Способ определения состояния поверхности моря
Изобретение относится к области гидроакустических измерений. Сущность: определение волнения моря из подводного положения включает сопоставление измеренного значения шумов моря с их среднестатистическими значениями. При этом уровень шумов моря измеряют по выходу приемного тракта гидроакустической станции. Угол наклона характеристики направленности устанавливают равным углу, при котором значение типового для района и сезона пространственного спектра равно его среднему по пространственному значению. Угол наклона характеристики направленности может отличаться от названного угла не более чем на ширину характеристики направленности. Производят измерения во всем рабочем секторе обзора шагом, не превышающим ширину характеристики направленности, и выбирают минимальное из измеренных значений. Технический результат: сокращение аппаратурных затрат и повышение точности при малых волнениях моря в условиях развитого судоходства. 3 ил. 
Предложение относится к области гидроакустических измерений. Для прогнозирования дальности необходимо знание состояния поверхности моря (волнение моря в баллах) в данный момент времени.
Существующие способы-аналоги основаны, как это описано, например, в книге "Ветер и волны в океанах и морях". Регистр СССР, Л.: Транспорт, 1974 г., на визуальном или приборном измерении высоты волн. Определенным диапазонам высот волн соответствуют определенные баллы шкалы Боффорта.
Основной недостаток упомянутых способов в том, что их невозможно использовать на подводных лодках, находящихся на глубинах больших перископных.
От этого недостатка свободен способ, выбранный в качестве прототипа, который состоит в использовании семейства обобщенных спектрально-энергетических характеристик шумов моря, приведенных в книге "Акустика океана" под ред. академика Л.М.Бреховских, М.: Наука, 1974 г., стр.657. Эти кривые представлены на фиг.1. Кривые, приведенные на фиг.1, представляют собой семейство среднестатистических частотных спектров шумов моря (параметром являются баллы волнения поверхности), измеренных с помощью гидрофонов (т.е. ненаправленных каналов). Суть способа состоит в том, что измеряется с помощью гидрофона уровень шумов моря на выбранной частоте и результат сопоставляется со значениями уровня шумов на той же частоте по кривым фиг.1. За текущее значение волнения моря принимается параметр кривой, ближайшей к измеренному значению.
По спектральным кривым фиг.1 нетрудно рассчитать уровни шумов в любом диапазоне частот и построить семейство среднестатистических уровней шумов моря для желаемого диапазона частот.
Существенным недостатком данного способа является его низкая точность при определении малых волнений (менее трех баллов) в районах с развитым судоходством, поскольку в этих условиях уровень шумов, замеренных с помощью ненаправленного канала (гидрофона), практически полностью определяется не шумами моря, а шумами судоходства (В.В.Баскин и др. Некоторые результаты экспериментальных исследований шумов моря. Тезисы докладов четвертой дальневосточной акустической конференции "Акустические методы и средства исследования океана". Владивосток, 1986 г.).
Вторым существенным недостатком указанного способа является необходимость формирования специального ненаправленного измерительного канала, что в условиях подводной лодки весьма сложно.
Цель предлагаемого способа - повышение точности определения состояния поверхности моря при малых волнениях в условиях интенсивного судоходства при сокращении аппаратурных затрат.
Поставленная цель достигается тем, что в известный способ, включающий сопоставление измеренного значения шумов моря с их среднестатистическими значениями, введены новые признаки, а именно: измерение шумов моря производят по выходу приемного тракта ГАС, угол наклона характеристики направленности которого устанавливают либо равным углу, при котором значение типового для района и сезона испытаний пространственного спектра равно его среднему по пространству значению, либо отличающимся от названного угла не более чем на ширину характеристики направленности. Затем производят измерения во всем рабочем секторе обзора с шагом, не превышающим ширину характеристики направленности. Из измеренных значений выбирают минимальное, которое и сравнивают со среднестатистическим.
Сущность предлагаемого способа заключается в использовании зависимости между состоянием поверхности и шумами моря и измерении шумов моря направленным каналом с учетом свойств типового пространственного спектра и основана на следующих основных положениях:
1. Уровень шумов моря, замеренных ненаправленным приемником, представляет собой интеграл от пространственного спектра шумов моря.
2. Уровень шума, измеренный по выходу приемного тракта ГАС (т.е. на выходе пространственного фильтра) при ориентации его характеристики направленности на угол (
), представляет собой значение пространственного спектра при фиксированном значении аргумента (). Измерив значение пространственного спектра, при том значении аргумента (), при котором оно совпадает со средним, можно (по теореме о среднем см. И.Н.Бронштейн и К.А.Семендяев Справочник по математике, М.: Наука, 1964 г., стр.385) определить интеграл.
