RU2376612C1 - Method of hydrometeorological monitoring water body of sea test site and device to this end - Google Patents
Method of hydrometeorological monitoring water body of sea test site and device to this end Download PDFInfo
- Publication number
- RU2376612C1 RU2376612C1 RU2008122168/28A RU2008122168A RU2376612C1 RU 2376612 C1 RU2376612 C1 RU 2376612C1 RU 2008122168/28 A RU2008122168/28 A RU 2008122168/28A RU 2008122168 A RU2008122168 A RU 2008122168A RU 2376612 C1 RU2376612 C1 RU 2376612C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrometeorological
- cylinder
- parametric
- locator
- test site
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам определения гидрометеорологических параметров, а именно к комплексному определению таких параметров как скорость ветра на акватории, волнение поверхности моря и динамический подводный шум на акватории с предварительной обработкой информации, передачи информации потребителю для освещения гидрометеорологической обстановки при проведении работ на морских акваториях.The invention relates to methods for determining hydrometeorological parameters, namely, the complex determination of such parameters as wind speed in the water area, sea surface swell and dynamic underwater noise in the water area with preliminary processing of information, transmitting information to the consumer to illuminate the hydrometeorological situation during work in marine areas.
Известные способы и устройства гидрометеорологических наблюдений за акваторией морского полигона [1, 2, 3, 4, 5, 6], как правило, решают конкретную задачу, заключающуюся в определении одного параметра, характеризующего текущее состояние окружающей среды, путем приборной регистрации сигналов с последующей их трансляцией на диспетчерские станции для последующей обработки полученной информации и передачи этой информации потребителям.Known methods and devices for hydrometeorological observations of the water area of the marine landfill [1, 2, 3, 4, 5, 6], as a rule, solve a specific problem, which consists in determining one parameter characterizing the current state of the environment, by instrumental registration of signals with their subsequent broadcast to dispatch stations for the subsequent processing of the information received and the transmission of this information to consumers.
В известном устройстве [1], состоящим по крайней мере из двух электродов, соединенных с высокоомным вольтметром измеряют градиент потенциала электрических полей, по которому определяют высоту волн. При этом устройства регистрации размещают в прибрежной зоне на глубине более 100 м группами и на удалении от береговой черты на расстояние до 4000 м и соединяют их линиями связи с береговой диспетчерской станцией. Данное устройство в основном используется для определения опасности цунами.In the known device [1], which consists of at least two electrodes connected to a high-resistance voltmeter, the gradient of the potential of electric fields is measured, which determines the height of the waves. In this case, the registration devices are placed in the coastal zone at a depth of more than 100 m in groups and at a distance from the coastline to a distance of 4000 m and connected by communication lines to the coastal dispatch station. This device is mainly used to determine the danger of a tsunami.
Недостатками данного устройства является то, что для обеспечения достоверных наблюдений на обширной акватории морского полигона необходимо размещение значительного количества устройств регистрации, соединенных линиями связи с диспетчерской станцией, а также ограниченный диапазон измеряемых параметров.The disadvantages of this device is that to ensure reliable observations in the vast water area of the marine landfill, it is necessary to place a significant number of recording devices connected by communication lines to the dispatch station, as well as a limited range of measured parameters.
В известном устройстве [2], представляющим собой устройство для измерения параметров волнения с летательных аппаратов, включающее блоки излучения, приема, усиления, формирования и преобразования радиосигналов, отраженных от морской поверхности, определение, по мощности отраженных сигналов в зависимости от высоты полета на основании функциональных зависимостей, высоты морских волн.In the known device [2], which is a device for measuring wave parameters from aircraft, including blocks of radiation, reception, amplification, formation and conversion of radio signals reflected from the sea surface, determining the power of the reflected signals depending on the flight altitude based on functional dependencies, heights of sea waves.
Для практической реализации данного устройства, для получения достоверной информации необходимо правильно выбрать и поддерживать на заданном уровне соотношение величин, характеризующих высоту полета летательного аппарата и длительность зондирующего короткого импульса, что возможно обеспечить только при благоприятных погодных условиях, что существенно ограничивает использование данного устройства для длительных и непрерывных наблюдений за акваторией морского полигона.For the practical implementation of this device, in order to obtain reliable information, it is necessary to correctly select and maintain at a given level the ratio of values characterizing the flight altitude of the aircraft and the duration of the probing short pulse, which can only be achieved under favorable weather conditions, which significantly limits the use of this device for long and continuous observations of the water area of the marine landfill.
