СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СПЕКТРОВ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01H17/00 

Изобретение относится к океанографическим измерениям и предназначено для определения характеристик высокочастотных поверхностных волн (коротких гравитационных и гравитационно-капиллярных).

Высокочастотными являются волны, имеющие частоты выше частоты основных энергонесущих волн. Основная сложность измерения коротких гравитационных и гравитационно-капиллярных волн и связанные с ней ошибки измерения обусловлены тем, что в море короткие волны существуют на более длинных, энергия которых на 6-8 порядков больше энергии коротких волн. Спектр поверхностных волн является крутоспадающим и на частотах выше частоты доминантных составляющих он пропорционален ω^-n, где n4-5. Это обуславливает большие погрешности измерений высокочастотных составляющих спектра волн.

Известен способ [1] включающий "предвыбеливание" спектра поверхностных волн, т.е. трансформирование его по известному закону таким образом, что он становится более пологим. Для этого используется однократное или двухкратное дифференцирование сигнала волнографа. Если спектр исходного сигнала S(ω)≈ω^-n, то спектр его первой производной
S^(I)(ω) ω²S(ω)≈ω^-n+2, (1) а спектр второй производной
S^(II)(ω) ω⁴S(ω)≈ω^-n+4 (2) близок в спектру "белого шума".

Недостаток этого способа связан с тем, что, как указано выше, амплитуда измеряемого сигнала много меньше амплитуды шумового сигнала (амплитуды длинных волн).

Способ позволяет увеличить отношение сигнал/шум на стадиях регистрации и обработки, но не меняет его на стадии измерения, вследствие этого точность измерения сигнала невысока.

Известен способ измерения спектров волн [2] включающий измерение волнографом в одной точке, аппаратурную обработку сигнала в реальном масштабе времени с помощью фильтров, подавляющих низкие частоты, но пропускающих высокие без искажения.

Этот способ также позволяет увеличить отношение сигнал/шум только на стадиях регистрации и обработки, но не меняет его на стадии измерения, поэтому точность определения спектра высокочастотных морских волн невысока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения спектров ветровых волн [3] основанный на использовании одномерных решеток волнографических датчиков, резонансно настроенных на некоторые длины волн. Резонансной решеткой является система из четного числа датчиков, установленных вдоль прямой на равном расстоянии друг от друга. Выходным сигналом решетки является суммарный сигнал всех датчиков, причем сигналы от датчиков с четными номерами суммируются со знаком "плюс", а от датчиков с нечетными номерами со знаком "минус".

Спектр волн связан со спектром резонансной решетки ее передаточной функцией, характеристики которой зависят от характеристик волнового поля. Поэтому ошибки измерения спектров определяются ошибками измерений резонансной решеткой и ошибками определения передаточной функции.

Недостатком этого способа является невысокая точность измерения высокочастотных спектров вследствие невысокой точности определения передаточной функции.

Целью изобретения является повышение точности измерения высокочастотных спектров поверхностных волн.

Цель достигается тем, что в способе измерения высокочастотных спектров поверхностных волн, включающем измерение разности уровней поверхности в двух точках и расчет спектров, новым является то, что измеряют уровни поверхности в этих же точках и определяют частоту ω_р, выше которой спектральные составляющие волнового поля некоррелированы, а сигнал разности уровней поверхности подвергают высокочастотной фильтрации, установив частоту среза фильтра равной ω_р.

Передаточная характеристика, соответствующая расчету разностей уровней в двух точках, описывается кривой 1, показанной на фиг. 1. Резонансно усиливаются составляющие, частота которых ω_р соответствует волнам, имеющим длину, равную удвоенному расстоянию между датчиками. Составляющие с частотой ниже ω_н, в том числе и доминантные энергонесущие составляющие ω_о, подавляются. То, что определяется не абсолютное изменение уровня, а разность уровней в двух точках, позволяет сузить динамический диапазон устройства и, соответственно, повысить точность. Пропуская сигнал разности через высокочастотный фильтр, исключают из рассмотрения область, где передаточная характеристика решетки является частотно зависимой. Кроме того, подавив составляющие с частотами ниже ω_ср, имеющими большую энергию, снижают шумы, обусловленные "утечкой" мощности в высокочастотную область.

Предлагаемый способ основан на полученных результатах исследований свойств ветровых волн [4]
Установлено, что у измеренных в двух точках волнового поля спектральных составляющих корреляция (или когерентность) быстро спадает с увеличением частоты.

Использование этого свойства в предлагаемом способе принципиально отличает его от всех ранее известных способов измерения спектра, основанных на измерении параметров волнового поля в нескольких разнесенных по пространству точках.

В раннее известных способах спектр определяется в частотной области, для которой фазовые соотношения в точках измерения были устойчивы.

В предлагаемом способе устойчивость фазовых соотношений используется только для подавления составляющих с большой энергией, а спектр определяется в высокочастотной области, в которой спектральные составляющие некоррелированы.

Проведенные патентно-информационные исследования показали, что отличительные признаки предлагаемого способа придают ему новое свойство повышение точности определения передаточной функции. Это обеспечивает достижение положительного эффекта повышение точности измерения высокочастотных спектров поверхностных волн, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию изобретения "существенные отличия".

