Способ определения пространственного спектра морского волнения

 

Область использования, океанология, для исследования полей поверхностны и внутренних волн и CBBJ mm °x с ними as- у пческих явлений ь , Сущность и , : тения: в морской рг-Де устэнэвлир датчики с возможностью их CBODOJH . дрейфа друг относительно друга, noc-v i) вательно принимаю г сигналы от этих ,;i-; .- ков и одновременно с приемом onp-w:i { их взаимное пространственное полсхе i А при обработке результатов измерении п тем трехмерною преобразования Фуг1 учитывают изменения взаимного прострэн ственного положения датчиков. 1 и/ (Л

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 6 01 С 13/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ () . С>

Ы

С

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4768636/10 (22) 12.12.89 (46) 07.09.92. Бюл. ¹ 33 (71) Одесский гидрометеорологический институт (72) А.Е.Филонов, К.В.Коняев и К.Д.Сабинин (56) 1. Лонге-Хиггине. Статистический анализ случайной движущейся поверхности, кн.

Ветровые волны. М. Иностранная литература, 1962, с,125-218.

2, Barber N.F. The directional resolving

power of an array of wave detectors (Iп Осеап

Wave Spectra). 1961, Englewood Cliffs, N.Y,:

Prentice — Hall, Гпс. рр. 137-150.

Изобретение относится к океанологии и может быть использовано для исследования полей внутренних и поверхностных волн и связанных с ними акустических явлений в океане.

Известен способ определения пространственного спектра морского волнения, заключающийся в измерении в последующие моменты времени, с помощью свободно плавающего буя, возвышений морской поверхности и двух ее уклонов по ортогональным направлениям и определении по ним пяти коэффициентов разложения пространственного спектра в двумерный ряд Фурье (1), Однако этот способ, позволяющий получить параметрический пространственный спектр, имеет невысокую точность из-за малого числа коэффициентов разложения, с помощью которых он аппроксимируется. и, кроме того, он. Ы „1760320 А1 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО СПЕКТРА МОРСКОГО BOil

НЕНИЯ (57) Область использования: океанология. для исследования полей поверхност«ы. и внутренних волн и связ:.««ь! х с ними «х)ч.. г ческих явлений ii ок«,.1 Сущ«ость и:, .";: тения: в морской Роде уста«авл .р. -: датчики с воэможностью их свобод« " дрейфа друг относительно друга. Пос :-!, вательно принимают сигналы от эти. д . ков и одновреме««о с приемом опр,д«1:::.: их взаимное про«.ранственное положе,!

А при обраоот ке peayлыaTQB измерений путем 1рехмерно о преобразования Фур..: учитывают изменения взаимного прос1рэ« ственного положения датчиков, 1 ил не может быть применен для определения пространственного спектра внутренних волн.

Наиболее близким по сущности к изобретению является способ определения пространственного спектра морского волнения, заключающийся в измерении сигналов разнесенных в пространстве датчиков и их фиксированных координат и нахождении спектра путем трехмерного преобразования Фурье (2). Недостатком известного способа является ограниченный диапазон волновых чисел, для которых пространственный спектр морского волнения определяется достоверно. Это связно с тем, по датчики, расставленные в фиксированных точках пространства образуют антенну с хорошей избирательностью в ограниченном диапазоне волновых чисел (длин и направлений). Избирательность антенны pat:их пл

1760320

У(-а X(kXl+ lYl+ ftl)), резко снижается, если расстояния между ними (база) в 10 — 15 раз меньше длины регистрируемых волн. Пространственный спектр морского волнения достаточно широк, Ветровые волны имеют длины от- нескольких до сотен метров, а внутренние — от сотен метров до километров. Поэтому, используя антенну датчиков разнесенных в фиксированные точки пространства, практически невозможно с достаточной точностью вести определение пространственного спектра во всем возможном диапазоне морского волнения, Для достижения приемлемой точности в определении пространственных параметров волнения базу датчиков нужно было бы уменьшать или увеличивать, т.е. антенну датчиков пришлось бы перенастраивать для оптимальной регистрации параметров волнения в заданном диапазоне волновых чисел, что технически не осуществимо в морских условиях.

Целью изобретения является расширение диапазона определения пространственного по волновым числам спектра морского волнения с одновременным повышением точности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе пространственный спектр морского волнения определяют по последовательно измеряемым сигналам разнесенных в пространстве датчиков и их взаимным координатам путем трехмерного преобразования Фурье, датчики отпускают в свободный дрейф так. что их взаимное положение может меняться. при этом взаимные пространственные координаты датчиков измеряют последовательно, одновременйо с измерением их сигналов, а затем определяют искомый пространственный спектр.

