Устройство для определения параметров морских волн

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОРСКИХ ВОЛН представляющее собой лидар, содержащий импульсный лазер с коллиматором и оптическую систему, воспринимающую свет, отраженный от морской поверхности, и направляющую его на фотоприемник с регистрирующей аппаратурой на выходе для измерения изменений длительности отраженных импульсов, отличающееся тем, что, с целью измерения высот волн при слабом волнении и небольшом удалении от морской поверхности, после коллиматора установлен оптический элемент для формирования светового импульса с диаграммой направленности в виде сектора конической поверхности с вертикальной осью симметрии, а в регистрирующую аппаратуру введен узел редукций измеряемой ширины импульсов с учетом угла локации. € 2. Устройство по п. 1, отли (Л чающееся тем, что оптический элемент для формирования светового импульса с выбранной диаграммой направленности выполнен в виде конического отражателя с углом при вершине, со обращенной к коллиматору, меньшим со прямого на угол локации. iJ2./

СООЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (l9) (1}) (s))4 G 01 С 13./00, С 01 С 3/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABT0PCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3225124/18-10 (22) 26 ° 12,80 (46) 23.09.85. Бюл. К - 35 (72) В.Н.Пелевин и А.И.Стемковский (71) Институт океанологии нм. П.П.Ширшова (53) 528.547+528.517(088.8) (56) Olsen M,S. Laser profilometr 2

Lst Ann. Southvest IEEE Conf 1969, N.J,, Р 4, 1871-1877.

Гуревич Г.С. и др. Определение формы морской поверхности с помощью лидара. Труды ЦАО, 1979, т. 138, с. 93-98.

Авторское свидетельство СССР

Р 415489, кл. G 01 С 3/08, 1974. (54) (57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОРСКИХ ВОЛН, представляющее собой лидар, содержащий импульсный лазер с коллиматором и оптическую систему, воспринимающую свет, отраженный от морской поверхности, и направляющую его на фотоприемник с регистрирующей аппаратурой на выходе для измерения изменений длительности отраженных импульсов, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью измерения высот волн при слабом волнении и небольшом удалении от морской поверхности, после коллиматора установлен оптический элемент для формирования светового импульса с диаграммой направленности в виде сектора конической поверхности с вертикальной осью симметрии, а в регистрирующую аппаратуру введен узел редукций измеряемой ширины импульсов с учетом угла локации.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что оптическийэлемент для формирования светового импульса с выбранной циаграммой направленности выполнен в виде конического отражателя с углом при вершине, обращенной к коллиматору, меньшим прямого на угол локации.

1 9310

Изобретение относится к области океанологии и может быть использовано в метеорологии и гидродинамике морского волнения для измерения высоты волн с берега и борта судна, а также низколетящего авианосителя.

Для дистанционного измерения высоты волн применяются фазовые дальномеры на лазерах непрерывного действия с высокочастотной модуляцией иэлуче- 10 ния. Необходимым условием их применения является строгая фиксация расстояния до исследуемой поверхности, что препятствует их использованию с судов.

Импульсный лазерный профилометр 15 работает при небольших углах скольжения, обладает невысокой точностью и не обеспечивает непосредственного измерения высот волн и их статистического осреднения. Наиболее целе- 20 сообразным при решении различных океанологических задач оказалось устройство для определения параметров волн, построенное как импульсный лазерный лидар. 25

Лидар содержит импульсный лазер с коллиматором и оптической системой, воспринимающей свет, отраженный от морской поверхности, и направляющей его на фотоприемник с регистрирующей 50 аппаратурой для измерения изменений длительности отраженных импульсов.

В результате сопоставления ширины отраженного от поверхности импульса с шириной зондирующего и, в зависимости от угла зондирования, по увеличению длительности отраженного импульса определяют высоту или длину волн.

Однако определение высоты волн 40 данным устройством возможно лишь при сильном волнении, когда высота волн становится сравнима с длиной лазерных импульсов. Необходимость вертикального зондирования для определения высот45 волн не позволяет применять данное устройство с борта судов и с берега.

Цель изобретения — увеличение чувствительности импульсного лидара, а конкретнее измерение высот волн 50 при слабом волнении при небольшом расстоянии до морской поверхности, в частности с борта судов и с берега.

Цель достигается тем, что в устройство вводится оптический элемент 55 для формирования диаграммы направленности излучения лазера в виде сектора конической поверхности, ось симметрии которой вертикальна. Этот оптический элемент может быть выполнен как конический отражатель, угол при вершине которого меньше 90 на угол локации.

