Устройство для измерения характеристик морского волнения

 

Использование: радиоокеанография. Сущность изобретения: устройство для измерения характеристик морского волнения содержит приемопередатчик, синхронизатор, детектор огибающей, генератор импульсов, линию задержки, элемент И, триггер, блок установки уровня счета, нормализатор, электронный ключ, источник постоянного напряжения, селекторы длительности импульсов, счетчики, компараторы, генераторы импульсов, генератор тактовых импульсов, линию задержки, интегратор, регистратор. 2 ил.

Изобретение относится к радиоокеанографии и предназначено для неконтактных изменений характеристик поверхностного волнения радиолокационными средствами.

Известно устройство, в которое входит импульсная РЛС с индикатором кругового обзора (ИКО) и фотоаппарат (см: Дремлюк В.В. Об определении некоторых элементов морских волн с помощью радиолокатора. - Труды Арктического и антарктического научно-исследовательского института, 1961, т. 210, вып.I, с. 135-138).

Надводная обстановка отображается на экране ИКО. Изображения на ИКО фотографируют и на основании анализа этих снимков определяют характеристики поверхностного волнения. Зона эхосигналов от морской поверхности на ИКО имеет форму овала, причем наибольшая ее часть расположена с наветренной стороны. Генеральное направление распространения волн определяют по круговой шкале радиолокатора на фотографиях. Для определения длины волны производят измерение расстояния между гребнями волн непосредственно на фотоснимке экрана радиолокатора с учетом масштаба изображения. Период волн определяют путем фиксации промежутка времени, за который через одну и ту же точку экрана пройдут два последовательных импульса от подветренных склонов волн.

Однако такое устройство может быть реализовано только на базе РЛС с высокой разрешающей способностью, обеспечивающей раздельное изображение на ИКО поверхностных волн, и не может быть реализовано при использовании РЛС с низкой разрешающей способностью. Кроме того, результат измерения и его точность в значительной степени зависят от квалификации и опыта оператора.

Указанный недостаток устраняется при использовании устройства для измерения характеристик морского волнения, содержащего приемопередатчик импульсной РЛС, синхронизатор, блок формирования стробирующих импульсов, соединенные последовательно детектор огибающей, нормализатор, интегратор и регистратор, в котором выход синхронизатора соединен с соответствующими входами приемопередатчика и блока формирования стробирующих импульсов, вход детектора огибающей - с выходом приемопередатчика, а выход блока формирования стробирующих импульсов - с управляющим входом детектора огибающей (Жилко Е. О. , Поправко А. Ф., Шаронин В.М. Измерение волнения при помощи береговых РЛС. В сб. "Неконтактные методы измерения океанографических параметров". М. : Гидрометеоиздат, 1975, с. 91-96), которое по совокупности существенных признаков наиболее близко к заявленному и принято за прототип.

В данном устройстве видеосигнал с выхода приемопередатчика поступает на детектор огибающей, который запоминает амплитудное значение сигнала только в моменты поступления строб-импульсов на его управляющий вход. Блок формирования стробирующих импульсов синхронизируется импульсами, поступающими от синхронизатора. Частота следования строб-импульсов соответствует частоте следования зондирующих импульсов, а время задержки первых относительно последних определяет расстояние от РЛС до стробируемого участка морской поверхности. На выходе детектора огибающей выделяется огибающая видеоимпульсов, принятых с фиксированной дальности. Это напряжение подается на нормализатор, вырабатывающий нормированные по амплитуде и длительности импульсы в моменты пересечения огибающей среднего уровня. В результате интегрирования нормализованных импульсов за определенный интервал времени на выходе интегратора получается напряжение, пропорциональное средней частоте флуктуаций огибающей отраженных сигналов, которое измеряется регистрирующим прибором и значение которого связано с высотой поверхностных волн. Данное устройство позволяет измерять следующие характеристики волнения: высоту волн; генеральное направление распространения волн; групповую структуру волн.

