СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ МОРСКИХ ВОЛН С ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НА ПЛАВУ Российский патент 2001 года по МПК G01C13/00 

Изобретение относится к области неконтактных океанографических измерений и предназначено для использования в информационно-измерительных комплексах определения статистических характеристик морского волнения с летательного аппарата на плаву.

Известен акустический способ определения высоты морских волн (А.с. СССР N 412578, МКИ G 01 S 9/66, БИ N 3, 1974), состоящий в облучении поверхности воды акустической энергией и приеме отраженных сигналов, причем используются две приемоизлучающие системы, разнесенные по вертикали, которые возбуждают и принимают два тонально-импульсных акустических сигнала, относительная разность частот которых равна относительному вертикальному разнесению систем, фильтрации отраженных сигналов, выделению их огибающих и измерению частотно-пространственного в вертикальной плоскости коэффициента взаимной корреляции огибающих и нахождению после этого среднеквадратической высоты морских волн по формуле

где B(f₁, f₂) - коэффициент взаимной корреляции;
Δ K - разность волновых чисел.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: облучение поверхности воды и прием отраженных сигналов, использование приемоизлучающей системы, фильтрация отраженных сигналов.

Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является большая погрешность измерения высоты морских волн из-за невозможности размещения на летательном аппарате двух приемоизлучающих систем на значительно отличающихся высотах.

Известен способ определения расстояния до водной поверхности (а.с. СССР N 1151819, МКИ G 01 C 13/00, 1986, ОБ N 15), использующий посылки на водную поверхность импульсов оптического излучения, прием отраженного сигнала и определение расстояния до водной поверхности по времени прихода отраженного сигнала, причем из отраженного сигнала выделяют спектр фотолюминесценции, который используют для определения расстояния.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: использование посылок на водную поверхность импульсов, прием отраженного сигнала и определение расстояния до водной поверхности по времени прихода отраженного сигнала.

Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является большая погрешность измерения высоты морских волн из-за вертикальных перемещений источника и приемника оптических импульсов, расположенных на летательном аппарате, находящемся на плаву, под действием морского волнения.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является способ измерения высоты морских волн с летательного аппарата на плаву (патент Российской Федерации N 2112925, МКИ G 01 C 13/00, ОБ N 16, 1998), основанный на определении расстояния до водной поверхности по времени задержки отраженного сигнала с помощью совместно расположенной приемоизлучающей системы, определении вертикальных ускорений приемоизлучающей системы под действием морского волнения на приводненный летательный аппарат с помощью акселерометра, фильтрации полученных сигналов, их вычитания и вычисления среднеквадратических колебаний морской поверхности.

Имеется в заявляемом объекте: определение расстояния до водной поверхности по времени задержки отраженного сигнала с помощью совместно расположенной приемоизлучающей системы, определение вертикальных ускорений приемоизлучающей системы под действием морского волнения на приводненном летательном аппарате с помощью акселерометра, фильтрация полученных сигналов и их вычитание.

Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является большое время анализа при определении высоты морских волн, связанное с необходимостью затрат времени для усреднения при определении среднеквадратического значения колебаний морской поверхности.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - разработка способа измерения высоты морских волн с летательного аппарата на плаву без вычисления среднеквадратических значений колебаний морской поверхности.

Технический результат предложенного способа заключается в том, что уменьшается время, необходимое для измерения высоты морских волн, что дает возможность без задержки получить информацию об опасном, с точки зрения обеспечения безопасности взлета, развитии морского волнения.

Технический результат достигается тем, что известный способ измерения высоты морских волн с летательного аппарата на плаву, согласно которому определяют расстояние до водной поверхности по времени задержки отраженного сигнала с помощью совместно расположенной приемоизлучающей системы, определяют вертикальные ускорения приемоизлучающей системы, обусловленные действием морского волнения на приводненный летательный аппарат, с помощью акселерометра, фильтруют сигналы и после их вычитания получают сигналы, пропорциональные колебаниям морской поверхности, дополняется тем, что сигналы, пропорциональные колебаниям морской поверхности, обрабатывают парой цепей с коэффициентами передачи, равными единице, разность сдвигов фаз которых близка к 90^o, и вычисляют удвоенный квадратный корень из суммы квадратов сигналов на выходах цепей, равный высоте морских волн.

