Способ измерения спектров короткопериодных поверхностных волн

 

Изобретение относится к океанографическим измерениям и предназначено для определения характеристик короткопериодных 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ И СТИЧ Е СК ИХ

РЕСПУБЛИК (s>is G 01 Н 3/00

ГОСУДАРСТВЕ ННЫИ КОМИТЕТ

llO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИ,"М

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4605044/28 (22) 14.11.88 (46) 15,03.91. Бюл, N. 10 (71) Морской.гидрофизический институт

АН УССР (72) А.С. Заревалов (53) 534.61 (088.8) (56) В,Е, Ефимов, Ю.П. Соловьев и Г.Н, Христофоров. Экспериментальное определение фазовой скорости распространения спектральных составляющих морских волн.—

Изв. АН СССР. Сер, Физика атмосферы и океана, 1972, т. 8, N 4, с, 435-446.

Коняев К.В. Спектральный анализ случайных океанологических полей. — Л. Гидрометеоиэдат, 1981, гл.4. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРОВ КОРОТКОПЕРИОДНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ

ВОЛН

Изобретение относится к технике океанографических измерений и предназначено для определения характеристик короткопериодных 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, когдачисло волнографов равно шести); на фиг.2 -- передаточная функция резонансной решетки без учета потери когерентности: на фиг.3—

„„50ÄÄ 1635008 А1 (57) Изобретение относится к океанографическим измерениям и предназначено для определения характеристик короткопериодных поверхностных волн. Цель изобретения — повышение точности иэмерений— 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, пропорциональные 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. 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 е электрический сигнал. Волнографы 1-6 размещаются вдоль прямой на равном расстоянии d один от другого.

1635008

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 глучаях стыковки аналоговых и цифровых приборов.

На фиг.1 элементы сопряжения аналоговой и цифровой аппаратуры не показаны.

В качестве анализатора 8 спектра можно использовать мини-ЭВМ ДВК-2 или специализированный спектроаналиэатор.

Мини-ЭВМ ДВК-2 можно также использовать 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 2б=Л, где Л вЂ” 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 суммируют с противоположным знаком. Одновременно волнографами 5 и б 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-б поступают на сумматор 7, где сигналы с датчиков. имеющих четные номера, суммируются беэ 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, входящих в состав решетки.

Сравним передаточные функции, определенные с учетом и без учета эффекта по1ери 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, 5 сигнал каждого из которых пропорционален изменению уровня поверхности. Волнографы 1-6 расположены вдоль прямой на одинаковом расстоянии друг от друга, равном

d. Сигналы от волнографов, имеющих чет10 ные номера, суммируются без изменения знака, а от нечетных волнографов — с противоположным знаком. Тогда выходной сигнал решетки Zp определяется выражением гм

7р(1) — $ (1 ) n(т), (1) и =1 где Zð — выходной сигнал решетки;

Z, — сигнал волнографа с номером и, Спектр мощности Sp сигнала резонан-сной решетки определяется выражением

sp (or) =

=(2x) fzp(t)zp(t+7)exp(to)t) dZ, (2) гдЕ о)†цикличЕСкая чаСтата;

25 7- сдвиг по времени, Черта сверху — осреднение;

Zp(7) = Zp(t)Zp(t+ 7) — автоковаРиационная функция.

Учитывая (1), 2р(7) можно представить в

30 виде

Zp (7)

2N 2N (— 1)п+" Zn(t)Zm(t+7) и =1m =1

35 (3)

Иэ (3) следует, что Zp(t) равняется сумме взятых с соответствующим знаком взаимных ковариационных функций

Znm(7 ) = Zn(t) Zm(t + 7).

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

Sp (vcr) гм ги

). (— 1) + Р (or), (а)

n=1 m=1

45 где Fnm(o>) = 2(л) / Znm(7) ехр(i и>7) dZкросс-гпектр и-го и m-го волнографов.

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

50 Fnm(or) = Апп1(в) exp(i уъ п(в)), (5) где Апп, (м) и ttpnm(or) — взаимные амплитудный и фазовый спектры, В стационарном и однородном волновом поле Sn(о)) = S (Ar) = Я(ю) и А (и) = г

= R nm(0r) S2(Or), ПОЭтОМу ВЫражЕНИЕ (5) МОжно переписать в виде

Fnm(ort == Rnm(or ) S(or ) exp(i p,(е )), (6), где Rnm(ог) =- (R (or )1

2 1/г.

1635008

R — квадратичная функция когерентног сти.

Учитывая, что sIA Qm - -sIApnm и что

Ипе(и) = Rmn((), можно показать, что сумма мнимых частей Fnm(cu) в (4) равна нулю.

Отсюда получают

Sp(и) =

ДМ

-(; (— 1)"+ В.(и) Х In=1 m=1

Хсовр(и)) Я(и). (7)

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

В случае, когда волнографическая решетка ориентирована в направлении распространения волн, фазовый сдвиг в волне длиной А между волнографами с номерами и и m на расстоянии 4 I u-m 1 равен

I р, I = 2к1 n — m - - .

4 (8)

Спектральные характеристики можно представить как функции безразмерного параметра 4М. В частности, в короткопериодных волнах практически полная потеря когерентности происходит на расстояниях, меньших длины волны. Следовательно, сигналы волнографов. разнесенных на расстояние 24 или больше. на частотах, соответствующих А = 24 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, пунктир — аппроксимация в область, где измерения не проводились, Для наглядности передаточные функции на фиг.2 и 3 даны нормированными на

5 безразмерный коэффициент (2N) . Учет

2 полученной в натурных экспериментах потери когерентности в значительной мере влияет на вид передаточной функции, Влияние этого эффекта увеличивается с увеиче10 нием числа волнографов в составе оешетки.

Таким образом показано, что рас .ет передаточной функции без учета эффекта потери когерентности приводит к ошибкам в определении спектра волн, которые еозра15 стают с увеличением числа элементов решетки.

Формула изобретения

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

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 короткопериодных поверхностных волн, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерений, одновременно с измерением суммарного сигнала измеряют сигналы, пропорциональные изменению уровня водной поверхности в двух соседних точках, по этим сигналам вычисляют взаимные спектральные характеристики, по которым определяют передаточную функцию для расчета спектра короткопериодных поверхностных

40 волн, 1635008

2И= 2

--- 2N = 0

Фиг. 2

1635008

7,0

0,5

0,5

1,0

Филд

Составитель К.Тавлинов

Редактор Л.Пчолинская Техред М.Моргентал Корректор В,Гирняк

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 748 Тираж 310 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб„4/5