Устройство для определения фазовых скоростей поверхностных волн

 

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

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4734992/10 (22). 18.07.89 (46) 30.01.93. Бюл. М 4 (71) Морской гидрофизический институт АН

УССР (72) Г.Н;Христофоров, А.С,Запевалов и Ю,А.

Мищенчук (56) Авторское свидетельство СССР . N. 1543229, кл. G 01 С 13/00, 1986, Ефимов В.В., Соловьев l0.П. и Христофоров Г.Н. Экспериментальное определение фазовой скорости распространения спектральных составляющих морского ветрового волнения. Изв, АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 1972,8, hL 4, с.

435-446.

Изобретение относится к области океанографических измерений и.может использоваться для измерения фазовых скоростей коротких гравитационных и гравитационнокапиллярных волн (дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн).

Известно устройство для определения фазовых скоростей морских ветровых волн, которое включает два волнографа, размещенных на прямой, вдоль которой определяется.фазовая скорость.

Выходы волнографов через согласующее устройство непосредственно связаны с вычислительной машиной, в которой происходит расчет фазовых скоростей, или связаны с ней через промежуточный накопитель информации (например, магнитограф).

Указанное. устройство имеет следующие недостатки.

При измерении фазовых скоростей коротких поверхностных волн возникают

„„ Ы„„1791707 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ФАЗОВblX СКОРОСТЕЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН (57) 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 йли 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 4 энергонесущих волн спадает при- 4 мерно пропорционально f — (4-5). При (. ) определении фазовых сдвигов на частотах

f »f0 возникают ошибки, обусловленные этим крутым спадом спектра ветровых волн

Это инструментальные ошибки, связанны 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 Тычки, Хэмминга и т.д., имеющие небольшие боко1791707

15

30

40

50 вые лепестки. Наличие этих лепестков приводит к "утечке" спектральной плотности иэ области максимума в области с низкими уровнями спектральной плотности, и хотя боковые лепестки невелики (для часто используемого окна Бартлетта наибольший боковой максимум составляет около 4-57ь 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 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 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 уклономера {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 герметичный 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 8. 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. Фотоприемник 2 и блок управления 9 подключены к отдельным входам вычислителя 3.

Пример конкретного исполнения, В качестве лазерного уклономера, в состав которого входят лазер 1, фотоприемник

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 схеПоскольку определяются фазовые скорости коротких волн, устройство можно установить на платформе, отслеживающей длинные волны."

Изменение частоты смещения луча onределяется изменением частоты генератора импульсов блока управления 9, Расстояние

d между лучами должно составлять примерно 1/3 длины волны, для которой определяетса 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 располо1791707

oP =gk, где и = 2 af — циклическая . 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 луча составит 3- 4 см.

Оценив указанные выше параметры, проводят измерения уклонов морской поФий

Фиг 2

Составитель А.Запевалов

Техред М,Моргентал Корректор М.Керецман

Редактор Н,Купрякова

Заказ 147 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 жены 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 6 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 срабатыва. нии электромагнита поступает в вычислитель 3.

Пусть требуется оценить фазовую скорость волн длиной около 10 см. Это волны гравитационного диапазона, подчиняющиеся дисперсионному соотношенйю верхности, соответствующих двум положениям луча (двум точкам).

Рассчитывают фазовый сдвиг. При этом учитывают квазисинхронность измерений

5 уклонов, т.е. тот факт, что уклон сначала измеряется в одной точке, потом в другой.

Учесть и исключить укаэанный эффект можно несколькими путями, например, откорректировав взаимную корреляционную

10 функцию, по которой в конечном счете рассчитывается фазовый сдвиг.

Формула изобретения

Устройство для определения фазовых скоростей поверхностных волн, содержа-

15 щее измеритель волновых характеристик и вычислитель, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, измеритель волновых характеристик выполнен в виде лазера и фотоприемника, установленных с

20 воэможностью оптического сопряжения через границу раздела двух сред, а между лазером и фотоприемником установлен введенный узел параллельного смещения лазерного луча, выполненный с двумя па25 раллельными зеркалами, установленными под углом к оси лазера, при этом узел параллельного смещения лазерного луча выполнен с возможностью перемещения вдоль оси, перпендикулярной оси лазера, и соеди30 нен с введенным блоком управления, подключенным к вычислителю.