Гидрологический прибор для определения глубины залегания скачка в натурном водоеме
Изобретение относится к области гидрологии и гидроакустики и может быть использовано для определения глубины залегания слоя скачка в натурном водоеме. Техническим результатом является получение на выходе прибора, имеющего один основной блок, оптического сигнала, несущего прямую информацию о глубине залегания слоя скачка в натурном водоеме. Гидрологический прибор содержит объединенные в едином корпусе датчики глубины и градиента плотности морской воды, а также утяжеляющую муфту, закрепленные на тросе лебедки, расположенной на надводном носителе, отсчетное приспособление глубины водоема и регистратор, причем датчики глубины и градиента плотности морской воды выполнены в виде источника когерентного света и фотоприемника, оптически согласованных через две волоконные катушки в интерферометр, при этом дополнительно введены множительное устройство и усилитель-ограничитель, подключенный входом к выходу фотоприемника, а отсчетное устройство выполнено в виде частотомера-периодимера, подключенного входом к выходу усилителя-ограничителя, а выходом, через множительное устройство - к регистратору. 6 з.п.ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области гидрологии и гидроакустики и может быть использовано для определения глубины залегания скачка в натурном водоеме.
Важнейшим гидроакустическим параметром океана является скорость звука, которая возрастает с увеличением температуры воды, солености и давления. Первые два параметра стратифицированы по вертикали, что приводит к тому, что и скорость звука получается также стратифицированной по глубине натурного водоема.
Вблизи поверхности моря расположен так называемый "перемешанный слой" воды, скорость звука в котором практически изотропна. Ниже перемешанного слоя лежит "термоклин" (слой скачка), в котором температура быстро уменьшается с увеличением глубины.
Ниже термоклина находится область постоянной температуры.
Поскольку скорость звука возрастает с глубиной по верхней границе изотермической области (нижней границе термоклина) в профиле скорости звука имеется минимум. Этот минимум является глубиной залегания оси подводного звукового канала, внутри которого из-за рефракции в той или иной степени концентрируется звуковая энергия [1].
Наличие слоя скачка в натурном водоеме оказывает большое влияние на практическую гидроакустику, позволяя с одной стороны использовать в океане естественный "звукопроводный канал" для дальнейшей гидроакустической связи, а с другой - использовать слой скачка как "подводную преграду" для звука гидролокаторов противника [2].
Для эффективного использования гидроакустических свойств слоя скачка необходимо знать глубину его залегания в натурном водоеме.
Известен гидрологический прибор для определения глубины залегания слоя скачка в натурном водоеме [3], принятый за прототип.
Прототип, называемый в источнике [3], батитермографом, содержит объединенные в едином корпусе датчики глубины и градиента плотности морской воды, а также утяжеляющую муфту, закрепленные на тросе лебедки, расположенной на надводном носителе. Имеются также отсчетное приспособление глубины водоема и регистратор.
Батитермограф-прототип является морским гидрологическим прибором, позволяющим проводить синхронные измерения и запись температуры и глубины водоема. Прототип позволяет осуществлять вычисление вертикальных градиентов температуры и их запись в функции глубины натурного водоема.
Батитермограф состоит из двух главных частей: термоблока, регистрирующего изменения температуры, и батиблока, показывающего глубину. Движение этих двух блоков прибора комбинируется в одно движение пера регистратора, записывающего изменение температуры с глубиной водоема.
Недостатком прототипа является необходимость наличия двух блоков в составе прибора, необходимость обработки результатов измерений для определения глубины залегания слоя скачка и электрический (а не оптический) характер выходного сигнала.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является устранение данных недостатков прототипа, т.е. получение на выходе прибора, имеющего один основной блок, оптического сигнала, несущего прямую информацию о глубине залегания слоя скачка в натурном водоеме.