Анализ заявляемого способа и сравнение его с прототипом позволяют выявить следующие новые признаки: обработка сигналов, пропорциональных колебаниям морской поверхности парой цепей с коэффициентами передачи, равными единице, разность сдвигов фаз которых близка к 90^o, и вычисление удвоенного квадратного корня из суммы квадратов сигналов на выходах цепей, равного высоте морских волн.

Наличие новых признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критериям "Новизна", "Изобретательский уровень" и "Промышленная применимость".

Возможность достижения технического результата обусловлена следующими теоретическими положениями: сигналы, пропорциональные колебаниям морской поверхности f(t), поступают на входы пары цепей с коэффициентами передачи, равными единице. В пределах ширины спектра морского волнения (0,05 - 0,5 Гц) фазовые характеристики этих цепей отличаются на 90^o. При этом получаются сигналы на выходах этих цепей сопряженными по Гильберту (см., например, книгу Гоноровский И. С. , Демин М.П. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1994). По форме они не совпадают с сигналами на входе цепей, но у них отсутствуют амплитудно-частотные искажения. Имея сопряженные по Гильберту сигналы x(t) и y(t), можно определить огибающую амплитуд, равную

Высота морских волн равна удвоенной огибающей амплитуд H(t)=2A(t) по определению (см. , например, книгу Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978).

Таким образом, в заявленном способе определяется высота морских волн прямым методом.

В прототипе определяется среднеквадратическое значение колебаний морской поверхности усреднением по реализации длительностью 15 мин. Непосредственно сравнивая полученную высоту морских волн с допустимой для безопасного взлета волной трехпроцентной обеспеченности, можно без задержки получить информацию об опасном развитии морского волнения. В прототипе такая информация получается с задержкой, соответствующей времени усреднения.

Для подтверждения возможности осуществления изобретения далее приведен пример реализации способа.

Пара цепей с коэффициентами передачи, равными единице, разность сдвигов фаз которых в полосе частот 0,05 - 0,5 Гц отличается от 90^o не более чем на 1,2^o, имеет системные функции (См. книгу Голд Б., Рэйдер Ч. Цифровая обработка сигналов. Пер. с англ. , под ред. А.М. Трахтмана. - М., Сов.радио, 1973):


где a₀ = 0,8284; а₁ = 1,826; c₀ = 0,4601; c₁ = 1,43.

При подаче на входы цепей с такими системными функциями выборок колебаний морской поверхности f_i, отделенных как в прототипе интервалом времени T = 0,1 с, получим на выходах отклики:
x_i=-a₀f₁+a₁f_i-1- f_i-2+a₁x_i-1-a₀x_i-2-,
y_i=c₀f_i-c₁f_i-1+ f_i-2+c₁y_i-1-c₀y_i-2.

Выборки огибающей амплитуд получаются равными

Значение квадратного корня в этой формуле вычисляется методом итерации по формуле

где k - номер итерации.

Выборки значений высоты морских волн равны удвоенной амплитуде H_i = 2 A_i.

На чертеже приведена структурная схема устройства для осуществления предложенного способа измерения высоты морских волн в соответствии с предлагаемым изобретением.

Устройство содержит первый и второй регистры 1 и 2, первый, второй, третий, четвертый и пятый блоки умножения 3 - 7, первый и второй сумматоры 8 и 9, шестой, седьмой, восьмой и девятый блоки умножения 10 - 13, третий, четвертый, пятый и шестой регистры 14 - 17, первый и второй блоки возведения в квадрат 18 и 19, третий сумматор 20, седьмой регистр 21, первый блок деления 22, четвертый сумматор 23, второй блок деления 24, восьмой регистр 25, десятый блок умножения 26.

Выход 27 является выходом устройства, входы 28 и 29 являются соответственно информационным и управляющим входами.