На фиг. 1 изображена схема зондирования с борта судна; на фиг. 2 блок-схема устройства для определения параметров морских волн; на фиг. 3— схема оптической системы для формирования необходимой диаграммы направленности излучения; на фиг. 4 — схема, поясняющая процесс формирования диаграммы направленности в виде сектора конической поверхности при отражении излучения от поверхности конуса (вид сверху); на фиг. 5 — вид сверху на диаграмму направленности и область пересечения ее с горизонтальной плоскостью; на фиг. 6 — схема, поясняющая возникновение флуктуаций локационной дальности до поверхности и обусловленное ими уширение отраженного импульса; на фиг. 7 — исходный и отраженный импульсы, нормированные к .единице.

Устройство работает следующим образом.

Лидар устанавливается на берегу или на борту судна. Излучатель 1 и приемник 2 располагаются рядом.

Угол локации с (угол между горизонталью 3 и направлением эондирова-. о ния 4) порядка 10 и выбирается в зависимости от волнения так, чтобы не происходило затенения одних возвышений другими. Локационная дальность составляет несколько сотен метров.

Лазер 5 с блоком 6 питания генерирует импульс ИК-света на длине волны 1,06 мкм длительностью 25 нс, Импульс попадает на светоделитель 7 и часть его при помощи фотодиода 8, питаемого от источника 9, запускает регистрирующую аппаратуру 10. Часть импульса, прошедшая светоделитель 7, поступает в оптическую систему 11, формирующую диаграмму направленности излучения. Отраженный от поверхности моря свет попадает в фотоприемник 12, питаемый от источника 13.

Световой импульс преобразуется в электрический и поступает в регистрирующую аппаратуру 10, В блоке 14 ширина принятых импульсов редуцируется с учетом угла локации для получе- ния на выходе непосредственно средней высоты морских волн.

9310

00 4 ция времени прихода (t) элемента импульса с некоторого направления однозначно связана с возвьппением h поверхности в точке отражения, сКО ростью света с и углом

2h

t======= с sin4

Поскольку коэффициент отражения в сторону приемника в среднем не зависит от h; что обосновано отсутствием корреляции между возвышениями и наклонами, то соотношение между статистическими распределениями величин t u h будет иметь вид

C(t)= — — — r{h) с s ink

9 где 1(Ь) — распределение возвьппений элементов поверхности мо.PR °

Формы излученного 25 и отраженного 26 сигналов показаны на фиг ° 7.

Следовательно, дисперсия r(h) будет определяться по формуле с2 sin20

/h2) — — — — -w

16 где - ширина импульса G(t) на уровне е ", а среднеквадратичная высота по формуле 2 Ti

h =- — с ising. кв 4

Таким образом, изобретение увеличивает чувствительность импульсного лазерного лидара к слабому волнению при зондировании под углами менее

10 более чем в 10 раэ, что позволяет регистрировать волны от 10 см, Изобретение обеспечивает проведение измерений с высоты порядка 10-30 м., что позволяет применять измерительное устройство с борта судов, а это особенно важно, так как основной массив данных о волнении поступает именно с кораблей.

Формирование диаграммы направлен-, ности в виде сектора конической поверхности, имеющей вертикальную ось симметрии, показано на фиг ° 3 и 4. Коллиматор 15 уменьшает расходимость лазерного пуска до 3-4 угловых минут. С помощью поворотного зеркала 16 импульс света направляется на поверхность конического отражателя 17, ось которого ориентирована !О строго вертикально, а его вершина направлена вверх навстречу падающему импульсу..Однако ось конуса и ось пучка света не совпадают ° Угол при вершине равен 90 -с . Импульс света после отражения от,конуса будет распространяться под углом î . При отражении формируется расходящийся пучок лучей, ограниченный лучами 18, пересекающимися на оси конуса в точке 19. Угол расходимости зависит от расстояния между осью пучка света и осью конуса 17. Если поверхность невзволнованна и ширина освещенной полосы 20 много меньше геомет-2S рической длины импульса, уширение отраженного импульса наблюдаться не будет. Например, при пропускании

К-импульса будет принят д -импульс.

Если поверхность взволнованна, то отраженный импульс будет длиннее исходного. Какой-то один луч 21 падает на участок поверхности 22 с положительным возвьппенным h его длина укорачивается, вследствии чего отраженный на этом направлении импульс попадает в приемник раньше

h на время 2 — sink. Какой-то другой с луч 23 падает на участок поверхности 24 с отрицательным возвьппениам h и приходит в приемник позднее на вреh" мя 2- зхп с . Таким образом флуктуас

Фиг.2

931000 МО

G(8

О.

Редактор Л.Письман Техред М.Надь Корректор В.Гирняк

Заказ 5965/3 Тираж 650 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений.и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 с:

-а — — — — — —--с

Филиал ППП "Патент", r.Óàroðoä, ул.Проектная, 4