для измерения характеристик поверхностного волнения, содержащего антенну, поворотное устройство антенны, датчик углового положения антенны, приемопередатчик, соединенный с антенной, синхронизатор, блок формирования стробирующих импульсов, соединенные последовательно детектор огибающей, нормализатор, интегратор и регистратор, в котором выход синхронизатора соединен с соответствующими входами приемопередатчика и блока формирования стробирующих импульсов, вход детектора огибающей - с выходом приемопередатчика, а выход блока формирования стробирующих импульсов - с управляющим входом детектора огибающей (Жилко Е.O., Поправко А.Ф., Шаронин В.М. Измерение волнения при помощи береговых РЛС. В сб. "Неконтактные методы измерения океанографических параметров". М.: Гидрометеоиздат, 1975, с. 91-96), которое по совокупности существенных признаков наиболее близко к заявленному и принято за прототип.

В данном устройстве видеосигнал с выхода приемопередатчика поступает на детектор огибающей, который запоминает амплитудное значение сигнала только в моменты поступления строб-импульсов на его управляющий выход. Блок формирования стробирующих импульсов синхронизируется импульсами, поступающими от синхронизатора. Частота следования строб-импульсов соответствует частоте следования зондирующих импульсов, а время задержки первых относительно последних определяет расстояние от РЛС до стробируемого участка морской поверхности. На выходе детектора огибающей выделяется огибающая видеоимпульсов, принятых с фиксированной дальности. Это напряжение подается на нормализатор, вырабатывающий нормированные по амплитуде и длительности импульсы в моменты пересечения огибающей среднего уровня. В результате интегрирования нормализованных импульсов за определенный интервал времени, задаваемый генератором тактовых импульсов, на выходе интегратора получается напряжение, пропорциональное средней частоте флуктуаций огибающей отраженных сигналов, которое измеряется регистрирующим прибором и значение которого связано с высотой поверхностных волн. Данное устройство позволяет измерять следующие характеристики волнения: высоту волн; генеральное направление распространения волн; групповую структуру волн.

Генеральное направление распространения волн определяют путем анализа азимутной зависимости средней частоты флуктуаций огибающей, полученной при вращении антенны РЛС, имеющей достаточно узкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Максимальное значение средней частоты флуктуаций огибающей получается при облучении вдоль генерального направления распространения волн, а минимальное - при облучении вдоль гребней волн.

Высоту волн находят по полусумме максимального и минимального значений средней частоты флуктуаций огибающей в ее азимутальной зависимости. Групповую структуру морских волн исследуют путем анализа изменений во времени измеренных значений высоты волн.

При использовании данного устройства необходимо обеспечить отсутствие ограничения отраженных сигналов по амплитуде в приемном тракте РЛС, что рекомендуется делать путем установки перед измерениями с помощью ручек, имеющихся на пульте управления РЛС, соответствующих коэффициентов усиления УПЧ (ручка "Усиление") и временной автоматической регулировки усиления (ручка "ВАРУ") и выбора расстояния до стробируемого участка морской поверхности. Однако в ряде судовых навигационных РЛС (например, типа "Миус"; "Кивач", "Нянда") данные ручки на пульте управления РЛС отсутствуют, а изменение указанных коэффициентов при работе РЛС невозможно. Кроме того, изменения уровня радиолокационных отражений от стробируемого участка морской поверхности, обусловленные групповой структурой волн и качкой судна, могут достигать 20 дБ и более. В этом случае обеспечить отсутствие ограничения отраженных сигналов по амплитуде не представляется возможным даже при наличии возможности регулировки указанных выше коэффициентов, поскольку динамический диапазон приемных трактов судовых навигационных РЛС не превышает 20 дБ. Таким образом обеспечить отсутствие ограничения отраженных от стробируемого участка морской поверхности сигналов в приемном тракте судовой навигационной РЛС в большинстве реальных случаев не представляется возможным. При наличии ограничений средняя частота флуктуаций огибающей, определенная по числу пересечений огибающей среднего уровня за определенный интервал времени, будет меньше истинного значения, что ведет к занижению результатов измерений высоты морских волн, то есть к появлению систематической погрешности измерений. В результате наличие ограничений по амплитуде отраженных сигналов в приемном тракте РЛС приводит к увеличению суммарной погрешности измерений высоты волн.

