УСТРОЙСТВО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА АКВАТОРИЕЙ МОРСКОГО ПОЛИГОНА Российский патент 1997 года по МПК G10K11/00 H04R1/44 

Изобретение относится к стационарным системам одновременного определения скорости ветра на акватории, волнения поверхности моря и динамического подводного шума в акватории, предварительной обработки информации, передачи информации потребителю.

Скорость движения воздуха над морем всегда в большей или меньшей степени колеблется вследствие турбулентности воздушного потока. Поэтому скорость ветра определяют как сглаженные, усредненные величины за некоторый промежуток времени. При морских наблюдениях для определения силы ветра используют шкалу Босфорта, которая имеет 12 баллов: нуль означает штиль, четыре балла - умеренный ветер, шесть баллов сильный ветер, десять баллов шторм, двенадцать баллов ураган.

Волны на поверхности моря образуются за счет ветра, при этом энергия движения воздуха частично передается воде. Движение волн под ветром имеет хаотический характер с очень переменными в пространстве и во времени впадинами и гребнями. На "спине" больших валов постоянно поднимаются и растут меньшие, образуя последовательность размеров. И те, и другие могут иметь различные направления распространения, и морская поверхность колышется направленным образом. Волнение моря определяют также по шкале баллов. Отсутствие волнения ноль баллов, наибольшее волнение девять баллов. Между силой ветра в баллах, степенью волнения моря в баллах и скоростью ветра в м/с имеется взаимосвязь.

Подводный шум моря обусловлен несколькими причинами, основной из которых является динамический шум моря из-за поверхностного волнения. Этот динамический шум взаимосвязан со скоростью ветра в акватории. Кроме этого шумы моря могут создаваться судоходством, дождем, звуками животных, кавитацией и др. причинами.

В настоящее время скорость ветра, волнение моря, шум в толще моря измеряются разными приборами. Желательно построить устройство, одновременно измеряющее всю совокупность параметров.

Для измерения скорости ветра в экспедиционных условиях используют ветромеры, которые построены на принципе отклонения под действием ветра металлической пластинки, подвешенной на горизонтальной оси. Пластинка может заменяться шариком, подвешенным на металлическом стержней. (С.П.Хромов, Л.И. Мамонтова. Метеорологический словарь. Л. Гидрометеоиздат. 1974, с.75).

Недостатком ветромера является то, что он измеряет только один параметр гидрометеорологоакустической обстановки.

Для измерения морского волнения используют различные поплавковые и судовые волнографы, волномерные вехи, стереофотосъемку, а также радиотехнические устройства (Методы и технические средства океанографических наблюдений. Труды Государственного океанографического института", 1973, вып. 117; Радиолокационное измерение параметров морского волнения "Метеорология и гидрология". 1975, N 2, с. 113-117; Б.В.Новогрудский и др. Исследование океана из космоса. Л. Гидрометеоиздат, 1978, с. 29-34). Так например, волнограф ГМ-16 представляет собой электрический дистанционный прибор для регистрации морского волнения с борта судна. Он состоит из последовательно соединенных электрического преобразователя гидростатического давления, линии связи и регистрирующего прибора электронного потенциометра типа ЭПП-09. (Справочник по океанографическим приборам и оборудованию. -М: изд-во АН СССР 1962).

Другим устройством-аналогом является гидроакустический волнограф (А.В. Богородский и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана.

Д. Гидрометеоиздат, 1984, с. 92, рис. 3,9), который состоит из последовательно соединенных приемно-передающей антенны, коммутатора приема-передачи, приемника, порогового устройства, электрического счетчика, цифрового табло, также содержит генераторное устройство, выходы которого соединены с антенной через коммутатор приема-передачи и приемником, также содержит устройство управления, синхровыводы которого соединены с синхровходами электронных блоков волнографа.

Недостатком волнографов является то, что они измеряют только один из параметров гидрометеорологоакустической обстановки на акватории.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство измерения подводного шума моря (под ред. Л.М.Бреховских Акустика океана. -М: Наука, 1974, с. 644-645), содержащее последовательно соединенные гидрофон, предварительный усилитель, линию связи, широкополосный усилитель, анализатор спектра, индикатор.