Наиболее близким к устройству, реализующему предлагаемый способ, является устройство [5] в виде простейшей резонансной решетки, состоящей из двух элементов. Подобные решетки называют также дифференциальными волнографами или разностными уклономерами.

С целью повышения точности измерения в устройство для измерения высокочастотных спектров поверхностных волн, содержащее два волнографа, блок вычисления разностей и спектроанализатор, дополнительно введены три идентичных перестраиваемых высокочастотных фильтра и коррелометр, вход которого соединен с выходами первого и второго фильтров, входы этих фильтров соединены с первыми выходами соответственно первого и второго волнографов, а вторые выходы волнографов соединены с входом блока вычисления разностей, выход которого связан посредством третьего фильтра с входом спектроанализатора.

На фиг. 1 показаны частотно-амплитудные характеристики преобразования, соответствующего разности уровней в двух точках (кривая 1) и высокочастотного фильтра (кривая 2), а также логарифмы спектра поверхностных волн (кривая 3); на фиг. 2 структурная схема устройства.

Устройство содержит волнографы 1 и 2, идентичные перестраиваемые высокочастотные фильтры 3, 4 и 5, коррелометр 6, блок 7 вычисления разностей и спектроанализатор 8.

Волнографы 1, 2 представляют собой полупогруженную в воду высокоомную струну, соединенную с преобразователем изменения сопротивления в электрический сигнал (6).

Перестраиваемые высокочастотные фильтры 3, 4 и 5 могут быть выполнены, например, по известным схемам [7]
В качестве коррелометра 6 можно использовать, например, стандартную аппаратуру "Прибор для исследования корреляционных характеристик Х6-4".

В качестве спектроанализатора 8 используют "Спектроанализатор СК-4-72".

Способ осуществляют следующим образом.

Два волнографа 1 и 2 устанавливают на расстоянии L. Расстояние L выбирается равным 1,5 длины волны, соответствующей нижней границе высокочастотного диапазона, в котором измеряют спектр. Длина волны определяется согласно дисперсионному соотношению. Через высокочастотные фильтры 3 и 4 первые выходы волнографов подключают к входу коррелометра 6. Синхронно изменяя частоту среза фильтров 3 и 4, определяют частоту ω_р, при которой сигналы двух волнографов оказываются некоррелированы. Устанавливают частоту среза высокочастотного фильтра 5 равной ω_р. Вторые выходы волнографов 1 и 2 подключают в блоку 7 вычисления разностей. С помощью спектроанализатора 8 определяют спектр разностного сигнала. По спектру разностного сигнала рассчитывают спектр поверхностных волн.

Как известно [8,9] число степеней свободы, определяющих доверительные интервалы для оценок автоспектров, прямо пропорционально длине ряда, по которому этот автоспектр рассчитывают. С увеличением числа степеней свободы доверительные интервалы сужаются и рассчитанная оценка приближается к истинному спектру волнового поля. Поскольку в предлагаемом способе каждое значение ряда, по которому рассчитывается спектр, соответствует разности независимых измерений уровня морской поверхности в двух точках, то при равных длинах рядов число степеней свободы в предлагаемом способе оказывается в два раза больше, чем в прототипе, и, соответственно, выше достоверность оценки спектра.

Кроме того, в результате высокочастотной фильтрации разностного сигнала подавляют низкочастотные составляющие, в том числе и те, на которые настроена двухэлементная решетка. В результате исключаются шумы, вызываемые "утечкой" мощности из энергетически более сильной низкочастотной области. Это определяет повышение точности измерения высокочастотных спектров поверхностных волн.

Использование: в океанографических исследованиях. Изобретение позволяет повысить точность измерения. Сущность изобретения: два волнографа 1 и 2 устанавливают на расстоянии друг от друга, через перестраиваемые высокочастотные фильтры 3 и 4 первые входы волнографов подключают к входу коррелометра 6. Синхронно изменяя частоту среза фильтров 3 и 4, определяют частоту ω_р при которой сигналы двух волнографов оказываются некоррелированы. Устанавливают частоту среза третьего перестраиваемого высокочастотного фильтра 5 равной ω_р. Вторые выходы волнографов 1 и 2 подключают к блоку 7 вычисления разностей. С помощью спектроанализа 8 определяют спектр разностного сигнала. По спектру разностного сигнала рассчитывают спектр поверхностных влн. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения высокочастотных спектров поверхностных волн, заключающийся в том, что измеряют разность уровней поверхности поверхностной волны в двух точках, преобразуют результат измерения в электрический сигнал, определяют спектр разностного сигнала, по которому определяют спектр поверхностных волн, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, предварительно определяют частоту ω_p, выше которой сигналы измеряют в двух точках некоррелированы, электрический сигнал, соответствующий разности уровней поверхности поверхностной волны, подвергают высокочастотной фильтрации, на частоте ω_p. 2. Устройство измерения высокочастотных спектров поверхностных волн, содержащее первый и второй волнографы, блок вычисления разности сигналов и спектроанализатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено первым, вторым и третьим перестраиваемыми фильтрами, коррелометром, входы которого соединены с выходами первого и второго фильтров, входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго волнографов, блок вычисления разности сигналов, третий фильтр и спектроанализатор соединены последовательно, вторые выходы волнографов соединены с входами блока вычисления разностей.