Способ измерения спектров короткопериодных поверхностных волн Советский патент 1991 года по МПК G01H3/00 

Изобретение относится к технике океанографических измерений и предназначено для определения характеристик короткопе- риодных поверхностных волн.

Цель изобретения - повышение точности измерений путем учета потери когерентности волн.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа измерения спектров поверхностных волн (для случаев, когда число волнографов равно шести),-на фиг.2 передаточная функция резонансной решетки без учета потери когерентности, на фиг 3 передаточная функция, полученная с учетом эффекта потери когерентности, рассчитанная для измеренной в натурных условиях функции когерентности.

Устройство для осуществления способа содержит шесть волнографов 1-6, сумматор 7,анализатор 8 спектра и вычислитель 9.

Каждый волнограф выполнен в виде полупогруженной высокоомной струны, соединенной с преобразователем изменения сопротивления струны в электрический сигнал. Волнографы 1-6 размещаются вдоль прямой на равном расстоянии d один от другого

Выходы всех шести волнографов 1 -6 соединены с входом сумматора 7. Могут использоваться как аналоговые, так и цифровые сумматоры. В последнем случае между волнографами 1 -6 и сумматором 7 должны быть включены аналого-цифровые преобразователи. Такие же преобразователи устанавливаются во всех случаях стыковки аналоговых и цифровых приборов.

На фиг.1 элементы сопряжения знало- говой и цифровой аппаратуры не показаны

В качестве анализатора 8 спектра можно использовать мини-ЭВМ ДВК-2 или специализированный спектроанализатор. Мини-ЭВМ ДВК-2 можно также использо- вать в качестве вычислителя 9 Функции анализатора 8 спектра и вычислителя 9 может выполнять и одна ЭВМ.

Способ осуществляется следующим образом.

Устанавливают волнографы 1-6 по прямой линии на равном расстоянии 2d один от другого Расстояние , где Я - длина исследуемой волны. Например, d 40 см Посредством сумматора 7 определяют сигнал. пропорциональный сумме изменений уровня водной поверхности в точках расположения волнографов, причем сигналы от четных волнографов суммируют с одним знаком, а сигналы от нечетных волнографов суммиру- ют с противоположным знаком. Одновременно волнографами 5 и 6 измеряют изменения уровня водной поверхности в двух точках. Рассчитывают взаимные спектральные характеристики изменений уровня поверхности в двух точках. Вычисляют по спектральным характеристикам передаточную функцию. Вид ее для конкретного случая приведен на фиг 3 Рассчитывают спектр определенного суммарного сигнала всех волнографов. По спектру суммарного сигнала с помощью вычисленной передаточной функции рассчитывают спектр поверхностных волн.

Устройство для осуществления способа работает следующим образом.

Сигналы волнографов 1-6 поступают на сумматор 7, где сигналы с датчиков имеющих четные номера, суммируются без изменения знака, а сигналы от нечетных датчиков - с противоположным знаком. Сигнал от сумматора 7 поступает на анализатор 8 спектра и затем на вычислитель 9. На вычислитель 9 также поступают сигналы двух соседних волнографов 5 и 6, сходящих в состав решетки.

Сравним передаточные функции, определенные с учетом и без учета эффекта потери когерентности.

Сначала получают выражение для передаточной функции в общем виде. Пусть решетка состоит из 2N (где N 1,2,3,...) идентичных идеальных волнографов 1-6, сигнал каждого из которых пропорционален изменению уровня поверхности. Волнографы 1-6 расположены рдоль прямой на одинаковом расстоянии друг от друга, равном d. Сигналы от волнографов, имеющих четные номера, суммируются без изменения знака, а от нечетных волнографов - с противоположным знаком. Тогда выходной сигнал решетки Zp определяется выражением

2N

zP(O 2 (-i)nZn(t). (1)

n 1

где Zp - выходной сигнал решетки;

Zn - сигнал волнографа с номером п.

Спектр мощности SP сигнала резонансной решетки определяется выражением

sp (а))

(27Г) 1 /2р(( )Zp(t +r)exp(,Wt) dZ,

(2) где а) - циклическая частота;

т- сдвиг по времени,

Черта сверху - осреднение;

Zp( r) Zp(t)Zp(t+ t) - автоковариационная функция.

Учитывая (1), Zp(r) можно представить в виде

ZP(T)

2N 2N,

D Ј(-i)n+m zn(t)zm(t+r).

n - 1m - 1

(3)

Из (З) следует, что Zp(t) равняется сумме взятых с соответствующим знаком взаимных ковариационных функций

Znm(r) Zn(t)Zm(t +T).