Известные устройства [3] представляют собой донные станции, устанавливаемые с носителей на дно моря и снабженные регистрирующей аппаратурой геофонного и гидрофонного типа для регистрации сигналов в частотном диапазоне от 3-5 до 200-300 Гц с трансляцией их на диспетчерскую станцию после всплытия по истечению трех недель, для последующей обработки и определения по функциональным зависимостям параметров, характеризующих окружающую среду в месте установки устройств.Known devices [3] are bottom stations installed from carriers to the bottom of the sea and equipped with recording equipment of a geophonic and hydrophone type for recording signals in the frequency range from 3-5 to 200-300 Hz with their transmission to a control station after surfacing after three weeks, for subsequent processing and determination of the functional dependencies of the parameters characterizing the environment at the installation site of the devices.
При этом автоматически поддерживается постоянной длина волны излучаемых колебаний. Необходимость учета скорости звука существенно увеличивает трудоемкость наблюдений, а при частой и резкой смене гидрометеорологических условий в районе полигона может вносить и дополнительную погрешность в окончательные результаты наблюдений.In this case, the wavelength of the emitted oscillations is automatically maintained constant. The need to take into account the speed of sound significantly increases the complexity of observations, and with frequent and abrupt changes in hydrometeorological conditions in the area of the landfill, it may introduce an additional error in the final results of observations.
Все это требует непрерывного измерения гидрологических параметров и более достоверных способов обработки измеряемых сигналов, исключающих из процесса обработки зарегистрированных сигналов косвенные методы определения гидрометеорологических параметров. Повышение информативности возможно путем выполнения гидрологических разрезов до слоя скачка, что также позволит получить такую важную характеристику как характеристику распределения скорости звука по всей глубине от поверхности до дна, что требует непрерывного измерения гидрометеорологических характеристик и более совершенных способов обработки измеряемых сигналов и получения избыточности измеряемых параметров.All this requires continuous measurement of hydrological parameters and more reliable methods of processing the measured signals, excluding indirect methods for determining hydrometeorological parameters from the processing of recorded signals. An increase in information content is possible by performing hydrological sections to the jump layer, which will also make it possible to obtain such an important characteristic as the characteristic of the distribution of sound velocity over the entire depth from the surface to the bottom, which requires continuous measurement of hydrometeorological characteristics and more advanced methods of processing the measured signals and obtaining redundancy of the measured parameters.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей устройства с одновременным повышением достоверности при гидрометеорологических наблюдениях за акваторией морского полигона.The objective of the proposed technical solution is to expand the functionality of the device while increasing reliability during hydrometeorological observations of the water area of the marine landfill.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе гидрометеорологических наблюдений за акваторией морского полигона, включающем размещение на полигоне средств измерения гидрометеорологических параметров определения скорости ветра, волнения моря, классификацию шума моря по выделенному участку спектра, измерение гидроакустических сигналов, обработку измеренных сигналов, формирование профилей температуры, солености, акустического сопротивления, распределение скорости звука по глубине и плотности среды с неоднородностями - распределение скорости звука по глубине определяют посредством лазерно-гидроакустического зондирования с выполнением гидрологических разрезов до слоя скачка в периодическом режиме, а устройство для осуществления способа, включающее параметрический локатор, измеритель параметров среды и вычислительный модуль, в котором параметрический локатор состоит из двух перестраиваемых генераторов, двух импульсных модуляторов, импульсного генератора, двух усилителей мощности, преобразователя накачки, приемной антенны, приемного усилителя, регистрирующего устройства в которое дополнительно введено устройство лазерного зондирования в виде твердотельного лазера, включающего активный элемент, помещенный в резонатор, приемная антенна параметрического локатора выполнена в форме цилиндра с тангенциальной поляризацией, внутренняя поверхность цилиндра выполнена экранированной, цилиндр помещен в отражатель с наклонной образующей к основанию под углом 45 градусов, приемная антенна состоит из n отдельных элементов, расположенных на равном расстоянии друг от друга, при этом на соседние элементы подается напряжение, сдвинутое по фазе на постоянный угол.The problem is solved due to the fact that in the method of hydrometeorological observations of the water area of the marine landfill, which includes placing on the landfill measuring instruments for hydrometeorological parameters for determining wind speed, sea waves, classification of sea noise by a selected part of the spectrum, measurement of hydroacoustic signals, processing of measured signals, formation of profiles temperature, salinity, acoustic resistance, distribution of the speed of sound in depth and density of a medium with inhomogeneities - pa the depth velocity distribution of sound is determined by laser-hydroacoustic sounding with hydrological sections to the jump layer in periodic mode, and a device for implementing the method, including a parametric locator, a medium parameter meter and a computational module in which the parametric locator consists of two tunable generators, two pulse modulators, a pulse generator, two power amplifiers, a pump converter, a receiving antenna, a receiving amplifier, reg a trimming device into which an additional laser sensing device is introduced in the form of a solid-state laser, including an active element placed in the resonator, the receiving antenna of the parametric locator is made in the form of a cylinder with tangential polarization, the inner surface of the cylinder is shielded, the cylinder is placed in a reflector with an inclined generatrix to the base under angle of 45 degrees, the receiving antenna consists of n separate elements located at an equal distance from each other, while at the same time f elements, voltage is shifted in phase by a constant angle.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1-6).The invention is illustrated by drawings (Fig.1-6).