При использовании известного устройства, кроме того, имеет место погрешность, обусловленная влиянием относительных размеров облучаемой площадки b_o/Λ , где b_o - размер облучаемой площадки; Λ - длина поверхностной волны. Относительное значение этой составляющей погрешности можно оценить по формуле δ_o = -eхр (-b_o/ Λ). Например, при Λ = b_o/2 получается δ_o ≈ - 14%, а при Λ = b_o возрастает до δ_o ≈ - 37%. Таким образом при усилении волнения (или при увеличении разрешающей способности РЛС), когда длина поверхностных волн соизмерима с размером облучаемой площадки, результаты измерений оказываются также существенно заниженными. При реализации известного устройства на базе, например, судовых навигационных РЛС, для которых скорость вращения антенны в штатном режиме составляет приблизительно 15-20 об/мин, имеет место, кроме того, погрешность, обусловленная существенным поворотом антенны за время, необходимое для измерения средней частоты флуктуаций огибающей. Так при измерении средней высоты волн в диапазоне 0,1-10,0 м с помощью устройства-прототипа средний период флуктуаций огибающей составляет Т_ср ≈ 10-100 мс. Для определения среднего значения случайной величины - частоты флуктуаций огибающей необходимо в каждом азимутальном направлении получить реализацию отраженного сигнала длительностью t_p ≥ 10 Т_cр, т.е. t_p ≥ 100-1000 мс. Однако при круговом обзоре со скоростью 15-20 об/мин за время t_p азимутальное положение диаграммы направленности антенны изменится на 9-120^o.

Цель изобретения - повышение точности измерения характеристик морского волнения.

Цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее антенну, поворотное устройство антенны, датчик углового положения антенны, приемопередатик, соединенный с антенной, синхронизатор, блок формирования стробирующих импульсов, интегратор и регистратор, в котором выход синхронизатора соединен с соответствующими входами приемопередатчика и блока формирования стробирующих импульсов, введены электронный ключ, блок выделения заднего фронта, делитель частоты, многоканальный накопитель, две линии задержки, анализатор, блок азимутальной селекции, содержащий N каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные источник постоянного напряжения, компаратор, генератор импульсов, элемент И и программируемый счетчик, а также электронный ключ, управляющий вход которого соединен с выходом элемента И, информационные входы ключей всех каналов объединены и соединены с выходом интегратора, а выход каждого электронного ключа - с соответствующим входом многоканального накопителя, элемент ИЛИ на N входов и второй электронный ключ блока азимутальной селекции, выход программируемого счетчика каждого из N каналов соединен с одним из входов элемента ИЛИ, вход сброса программируемого счетчика - с выходом генератора импульсов последующего канала, выход элемента ИЛИ - с управляющим входом электронного ключа блока азимутальной селекции, информационный вход которого является входом блока азимутальной селекции и подключен к выходу блока выделения заднего фронта, а выход этого ключа подключен к объединенным вторым входам элементов И всех каналов, выход генератора импульсов N-го канала является выходом блока азимутальной селекции и соединен с входом делителя частоты, а объединенные вторые входы компараторов всех каналов блока азимутальной селекции соединены с датчиком углового положения антенны, при этом электронный ключ включен между выходом приемопередатика и входом интегратора, а его управляющий вход соединен с блоком формирования стробирующих импульсов непосредственно и через блок выделения заднего фронта и первую линию задержки - с входом сброса интегратора, выход делителя частоты соединен с управляющими входами анализатора и регистратора непосредственно, а через вторую линию задержки - с входом сброса многоканального накопителя, каждый выход которого подключен к соответствующему входу анализатора, первый и второй входы регистратора соединены с соответствующими выходами анализатора.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства; на фиг.2 - структурная электрическая схема блока азимутальной селекции; на фиг.3 показаны эпюры напряжений на выходе блоков 3,7,10,9,8.