Недостатком устройства прототипа является то, что он измеряет только один из параметров гидрометеорологоакустической обстановки.

Техническим результатом от использования изобретения является обеспечение одновременного определения подводного шума моря, средней скорости ветра над акваторией и волнения поверхности в акватории морского полигона.

Данный результат достигается за счет того, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные гидрофон, предварительный усилитель, линию связи, широкополосный усилитель, анализатор спектра, выход которого соединен с первым входом индикатора, введены новые признаки, а именно, в него введены блок выделения участка спектра, блок классификации шума моря, блок определения скорости ветра и блок определения волнения моря, при этом вход блока выделения участка спектра соединен с выходом анализатора спектра, а выход с входами блока классификации шума моря и блока определения скорости ветра, первый выход блока определения скорости ветра соединен с входом блока определения волнения моря, а первый выход блока классификации шума моря, второй выход блока определения скорости ветра и выход блока определения волнения моря соединены с вторым, третьим и четвертым входами индикатора. Кроме этого, в заявленное устройство введен блок синхронизации и управления, управляемый вход которого соединен с вторым выходом блока классификации шума моря, первый синхровыход соединен с синхровходами анализатора спектра и блока выделения участка спектра, а второй, третий и четвертый синхровыходы с сихровходами блока классификации шума моря, блока определения скорости ветра и блока определения волнения моря соответственно.

Принцип построения устройства основан на связи спектра шума моря с гидрометеорологическими условиями.

Многочисленные эксперименты свидетельствуют о том, что между шумом океана и скоростью ветра имеется четкая корреляционная зависимость с радиусом корреляции порядка 0,8.

Для определения динамического шума целесообрано выбрать участок диапазона частот от 5 до 10 кГц, который и использовать для последующей оценки скорости ветра и волнения моря.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - блок-схема блока синхронизации и управления предлагаемым способом; на фиг. 3
блок-схема блока выделения участка спектра; на фиг. 4 блок-схема классификации шума моря; на фиг. 5 блок-схема регрессионного анализа; на фиг. 6 блок-схема блока определения спада спектра; на фиг. 7 блок-схема блока определения скорости ветра; на фиг. 8 блок-схема определения волнения моря; на фиг. 9 и 10 экспериментальные данные о составляющих подводного шума в акватории одного из морских полигонов.

Устройство (фиг. 1) содержит последовательно соединенные гидрофон 1, предварительный усилитель 2, линию связи 3, широкополосный усилитель 4, анализатор спектра 5, выход которого соединен с первым входом индикатора 6. В устройство введены блок выделения участка спектра 7, блок классификации шума моря 8, блок определения скорости ветра 9 и блок определения волнения моря 10. Вход блока выделения участка спектра 7 соединен с выходом анализатора 5, а его выход с входами блоков 8 и 9. Первый выход блока определения скорости ветра 9 соединен с входом блока определения волнения моря 10. Первый выход блока классификация шума моря 8, второй выход блока определения скорости ветра 9 и выход блока определения волнения моря 10 соединены со вторым и четвертым входами индикатора 6. В устройство также введен блок синхронизации и управления 11, первый синхровыход которого соединен с синхровходами анализатора спектра 5 и блока выделения участка спектра 7, а второй, третий и четвертый синхровыходы соответственно с синхровходами блока классификации шума моря 8, блока определения скорости ветра 9, определения волнения моря 10, а второй управляющий выход блока классификации шума моря 8 соединен с управляемым входом блока синхронизации и управления 11.

Блок синхронизации и управления устройством 11 содержит последовательно соединенные (фиг. 2) генератор тактовых сигналов 12, первую линию задержки 13, логическую схему 14, вторую линию задержки 15, третью линию задержки 16, четвертую линию задержки 17. Синхровыходы генератора тактовых сигналов 12 соединены с синхровходами блоков 5 и 7, а синхровыходы первой 13, второй 15, третьей 16 и четвертой 17 линий задержки соединены с синхровходами блоков 8, 9, 10 и 6 соответственно. Управляющий выход блока 8 соединен с управляемым входом логической схемы И/НЕ 14.