Соответственно в устройстве первый регистр 1 записывает и выдает величину f_i-1, второй регистр 2 записывает и выдает величину f_i-2, первый блок умножения 3 определяет произведение -a₀f_i; второй блок умножения 4 определяет произведение a₁f_i-1; третий блок умножения 5 определяет значение -f_i-2; четвертый блок умножения 6 определяет произведение -c₁f_i-1; пятый блок умножения 7 определяет произведение с₀f_i; первый сумматор 8 определяет величину x_i; второй сумматор 9 определяет величину y_i; шестой блок умножения 10 определяет произведение a_ix_i-1; седьмой блок умножения 11 определяет произведение - а₀x_i-2; восьмой блок умножения определяет произведение с₁y_i-1; девятый блок умножения 13 определяет произведение - с₀y_i-2; третий регистр 14 записывает и выдает величину x_i-1; четвертый регистр 15 записывает и выдает величину x_i-2; пятый регистр 16 записывает и выдает величину y_i-1; шестой регистр 17 записывает и выдает величину y_i-2; первый блок возведения в квадрат 18 вычисляет значения x_i ²; второй блок возведения в квадрат 19 вычисляет значения y_i ², третий сумматор 20 вычисляет сумму x_i ²+y_i ², седьмой регистр 21 служит для записи и хранения суммы x_i ²+y_i ²; первый блок деления 22 служит для вычисления отношения при k-й итерации; четвертый сумматор 23 находит величину второй блок деления 24 определяет величину Ak+1i

; восьмой регистр 25 предназначен для хранения k-й итерации текущего значения A_i ^k и записей полученного решения Ak+1i; девятый блок умножения 26 вычисляет произведение 2A_i; на выходе устройства 27 получаем значения высоты морских волн H_i; на информационный вход 28 подаются сигналы, соответствующие колебаниям морской поверхности; управляющий вход устройства 29 служит для подачи управляющих сигналов.

Устройство работает следующим образом.

Цифровые сигналы f_i, соответствующие колебаниям морской поверхности, поступают с информационного входа 28 с интервалом времени T на вход первого блока умножения 3, в котором хранится значение сомножителя - а₀. В результате перемножения на выходе блока получается произведение - а₀f_i, которое поступает на первый вход первого сумматора 8. На второй вход первого сумматора 8 поступают задержанные на время T первым регистром 1 и умноженные вторым блоком умножения 4 на коэффициент а₁, хранящийся в самом блоке, сигналы f_i. Таким образом на второй вход первого сумматора 8 поступают значения a_if_i. На третий вход первого сумматора 8 поступают задержанные на время T вторым регистром 2 и умноженные третьим блоком умножения 5 на -1 сигналы с выхода первого регистра. Следовательно, на третий вход первого сумматора 8 поступают значения -f_i-2. На четвертый вход первого сумматора 8 поступают задержанные на время T третьим регистром 14 и умноженные шестым блоком умножения 10 на коэффициент а₁, хранящийся в самом блоке, сигналы x_i, с выхода первого сумматора 8. Таким образом на четвертый вход первого сумматора 8 поступают значения a₁x_i-1. На пятый вход первого сумматора 8 поступают задержанные на время T четвертым регистром 15 и умноженные седьмым блоком умножения 11 на коэффициент -а₀, хранящийся в блоке, сигналы с выхода третьего регистра. Следовательно, на пятый вход первого сумматора 8 поступают значения -a₀x_i-2. В результате суммирования на входе первого сумматора 8 получаются значения x_i=-a₀f_i+a₁f_i-1-f_i-2+ a₁x_i-1-a₀x_i-2, которые через первый блок возведения в квадрат 18 поступают на первый вход третьего сумматора 20. Таким образом на первом входе третьего сумматора 20 действуют сигналы x_i ².

Цифровые сигналы f_i поступают через пятый блок умножения 7, в котором хранится значение множителя с₀, на первый вход второго сумматора 9. В результате перемножения на первом входе второго сумматора 9 получаются сигналы с₀f_i. Сигналы f_i, задержанные первым регистром 1 на время T, поступают через четвертый блок умножения 6, в котором хранится множитель -с₁, на второй вход второго сумматора 9. Таким образом, на втором входе сумматора 9 получаются значения -c₁f_i-1. Сигналы с выхода первого регистра 1, задержанные вторым регистром 2, поступают на третий вход второго сумматора 9. Следовательно, на третий вход второго сумматора 9 поступают сигналы f_i-2. На четвертый вход второго сумматора 9 поступают задержанные на время T пятым регистром 16 и умноженные восьмым блоком умножения 12 на коэффициент с₁, хранящийся в блоке, сигналы y_i с выхода второго сумматора 9. Таким образом на четвертый вход второго сумматора 9 поступают значения c₁y_i-1. На пятый вход второго сумматора 9 поступают задержанные на время T шестым регистром 17 и умноженные девятым блоком умножения 13 на коэффициент -c₀, хранящийся в самом блоке, сигналы с выхода шестого регистра. Следовательно, на пятый вход сумматора 9 поступают значения -c₀ y_i-2. В результате суммирования на выходе второго сумматора 9 получают значения y_i = c₀f_i - c₁f_i-1 + f_i-2 + c₁y_i-1 - c₀y_i-2, которые через второй блок возведения в квадрат 19 поступают на второй вход третьего сумматора 20. Таким образом, на втором входе третьего сумматора 20 действуют сигналы y_i ².

