Устройство для определения параметров морских волн Советский патент 1985 года по МПК G01C13/00 G01C3/08 

Изобретение относится к области океанологии и может быть использовано в метеорологии и гидродинамике морского волнения для измерения высо ты волн с берега и борта судна, а также низколетящего авианосителя. Для дистанционного измерения высо ты волн применяются фазовые дальноме ры на лазерах непрерывного действия с высокочастотной модулягщей излучекия. Необходимым условием их примене ния является строгая фиксация рассто ния до исследуемой поверхности, что препятствует их использованию с судо Шетульсный лазерный профилометр работает при небольших углах скольже ния, обладает невысокой точностью и не обеспечивает непосредственного измерения высот волн и их статистического осреднения. Наиболее целесообразным при решении различных океанологических задач оказалось устройство для определения параметро волн, построенное как импульсный лазерный лидар. Лидар содержит импульсный лазер с коллиматором и оптической системой воспринимающей свет, отраженный от морской поверхности, и направляющей его на фотоприемник с регистрирующей аппаратурой для измерения изменений длительности отраженных импульсов. В результате сопоставления ширины отраженного от поверхности импульса с шириной зондирующего и, в зависимости от угла зондирования, по увели чению длительности отраженного импульса определяют высоту или длину волн. Однако определение высоты волн данным устройством возможно лишь при сильном волнении, когда высота волн становится сравнима с длиной лазерны импульсов. Необходимость вертикально го зондирования для определения высо волн не позволяет применять данное устройство с борта судов и с берега. Цель изобретения - увеличение чувствительности импульсного лидара, а конкретнее измерение высот волн при слабом волнении при небольшом расстоянии до морской поверхности, в частности с борта судов и с берега Цель достигается тем, что в устройство вводится оптический элемент для формирования диаграммы направлен ности излу1ения лазера в виде сектора конической поверхности, ось симметрии которой вертикальна. Этот оптический элемент может быть выполнен как конический отражатель, угол при вершине которого меньше угол локации. На фиг. 1 изображена схема зондирования с борта судна; на фиг. 2 блок-схема устройства для определения параметров морских волн; на фиг. 3 схема оптической системы для формирования необходимой диаграммы направленности излучения; на фиг. 4 - схема, поясняющая процесс формирования диаграммы направленности в виде сектора конической поверхности при отражении излучения от поверхности конуса (вид сверху); на фиг. 5 - вид сверху на диаграмму направленности и область пересечения ее с горизонтальной плоскостью; на фиг. 6 - схема, поясняющая возникновение флуктуации локационной дальности до поверхности и обусловленное ими угаирение отраженного импульса; на фиг. 7 - исходный и отраженный импульсы, нормированные к .единице. Устройство работает следующим образом. Лидар устанавливается на берегу или на борту судна. Излучатель 1 и приемник 2 располагаются рядом. Угол локации о (угол между горизонталью 3 и направлением зондировать ния 4) порядка 10 и выбирается в зависимости от волнения так, чтобы не происходило затенения одних возвьшений другими. Локационная дальность составляет несколько сотен метров. Лазер 5 с блоком 6 питания генерирует импульс ИК-света на длине волны 1,06 мкм длительностью 25 не. Импульс попадает на светоделитель 7 и часть его при помощи фотодиода 8, питаемого от источника 9, запускает регистрирующую аппаратуру 10. Часть импульса, прошедшая светоделитель 7, поступает в оптическую систему 11, формирующую диаграмму направленности излучения. Отраженный от поверхности моря свет попадает в фотоприемник 12, питаемый от источника 13. Световой импульс преобразуется в электрический и поступает в регистрирующую аппаратуру 10. В блоке 14 ширина принятых импульсов редутднруется с учетом угла локации для получения на выходе непосредственно средней высоты морских волн. Формирование диаграммы направле ности в виде сектора конической поверхности, имеющей вертикальную ось симметрии, показано на фиг. 3 и 4. Коллиматор 15 уменьшает расходимость лазерного пуска до 3-4 угло вых минут. С помощью поворотного зе кала 16 импульс света направляется на поверхность конического отражателя 17, ось которого ориентирована строго вертикально, а его вершина направлена вверх навстречу падающем импульсу. Однако ось конуса и ось пучка света не совпадают. Угол при вершине Ч равен 90°-о. Импульс света после отражения от.конуса будет распространяться под углом о/. При отражении формируется расходящийся пучок лучей, ограниченный лучами 18 пересекающимися на оси конуса з точ ке 19. Угол расходимости зависит от расстояния между осью пучка света и осью конуса 17. Если поверхность невзволнованна и ширина освещенной полосы 20 много меньше геоме рической длины импульса, уширение отраженного импульса наблюдаться не будет. Например, при пропускании сГ-импульса будет принят сГ-импульс. Если поверхность взволнованна, то отраженный импульс будет длиннее исходного. Какой-то один луч 21 падает на участок поверхности 22 с положительным возвьш1енным h, его длина укорачивается, вследствии чего отраженный на этом направлении импульс попадает в приемник раньше 2 - sino. Какой-то другой на время с луч 23 падает на участок поверхности 24 с отрицательным возвьш ением h и приходит в приемник позднее на вре .1 мя 2- sin ci. Таким образом флуктуация времени прихода (t) элемента импульса с некоторого направления однозначно связана с возвьппением h поверхности в точке отражения, скоростью света с и углом cL 2h с Поскольку коэффициент отражения в сторону приемника в среднем не зависит от hj, что обосновано отсутствием корреляции между возвышениями и наклонами, то соотношение между статистическими распределениями величин t и h, будет иметь вид с sinai . где f(h) - распределение возвьшгений элементов поверхности моря. Формы излученного 25 и отраженного 26 сигналов показаны на фиг. 7. Следовательно, дисперсия f(h) будет определяться по формуле с2 Тб где /1 - ширина импульса G(t) на уровне , а среднеквадратичная высота по формуле 1. Т П cfsinisi. кв Таким образом, изобретение увелиивает чувствительность импульсного азерного лидара к слабому волнению ри зондировании под углами менее 10°более чем в 10 раз, что позволяет егистрировать волны от 10 см. Изобетение обеспечивает проведение змерений с высоты порядка 10-30 м., то позволяет применять измерительое устройство с борта судов, а это собенно важно, так как основной ассив данных о волнении поступает менно с кораблей.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОРСКИХ ВОЛН представляющее собой лидар, содержащий импульсный лазер с коллиматором и оптическую систему, воспринимающую свет, отраженный от морской поверхности, и направляющую его на фотоприемник с регистрирующей аппаратурой на выходе для измерения изменений длительности отраженных импульсов, отличающееся тем, что, с целью измерения высот волн при слабом волнении и небольшом удалении от морской поверхности, после коллиматора установлен оптический элемент для формирования светового импульса с диаграммой направленности в виде сектора конической поверхности с вертикальной осью симметрии, а в регистрирующую аппаратуру введен узел редукций измеряемой ширины импульсов с учетом угла локации. € 2. Устройство по п. 1, отли(Л чающееся тем, что оптический элемент для формирования светового импульса с выбранной диаграммой направленности выполнен в виде конического отражателя с углом при вершине, со обращенной к коллиматору, меньшим со прямого на угол локации. iJ2./

иг.2

Фиг.з

игЛ

Фив. 5

ОГ

22

uz.7