Подставляя (3) в (2) и вынося знаки суммирования за знак интеграла, получают

SP (ш )

2N2N,

VV

Л,2

n 1m 1

где Fnm(tt) 2( л) 1/ Znm( r) ехр( шг) dZ- кросс-гпектр n-го и m-ro волнографов.

Представим кросс-спектр Fnm( w), являющийся в общем случае комплексной функцией, в форме

Fnm( М) Anm( (} ( d)) ,(5)

где Anm (fo) и ynm(w) - взаимные амплитудный и фазовый спектры.

В стационарном и однородном волновом поле Sn( w) Sm(ft) S(w) и A2nm( () R2nm(oJ) S2(d)). поэтому выражение (5)можно переписать в виде

Fnm( ) - Rnm(( ) S((t) ) exp{i ((t) ) , (6)

1 ) Fnm(to). (4)

. ГДе Rnm( () -- R nm(W)

1/2.

R - квадратичная функция когерентности.

Учитывая, что sin (рпт и что Rnm( о)) Rmn(w), можно показать, что сумма мнимых частей Fnm( ш) в (4) равна нулю.

Отсюда получают SP(O)

ОМ

п +

( f(V.n - 1 m - 1

О

Rnm ( О) ) X

X COS pnm (0))}S(w).(7)

Выражение в фигурных скобках является передаточной функцией резонансной решетки, связывающей спектр ее выходного сигнала Sp( a) со спектром исследуемого волногового поля S (со).

В случае, когда волнографическая решетка ориентирована в направлении распространения волн, фазовый сдвиг в волне длиной А между волнографами с номерами п и m на расстоянии d I n-m I равен

d

I I 2тг I n - m I -y-.

(8)

Спектральные характеристики можно представить как функции безразмерного параметра d/A. В частности, в короткопери- одных волнах практически полная потеря когерентности происходит на расстояниях, меньших длины волны. Следовательно, сигналы волнографов, разнесенных на расстояние 2d или больше, на частотах, соответствующих А 2d и выше, являются статистически независимыми.

Примеры передаточных функций, рассчитанных без учета (как это делается в прототипе) и с учетом потери когерентности, показаны на фиг.2 и 3.

Используемая функция квадратичной когерентности показана на фиг.З: сплошная линия - экспериментальные данные, пунк

тир - аппроксимация в область, где измерения не проводились,

Для наглядности передаточные функции на фиг.2 и 3 даны нормированными на

5 безразмерный коэффициент (2N) . Учет полученной в натурных экспериментах потери когерентности в значительной мере влияет на вид передаточной функции, Влияние этого эффекта увеличивается с увгчиче10 нием числа волнографов в составе решетки. Таким образом показано, что рас .ет передаточной функции без учета эффекта потери когерентности приводит к ошибкам в определении спектра волн, которые возра15 стают с увеличением числа элементов решетки.

Формула изобретения

20Способ измерения спектров короткопериодных поверхностных волн, заключающийся в том, что измеряют сигнал, пропорциональный сумме изменений уровня водной поверхности в 2N числе точек, где

25 N 1,2,3.... расположенных по прямой линии на равном расстоянии одна от другой, вычисляют спектр суммарного сигнала, по которому с использованием передаточной функции вычисляют спектр короткопериод30 ных поверхностных волн, отличающий- с я тем, что. с целью повышения точности измерений, одновременно с измерением суммарного сигнала измеряют сигналы, пропорциональные изменению уровня вод35 ной поверхности в двух соседних точках, по этим сигналам вычисляют взаимные спектральные характеристики, по которым определяют передаточную функцию для расчета спектра короткопериодных поверхностных

4Q волн.

VlP O Z

0

04

Изобретение относится к океанографическим измерениям и предназначено для определения характеристик короткопери- одных поверхностных волн. Цель изобретения - повышение точности измерений - достигается путем учета потери когерентности волн. Волнографами измеряют сигналы, пропорциональные изменению уровня поверхности в четном числе точек пространства, расположенных вдоль прямой линии на равном расстоянии одна от другой. Затем суммируют сигналы (из двух соседних точек с разными знаками) и рассчитывают спектр суммарного сигнала. Одновременно с измерением суммарного сигнала измеряют сигналы, пропорциональнее изменению уровня в двух любых соседних точках, рассчитывают взаимные спектральные характеристики и вычисляют по ним передаточную функцию, посредством которой вычисляют по спектру суммарного сигнала спектр поверхностных волн. 3 ил. сл С

/гл0

800SC91

2N-2 2УҐ Ц

Tt/Я