Генеральное направление распространения волн определяют путем анализа азимутальной зависимости средней частоты флуктуаций огибающей, полученной при вращении антенны РЛС, имеющей достаточно узкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Максимальное значение средней частоты флуктуаций огибающей получается при облучении вдоль генерального направления распространения волн, а минимальное - при облучении вдоль гребней волн.

Высоту волн находят на полусумме максимального и минимального значений средней частоты флуктуаций огибающей в ее азимутальной зависимости. Групповую структуру морских волн исследуют путем анализа изменений во времени измеренных значений высоты волн.

При использовании данного устройства необходимо обеспечить отсутствие ограничения отраженных сигналов по амплитуде в приемном тракте РЛС, что рекомендуется делать путем установки перед измерениями с помощью ручек, имеющихся на пульте управления РЛС, соответствующих коэффициентов усиления УПЧ (ручка "Усиление") и временной автоматической регулировки усиления (ручка "Вару") и выбора расстояния до стробируемого участка морской поверхности. Однако в ряде судовых навигационных РЛС (например, типа "Миус", "Кивач", "Наяда") данные ручки на пульте управления РЛС отсутствуют, а изменение указанных коэффициентов при работе РЛС невозможно. Кроме того, изменения уровня радиолокационных отражений от стробируемого участка морской поверхности, обусловленные групповой структурой волн и качкой судна, могут достигать 20 дБ и более. В этом случае обеспечить отсутствие ограничения отраженных сигналов по амплитуде не представляется возможным даже при наличии возможности регулировки указанных выше коэффициентов, поскольку динамический диапазон приемных трактов судовых навигационных РЛС не превышает 20 дБ. Таким образом, обеспечить отсутствие ограничения отраженных от стробируемого участка морской поверхности сигналов в приемном тракте судовой навигационной РЛС в большинстве реальных случаев не представляется возможным. При наличии ограничений средняя частота флуктуаций огибающей, определенная по числу пересечений огибающей среднего уровня за определенный интервал времени, будет меньше истинного значения, что ведет к занижению результатов измерений высоты морских волн, то есть к появлению систематической погрешности измерений. В результате ограничений по амплитуде отраженных сигналов в приемном тракте РЛС приводит к увеличению суммарной погрешности измерений высоты волн.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее приемопередатчик импульсной РЛС, вход синхронизации которого соединен с выходом синхронизатора, а выход через детектор огибающей подключен к входу нормализатора, а также последовательно соединенные интегратор и регистратор, введены электронный ключ, источник постоянного напряжения, блок установки уровня счета, первая линия задержки, генератор тактовых импульсов, последовательно соединенные триггер, элемент И, вторая линия задержки и генератор импульсов, а также N каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные селектор длительности, счетчик числа импульсов, компаратор и генератор импульсов, в которых объединенные входы селекторов длительности импульсов соединены с выходом электронного ключа, вторые входы компараторов подключены к выходу блока установки уровня счета, а выходы генераторов импульсов объединены и подключены к входам сброса счетчиков числа импульсов и входу интегратора непосредственно и через последовательно соединенные первую линию задержки и генератор тактовых импульсов - к управляющему входу интегратора и к входам запуска счетчиков числа импульсов, при этом выход нормализатора соединен с управляющим входом электронного ключа, а выход источника постоянного напряжения - c информационным входом электронного ключа, вход установки триггера подключен к выходу синхронизатора, выход генератора импульсов - к управляющему входу детектора огибающей, выход приемопередатчика - к второму входу элемента И, выход которого соединен с входом сброса триггера.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства; на фиг.2 - эпюры напряжений.

Устройство содержит приемопередатчик 1 импульсной РЛС, синхронизатор 2, детектор 3 огибающей, генератор 4 импульсов, вторую линию 5 задержки, элемент И 6, триггер 7, блок 8 установки уровня счета, нормализатор 9, электронный ключ 10, источник 11 постоянного напряжения, N каналов, каждый из которых состоит из соединенных последовательно селекторов 12 длительности импульсов, счетчиков 13 числа импульсов, компараторов 14 и генераторов 15 импульсов, генератор 16 тактовых импульсов, первую линию 17 задержки, интегратор 18 и регистратор 19.

