Способ определения спектра возвышений волнения морской поверхности и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01B17/00 G01C13/00 

Изобретение относится к гидрофизическим измерениям и может быть использовано для измерения спектров возвышений волнующейся поверхности моря.

Целью изобретения является расширение области применения за счет увеличения диапазона волн анализируемого волнения.

На чертеже представлена блок-схема устройства определения спектра возвышений волнений морской поверхности.

Устройство содержит генератор 1, подключенный к нему излучатель 2 акустических волн, приемник 3 акустического излучения, подключенный к нему усилитель 4, и спектроанализатор 5. К выходу усилителя 4 подключены последовательно соединенные коррелометр 6, пороговый блок 7 и блок 8 памяти, выход которого подключен к

спектроанализатору 5. Для синхронизации циклов измерений частоты модуляции второй выход коррелометра 6 подключен к второму входу блока 8 памяти. Генератор 1 выполнен в виде генератора белого шума.

Сущность способа определения спектра возвышений волнения морской поверхности состоит в использовании явления частотной модуляции спектра широкополосного акустического излучения, принимаемого в морской среде на некотором расстоянии от источника. Модуляция возникает в результате интерференции акустических воли, отраженных от морской поверхности, с прямыми волнами, т.е. такими, которые распространяются по лучу, соединяющему источник с приемником. Так, при излучении в течение времени ti-t2

О

43

со

W

X О

п полосе частот fi -fa акустических волн с постоянной спектральной плотностью Go мощности посредством источника, расположенного в одной точке морской среды с координатами Z Z0, Ј 0, где Z - вертикальная координата, Z0 - горизонтальная координата. Принимаемое в другой точке морской среды с координатами Z Zi, r R акустическое излучение имеет спектральную плотность мощности G (t,f), определяемую выражением

G(t,r) + m cos (2 я т (t)), (1)

где t - время;

f - частота акустической волны;

m - коэффициент отражения акустической волны от морской поверхности;

r (t) - задержка прихода акустической волны, отраженной от морской поверхности относительно прямой волны.

Из геометрии хода прямой и отраженной волн

Г:Ј (Х0 - Xl) ,

(2)

где

Xi - (Zo-Zi +R2 ;

Х0 v/(z7+ Zi + 2 Ј2 + R2 ;

С - скорость звука в морской среде.

Поскольку на практике всегда можно выполнить условие R Z0; Zi |(t), соотношение (2) принимает вид

r(t)

Ј(t)(Zo+Zi)+Z0

CR

(3)

Из соотношения (1) с учетом соотношения (3) видно, что спектральная плотность мощности принимаемого акустического излучения вследствие интерференции прямой и отраженной акустических ЕОЛН промоду- лирована по частоте. Частота r(t) этой модуляции равна времени задержки r(t) прихода отраженной волны относительно прямой волны и прямо пропорциональна величине возвышения Ј (t) анализуемого волнения морской поверхности. Следовательно, выделив частоту r (t) модуляции спектральной плотности G (t,f) мощности принятого излучения и зарегистрировав ее, можно, определив спектр Gj-(Q) полученной временной зависимости r(t), определить с учетом (3) искомый спектр Gz(Q) возвышений волнения морской поверхности из соотношения

г /г - Гг (0 7 7, Sin Q(2 -tlh

G(Q)Gr(Q)-Z0

/

/(Z0 + Zi); Gr (Q)

(4)

J r(t)exp(-iQt)dt G, R/2 ,

0.5

где Ь2- частота волнения морской поверхности.

Для обеспечения получения информации о спектре возвышений всех длин волн анализируемого волнения необходимо излучать и регистрировать акустические волны в течение интервала времени ti-t.2, превышающего интервал Т времени, определяемый соотношением

,-.

-Т уТмЯмакс ,

g

где g - ускорение свободного падения, Амакс - наибольшая из длин волн анализируемого волнения,

Устройство определения спектра возвышений волнения морской поверхности работает следующим образом.

С помощью генератора 1 и излучателя 2,

установленного в морской среде, излучают акустические волны.

Приемником 3 осуществляют прием акустического излучения. Выходной сигнал приемника, несущий информацию о принятом акустическом излучении, через усилитель 4 подают на коррелометр 6, с помощью которого измеряют спектральную плотность мощности- принятого излучения, по которой определяют значение корреляционной функции реализации сигнала, и по максимуму корреляционной функции измеряют частоту модуляции, равную запаздыванию т отраженной волны относительно прямой. С помощью порогового блока 7 выделяют измеренную частоту модуляции на фоне сигнала, обусловленного шумами морской среды, и с помощью блока 8 памяти накапливают измеренные значения частоты модуляции. Для того, чтобы обеспечить получение полезной информации для всех длин волн анализируемого волнения, включая и самые длинные волны, временную зависимость Г (t) снимают в течение времени, превышающем интервал Т. Выходной сигнал с

блока 8 памяти подают на процессор, с помощью которого определяют спектр Gf(Q) временной зависимости г (т.). По измеренному спектру Gj-(Q) в соответствии с соотношением (4) определяют искомый

спектр G,(Q) возвышений волнения морской поверхности.

Таким образом, изобретение обеспечивает исключение в спектре принимаемого сигнала мощной низкочастотной составля- ющей, не связанной с исследуемым спект- ром, что позволяет расширить диапазон волн анализируемого волнения. Формула изобретения 1. Способ определения спектра возвы- шений волнения морской поверхности, заключающийся в том, что в морской среде размещают излучатель и приемник акустических волн, излучают акустическую волну, принимают прямую волну и отраженную от морской поверхности, измеряют спектральную плотность мощности принятого излучения, по которой судят о контролируемом параметре,отличающийся тем,что,с целью расширения области применения,

акустические волны излучают с постоянной спектральной плотностью мощности, определяют частоту модуляции спектральной плотности мощности принятого излучения, а спектр возвышений волнения морской поверхности определяют по ее временной зависимости.

2. Устройство определения спектра возвышений волнения морской поверхности, содержащее генератор, соединенный с ним излучатель акустических волн, приемник акустических волн, соединенный с ним усилитель и спектроанализатор, отличаю- щ е е-с я тем, что оно снабжено подключенными к усилителю последовательно соединенными коррелометром, пороговым блоком и блоком памяти, вторым входом соединенным с выходом коррелометра, выходом со спектроанализатором, а генератор выполнен в виде генератора белого шума.

Изобретение относится к гидрофизическим измерениям и может быть использовано для измерения спектров возвышений волнующейся поверхности моря. Цель изобретения - расширение области применения за счет увеличения диапазона волн анализируемого волнения, В соответствии с изобретением акустические волны излучают с постоянной спектральной плотностью мощности, в измеренной спектральной плотности мощности принятого излучения выделяют частоту мо дуля- ции и определяют ее временную зависимость, а о спектре возвышений волнения морской поверхности судят по спектру временной зависимости частоты модуляции спектральной плотности мощности принятого излучения. Введение в устройство коррелометра, порогового блока и блока памяти обеспечивает исключение из принятого сигнала мощной низкочастотной составляющей, не связанной с исследуемым спектром, что расширяет диапазон волн анализируемого волнения. 2 с.п. ф-лы, 1 ил, С/ С