Блок выделения участка спектра 7 (фиг. 3) содержит последовательно соединенные входной буфер 18, вход которого соединен с выходом анализатора спектра 5, оперативное запоминающее устройство 19, выходной буфер 20, выход которого соединен с входом блока классификации шума моря 8, также содержит долговременное запоминающее устройство 21, выход которого соединен с входом оперативно запоминающего устройства 19, также содержит первый блок местного управления 22, синхровыходы которого соединены соответственно с синхровходами входного буфера 18, ОЗУ 19, ДЗУ 21, и выходного буфера 20, а синхровход соединен с первым синхровыходом блока синхронизации и управления устройством 11.

Блок классификации шума моря 8 (фиг. 4) содержит последовательно соединенные входной буфер 23, вход которого соединен с выходом блока выделения участка спектра 7, блок логарифмирования 24, блок регрессионного анализа 25, блок определения спада спектра 26, блок логической оценки 27, выход которого соединен о входом индикатора 6, также второй блок местного управления 28, синхровход которого соединен с синхровыходом блока 11, а синхровыходы с синхровходами блоков 23, 24, 25, 26 и 27.

Блок регрессионного анализа 25 выполнен (фиг. 5) в виде последовательно соединенных накапливающего сумматора 29, вход которого соединен с выходом блока логарифмирования 24, вычислителя дисперсии 30, вычислителя коэффициента регрессии 31, выход которого соединен с блоком определения спада спектра 26, также содержит третий блок местного управления 32, синхровыходы которого соединены с синхровходами блоков 29, 30, 31, а синхровход с синхровыходом блока местного управления 28.

Блок определения спада спектра 26 (фиг. 6) содержит последовательно соединенные блок вычисления критерия 33, вход которого соединен с выходом блока регрессионного анализа 25, блок проверки гипотезы 34, выход которого соединен с блоком логической оценки 27, также содержит блок памяти критической точки 35, выход которого соединен с вторым входом блока проверки гипотезы 34, также содержит четвертый блок местного управления 36, синхровыходы которого соединены соответственно с синхровходами блока вычисления критерия 33, блока памяти критической точки 35, блока проверки гипотезы 34, а синхровход с синхровыходом второго местного управления 28.

Блок логической оценки 27 содержит логическую схему, которая при условии, что блок 26 не имеет оснований отвергнуть нулевую гипотезу о спаде спектра шума моря 5 дБ на октаву, вырабатывает сигнал в логическую схему 14 блока синхронизации и управления 11 на дальнейшие операции в блоках 9 и 10, т.е. на прохождение синхросигнала в эти блоки 9 и 10.

Блок определения скорости ветра содержит (фиг. 7) последовательно соединенные блок деления 37, вход которого соединен с выходом блока выделения участка спектра 7, блок логарифмирования 38, блок регрессионного анализа 39, первый выход которого соединен с входом блока 10, а второй выход с третьим входом индикатора 6, также содержит блок памяти разрешения спектра 40, выход которого соединен с вторым входом блока деления 37, также содержит шестой блок местного управления 41, синхровыходы которого соединены соответственно с синхровходами блока памяти 40, блока деления 37, блока логарифмирования 38, блока регрессионного анализа 39, а синхровход соединен с синхровыходом блока синхронизации и управления 11.

Блок определения волнения моря 10 (фиг. 8) содержит пороговое устройство 42, первый вход которого соединен с выходом блока определения скорости ветра 9, а выход с четвертым входом индикатора 6, также содержит блок памяти связи скорости ветра с волнением моря 43, выход которого соединен с вторым входом порогового устройства 42, также содержит шестой блок местного управления 44, синхровыходы которого соединены соответственно с синхровходами блоков памяти 43 и порогового устройства 42, а синхровход соединен с синхровходом блока синхронизации и управления 11.

Во всех описанных выше блоках местное управление выполнено в виде последовательно соединенных генератора тактовых сигналов, синхровход которого соединен с синхровыходом блока управления более высокого уровня и линий задержек, синхровыходы которых соединены с управляемыми блоками.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Ненаправленный гидрофон 1 размещается в толще морской среды на глубине 100-150 м. Он соединен с береговой базой, на которой и оценивается гидрометеорологоакустическая обстановка с помощью предлагаемого устройства.