Устройство содержит поворотное устройство 1 антенны, антенну 2, приемопередатчик 3, синхронизатор 4, датчик 5 углового положения антенны, электронный ключ 6, блок 7 формирования стробирующих импульсов, интегратор 8, первую линию 9 задержки, блок 10 выделения заднего фронта, блок 11 азимутальной селекции, делитель 12 частоты, многоканальный накопитель 13, вторую линию 14 задержки, анализатор 15, регистратор 16. Блок 11 азимутальной селекции содержит N каналов, содержащих источники 17 постоянного напряжения, компараторы 18,генераторы 19 импульсов, элементы И 20, программируемые счетчики 21 и электронные ключи 22, элемент ИЛИ 23 на N входов и электронный ключ 24 блока азимутальной селекции. Приемопередатчик 3 подключен к антенне 2, выход синхронизатора 4 соединен с выходом блока 7 формирования стробирующих импульсов и с входом синхронизации приемопередатчика 3, в каждом канале блока 11 азимутальной селекции источники 17 постоянного напряжения, компараторы 18, генераторы 19 импульсов, элементы И 20 и программируемые счетчики 21 соединены последовательно, управляющие входы электронных ключей 22 соединены с выходами элементов И 20, информационные входы электронных ключей 22 объединены и соединены с выходом интегратора 8, а выходы электронных ключей 22 подключены к соответствующим входам многоканального накопителя 13, выход каждого программируемого счетчика 21 соединен с одним из входов элемента ИЛИ 23, а сбрасывающий вход - с выходом генератора 19 импульсов последующего канала, выход элемента ИЛИ 23 - с управляющим входом электронного ключа 24 блока азимутальной селекции, информационный вход которого подключен к выходу блока 10 выделения заднего фронта, а выход - к объединенным вторым входам элементов И 20, выход генератора 19 импульсов N-го канала соединен с входом делителя 12 частоты, объединенные вторые входы компараторов 18 подключены к выходу датчика 5 углового положения антенны, электронный ключ 6 включен между выходом приемопередатчика 3 и входом интегратора 8, а его управляющий вход соединен с выходом блока 7 формирования стробирующих импульсов непосредственно и через блок 10 выделения заднего фронта и первую линию 9 задержки - с входом сброса интегратора 8, выход делителя 12 частоты соединен с управляющими входами анализатора 15 и регистратора 16 непосредственно, а через вторую линию 14 задержки - с входом сброса многоканального накопителя 13, каждый выход которого подключен к соответствующему входу анализатора 15, первый и второй входы регистратора 16 соединены с соответствующими выходами анализатора 15.

