Способ обнаружения гидродинамических воздействий

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам регистрации гидродинамических параметров. Способ предполагает регистрацию параметров гидродинамического воздействия с помощью расположенного в водоеме гидродинамического датчика и последующую обработку зарегистрированного сигнала. Приемный модуль выполнен с возможностью изменения углового положения под воздействием водной среды. Измеряют величину угловой скорости приемного модуля, полученную информацию обрабатывают и на ее основе определяют величины, характеризующие измеряемое гидродинамическое воздействие по заданному математическому выражению, учитывающему время измерений, радиус поворота датчика, сигнал волоконно-оптического гироскопа при измерении угловой скорости датчика. Находят линейное смещение, характеризующее гидродинамическое воздействие. В качестве датчика угловой скорости используют волоконно-оптический гироскоп, имеющий длину волокна до 25 км. В состав гироскопа входит лазер, оптическое волокно на катушке и фотоприемник. При этом лазер выполнен с возможностью введения в волокно двух встречных лучей, а угловая скорость фиксируется через разность фаз встречных лучей на выходе из катушки. Устройство также содержит гибкую подвеску, якорь и поплавок. Технический результат - повышение чувствительности датчика. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области регистрации и измерения естественного гидродинамического поля Мирового океана, гидродинамического поля, создаваемых движением подводных и надводных объектов, а также измерений гидродинамических параметров, вызванных движением несжимаемых жидкостей и их взаимодействием с надводными и подводными объектами в диапазоне от нуля до 1 Гц.

Параметры естественного гидродинамического поля Мирового океана, обусловленные морскими течениями, приливами, отливами, волнением моря и т.д., носят случайный характер и используются в основном для обеспечения судовождения.

Гидродинамическое поле подвижных объектов - это закономерные возмущения естественного гидродинамического поля Мирового океана в виде внутренних волн водной среды. Параметры этих волн можно измерить на фоне естественного поля в каждый момент времени и использовать в вычислительных программах по идентификации подвижных объектов и определению их пространственного положения.

Гидродинамические низкочастотные воздействия в пределах от нуля до 1 Гц измеряются и регистрируются на фоне естественного гидродинамического поля аналогично параметрам гидродинамического поля подвижных объектов и могут быть использованы при идентификации объектов по имеющимся сигнатурам в этом диапазоне частот.

Известен способ обнаружения внутренних волн гидродинамических подводных возмущений по патенту РФ №2134433, дата приоритета от 15.12.1997, заключающийся в поочередном облучении поверхности океанических и морских вод оптическим излучением ультрафиолетового диапазона, приеме обратных сигналов последовательно из точек, расположенных на площади, существенно превышающей площадь поверхности однократного зондирования, выделении флуоресцентной составляющей принятого сигнала, измерении спектрального и пространственного распределения энергии флуоресцентного сигнала. Облучение каждой точки поверхности производят однократно, выделяют три информационные спектральные составляющие флуоресцентного сигнала, преобразуют спектр полученного флуоресцентного сигнала в цветовой спектр, формируют с помощью дисплея на основе полученных цветовых сигналов цветовое поле, отображающее пространственное поле реальных принятых сигналов, наблюдают цветовое поле, определяют наличие подводных возмущений путем сравнения амплитудно-спектральных характеристик флуоресцентных сигналов, принятых с невозмущенных частей поверхности и с зон поверхности, под которыми имеются гидродинамические возмущения.

Известен способ измерения уровня давления шумоизлучения движущегося объекта в натурном водоеме по патенту РФ №2108007, дата приоритета от 01.11.1994, заключающийся в размещении в заданной области водоема рабочего гидроакустического средства измерений, направлении контролируемого объекта с равномерной скоростью курсом к рабочему гидроакустическому средству и измерении эффективных значений напряжений на выходе рабочего средства измерений.

Недостатком вышеуказанных способов является узкий рабочий диапазон измеряемых акустических воздействий от 5 Гц до 7-8 Гц.

Известен способ измерения параметров шумоизлучения объекта в натурном водоеме оптическими средствами, известный из заявки РФ №94006050 на изобретение с датой приоритета от 22.02.1994 г. Существо изобретения заключается в том, что в заданной области натурного водоема располагают сигнальную катушку волоконно-оптического интерференционного гидрофона, а в дополнительном водоеме располагают его опорную катушку. При этом в дополнительном водоеме формируют калиброванное гидроакустическое поле, с помощью которого непосредственно в процессе измерений периодически уточняют калибровочный коэффициент волоконно-оптического гидрофона.