В результате суммирования сигналов, поступающих на входы третьего сумматора 20, на его выходе получается значение x_i ² + y_i ². Выход третьего сумматора 20 соединен с первым входом седьмого регистра 21 и первым входом восьмого регистра 25. На вторые входы седьмого и восьмого регистров подаются с интервалом времени T управляющие сигналы с управляющего входа устройства 29. По управляющему сигналу в оба регистра записывается сумма x_i ² + y_i ², которая одновременно является нулевой итерацией A_i ⁰. Выходы седьмого и восьмого регистров 21 и 25 соединены с первым и вторым входами первого блока деления 22, в котором определяется отношение на k-й итерации. Выход первого блока деления 22 соединен с первым входом четвертого сумматора 23. Его второй вход подключен к выходу восьмого регистра 25. На первый вход сумматора 23 подается отношение на k-й итерации, а на второй - значение A_i ^k. На выходе сумматора 23 получается сумма этих величин. Выход четвертого сумматора 23 соединен с входом второго блока деления 24, в памяти которого хранится делитель, равный двум. Выход блока деления 24 подключен к третьему входу восьмого регистра 25. С выхода блока деления 24 очередная итерация A_i ^k записывается в восьмом регистре 25 и процесс вычисления продолжается до получения заданной точности. Результат записывается в регистр 25 и поступает на вход десятого блока умножения 26, в котором хранится множитель 2. По команде управляющего устройства выполняется операция умножения и полученное значение высоты волн поступает с выхода блока умножения 26 на выход устройства 27.

Таким образом описанное устройство не содержит неизвестных ранее блоков и элементов и полностью реализует все операции в предложенном способе определения высоты морских волн.

Благодаря введению новых операций обработки сигналов парой цепей, обеспечивающих разность сдвигов фаз на выходах 90^o, и вычисления удвоенного квадратного корня из суммы квадратов сигналов на выходах цепей, обеспечивается решение технической задачи (уменьшение времени анализа при измерении высоты морских волн), обеспечивается поступление оперативной информации об опасном, с точки зрения возможности взлета, развитии волнения.

Изобретение относится к неконтактным океанографическим измерениям и может быть использовано для определения статических характеристик морского волнения с летательного аппарата на плаву. Технический результат состоит в уменьшении времени анализа измерений и обеспечении получения оперативной информации об опасном для взлета морском волнении. Определяют расстояние до водной поверхности по времени задержки отраженного сигнала совместно расположенной приемоизлучающей системой. Акселерометром определяют вертикальные ускорения приемоизлучающей системы, фильтруют и вычитают сигналы. Полученные сигналы обрабатывают парой цепей с коэффициентами передачи, равными единице, и с разностью сдвигов фаз 90°. Вычисляют удвоенный квадратный корень из суммы квадратов сигналов на выходах цепей, равный высоте морских волн. 1 ил.

Способ измерения высоты морских волн с летательного аппарата на плаву, согласно которому определяют расстояние до водной поверхности по времени задержки отраженного сигнала с помощью совместно расположенной приемоизлучающей системы, определяют вертикальные ускорения приемоизлучающей системы, обусловленные действием морского волнения на приводненный летательный аппарат, с помощью акселерометра, фильтруют сигналы и после их вычитания получают сигналы, пропорциональные колебаниям морской поверхности, отличающийся тем, что сигналы, пропорциональные колебаниям морской поверхности, обрабатывают парой цепей с коэффициентами передачи, равными единице, разность сдвигов фаз которых близка к 90^o, и вычисляют удвоенный квадратный корень из суммы квадратов сигналов на выходах цепей, равный высоте морских волн.