Устройство работает следующим образом. Видеосигнал с выхода приемопередатчика 3 проходит через электронный ключ 6 на интегратор 8 только при наличии на управляющем входе электронного ключа 6 разрешающего сигнала, поступающего в виде прямоугольного импульса с выхода блока 7 формирования стробирующих импульсов, который синхронизируется импульсами, поступающими от синхронизатора 4. Видеосигнал на выходе приемопередатчика 3 представляет собой последовательность, состоящую из прямоугольного импульса, обусловленного просачиванием сигнала в приемный тракт РЛС при излучении зондирующего импульса, и сигнала сложной формы, обусловленного отражениями от морской поверхности (см.фиг.3). Время t_c задержки импульса на выходе блока 7 формирования стробирующих импульсов относительно зондирующих импульсов должно быть τ_и < t_c ≅ τ_и + t_м где τ_и - длительность зондирующего импульса; t_м - время, соответствующее "мертвой зоне" после окончания зондирующего импульса. Блок 10 выделения заднего фронта вырабатывает прямоугольный импульс длительностью τ₁₀ передний фронт которого совпадает по времени с задним фронтом стробирующего импульса на выходе блока 7. Этот импульс, задержанный на время t₉ в первой линии 9 задержки, устанавливает в исходное (нулевое) состояние интегратор 8. Время задержки должно быть τ₁₀ ≅ t₉ ≅ T_п - ( τ_c + t_c + + τ₁₀ ), где Т_п - период повторения зондирующих импульсов; τ_c - длительность стробирующих импульсов. Стробирующий импульс должен перекрывать всю область отражений от морской поверхности, следовательно, его длительность должна определяться из условия t_c + τ_c ≥ 2 D_макс/с, где D_макс - максимальная дистанция от РЛС, с которой наблюдаются отражения от морской поверхности; с - скорость света. Дистанция D_макс зависит от типа РЛС и высоты H_А подъема антенны над уровнем моря. Так, например, для судовых навигационных РЛС D_макс ≈ 4 мили при H_A = 15-16 м и D_макс ≈ 7 миль при Н_А = 30 м (см., например: Дремлюг В.В. Об определении некоторых элементов морских волн с помощью радиолокатора. - Труды Арктического и антарктического научно-исследовательского института, 1961, т. 210, вып.1, с. 135-138). После интегрирования видеосигнала, обусловленного отражениями от морской поверхности, на выходе интегратора 8 получается напряжение, соответствующее энергии w_ij радиолокационных отражений от морской поверхности при j-м зондировании в i-м азимутальном направлении, что справедливо для РЛС как с низкой, так и с высокой разрешающей способностью. За время t₉ осуществляется передача сигнала от интегратора 8 через блок 11 азимутальной селекции в соответствующий азимутальный канал многоканального накопителя 13. Сигнал с выхода датчика 5 углового положения антенны поступает на один из входов компараторов 18 всех каналов блока 11 азимутальной селекции. На второй вход каждого из компараторов 18 подается от источника 17постоянного напряжения сигнал, соответствующий определенному азимутальному направлению, при этом напряжение V_i на выходе источника 17i постоянного напряжения должно соответствовать азимутальному направлению α_i= (i-1) . Количество каналов в блоке 11 азимутальной селекции определяется из условия обеспечения требуемой точности, учитывая, что погрешность Δ_α измерения генерального направления распространения волн определяется формулой Δ_α = π/N. Компараторы 18 вырабатывают сигналы только в моменты совпадения напряжений на двух входах. Эти сигналы запускают генераторы 19 импульсов, вырабатывающие прямоугольные импульсы с одинаковой длительностью
2T_п≅ τ₁₉< - угловая скорость вращения антенны), которые, поступая на программируемые счетчики 21 предыдущих каналов, передним фронтом устанавливают их в исходное (нулевое) положение, а также поступают на один из входов элементов И 20, на вторые входы которых через электронный ключ 24 блока азимутальной селекции поступают прямоугольные импульсы от схемы 10 выделения заднего фронта. Эти импульсы проходят через один из элементов И 20, на втором входе которого есть сигнал от генератора 19 импульсов, соответствующий азимутальному положению антенны, и открывают электронный ключ 22 соответствующего канала, через который сигнал от интегратора 8 поступает в соответствующий канал многоканального накопителя 13. Электронный ключ 24 закрывается сигналом с выхода схемы ИЛИ 23 при поступлении на один из ее входов сигнала от программируемого счетчика 21, который позволяет после того, как на вход программируемого счетчика 21 поступит N₂₁ импульсов. Значение N₂₁≅ _1 устанавливается одинаковым по всех каналах. В результате при каждом обороте антенны в каналы многоканального накопителя 13, каждый из которых соответствует определенному азимутальному положению антенны, поступает одинаковое количество импульсов одинаковой длительности, амплитуда которых соответствует энергии w_ij радиолокационных отражений от морской поверхности. Значением N₂₁ определяется сектор Δ α усреднения для каждого азимутального направления Δ α = N₂₁T_п ω.