Вход синхронизации приемопередатчика 1 соединен с выходом синхронизатора, а выход через детектор 3 огибающей подключен к входу нормализатора 9, интегратор 18 и регистратор 19 соединены последовательно, объединенные входы селекторов 12 длительности импульсов соединены с выходом электронного ключа 10, вторые входы компараторов 14 подключены к выходам блока 8 установки уровня счета, а выходы генераторов 15 импульсов объединены и подключены к входам сброса счетчиков 13 числа импульсов и входу интегратора 18 непосредственно и через последовательно соединенные первую линию 17 задержки и генератор 16 тактовых импульсов - к управляющему входу интегратора 18 и к входам запуска счетчиков 13 числа импульсов, выход нормализатора 9 соединен с управляющим входом электронного ключа 10, выход источника 11 постоянного напряжения - с информационным входом электронного ключа 10, триггер 7, элемент И 6, вторая линия 5 задержки и генератор 4 импульсов соединены последовательно, при этом вход установки триггера 7 подключен к выходу синхронизатора 2, выход генератора 4 импульсов - к управляющему входу детектора 3 огибающей, выход приемопередатчика 1 - к второму входу элемента И 6, выход которого соединен с входом сброса триггера 7.

Устройство работает следующим образом. При поступлении синхроимпульса U₂ (фиг. 2) на вход установки триггера 7 на выходе последнего появляется сигнал U₇, который поступает на один из входов элемента И 6. Видеосигнал U₁, поступающий с блока 1, состоит из двух импульсов, первый - прямоугольный импульс, длительность которого τ_и и временное положение совпадают с длительностью и временным положением зондирующего импульса, обусловлен просачиванием части сигнала передатчика в приемный тракт, второй - импульс сложной формы формируется отражениями от морской поверхности. При поступлении на второй вход элемента И 6 от приемопередатчика 1 сигнала, сформированного за счет просачивания в приемный канал части энергии при излучении зондирующего импульса, на выходе элемента И 6 получается импульс U₆, временное положение которого соответствует временному положению зондирующего импульса. Импульс с выхода элемента И 6, поступая на вход сброса триггера 7, устанавливает его в нулевое положение. Этот же импульс, задержанный во второй линии 5 задержки на время t_зад, определяемое дистанцией до исследуемого участка морской поверхности, запускает генератор 3 импульсов. Таким образом, на выходе генератора 4 импульсов формируются строб-импульсы U₄ требуемой длительности τ_стр, время задержки которых относительно зондирующих импульсов составляет t_зад при любом значении времени t_упр упреждения синхроимпульса относительно зондирующего импульса.

Сигнал с выхода приемопередатчика 1 поступает на вход детектора 3 огибающей, который запоминает амплитудное значение сигнала только в моменты поступления на его управляющий вход импульсов с выхода генератора 4 импульсов. На выходе детектора 3 выделяется огибающая импульсов, отраженных от определенного участка морской поверхности, расстояние до которого определяет время задержки строб-импульсов относительно зондирующего импульса. Время t_зад задержки строб-импульсов относительно зондирующих импульсов должно быть таким, чтобы дистанция D = с t_зад/2 (где с - скорость света) до исследуемого участка обеспечивала его облучение под углом ϑ в области диффузного рассеяния. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Пер. с англ. под ред. К. Н. Трофимова. Т. I. Основы радиолокации. М.: Советское радио, 1976, с. 325), т.е. 3^o< ϑ < 60^o, где ϑ = arcsin H_A/D, H_A - высота подъема антенны РЛС над морем. Напряжение с выхода детектора 3 огибающей подается на нормализатор 9, вырабатывающий нормированные по амплитуде и длительности импульсы в моменты пересечения огибающей среднего уровня.

