УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ Советский патент 1996 года по МПК G01C13/00 

Изобретение относится к области неконтактных океанологических измерений и предназначено для использования в информационно-измерительных комплексах оценки состояния и измерения параметров морского волнения с летательного аппарата.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей устройства, а именно определение количества систем морских волн и измерение их параметров.

На фиг. 1 представлен спектр смешанного волнения; на фиг. 2 изображена зависимость коэффициента вариации огибающей отраженного сигнала от относительной высоты морских волн H_3%/λ; на фиг. 3 функциональная схема устройства для измерения характеристик морского волнения с летательного аппарата; на фиг. 4 спектры возвышенной морской поверхности; на фиг. 5 - структура спектра ветрового волнения.

Устройство содержит передатчик 1, антенный переключатель 2, антенну 3, приемник 4, детектор 5 огибающей, блок 6 автоматической регулировки усиления, первый фильтр 7 нижних частот, центрирующий блок 8, анализатор 9 спектра, блок 10 поиска минимума, блок 11 формирования управляющего сигнала, перестраиваемый фильтр 12 нижних частот, первый квадратор 13, второй фильтр 14 нижних частот, первый индикатор 15, первый компаратор 16 нулевого уровня, первый преобразователь 17 период-напряжение, третий фильтр 18 нижних частот, первый умножитель 19, второй индикатор 20, перестраиваемый фильтр 21 нижних частот, второй квадратор 22, четвертый фильтр 23 нижних частот, третий индикатор 24, второй компаратор 25 нулевого уровня, второй преобразователь 26 период-напряжение, пятый фильтр 27 нижних частот, второй умножитель 28, четвертый индикатор 29, блок 30 определения скорости полета летательного аппарата.

Передатчик 1 подключен к антенному переключателю 2. Антенна 2 через антенный переключатель 2 подключена к входу приемника 4, выход которого через последовательно соединенные детектор 5 огибающей, первый фильтр 7 нижних частот и блок 6 автоматической регулировки усиления соединен с управляющим входом приемника 4.

Выход детектора 5 подключен к входу центрирующего блока 8, выход которого подключен к входу цепи, содержащей последовательно соединенные анализатор 9 спектра, блок 10 поиска минимума и блок 11 формирования управляющего сигнала, а также к первым входам перестраиваемого фильтра 12 нижних частот и перестраиваемого фильтра 21 верхних частот.

Выход перестраиваемого фильтра 12 нижних частот подключен к входам двух цепей, первая из которых содержит последовательно соединенные первый квадратор 13, второй фильтр 14 нижних частот, первый индикатор 15, а вторая цепь содержит последовательно соединенные первый компаратор 16 нулевого уровня, первый преобразователь 17 период-напряжение, третий фильтр 18 нижних частот, первый умножитель 19.

Выход перестраиваемого фильтра 21 верхних частот подключен к входам двух цепей, первая из которых содержит последовательно соединенные второй квадратор 22, четвертый фильтр 23 нижних частот и третий индикатор 24, а вторая цепь содержит последовательно соединенные второй компаратор 25 нулевого уровня, второй преобразователь 26 период-напряжение, пятый фильтр 27 нижних частот, второй умножитель 28, четвертый индикатор 29.

Выход блока 11 формирования управляющего сигнала подключен к вторым входам перестраиваемых фильтров 12 нижних частот и фильтра 21 верхних частот.

Второй вход первого умножителя 19 и второй вход второго умножителя 28 соединены с выходом блока 30 определения скорости полета летательного аппарата.

Функциональные блоки 9,10,11 образуют канал анализа спектра огибающей сигнала, отраженного от морской поверхности с целью формирования управляющих сигналов, необходимых для перестройки фильтров 12 и 21. Функциональные блоки 12 и 21 предназначены для разделения по частоте энергии огибающей отраженного сигнала на две составляющие. Блоки 13,14,15 образуют канал измерения высоты, а блоки 16-20 канал измерения средней длины первой системы волн.

Работает устройство следующим образом.

Передатчик 1 вырабатывает радиоимпульсы, которые через антенный переключатель 2 поступают в антенну 3 и излучаются.

Отраженные морской поверхностью радиоимпульсы принимаются антенной 3 и через антенный переключатель 2 поступают в приемник 4, где усиливаются, селектируются и поступают на детектор 5 огибающей.

