Устройство для определения фазовых скоростей поверхностных волн Советский патент 1993 года по МПК G01C13/00 

вые лепестки. Наличие этих лепестков приводит к утечке спектральной плотности из области максимума в области с низкими уровнями спектральной плотности, и хотя боковбге лепестки невелики (для часто ис- польз уёмого окна Бзртлетта наибольший боковой максимум составляет около 4-5% от основного), при оценке спектральных функций, если исследуемые процессы имеют быстроспадающий автоспектр, то на высоких частотах имеют место значительные искажения..

Целью изобретения является повышение точности.

Цель достигается тем, что в устройстве для определения фазовых скоростей поверхностных волн, содержащем измеритель волновых характеристик и вычислитель, новым является то, что измеритель характе1 ристик выполнен в виде лазера и фотоприемника, установленных с возможностью оптического сопряжения через границу раздела двух сред, а между лазером и фотоприемником установлен введенный узел, параллельного смещения лазерного луча, выполненный с двумя параллельными зеркалами, установленными под углом коси лазера, при этом узел параллельного смещения лазерного луча выполнен t возможностью перемещения вдоль оси, перпендикулярной оси лазера, и соединен с введенным блоком управления, подключенным к вычислителю.

Использование лазерного луча позволяет отказаться от контактных датчиков волновых характеристик и тем самым исключить вносимые ими возмущения волнового поля, что, как следствие, позволяет исследовать короткие волны с высокой точностью.

В предлагаемом устройстве признаки, относящиеся к выполнению лазерного укло- номера (т.е. лазер с фотоприемником и вычислителем), являются известными, Однако . отличие, выражающееся во введении узла параллельного смещения лазерного луча, связанного с блоком управления , позволяет реализовать достоинства лазерного луча (малые размеры), а также позволяет использовать новый параметр -уклон для измерений фазовой скорости поверхностных волн и является новым. Другие измерители; подобные предлагаемому, не известны. Поэтому устройство соответствует критерию изобретения существенные отличия.

На фиг, 1 схематично изображен один из возможных вариантов выполнения предлагаемого устройства при прямом прохождении луча лазера; на фиг,2 - то же, для

положения, когда луч лазера смещен на величину d..,

Предлагаемое устройство представляет собой лазер 1, заключенный в герметичный

корпус с кварцевым окном, фотоприемник 2, вычислитель 3 и узел параллельного смещения лазерного луча 4, помещенный в гер- метичный корпус с окнами. Узел параллельного смещения лазерного луча 4

состоит из двух электромагнитов 5,6 и подвижной рамки (на фиг. не изображена) с укрепленными на ней зеркалами 7 и Q. Электромагниты 5,6 подключены к блоку управления 9. Фотоприемник 2 расположен по

ходу луча лазера 1, а узел параллельного смещения лазерного луча 4 размещен так, чтобы лазерный луч на пути к фотоприемнику 2 проходил между зеркалами 7,8. Фото- приемник 2 и блок управления 9

подключены к отдельным входам вычислителя 3. -. :; - :. ;-:--:; . - . : .. Пример конкретного исполнения . . В качестве лазерного уклономера, в состав которого входяглазер 1, фотоприёмник

2, вычислитель 3, может быть использован лазерный уклономер-, аналогичный описанному. Подвижная рамка с зеркалами 7 и 8 может быть закреплена эксцентрично на вертикальной оси (подобно маятнику, но в

горизонтальной плоскости). В положении, когда рамка притянута к электромагниту 5, луч лазера проходит без смещения (фиг.1). В положении, когда рамка притянута к электромагниту 6, луч лазера системой зеркал 7

и 8 смещается на величину d (фиг.2). Блок управления 9 электромагнитами состоит из генератора импульсов и усилителей. Он может быть выполнен по любой известной схеме. : : . - . -. :

Поскольку определяются фазовые скорости коротких воли, устройство можно установить на платформе, отслеживающей длинные волИы. .-

Изменение частоты смещения луча определяется изменением частоты генератора импульсов блока управления 9. Расстояние d между лучами должно составлять примерно 1 /3 длины волны, для которой определяется1 фазовая скорость. Уменьшение

расстояния приводит к уменьшению фазового сдвига, а увеличение расстояния приводит к потере когерентности в волнах. И тот и другой эффекты приводят к соответствующим ошибкам в определении фазовых

сдвигов и соответственно фазовых скоростей.