Поступая на управляющий вход электронного ключа 10, нормированные импульсы закрывают его. Таким образом, напряжение на выходе электронного ключа 10 будет равно напряжению на выходе источника 11 постоянного напряжения или нулю (соответственно при отсутствии или наличии нормированных импульсов на его управляющем входе). В результате сигнал на выходе электронного ключа 10 представляет собой импульсы постоянной амплитуды и переменной длительности, временной интервал между которыми равняется длительности τ_н нормированных импульсов. Импульсы с выхода электронного ключа 10 поступают на входы селекторов 12 N каналов, каждый из которых настроен на пропускание импульсов, длительность которых лежит в диапазоне τ_к - Δ t < τ_ск < τ_к + Δ t, где k = = 1, . . ..,i,....N. Количество импульсов, прошедших через каждый селектор 12, считается соответствующим счетчиком 13 и сравнивается в соответствующих компараторах 14 с числом N₈ импульсов, заданным в блоке 8 установки уровня счета. Как только количество импульсов, сосчитанное счетчиком 13 k-го канала, достигает числа N₈, на выходе компаратора 14 k-го канала появляется сигнал, который запускает генератор 15 k-го канала, вырабатывающий импульс длительностью τ_ик = 2(τ_к + τ_н) = Т_ср, где Т_cр - средний (наиболее вероятный) период флуктуаций огибающей отраженных импульсов. Амплитуда импульсов, вырабатываемых всеми генераторами 15 каналов импульсов, одинакова. В результате интегрирования импульса длительностью τ_ик = Т_cр на выходе интегратора 18 получается напряжение, пропорциональное средней частоте флуктуаций огибающей отраженных поверхностью моря импульсов, которое измеряется регистратором 19 и значение которого связано с высотой морских волн.

Импульс с выхода генератора 15 k-го канала подается, кроме того, на входы сброса счетчиков 13 для установки последних в исходное (нулевое) положение, а также на вход первой линии 17 задержки, пройдя которую задним своим фронтом запускает генератор 16, вырабатывающий импульс, который устанавливает в исходное (нулевое) положение интегратор 18 и запускает счетчики 13. Первый запуск устройства осуществляется импульсом, вырабатываемым генератором 16 тактовых импульсов при нажатии кнопки "Пуск". Время, в течение которого на выходе интегратора сохраняется напряжение, соответствующее результату интегрирования, определяется временем задержки импульса в линии 17 задержки. Значения длительностей τ_к импульсов определяют, исходя из возможных значений Т_cр, соответствующих заданным диапазонам измерения высоты морских волн, а значения Δ t определяют, исходя из требуемой точности измерения высоты волн.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ, содержащее приемопередатчик импульсной РЛС, вход синхронизации которого соединен с выходом синхронизатора, а выход через детектор огибающей подключен к входу нормализатора, а также последовательно соединенные интегратор и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены электронный ключ, источник постоянного напряжения, блок установки уровня счета, первая линия задержки, генератор тактовых импульсов, последовательно соединенные триггер, элемент И, вторая линия задержки и генератор импульсов, а также N каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные селектор длительности импульсов, счетчик числа импульсов, компаратор и генератор импульсов, в которых объединенные входы селекторов длительности импульсов соединены с выходом электронного ключа, вторые входы компараторов подключены к выходу блока установки уровня счета, а выходы генераторов импульсов объединены и подключены к входам сброса счетчиков числа импульсов и входу интегратора непосредственно и через последовательно соединенные первую линию задержки и генератор тактовых импульсов - к управляющему входу интегратора и к входам запуска счетчиков числа импульсов, при этом выход нормализатора соединен с управляющим входом электронного ключа, а выход источника постоянного напряжения - с информационным входом электронного ключа, вход установки триггера подключен к выходу синхронизатора, выход генератора импульсов - к управляющему входу детектора огибающей, выход приемопередатчика - к второму входу элемента И, выход которого соединен с входом сброса триггера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2