Делитель 12 частоты пропускает на выход только каждый k-й импульс из поступающих на его вход (k - коэффициент деления). Импульс с выхода делителя 12 частоты задним своим фронтом запускает анализатор 15 и регистратор 16, а после задержки на время t₁₄ во второй линии 14 задержки также задним фронтом устанавливает в исходное (нулевое) положение все каналы многоканального накопителя 13. Таким образом, в каждом канале многоканального накопителя 13 осуществляется накопление (суммирование) сигналов, соответствующих энергии радиолокационных отражений с определенного азимутального направления за k оборотов антенны. Следовательно, время измерения t_изм= K , а сигналы на каждом из выходов многоканального накопителя 13 соответствуют средней энергии w_ср1, w_cp2,...,w_cpi...,w_срN радиолокационных отражений с определенного азимутального направления α₁ , α₂ , ... , α_i , ... , α_N. Требуемое время t_изм измерения задают, устанавливая соответствующее значение коэффициента k деления в делителе 12. За время t₁₄ задержки импульса во второй линии 14 задержки должна обеспечиваться передача массива {w_cp} из многоканального накопителя 13 в анализатор 15. Далее анализатор 15 на основании сравнения между собой элементов массива w_сp1,...,w_cpi,...,w_cpN выбирает максимальный из них w_cp.макс. = w_cpi(где i - номер канала; i = 1,2,...N). Сигнал с выхода анализатора 15, соответствующий w_cp.макс, значение которого связано с высотой поверхностных волн (см., например, Тверской Г.Н., Терентьев Г. К. , Харченко И. П. Имитаторы эхо-сигналов судовых радиолокационных станций. Л. Судостроение, 1973, с. 122-123), измеряется регистратором 16. Кроме того, на регистратор передается от анализатора 15 номер i канала, определяющий генеральное направление α_г распространения поверхностных волн α_г = α_i + π.

Использование: радиолокация. Сущность изобретения: устройство для измерения характеристик поверхностного волнения содержит поворотное устройство, антенну, приемопередатчик, синхронизатор, датчик углового положения антенны, электронный ключ, блок формирования стробирующих импульсов, интегратор, линию задержки, блок выделения заднего фронта, блок азимутальной селекции, делитель частоты, многоканальный накопитель, линию задержки, анализатор, регистратор, источники постоянного напряжения, компаратор, генераторы импульсов, элементы И, программируемые счетчики, электронные ключи, элемент ИЛИ, электронный ключ. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТНОГО ВОЛНЕНИЯ, содержащее антенну, поворотное устройство антенны, датчик углового положения антенны, приемо-передатчик соединенный с антенной, синхронизатор, блок формирования стробирующих импульсов, интегратор и регистратор, выход синхронизатора соединен с соответствующими входами приемопередатчика и блока формирования стробирующих импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения характеристик морского волнения, в него введены электронный ключ, блок выделения заднего фронта, делитель частоты, многоканальный накопитель, две линии задержки, анализатор, блок азимутальной селекции, содержащий N каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные источник постоянного напряжения, компаратор, генератор импульсов, элемент И и программируемый счетчик, а также электронный ключ, управляющий вход которого соединен с выходом элемента И, информационные входы ключей всех каналов объединены и соединены с выходом интегратора, а выход каждого электронного ключа - с соответствующим входом многоканального накопителя, элемент ИЛИ на N входов и второй электронный ключ блока азимутальной селекции, выход программируемого счетчика каждого из N каналов соединен с одним из входов элемента ИЛИ, вход сброса программируемого счетчика - с выходом генератора импульсов последующего канала, выход элемента ИЛИ - с управляющим входом электронного ключа блока азимутальной селекции, информационный вход которого является входом блока азимутальной селекции и подключен к выходу блока выделения заднего фронта, а выход этого ключа подключен к объединенным вторым входам элементов И всех каналов, выход генератора импульсов N-го канала является выходом блока азимутальной селекции и соединен с входом делителя частоты, а объединенные вторые входы компараторов всех каналов блока азимутальной селекции соединены с датчиком углового положения антенны, при этом электронный ключ включен между выходом приемопередатчика и входом интегратора, а его управляющий вход соединен с блоком формирования стробирующих импульсов непосредственно и через блок выделения заднего фронта и первую линию задержки с входом сброса интегратора, выход делителя частоты соединен с управляющими входами анализатора и регистратора непосредственно, а через вторую линию задержки с входом сброса многоканального накопителя, каждый выход которого подключен к соответствующему входу анализатора, первый и второй входы регистратора соединены с соответствующими выходами анализатора.