Фиг.1. Блок-схема устройства включает параметрический локатор 1, измеритель параметров среды 2, вычислительный модуль 3, устройство лазерного зондирования 4.Figure 1. The block diagram of the device includes a
Фиг.2. Параметрический локатор 1 включает два генератора 5 и 6, импульсный генератор 7, импульсные модуляторы 8 и 9, регистрирующее устройство 10, усилители мощности 11 и 12, приемный усилитель 13, преобразователь накачки 14, приемную антенну 15.Figure 2. The
Фиг.3. Измеритель параметров среды 2 включает датчики определения температуры воздуха 16, атмосферного давления и температуры воды 17, гидродинамического давления 18, электропроводности 19, солености 20, блок определения средней скорости звука в воде 21, блок сбора, обработки и картирования акватории морского полигона 22, анализатор спектра 23, блок выделения участка спектра 24, блок классификации шума моря 25, блок определения скорости ветра 26, блок определения волнения моря 27, блок синхронизации и управления 27, спутниковый навигационно-измерительный модуль 28.Figure 3. The
Фиг.4. Вычислительный модуль 3 состоит из ПЗУ микрокоманд 29, ПЗУ управления выбором адреса 30, БИС микропрограммного управления 31, двух микропроцессоров 32 и 33, ПЗУ 34, ОЗУ 35, схемы формирования переносов 36, трех буферных регистров, пяти магистралей - магистрали адреса 37, магистрали микрокоманд 38, магистрали D 37, магистрали М 38, магистрали L 39 и двух аналого-цифровых преобразователей 40 и 41.Figure 4.
Фиг.5. Спутниковый навигационно-измерительный модуль 28 состоит из магнитного компаса 42, инерциально-измерительной схемы 43, приемоиндикатора 44, антенно-фидерного устройства 45, контроллера 46, включающего интерфейсы RS232 - до 8 каналов, ЕРР/ЕСР - 1 канал, параллельную 8-ми разрядную шину - 12 каналов, линию управления питанием внешних устройств 5/12 В, до 0,5 А - до 8 линий, SPI до 3 каналов, 12S - до 2 каналов, CAN-канал, USB-1 канал, ультразвуковой канал-1, оптоволоконный модем-1, радиомодем-1, FLASH-память до 4 Гбайт, часы реального времени, входные фильтры аналоговых каналов.Figure 5. The satellite navigation and
Фиг.6. Размещение преобразователей излучающей антенны.6. Placement of transducers of a radiating antenna.
Параметрический локатор 1 работает на принципе нелинейного взаимодействия акустических волн. Формирование исходных электрических сигналов осуществляется по двухканальной схеме. Сигналы с генераторов 5, 6 поступают на импульсные модуляторы 8, 9, которые управляются импульсным генератором 7. Затем радиоимпульсы усиливаются усилителями мощности 11, 12 и излучаются в воду преобразователем накачки 14. Антенна 15, приемный усилитель 13 и регистрирующее устройство 10 образуют приемный тракт. Приемная антенна 15 параметрического локатора 1 выполнена в форме цилиндра с тангенциальной поляризацией, а внутренняя поверхность цилиндра выполнена экранированной. Цилиндр помещен в отражатель с наклонной образующей к основанию под углом 45 градусов.