Описанное устройство устанавливают так, что лазер 1 и узел параллельного смещения лазерного луча в корпусе 4 расположены под водой, а фотоприемник 2 - над водой.

Устройство работает следующим образом.

Периодически с частотой, зависящей от длины волн, для которых определяется фазовая скорость, и от необходимой частоты опроса, блок управления 9 формирует сигнал срабатывания электромагнитов 5 и б таким образом, что подвижная рамка с зеркалами 7,8 притягивается то к одному, то к другому электромагниту, и луч лазера отклоняется на величину d. Сигнал о срабатывании электромагнита поступает в вычислитель 3.

Пусть требуется оценить фазовую скорость волн длиной около 10 см. Это волны гравитационного диапазона, подчиняющиеся дисперсионному соотношению

йЯ дк,

где со 2 jrf - циклическая г-.;, частота. Из дисперсионного соотношения следует, что частота исследуемых волн f 4 Гц. Частота опроса должна быть в 8-10 раз больше частоты f, т.е. составлять 30-40 Гц. Смещение йуча составит 3- 4 см.

Оценив указанные выше параметры, проводят измерения уклонов морской поверхности, соответствующих двум положениям луча (двум точкам).

Рассчитывают фазовый сдвиг. При этом учитывают квазисинхронность измерений

уклонов, т.е. тот факт, что уклон сначала измеряется в одной точке, потом в другой. Учесть и исключить указанный эффект можно несколькими путями, например, Откорректировав взаимную корреляционную

функцию, по которой в конечном счете рассчитывается фазовый сдвиг.

Форму л а изо брете н и я Устройство для определения фазовых скоростей поверхностных волн, содержащее измеритель волновых характеристик и вычислитель, отличающееся тем. что, с цел1ью повышения точности, измеритель волновых характеристик выполнен в виде лазера и фотоприемника, установленных с

возможностью оптического сопряжения через границу раздела двух сред, а между лазером и фотоприемником установлен введенный узел параллельного смещения лазерного луча, выполненный с двумя параллельными зеркалами, установленными под углом к оси лазера, при этом узел параллельного смещения лазерного луча выполнен с возможностью перемещения вдоль оси, перпендикулярной оси лазера, и соединен с введенным блоком управления, подключенным к вычислителю.

Использование: в области океанографических измерений. Сущность изобретения: устройство содержит вычислитель, лазер и фотоприемник, сопряженные через границу раздела двух сред, узел параллельного смещения лазерного луча, состоящий из двух подвижных зеркал и Двух магнитов и блок управления. 2 ил.. ошибки вследствие возмущения волнового поля контактными датчиками. В море и океане присутствуют длинные ветровые волны Или зыбь, энергия которых значительно (на несколько порядков) больше энергии коротких гравитационных и гравитационно-капиллярных волн. Как известно, частотный энергетический спектр поверхностных волн на частотах выше частоты f0 энергонесущих волн спадает примерно пропорционально f - (4-5). При определении фазовых сдвигов на частотах f f0 возникают ошибки, обусловленные этим крутым спадом спектра ветровых волн. Это инструментальные ошибки, связанный с тем, что относительно малые высокочастотные волны измеряются на фоне больших низкочастотных, и расчетные ошибки, связанные,с тем, что при расчете спектра функций используются фильтрующие спектральные окна (такие, как фильтр Тьюки, Хэмминга и т.д., имеющие небольшие боко Ё VJ ч о VI