СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕЙ ЧАСТОТЫ МОРСКИХ ВОЛН С ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НА ПЛАВУ Российский патент 2003 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 способ определения средней частоты морских волн с летательного аппарата в полете на постоянной высоте, описанный в книге: Гарнакерьян А.А., Сосунов А. С. Радиолокация морской поверхности Ростов-на-Дону; изд-во Ростовского университета, 1978, с.113-119; использующий бортовой коротковолновый импульсный радиолокатор с антенной, жестко связанной с летательным аппаратом, направленный к морской поверхности и имеющий широкую диаграмму направленности, при этом из последовательности эхо-сигналов от морской поверхности выделяют их центрированную огибающую, при переходе которой через нулевой уровень формируют последовательность импульсов, усредненная частота следования которых пропорциональна средней частоте морских волн, увеличивают период следования этой последовательности импульсов пропорционально скорости полета и преобразуют их в напряжение, пропорциональное усредненному периоду повторения импульсов, обратно пропорциональному средней частоте морских волн.

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

Причинами, препятствующими получению требуемого технического результата, являются: во-первых, большая погрешность измерений из-за вертикальных перемещений приемоизлучающей системы, расположенной на летательном аппарате, находящемся на плаву, под действием морского волнения; во-вторых, большая погрешность при измерении очень низких частот, получающихся из-за отсутствия перемещений в горизонтальной плоскости летательного аппарата, находящегося на плаву.

Известен способ определения средней частоты морских волн с летательного аппарата на плаву (Патент Российской Федерации 2092792, МКИ 6 G 01 С 13/00, ОБ 28, 1997), основанный на облучении морской поверхности импульсным сигналом, приеме отраженного сигнала, определении текущего расстояния до морской поверхности по времени приема отраженного сигнала и измерении с помощью размещенного рядом с приемоизлучающей системой акселерометра вертикальных ускорений приемоизлучающей системы, обусловленных действием морского волнения на приводненный летательный аппарат, по известным ускорениям определяют скорость и вертикальные перемещения приемопередающей системы, что позволяет определить ординаты собственных колебаний морской поверхности и путем подсчета количества положительных переходов колебания поверхности через средний уровень за время реализации и вычисления отношения длительности реализации к количеству переходов находят усредненный период, обратно пропорциональна которому средняя частота.

Признаки, совпадающие с заявленным объектом: определение текущего расстояния до морской поверхности по времени приема отраженного сигнала, определение с помощью размещенного рядом с приемоизлучающей системой акселерометра вертикальных ускорений, по которым определяют вертикальные перемещения приемоизлучающей системы и вычитание полученных сигналов.

Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является невозможность обработки результатов измерений в темпе поступления информации в связи с тем, что минимальное время, за которое может быть проведена оценка изменения средней частоты, равно длительности обрабатываемой реализации, которая для получения нужной точности измерений равна 15 мин.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является способ измерения высоты морских волн с летательного аппарата на плаву (патент Российской Федерации 2112925, МКИ G 01 С 13/00, ОБ 16, 1998), согласно которому определяют расстояние до водной поверхности по времени задержки отраженного сигнала с помощью совместно расположенной приемоизлучающей системы, определяют вертикальные ускорения приемоизлучающей системы под действием морского волнения на приводненный летательный аппарат с помощью акселерометра, фильтруют полученные сигналы и после их вычитания получают ординаты собственных колебаний морской поверхности.

Имеется в заявленном 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 невозможность определения частоты морских волн в темпе поступления информации.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - разработка способа измерения частоты морских волн без определения количества квазипериодов колебаний морской поверхности в пределах реализации процесса большой длительности.

Технический результат предложенного способа заключается в том, что частота определяется через одинаковые промежутки времени, отделенные интервалом дискретизации, что позволяет проводить обработку результатов в темпе поступления информации.

Технический результат достигается тем, что известный способ, 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, определяют сигналы на выходах цепей и их производные, определяют произведения значений сигнала на выходе одной цепи на значение производной сигнала на выходе другой, определяют разность произведений, полученных на выходах цепей, которую делят на сумму квадратов сигналов на выходах обеих цепей, результаты усредняют и получают среднее значение частоты 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, определение производных сигналов на выходах цепей, определение произведений сигналов на выходе одной цепи на значение производной сигнала на выходе другой, определение разности произведений на выходах цепей, деление разности произведений на сумму квадратов сигналов на выходах обеих цепей, усреднение результатов.

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). Энергетические спектры сигналов на входе и выходах цепей совпадают, следовательно, не отличаются и средние частоты. Имея сопряженные по Гильберту x(t) и y(t) сигналы, можно определить частоту колебания в момент времени t по формуле:

Средняя частота в пределах интервала τ равна

Усреднение можно выполнить с помощью фильтра нижних частот (см. книгу В. Д. Кукуш. Электрорадиоизмерения. - М.: "Радио и связь", 1985).

Таким образом среднюю частоту можно определить через произвольные промежутки времени, что позволяет вести обработку результатов в темпе поступления информации.