Предлагаемый способ отличается от из вестных тем. что датчики располагают с возможностью их свободного дрейфа друг относительно друга, одновременно с приемом сигналов от датчиков определяют их взаимное пространственное положение, а при обработке результатов измерений учитывают изменение взаимного пространственного положения датчиков, что позволяет повысить точность способа.

На чертеже представлена схема реализации способа. Дрейфующие точки 1, 2 и 3 представляют собой волнографы. снабженные датчиками для измерения возвышений волновой поверхности, например датчиками для измерения давлений слоев воды.

Кроме этого, волнографы снабжены радиопередатчиками и зеркальными отражателями для передачи сигналов о колебаниях

50 слоев воды и отраженных световых сигналов на борт судна, на котором имеется лазерная система пеленгации волнографов 4.

Предлагаемый способ определения пространственного спектра морского волнения осуществляют следующим образом.

Измерения ведут системой из трех разнесенных в пространстве волнографов, снабженных датчиками давления вибротронного типа, радиопередающими устройствами и зеркальными отражателями. Волнографы отпускают в свободный дрейф, при этом возвышения и координаты волнографов определяют одновременно, для чего используют установленные на судне и сопряженные с ЭВМ систему йриема радиосигналов от дрейфующих буев и высокоточную систему их лазерной пеленгации.

Координаты датчиков, которые отпускают в свободный дрейф с судна, определяют в заданные моменты времени, для этого по отраженным световым сигналам измеряют пеленги а1, а, аз, а также расстояния rt, r2, гз до каждого датчика, по которым находят значения пространственных координат

Xl и У1 каждого i-ro датчика.

Расстояния между свободно дрейфующими датчиками изменяются медленно, и поэтому возвышение волновой поверхности и координаты датчиков определяют одновременно, через заданные промежутки времени, что позволяет получить достаточно частую и протяженную по временной и пространственной координатам сетку отсчетов возвышений волновой поверхности, по которым сначала вычисляют амплитудный спектр

Р

С(k, l, f) = — g ((Xl, Y>. tl) ехрХ

Р1 1 где ч — объем пространственно-временной области измерения:

Р— число отсчетов;

J — номер текущего отсчета по пространственным (Х, Y) и временной (t) координатам;

i= 1; л = 3,1415926; ((Х, У1, tl) — возвышение волновой поверхности в точке с координатами Xl, Yl, tl, К вЂ” проекции волнового вектора на ортогональные оси;

f — циклическая частота; к - волновой вектор; = i7i соз В:

:1760320

I - I k sin0, где 0 — угол между направлением нэ север и направлением вектора, а затем вычисляют энергетический спектр: (2) —, p =arctg — . (3)

1 4

kr 1 ч

Составитель Н.Филонов

Редактор Т,Никольская Техред М.Моргентал Корректор И.Муска

Заказ 3177 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 по которому определяют координаты спектральных пиков в (k, I, f) — объеме и по ним 10 находят длину 4, направление р каждой

l-й волны с частотой fi по формулам:

Например, возвышение волновой поверхности и координаты волнографов опре-. деляют в течение 30 мин с дискретностью

0,25 с. Затем по программе, реализующей 20 алгоритм вычислений по формулам (1) и (2), на Э BM вычисляют трехмерный энергетический спектр G (k, I. fi. Например, волновое поле содержало две волны, поэтому спектр имел двэ максимума спектральной плотно- 25 сти на частотах fi = 0,12 цикл с и 1 = 0,14 цикл. с, которым соответствовали волновые числа k1= — 0,0041 цикл м,11= 0,0085 цикл м " и 1сг = — 0,0125 цикл . м,!2 = 0,0015 цикл м ". По формулам (3) вычисляют дли- 30 ны и направления этих волн: Л1 = 106 м, Д)1= 331 град и Л2 = 79 м, рг = 279 град.

По известному способу для приведенного примера вместо двух с разными длинами и направлениями распространения определена одна волна с частотой f = 0,13 цикл . с и Л =98 м, р =312 град.

Таким образом, при использовании предлагаемого способа повышается точность определения пространственного спектра морского волнения.

Формула изобретения

Спбсоб определения пространственного спектра морского волнения, включающий установку в морской среде датчиков, последовательный прием сигналов от этих датчиков и обработку результатов измерений с учетом взаимного пространственного положения датчиков путем трехмерного преобразования,Фурье, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, при установке в морской среде датчики располагают с возможностью их свободного дрейфа друг относительно друга, одновременно с приемом сигналов от датчиков определяют их взаимное пространственное положение, а при обработке результатов измерений учитывают изменения взаимного пространственного положения датчиков.