Данный технический результат получают за счет того, что в известном гидрологическом приборе для определения глубины залегания слоя скачка в натурном водоеме, содержащем объединенные в едином корпусе датчики глубины и градиента плотности морской воды, а также утяжеляющую муфту, закрепленные на тросе лебедки, расположенной на подводном носителе, отсчетное приспособление глубины водоема и регистратор, датчики глубины и градиента плотности морской воды выполнены в виде источника когерентного света и фотоприемника, оптически согласованных через две волоконные катушки в интерферометр, при этом дополнительно введены множительное устройство и усилитель-ограничитель, подключенный входом к выходу фотоприемника, а отсчетное устройство выполнено в виде частотомера-периодимера, подключенного входом к выходу усилителя-ограничителя, а выходом через множительное устройство - к регистратору.
Прибор может дополнительно содержать также фазосдвигающее устройство, установленное в одной из волоконных катушек. Причем в качестве троса лебедки можно использовать кабель-трос на основе волоконной линии связи.
Волоконные катушки интерферометра выполняют с возможностью изменения расстояния между ними.
Причем волоконные катушки с фазосдвигающим устройством располагают в корпусе прибора, а источник когерентного света, фотоприемник, усилитель-ограничитель, частотомер-периодимер, множительное устройство и регистратор - на подводном носителе.
Прибор может дополнительно содержать датчик начала погружения прибора, соединенного выходом с входом частотомера-периодимера.
При этом датчик начала погружения прибора может быть установлен на лебедке.
Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена конструктивная схема прибора; на фиг.2 - его оптоэлектронная схема.
Гидрологический прибор для определения глубины залегания слоя скачка в натурном водоеме содержит объединенные в едином корпусе 1 (фиг.1) датчики глубины и градиента плотности морской воды, выполненные в виде двух волоконных катушек 2, 3 (фиг.1, 2), оптически согласованных с источником 4 когерентного света и фотоприемником 5 (фиг.2) в интерферометр, включающем в себя также фазосдвигающее устройство в одной из волоконных катушек, например, в катушке 2.
Прибор также содержит утяжеляющую муфту 7. Корпус 1 прибора прикреплен к кабель-тросу 8, выполненному на основе волоконно-оптической линии связи.
На поверхности исследуемого водоема расположен надводный носитель с лебедкой, на барабан которой наматывается кабель-трос 8 прибора, (носитель с лебедкой на чертеже не показаны).
Волоконные катушки 2, 3 интерферометра расположены на фиг.1 на расстоянии 
z, которое может меняться для различных условий эксперимента и при этом задавать различную степень осреднения вертикального градиента плотности в натурном водоеме.
Электронная блок-схема прибора включает в себя (фиг.2) усилитель-ограничитель 9, отсчетное устройство, выполненное в виде частотомера-периодимера 10, множительное устройство 11 и регистратор 12.
Электронные блоки 9...12 соединены последовательно, как показано на чертеже. Усилитель-ограничитель 9 выполнен с регулируемыми коэффициентами усиления и ограничения. Это позволяет выбрать последние оптимальными для регистрации слоя скачка.
Множительное устройство 11 может быть конструктивно объединено с регистратором 12 и частотомером-периодимером 10. Последний блок имеет два входа: а) для запуска блока и вход б) для его остановки.
Вход а) частотомера-периодимера 10 соединен с датчиком начала погружения прибора в натурный водоем, установленного на лебедке (датчик и лебедка на чертеже не показаны), а вход б) - с выходом прибора (выходом усилителя-ограничителя 9).
Фазосдвигающее устройство 6 интерферометра служит для установки начальной разности фаз интерферирующих лучей, равной 90°.
Корпус 1 прибора выполнен полым и сообщающимся с водой натурного водоема. Внутри корпуса 1 располагают волоконные катушки 2, 3 с фазосдвигающим устройством 6, а все электронные блоки 9-12, источник 4 когерентного света и фотоприемник 5 располагают на подводном носителе.
Гидрологический прибор работает следующим образом.
С помощью лебедки (на чертеже не показана) подводную часть прибора опускают в исследуемый натурный водоем.