В прототипе для определения средней частоты необходимо найти количество положительных переходов колебания поверхности через средний уровень (количество квазипериодов) за промежуток времени τ, которое пропорционально средней частоте морских волн. Но длительности квазипериодов изменяются в течение одной реализации в больших пределах и получение усредненных результатов через одинаковые промежутки времени оказывается невозможным, что делает невозможной обработку результатов в темпе поступления информации.

Для подтверждения данного способа далее приведен пример реализации устройства на его основе.

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; a₁= 1,826; c₀= 0,4601; с₁=1,43.

При подаче на входы цепей с такими системными функциями выборок колебаний морской поверхности f_i, отделенных как в прототипе интервалом времени Т=0,1 с, получим на выходах отклики:
х_i=-a₀f_i+а₁f_i-1-f_i-2+а₁x_i-1-a₀x_i-2,
y_i=c₀f_i-c₁f_i-1+f_i-2+c₁y_i-1-c₀y_i-2.

Значения производных и в формуле (1) определяются с помощью двух одинаковых дифференцирующих цепей, системная функция которых
H(z)=d(1-z²).

Коэффициент d= 5,06 выбирается из условия точной настройки дифференцирующей цепи на середину спектра морского волнения 0,25 Гц.

Отклики на выходах цепей при воздействии отсчетов x_i и y_i получаются равными:
g_i=d(x_i-x_i-2),
h_i=d(y_i-y_i-2).

Цепь имеет линейную фазочастотную характеристику и задерживает производную сигнала на один такт. Так что соответствующие значения сигналов на выходах цепей равны x_i-1 и y_i-1. Дискретный аналог формулы (1) в этом случае примет вид:

Усреднение частоты выполняется с помощью рекурсивного фильтра первого порядка нижних частот с полосой пропускания, примерно равной 5•10^-4 Гц, и постоянной времени 300 с. Системная функция фильтра

где a=0,3•10^-3 и b=0,9997.

Для сокращения объема вычислений можно преобразовать формулы (2) и (3) следующим образом: левую и правую части (2) разделить на d, в этом случае числитель в (3) умножается на d. Кроме того, чтобы получить усредненные значения частоты F_i, выраженные в Гц, необходимо разделить результаты, полученные с применением (3), на 2π. Соответствующий алгоритм принимает вид:

где с=2,417•10^-4, b=0,9997 и

На чертеже приведена структурная схема устройства для осуществления предложенного способа измерения средней частоты 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, 4, 5, 6 и 7, первый и второй сумматоры 8 и 9, шестой, седьмой, восьмой и девятый блоки умножения 10, 11, 12 и 13, третий, четвертый, пятый и шестой регистры 14, 15, 16 и 17, первый и второй блоки вычитания 18 и 19, десятый блок умножения 20, первый блок возведения в квадрат 21, третий сумматор 22, второй блок возведения в квадрат 23, одиннадцатый блок умножения 24, блок деления 25, двенадцатый блок умножения 26, четвертый сумматор 27, седьмой регистр 28, тринадцатый блок умножения 29, третий блок вычитания 30.

Выход 31 является выходом устройства и его информационный вход 32.

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 c₀f_i; первый сумматор 8 определяет величину x_i; второй сумматор 9 определяет величину y_i; шестой блок умножения 10 определяет произведение a₁x_i-1; седьмой блок умножения 11 определяет произведение -a₀x_i-2; восьмой блок умножения 12 определяет произведение c₁y_i-1; девятый блок умножения 13 определяет произведение -c₀y_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 вычитания 18 определяет разность x_i-x_i-2; второй блок вычитания 19 определяет разность y_i-y_i-2; десятый блок умножения 20 определяет произведение y_i-1(x_i-x_i-2); первый блок возведения в квадрат определяет y_i-1 ²; третий сумматор 22 определяет сумму x_i-1 ²+y_i-1 ²; второй блок возведения в квадрат 23 определяет x_i-1 ²; одиннадцатый блок умножения 24 определяет произведение x_i-1(y_i-y_i-2); блок деления 25 определяет частное от деления
,
равное отношению ; двенадцатый блок умножения 26 определяет произведение ; четвертый сумматор 27 находит сумму , равную F_i; седьмой регистр 28 записывает и выдает величину F_i-1, тринадцатый блок умножения 29 определяет произведение bF_i-1; третий блок вычитания 30 определяет разность в числителе формулы 5; на выходе устройства 31 получаем значения средней частоты морских волн; на информационный вход 32 подаются сигналы, соответствующие колебаниям морской поверхности.

Устройство работает следующим образом.