Напряжение огибающей с выхода детектора 5 поступает на вход центрирующего блока 8 и через первый фильтр 7 нижних частот и блок 6 автоматической регулировки на управляющий вход приемника 4.

Выходное напряжение центрирующего блока 8 поступает на вход анализатора 9 спектра, на выходе которого получается совокупность отсчетов спектральной плотности мощности огибающей отраженного сигнала.

Блок 10 поиска минимума производит поиск минимума S(ω_тр) в совокупности отсчетов спектральной плотности мощности огибающей S_н(ω_c). При этом величина этого минимума должна удовлетворять определенному условию, на основе которого принимается решение о количестве систем волн.

Если такой минимум имеется, то принимается решение о наличии двух систем волн. Блок 10 поиска минимума выдает информацию в виде цифрового кода о частоте ω_тр в спектре огибающей отраженного сигнала.

Блок 11 формирования управляющего сигнала в соответствии с этой информацией вырабатывает сигнал, который поступает на вторые (управляющие) входы перестраиваемых фильтров 12 и 21, благодаря чему частота среза обоих фильтров устанавливается равной ω_тр..

Таким образом осуществляется частотное разделение энергии огибающей на две составляющие.

Если найденный минимум в совокупности отсчетов спектра огибающей не удовлетворяет принятому условию, либо его совсем нет (одногорбый спектр), то в соответствии с этим блок 11 формирования управляющего сигнала вырабатывает управляющий сигнал такой, что частота среза перестраиваемых фильтров 12 и 21 становится равной максимальной частоте в спектре огибающей. Эта максимальная частота определяется максимально возможной скоростью полета летательного аппарата и минимальной длиной волны в наблюдаемом волнении: так, при скорости полета 100 м/с и длине волны 5 м максимальная частота равна 20 Гц. Вся энергия огибающей выделяется на выходе перестраиваемого фильтра нижних частот.

На выходе перестраиваемых фильтров измеряется высота и длина каждой системы волн. При этом принцип, а также структура цепей для измерения указанных параметров не отличается от таковых известного устройства.

Функционально анализатор спектра может быть выполнен в виде набора параллельных цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратор, фильтр нижних частот, при этом входы всех полосовых фильтров соединены вместе.

Блок поиска минимума из-за сложности реализуемого им алгоритма целесообразно выполнить в виде программируемого контроллера на основе комплекта интегральных микросхем.

Алгоритм определения количества систем морских волн и оценки их параметров не может быть сведен лишь к поиску двух наибольших максимумов, а затем минимума, находящегося между ними в массиве спектральных отсчетов. Необходимо проанализировать все минимумы и максимумы в спектре отраженного сигнала.

Критерием принятия решения о наличии двух систем волн в наблюдаемом волнении может быть принято условие
S(ω_тр) < KS(ω₂)_м (1)
где К коэффициент, меньший единицы;
S(ω₂)_макс меньший из двух максимумов в спектре, между которыми находится минимум S(ω_тр).
Значение коэффициента К может быть установлено следующим образом.

В спектре только лишь одной системы ветрового волнения (отсутствия зыби или второй системы ветровых волн) кроме основного максимума, наблюдается также вторичный максимум, являющийся границей между областью основного максимума I и тем самым называемой равновесной областью III (фиг.5).

При этом отношение спектральных плотностей S(ω_п) и S(ω_p) для умеренного и сильного волнения зависит только от среднего периода волн τ.
Расчеты показывают, что отношение
(2) для значений τ от 3 до 9 с (что соответствует длинам волн от 13 м до 120 м на глубокой воде) находится в пределах от 0,42 до 0,65.

Коэффициент К, определяемый выражением (2), входит в выражение (1).

Следовательно, энергия равновесной зоны в соответствии с принятым условием является составляющей полной энергии волнения и от нее не отделяется.

Это один из возможных способов определения коэффициента К. Выбор величины К определяется также условиями той или иной конкретной задачи, решаемой предлагаемым устройством, вследствие чего диапазон возможных значений К может быть расширен. Алгоритм определения количества систем морских волн и оценки их параметров в соответствии с изложенным выше является следующим.

Отыскиваются два наибольших максимума в массиве спектральных отсчетов и проверяется условие (1), когда минимум между ними должен быть меньше или больше некоторого значения, которое определяется величиной меньшего из двух максимумов и величиной коэффициентов К. Если данный минимум удовлетворяет условию (1), то он запоминается в массиве минимумов, а если нет, то он далее игнорируется.