Недостатком способа является узкий диапазон рабочих частот и большая сложность реализации.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ контроля уровня давления шумоизлучения движущегося подводного объекта в натурном водоеме по патенту РФ №2191399, дата приоритета от 09.11.2000, заключающийся в регистрации параметров шумоизлучения объекта с помощью расположенного в водоеме гидроакустического рабочего средства измерений и последующей обработке зарегистрированного рабочим средством измерений сигнала.

Данное изобретение направлено на повышение информативности об исследуемых первичных гидроакустических полях шумящего объекта. Прослушивание гидродинамических воздействий в натурных водоемах в широком диапазоне частот при использовании данного способа невозможно.

Технической задачей заявленного технического решения является расширение диапазона измеряемых гидродинамических воздействий, в частности, в область инфранизких частот в пределах от нуля до 1 Гц.

Технический результат заключается в повышении чувствительности к измерению низкочастотных гидродинамических сигналов, что позволит определить и контролировать движение подводных объектов на шельфе на малых глубинах и в океане на повышенных дальностях.

Данный технический результат достигается за счет реализации способа обнаружения гидродинамических воздействий, заключающегося в регистрации параметров гидродинамического воздействия с помощью расположенного в водоеме приемного модуля гидродинамического датчика и последующей обработке зарегистрированного приемным модулем измерений сигнала. Приемный модуль выполнен с возможностью изменения углового положения под воздействием водной среды. В качестве приемного модуля используют высокочувствительный датчик угловой скорости. Измеряют величину угловой скорости приемного модуля, полученную информацию обрабатывают в вычислительном блоке и на ее основе определяют величины, характеризующие измеряемое гидродинамическое воздействие по математическому выражению:

где:t - время измерений;

L - радиус поворота датчика;

- исходный сигнал волоконно-оптического гироскопа при измерении угловой скорости датчика;

S - линейное смещение, характеризующее гидродинамическое воздействие.

В качестве датчика угловой скорости можно использовать высокочувствительный волоконно-оптический гироскоп, имеющий повышенную длину волокна до 25 км.

Заявленный способ реализуется при использовании приемного модуля гидродинамического датчика. Приемный модуль гидродинамических сигналов выполнен в виде катушки оптоволокна и ответвителя, размещенных в корпусе датчика угловой скорости приемного модуля.

На фигуре 1 представлена схема расположения приемного модуля гидродинамического датчика в положении равновесия и при смещении.

На фигуре 2 представлена спектрограмма гидродинамических воздействий Белого моря, полученная при применении гидрофона ВОГФ-1.

Способ обнаружения гидродинамических воздействий реализуется следующим образом.

Движение корпуса приемного модуля может быть представлено как движение материальной точки с массой m под действием упругой силы F=-kx, пропорциональной смещению с коэффициентом упругости k и имеющей противоположный знак. Полагая, что в начальный момент времени смещение точки х₀=1 и начальная скорость V₀=0, закон движения этой точки представляется в виде х=cosωt, где , мгновенная скорость V=-ωsinωt

В общем случае материальная точка движется по закону

S=Acos(ωt+φ),

где S - смещение, т.е. текущее расстояние от колеблющейся точки до положения равновесия;

А - амплитуда смещения, т.е. максимальное смещение точки от положения равновесия;

(ωt+φ) - фаза колебания;

φ - начальная фаза.

Именно такая зависимость является характеристикой колебания водной среды. Текущее значение скорости смещения точки представляется в виде V=-Aωsin(ωt+φ).

Традиционно применяемый вариант размещения приемного модуля гидродинамического датчика с гибкой подвеской на якоре с постоянной длиной каната L и поплавком для поддержания датчика в вертикальном положении представлен на фиг. 1. Под действием упругой силы материальная точка со скоростью V смещается на расстояние S, что фиксируется гидродинамическим датчиком как колебание водной среды, т.е. гидродинамический сигнал.

На фиг. 1 показано, что при постоянной величине L действие упругой силы будет вызывать угловое перемещение корпуса приемного модуля вместе с его чувствительным элементом-датчиком угловой скорости, в котором частота и амплитуда измеряемых сигналов соответствует воздействию на корпус прибора возмущений по угловой скорости от колебаний внешней среды:

,

что соответствует текущему углу разворота на угол Ω=A₁cos(ωt+φ) или в переводе на линейное смещение, характеризующее гидродинамическое воздействие: S=A₁Lcos(ωt+φ).