Значение аргумента (), при котором значение пространственного спектра равно его среднему значению, может быть определено по типовому для района и сезона измерений пространственному спектру. См., например, 
акустика океана.
3. Анизотропия шумов моря в горизонтальной плоскости (в районах, удаленных от берегов) мала (см. "Акустика океана" стр.663), поэтому измерение в направлении, при котором уровень помех, измеряемый приемным трактом, минимален, позволяет наиболее точно определить именно уровень шумов моря, поскольку мешающее влияние судоходства в этом направлении заведомо минимально.
Авторам неизвестны технические решения, содержащие признаки, отличающие предложенное решение от прототипа, что позволяет считать его соответствующим критерию "существенные отличия".
Сущность изобретения поясняется фиг.2, на которой приведены примеры пространственных спектров (сечение в вертикальной плоскости) шумов моря и их средние значения (пунктир).
Конкретная реализация способа не требует построения специального измерительного устройства. Для проведения измерений по предлагаемому способу достаточно подключить к выходу приемного тракта ГАС вольтметр (или самописец).
Предлагаемый способ имеет следующую последовательность операций:
- По типовому для данного района и сезона пространственному спектру определяют требуемый положительный угол наклона характеристики направленности () (см. фиг.2).
Угол (), при котором значение пространственного спектра равно его среднему значению, определяют как ордината точки пересечения левой (положительной) ветви пространственного спектра с линией среднего значения.
- Устанавливают угол наклона характеристики направленности приемного тракта ГАС, ближайший из штатных к определенному в предыдущей операции (отличающийся от определенного в предыдущей операции не более чем на ширину характеристики направленности приемного тракта);
- Производят измерения уровня помех по выходу приемного тракта во всем рабочем (горизонтальном) секторе обзора с шагом, не превышающим ширины характеристики направленности, и определяют минимальный в секторе обзора уровень;.
- По кривым фиг.1 определяют волнение моря как параметр кривой, ближайшей к минимальному из измеренных уровней шума.
Для подтверждения технической эффективности проводились экспериментальные исследования предлагаемого способа в Японском море в октябре-ноябре 1985 г. и октябре-декабре 1986 г. Средние значения результатов серий измерений, проведенных в ходе испытаний, приведены на фиг.3. Сплошной линией на фиг.3 нанесена зависимость среднестатистического уровня шумов моря от состояния поверхности на частоте 4 кГц, построенная по кривым, представленным на фиг.1. Точками на фиг.3 представлены значения уровней шума, измеренных ненаправленным гидрофоном, а крестиками значения уровней, измеренных по процедуре предлагаемого способа. Измерения проводились в районах с развитым судоходством. Состояние поверхности моря контролировалось гидрофизической службой флота.
Как видно из фиг.3, результаты измерений ненаправленным каналом (по способу-прототипу) при волнении моря один балл в среднем на 16 децибел завышены, что приводит к ошибке в оценке волнения по способу-прототипу на два балла. Такое же завышение оценки имеет место при волнении два балла. При больших волнениях влияние судоходства сказывается мало и завышения оценки бальности не происходит. Из фиг.3 видно, что результаты измерений шумов моря по предлагаемому способу в среднем совпадают со среднестатистическими значениями шумов моря при всех волнениях, и оценки волнения по этому способу совпадают с оценками гидрофизической службы флота.
Таким образом, предлагаемый способ характеризуется значительно меньшими ошибками при оценках состояния поверхности при малых волнениях моря.
Технический эффект предлагаемого способа состоит в следующем:
а) повышается точность определения состояния поверхности моря при малых волнениях из подводного положения ПЛ в акваториях с интенсивным судоходством;
б) снижаются материальные затраты, т.к. отпадает необходимость создания специального ненаправленного измерительного канала.
Формула изобретения
Способ определения волнения моря из подводного положения подводной лодки, включающий сопоставление измеренного значения шумов моря с их среднестатистическими значениями, отличающийся тем, что, с целью сокращения аппаратурных затрат и повышения точности при малых волнениях моря в условиях развитого судоходства, уровень шумов моря измеряют по выходу приемного тракта гидроакустической станции, при этом угол наклона характеристики направленности устанавливают равным углу, при котором значение типового для района и сезона измерений пространственного спектра равно его среднему по пространству значению, или отличающимся от названного угла не более чем на ширину характеристики направленности, производят измерения во всем рабочем секторе обзора с шагом, не превышающим ширину характеристики направленности, и выбирают минимальное из измеренных значений.
РИСУНКИ