Затем отыскивается третий по величине максимум, если таковой имеется, а также расположенный между ним и наибольшим максимумом минимум и для них проверяется условие (1). Далее условие (1) проверяется для следующего по мере убывания значения максимума, если таковой имеется, а также расположенного между ним и наибольшим максимумом минимума и т.д.

Если минимумов, найденных в соответствии с условием (1) несколько, то из этой совокупности минимумов отыскивается наименьший и его порядковый номер в исходном массиве спектральных отсчетов является информативным признаком, который используется для настройки фильтров 12 и 21.

Иначе говоря, номер этого выбранного отсчета является цифровым кодом, определяющим частоту среза перестраиваемых фильтров 12 и 21 (частоты среза обоих фильтров одинаковы).

Если же не найдено минимума, удовлетворяющего условию (1), то принимается решение о наличии лишь одной системы волн и в качестве цифрового кода настройки фильтров 12 и 21 используется номер, по которому размещен отсчет с наибольшим порядковым номером N.

В этом случае вся энергия огибающей отраженного сигнала выделяется на выходе перестраиваемого фильтра нижних частот 12 и определяется высота и средняя длина лишь одной системы волн. Таким образом, изобретение по сравнению с известными решениями, позволяет существенно повысить точность измерения параметров морских волнений с летательных аппаратов. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Изобретение относится к области неконтактных океанографических измерений и предназначено для использования в информационно-измерительных комплексах для оценки состояния и измерения параметров морского волнения. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства, а именно определение количества систем морских волн и измерения длины и высоты каждой из них. Устройство содержит передатчик 1, системный переключатель 2, антенну 3, приемник 4, детектор 5 огибающей, блок 6 автоматической регулировки элемента, первый фильтр 7 нижних частот, центрирующий блок 8, анализатор 9 спектра, блок 10 поиск-минимум, блок 11 формирования управляющего сигнала, перебрасываемый фильтр 12 нижних частот, первый квадратор 13, второй фильтр 14 нижних частот, первый индикатор 15, первый компаратор 16 щелевого уровня, первый преобразователь 17 переход-напряжения, третий фильтр 18 нижних частот, первый умножитель 19, второй индикатор 20, перестраиваемый фильтр 21 верхних частот, второй квадратор 22, четвертый фильтр 23 нижних частот, третий индикатор 24, второй компаратор 25 щелевого уровня второй преобразователь 26 период-напряжение, пятый фильтр 27 нижних частот, второй умножитель 28, четвертый индикатор 29, блок 30 определения скорости полета летательного аппарата. 5 ил.

Устройство для измерения характеристики морского волнения с летательного аппарата, содержащее антенну, антенный переключатель, передатчик, последовательно соединенные приемник, детектор, огибающий центрирующий блок, последовательно соединенные первый квадратор, второй фильтр нижних частот, первый индикатор, последовательно соединенные первый компаратор нулевого уровня, первый преобразователь период напряжение, третий фильтр нижних частот, первый умножитель, второй индикатор, при этом выход детектора огибающей через первый фильтр нижних частот и блок автоматической регулировки усиления соединен с управляющим входом приемника, а второй вход первого умножителя с выходом блока определения скорости полета летательного аппарата, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, а именно определения количества систем морских волн и измерения длины и высоты каждой из них, в него дополнительно введены анализатор спектра, последовательно соединенный с блоком поиска минимума, выход которого соединен с входом блока формирования управляющего сигнала, перестраиваемый фильтр нижних частот, выход которого соединен с входом первого квадратора и входом первого компаратора нулевого уровня, последовательно соединенные перестраиваемый фильтр верхних частот, второй квадратор, четвертой фильтр нижних частот, третий индикатор, при этом выход перестраиваемого фильтра верхних частот последовательно соединен через второй компаратор нулевого уровня, второй преобразователь период напряжения, пятый фильтр нижних частот и второй умножитель с четвертым индикатором, выход центрирующею блока подключен к входу анализатора спектра, первым входам перестраиваемых фильтров нижних и верхних частот, выход блока формирования управляющего сигнала соединен с вторыми входами перестраиваемых фильтров нижних и верхних частот, а второй вход второго умножителя соединен с выходом блока определения скорости полета летательного аппарата.