Начало спуска отмечается командным выходным сигналом с датчика лебедки, подаваемого на вход а) частотомера-периодимера 10.
Подводная часть прибора начинает опускаться в водоем с равномерной скоростью V.
Поскольку обе волоконные катушки 2, 3 интерферометра, находясь в перемешанном слое воды, испытывают одинаковое воздействие среды, выходной сигнал интерферометра будет слабо зависеть от глубины Н водоема и на выходе усилителя-ограничителя 9 не будет присутствовать никакого сигнала.
Но как только прибор достигнет слоя скачка, располагаемого на глубине Нc, на выходе усилителя-ограничителя 9 появится командный выходной сигнал, подаваемый на вход б), на остановку счета частотомера-периодимера 10. (Поскольку слой скачка характеризуется наличием резкого градиента плотности и температуры воды).
В связи с чем частотомер-периодимер отсчитывает время t равномерного опускания прибора со скоростью V. Равномерность опускания прибора обеспечивается лебедкой.
Измеренное частотомером-периодимером 10 в секундах время t в множительном устройстве 11 умножается на значение скорости V в м/сек и регистратор 12 регистрирует глубину залегания слоя скачка Нc=V
t в метрах.
В зависимости от характера профиля температуры (плотности) воды по глубине выбирается то или иное значение z расстояния между волоконными катушками 2, 3, для получения наиболее крутого фронта выходного сигнала интерферометра на выходе усилителя-ограничителя 10. Оптимальная величина z позволяет также избавиться от ложных срабатываний прибора на случайные градиенты их плотности.
Подъем прибора на надводный носитель позволяет уточнить место расположения скачка в натурном водоеме.
Таким образом, в отличие от прототипа глубина залегания слоя скачка в натурном водоеме определяется с помощью одного прибора, имеющего оптический выходной сигнал, без измерения абсолютного значения температуры и плотности воды в натурном водоеме.
Источники информации
1. К.Клей, Г.Медвин. Акустическая океанография. М.: Мир, 1980, с.13-21.
2. И.И.Клюкин. Звук и море. Л.: Судостроение, 1984, с.22-25.
3. Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях. Л.: Гидрометеоиздат, 1977, с.130-143 - прототип.
Формула изобретения
1. Гидрологический прибор для определения глубины залегания слоя скачка в натурном водоеме, содержащий объединенные в едином корпусе датчики глубины и градиента плотности морской воды, а также утяжеляющую муфту, закрепленные на тросе лебедки, расположенной на надводном носителе, отсчетное приспособление глубины водоема и регистратор, отличающийся тем, что датчики глубины и градиента плотности морской воды выполнены в виде источника когерентного света и фотоприемника, оптически согласованных через две волоконные катушки в интерферометр, при этом дополнительно введены множительное устройство и усилитель-ограничитель, подключенный входом к выходу фотоприемника, а отсчетное устройство выполнено в виде частотомера-периодимера, подключенного входом к выходу усилителя-ограничителя, а выходом через множительное устройство - к регистратору.
2. Гидрологический прибор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит фазосдвигающее устройство, установленное в одной из волоконных катушек.
3. Гидрологический прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве троса лебедки используется кабель-трос, выполненный на основе волоконно-оптической линии связи.
4. Гидрологический прибор по п.1, отличающийся тем, что волоконные катушки интерферометра выполнены с возможностью изменения расстояния между ними.
5. Гидрологический прибор по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что волоконные катушки интерферометра с фазосдвигающим устройством располагают в корпусе прибора, а источник когерентного света, фотоприемник, усилитель-ограничитель, частотомер-периодимер, множительное устройство и регистратор - на подводном носителе.
6. Гидрологический прибор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит датчик начала погружения прибора, соединенного выходом со входом частотомера-периодимера.
7. Гидрологический прибор по п.1 или 6, отличающийся тем, что датчик начала погружения прибора установлен на лебедке.