Сигналы по линии связи 3 поступают на береговой пост, где усиливаются в усилителе 4. Если на берег переданы аналоговые сигналы (как в способе-прототипе), то в анализаторе спектра 5 они сперва подвергаются дискретизации и квантованию а потом проходят спектральную обработку, обычно по следующему алгоритму модифицированных периодограмм: из последовательности X(m) выбирают подпоследовательности X₂(m) длиной L отсчетов; вычисляют для каждой подпоследовательности X₂(m) коэффициенты быстрого преобразования Фурье (БПФ) по формуле:

где
W(m) соответствующее окно.

Вычисляют периодограмму:

где
F_k K/L частоты дискретного преобразования Фурье;
энергия окна.

Оценка энергетического спектра находится по формуле

Данные об энергетическом шуме моря поступают на индикатор 6.

Одновременно данные об энергетическом спектре поступают на блок выделения участка спектра 7. В этом блоке 7 данные о всей совокупности спектральных значений по всем m частотам K 1, поступают в ОЗУ 19. Предварительно в ДЗУ 21 занесены частоты, которые подвергаются дальнейшей обработке: выбирается диапазон от 5 кГц до 10 кГц. На выходной буфер 20 поступают уже данные о спектре в выбранном диапазоне частот. Такое построение устройства избавляет от необходимости иметь второй спектроанализатор, сохраняя при этом возможность наблюдать все составляющие измеряемого энергетического спектра на индикаторе 6.

Далее выбранный участок энергетического спектра обрабатывается в блоке классификации шума моря 8, после чего выражение приобретает вид:

где
n показатель степени частоты, имеющий случайный характер.

После логарифмирования в блоке 24 (фиг. 4) имеем:

Здесь и n являются случайными величинами;
f_k неслучайные (детерминированные) величины.

Определение "n" по экспериментальным данным относится к задаче линейной средней квадратической регрессии, когда отыскивают наилучшую линейную аппроксимацию величины посредством случайной величины n.

В блоке регрессионного анализа 26 происходит накопление по всем f_k∈[f_кн,f_кв], т. е. принадлежащим выбранному поддиапазону от нижней частоты f_кн до верхней частоты f_кв (обычно, как уже упоминалось, выбирают f_кн 5 кГц, f_кв 10 кГц). По данным накопления (в блоке 29) в следующем блоке 30 вычисляют дисперсию σ_r, где т.е. по совокупности q f_кв - f_кн. В блоке вычисления коэффициента регрессии 31 вычисляется значение n по формуле:

где

Как известно, такое определение коэффициента регрессии n обеспечивает минимизацию

т.е. оптимизирует решение в среднем квадратическом представлении. Данные из блока регрессионного анализа 25 поступают на блок определения спада спектра 26, который работает по следующему алгоритму: для того, чтобы при заданном уровне значимости α проверить нулевую гипотезу n 0,84 при конкурирующей гипотезе о том, что спад спектра отличается от 5 дБ на октаву, т.е. n≠0,84, в блоке 33 вычисляется критерий

В блок памяти 35 заносятся данные о критической точке V_кр двухсторонней критической области из равенства (11) (эти данные для функций Лапласса табулированы в справочниках по математической статистике):

В блоке проверки гипотезы 34 производится сопоставление:
Если нет оснований отвергнуть нулевую гипотезу.

Если нулевую гипотезу отвергают.

Обычно выбирают α 0,05, в связи с чем в блок памяти 35 заносят значение V_кр 1,96.

В блоке 27 производится логическая оценка значения n. Если нулевая гипотеза подтверждена, т.е. можно в пределах погрешности измерений считать n соответствующим спаду спектра 5 дБ на октаву, то подается логический сигнал из блока 27 на логическую схему И-НЕ 14 в блоке синхронизации и управления 11, которая пропускает в этом случае синхросигнал на блоки 9 и 10, которые решают задачи определения скорости ветра и волнения моря. Если нулевая гипотеза отвергнута, т.е. спад спектра существенно отличается от 5 дБ на октаву, то логический сигнал запирает схему 14 и дальнейшие вычисления не производятся в блоках 9 и 10. Значение n выводится на индикатор. По этому значению классифицируют шум: при n 0, дождь, при спаде спектра более 5 дБ на октаву шум удаленного судоходства.