Подобранные расчетным и подтвержденные опытным путем соотношения величины амплитуд А и А₁ позволяют проводить обработку информации, полученную с датчиков угловой скорости, по алгоритмам, аналогичным имеющимся алгоритмам для традиционных способов, где измеряемой физической величиной является гидродинамическое давление.

Волоконно-оптический гироскоп (ВОГФ-1) - это прибор, который предназначен для измерения угловой скорости и используется большей частью в инерциальных измерительных системах. В состав волоконно-оптического гироскопа входит лазер, оптическое волокно на катушке и фотоприемник. С помощью лазера в оптическое волокно вводят два встречных луча, которые после прохождения по катушке фиксируются фотоприемником. При вращении катушки вокруг оси угловая скорость этого вращения фиксируется через разность фаз встречных лучей на выходе из катушки.

Экспериментальное подтверждение эффективности заявленного способа измерения и регистрации гидродинамических воздействий получено в сентябре 2014 года на Государственном центральном морском полигоне, где проведены по согласованной программе ОАО «НПО автоматики» и в/ч 09703, с выпуском отчета, натурные испытания разработанного ОАО «НПО автоматики» ВОГФ-1, в котором реализован заявляемый способ измерения и регистрации гидродинамических воздействий на основе измерения угловой скорости корпуса приемного модуля. В частности, на фиг. 2 приведены полученные на этих испытаниях результаты измерений естественного фонового движения вод Белого моря в диапазоне частот от 0 до 2000 Гц.

Из спектрограммы следует, что регистрируемый сигнал в полосе частот от нуля до 1 Гц (инфразвук Белого моря) превышает сигнал в полосе частот около 100 Гц практически на 50 дБ, чем подтверждается высокая чувствительность заявленного способа измерения и регистрации гидродинамических воздействий в полосе инфранизких частот 0÷1 Гц. Проведенными испытаниями подтверждена также высокая чувствительность при измерении предлагаемым способом приливов и отливов в акватории Белого моря.

Таким образом, осуществление регистрации параметров гидродинамического воздействия с помощью расположенного в водоеме приемного модуля гидродинамического датчика, последующей обработки зарегистрированного приемным модулем измерений сигнала, выполнения приемного модуля (высокочувствительный датчик угловой скорости) с возможностью изменения углового положения под воздействием водной среды, измерения величины угловой скорости приемного модуля, обработки полученной информации в вычислительном блоке и определения величины, характеризующие измеряемое гидродинамическое воздействие по математическому выражению: , позволяет повысить чувствительность к измерению низкочастотных гидродинамических воздействий и повысить точность измерения гидродинамических воздействий, тем самым расширить диапазон обнаружения гидродинамических воздействий, в частности, в области инфранизких частот в пределах от нуля до 5 Гц. Использование высокочувствительного волоконно-оптического гироскопа, имеющего повышенную длину волокна до 25 км, в качестве датчика угловой скорости, также позволяет расширить диапазон измеряемых гидродинамических воздействий в натурных водоемах в инфразвуковой части.

1. Способ обнаружения гидродинамических воздействий, заключающийся в регистрации параметров гидродинамического воздействия с помощью расположенного в водоеме приемного модуля гидродинамического датчика и последующей обработке зарегистрированного приемным модулем измерений сигнала, отличающийся тем, что приемный модуль выполнен с возможностью изменения углового положения под воздействием водной среды, в качестве модуля используют высокочувствительный датчик угловой скорости, измеряют величину угловой скорости приемного модуля, полученную информацию обрабатывают в вычислительном блоке и на ее основе определяют величины, характеризующие измеряемое гидродинамическое воздействие по математическому выражению:
,
где t - время измерений;
L - радиус поворота датчика;
- исходный сигнал волоконно-оптического гироскопа при измерении угловой скорости датчика;
S - линейное смещение, характеризующее гидродинамическое воздействие.

2. Способ обнаружения гидродинамических воздействий по п. 1, отличающийся тем, что в качестве датчика угловой скорости используют высокочувствительный волоконно-оптический гироскоп, имеющий повышенную длину волокна до 25 км.