Цифровые сигналы f_i, соответствующие колебаниям морской поверхности, поступают с информационного входа 32 с интервалом времени Т на вход первого блока умножения 3, в котором хранится значение сомножителя -a₀. В результате перемножения на выходе блока получается произведение -a₀f_i, которое поступает на первый вход первого сумматора 8. На второй вход первого сумматора 8 поступают задержанные на время Т первым регистром 1 и умноженные вторым блоком умножения 4 на коэффициент a₁, хранящийся в самом блоке, сигналы f_i. Таким образом на второй вход первого сумматора 8 поступают значения a₁f_i-1. На третий вход первого сумматора 8 поступают задержанные на время Т 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 Т третьим регистром 14 и умноженные шестым блоком умножения 10 на коэффициент a₁, 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 Т четвертым регистром 15 и умноженные седьмым блоком умножения 11 на коэффициент -a₀, хранящийся в блоке, сигналы с выхода третьего регистра. Следовательно, на пятый вход первого сумматора 8 поступают значения -a₀x_i-2. В результате суммирования на выходе первого сумматора 8 получаются значения х_i= -a₀f_i+a₁f_i-1-f_i-2+a₁x_i-1-a₀x_i-2. Сигналы x_i поступают на первый вход первого блока вычитания, на второй вход которого поступают эти же сигналы, задержанные на два такта с выхода четвертого регистра 15. На выходе первого блока вычитания получаем разность x_i-x_i-2. С выхода третьего регистра 14 сигналы x_i-1 поступают на второй блок возведения в квадрат 23, на входе которого получаются значения x_i-1 ², поступающие на первый вход третьего сумматора 22.

Цифровые сигналы f_i поступают через пятый блок умножения 7, в котором хранится значение множителя c₀, на первый вход второго сумматора 9. В результате перемножения на первом входе второго сумматора 9 получаются сигналы c₀f_i. Сигналы f_i, задержанные первым регистром 1 на время Т, поступают через четвертый блок умножения 6, в котором хранится множитель -c₁, 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 Т пятым регистром 16 и умноженные восьмым блоком умножения 12 на коэффициент с₁, хранящийся в блоке, сигналы у_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 Т 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 -c₀y_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 поступают на первый вход второго блока вычитания 19. На второй вход блока вычитания 19 поступают эти же сигналы, задержанные на два такта с выхода шестого регистра 17. На выходе второго блока вычитания получаем разность y_i-y_i-2. С выхода пятого регистра 16 сигналы у_i-1 поступают на первый блок возведения в квадрат 21, на выходе которого получаются значения y_i-1 ², поступающие на второй вход третьего сумматора 22. В результате сложения сигналов на первом и втором входах третьего сумматора 22 на его выходе получается сумма x_i-1 ²+y_i-1 ², которая поступает на первый вход блока деления 25.

С выхода первого блока вычитания 18 сигналы поступают на первый вход десятого блока умножения 20, на второй вход которого поступают с выхода пятого регистра 16 сигналы у_i-1. На выходе десятого блока умножения получают произведения y_i-1(x_i-x_i-2), поступающие на первый вход третьего блока вычитания 30. С выхода второго блока вычитания 19 сигналы поступают на первый вход одиннадцатого блока умножения 24, на второй вход которого поступают с выхода третьего регистра 14 сигналы x_i-1. На выходе одиннадцатого блока умножения получают произведения x_i-1(y_i-y_i-2), поступающие на второй вход третьего блока вычитания. Таким образом на выходе третьего блока вычитания 30 получается числитель формулы 5, равный x_i-1(y_i-y_i-2)-y_i-1(x_i-x_i-2), значение которого поступает на второй вход блока деления 25. На выходе блока 25 получается частное от деления значений на его входах , равное отношению , которое поступает на вход двенадцатого блока умножения 26. В блоке 26 хранится значение множителя c и на его выходе получается произведение , которое поступает на первый вход четвертого сумматора 27. На его выходе получаются усредненные значения частоты F_i, которые задерживаются на один такт восьмым регистром 28 и умножаются тринадцатым блоком умножения на множитель b, хранящийся в этом блоке, после чего поступают на второй вход четвертого сумматора 27. Таким образом, F_i получаются равными - усредненным значениям частоты в Гц, которые подаются на выход устройства 31.

Описанное устройство не содержит не известных ранее блоков и элементов и полностью реализует все операции в предложенном способе определения средней частоты морских волн.

Благодаря введению новых операций обработки сигналов парой цепей, обеспечивающих разность сдвигов фаз на выходах 90^o, определению производных сигналов на выходах цепей, определению произведения сигналов на их производные на выходах различных цепей и делению разности этих произведений на сумму квадратов сигналов на выходах цепей с последующим усреднением результатов, обеспечивается возможность обработки результатов в темпе поступления информации при измерении средней частоты морских волн.

Использование: в неконтактных океанографических измерениях. Сущность: 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, которые обрабатывают парой цепей с коэффициентами передачи, равными единице. Разность сдвигов фаз этих цепей близка к 90^o. Определяют сигналы на выходах цепей и их производные. Определяют произведения значений сигнала на выходе одной цепи на значение производной сигнала на выходе другой. Разность произведений, полученных на выходах цепей, делят на сумму квадратов сигналов на выходах обеих цепей, результаты усредняют и получают значение средней частоты морских волн. Технический результат: обработка результатов производится в темпе поступления информации. 1 ил.

Способ измерения средней частоты 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, определяют сигналы на выходах цепей и их производные, определяют произведения значений сигналов на выходе одной цепи на значение производной сигнала на выходе другой, определяют разность произведений, полученных на выходах цепей, которую делят на сумму квадратов сигналов на выходах обоих цепей, результаты усредняют и получают значение средней частоты морских волн.