При открытой схема 14 в блоке 9 вычисляется средняя скорость ветра U (фиг. 7) по алгоритму: в блоке деления 37 происходит деление:

где
Δf_k= f_k+1-f_k разрешение спектрального анализа занесенное в блок 40.

В блоке 38 после логарифмирования, имеем:
logP_шм(f_k) log0,018 + 1,5logU-0,84f_k
В последнем выражении logP_шм и logU связаны случайной зависимостью. Решение о величине U принимается в блоке регрессионного анализа 39, построенного по типу фиг. 6. Данные о скорости ветра U выводятся на индикатор 6.

В блоке 10 производится определение бальности волнения моря. Для этого в блок 43 занесены данные о связи скорости ветра с волнением моря. Данные о скорости ветра U с блока 9 поступают на пороговое устройство 42, где сопоставляются с данными, занесенными в блок 43. Результаты сопоставления в виде данных о бальности волнения моря поступают на индикатор 6.

Блок синхронизации и управления 11 обеспечивает работу предлагаемого устройства.

Для подтверждения возможности использования предпосылок, заложенных в устройство на фиг. 9 и 10 приводятся экспериментально полученные данные о подводном шуме в акватории одного из морских полигонов. Из фиг. 9 видно, что динамический шум моря спадает с частотой примерно на 5 дБ на октаву и уровень его соответствует зависимостям заложенным в устройство. На фиг. 10 приведена спектропрограмма подводного шума дождя. Видно, что в выбранном частотном диапазоне подводный шум дождя практически не спадает с ростом частоты. Шум судоходства резко спадает с частотой и в выбранном частотном диапазоне на результаты измерений влияет слабо, хотя на частотах 5 7 кГц его влияние наблюдается.

Использование: стационарные системы одновременного определения скорости ветра на акватории, волнения поверхности моря и динамического подводного шума в акватории, предварительной обработки информации и передачи информации потребителю. Сущность изобретения: устройство содержит последовательно соединенные гидрофон, предварительный усилитель, линию связи, широкополосный усилитель, анализатор спектра, выход которого соединен с первым входом индикатора, введены блок выделения участка спектра, блок классификации шума моря, блок определения скорости ветра и блок определения волнения моря, при этом вход блока выделения участка спектра соединен с выходом анализатора спектра, а выход со входами блока классификации шума моря и блока определения скорости ветра, первый выход которого соединен со входом блока определения волнения моря, а первый выход блока классификации шума моря, второй выход блока определения скорости ветра и выход блока определения волнения моря соединены со вторым, третьим и четвертым входами индикатора, также введен блок синхронизации и управления, управляемый вход которого соединен со вторым выходом блока классификации шума моря, первый синхровыход соединен с синхровходами блока анализатора спектра и блока выделения участка спектра, а второй, третий и четвертый синхровыходы - с синхровходами блока классификации шума моря, блока определения скорости ветра и блока определения волнения моря соответственно. 10 ил.

Устройство гидрометеорологоакустических наблюдений за акваторией морского полигона, содержащее последовательно соединенные гидрофон, предварительный усилитель, линию связи, широкополосный усилитель, анализатор спектра, выход которого соединен с первым входом индикатора, отличающееся тем, что в него введены блок выделения участка спектра, блок классификации шума моря, блок определения скорости ветра и блок определения волнения моря, при этом вход блока выделения участка спектра соединен с выходом анализатора спектра, а выход с входами блока классификации шума моря и блока определения скорости ветра, первый выход блока определения скорости ветра соединен с входом блока определения волнения моря, а первый выход блока классификации шума моря, второй выход блока определения скорости ветра и выход блока определения волнения моря соединены с вторым, третьим и четвертым входами индикатора, также введен блок синхронизации и управления, управляемый вход которого соединен с вторым выходом блока классификации шума моря, первый синхровыход соединен с синхровходами анализатора спектра и блока выделения участка спектра, а второй, третий и четвертый синхровыходы с синхровходами блока классификации шума моря, блока определения скорости ветра и блока определения волнения моря соответственно.