Площадь антенны 15 сформирована из линейно расположенных на равном расстоянии друг от друга отдельных элементов. Соседние элементы антенны питаются напряжением сдвинутым по фазе на постоянный угол Δφ. Главные максимумы диаграммы направленности формируются в направлении, для которых обеспечивается синфазное сложение колебаний всех элементов антенны. Как известно, угол α между плоскостью антенны и направлением главного максимума определяется в этом случае выражением α=arc cos Δφλ0/2dπ (1), где Δφ - сдвиг фаз между соседними элементами, λ0 - расчетная длина волны излучения, d - расстояние между элементами.The area of the antenna 15 is formed of linear elements located at an equal distance from each other. Adjacent antenna elements are powered by a phase-shifted voltage at a constant angle Δφ. The main maximums of the radiation pattern are formed in the direction for which the in-phase addition of oscillations of all antenna elements is ensured. As is known, the angle α between the plane of the antenna and the direction of the main maximum is determined in this case by the expression α = arc cos Δφλ 0 / 2dπ (1), where Δφ is the phase shift between adjacent elements, λ 0 is the calculated radiation wavelength, d is the distance between elements.
В предлагаемом устройстве антенна состоит из 72 отдельных элементов, получающих питание со сдвигом по фазе на 120 градусов. В этом случае выражение (1) будет иметь вид cosα=λ0/3d=C/fok (2), где k=1/3d - постоянная антенной решетки. С учетом (2) принятая частота fпр=2Vk.In the proposed device, the antenna consists of 72 individual elements receiving power with a phase shift of 120 degrees. In this case, expression (1) will have the form cosα = λ 0 / 3d = C / f o k (2), where k = 1 / 3d is the antenna array constant. Taking into account (2), the adopted frequency fpr = 2Vk.
Такая конструкция антенны позволяет осуществлять автоматическое изменение угла наклона луча при изменении волны излучения (Senpaku, 1975, v.48, р.75-79).This design of the antenna allows you to automatically change the angle of inclination of the beam when changing the radiation wave (Senpaku, 1975, v.48, p.75-79).
Устройство лазерного зондирования 4 представляет собой твердотельный лазер, включающий активный элемент, помещенный в резонатор, имеющий в качестве выходного зеркала резонансный рефлектор, и кювету с фототропным раствором (авт.св. СССР №791157), в основу работы которого положен способ выделения оптических неоднородностей в рассеивающих средах (авт.св. СССР №1788485), включающий зондирование рассеивающей среды короткими импульсами оптического излучения, фотодетектирование рассеянного обратно излучения с временным разрешением Δτ, нахождение соотношений qi сигналов Si этого излучения, сравнение этих соотношений с пороговым уровнем, равным единице с учетом погрешности измерения сигналов рассеянного обратно излучения σS, и обработку результатов измерений с определением наличия границ раздела различных по составу сред, в котором дополнительно определяют качественный состав рассеивающих сред при сравнении соотношения qi с пороговым уровнем, равным единице, определяют отклонение этого соотношения от порогового уровня, а о наличии границ раздела различных по составу сред и измерения их качественного состава судят соответственно по превышению отклонения соотношения qi от порогового уровня σ - σS и абсолютному значению этого соотношения на границах неоднородностей, причем соотношение qi сигналов Si находят из выраженияThe
qi=(Si+2/Si+1)2×Si-Si-1/Si+2-Si+3.qi = (Si + 2 / Si + 1) 2 × Si-Si-1 / Si + 2-Si + 3.
В качестве датчика атмосферного давления 17 использован датчик РТВ-10 (Финляндия) с пределами атмосферного давления 600 - 1100 гПа и точностью измерения 1 гПа. С атмосферой датчик соединяется тонкой эластичной трубкой, проходящей через верхнюю крышку и выходящий на траверсу, где расположены антенны буя.As an
В качестве датчика температуры воздуха 16 использован датчик ТСП-002-03 с диапазоном измерения от -50 до +60°С, с погрешностью, равной ±0,15°С.As an
В качестве датчика 18 гидродинамического давления использован датчик, разработанный ФГУП ОКБ Океанологической техники РАН, имеющий диапазон измерения давления от 0 до 10 м, с погрешностью 0,1%, а также и диапазон измерения температуры воды от -2 до +32°С с погрешностью 0,05°С.As the
Измеритель параметров среды 2 для обеспечения работы блоков определения средней скорости звука в воде 21 и классификации шума моря 25 содержит также гидрофоны (позиции 1-5 на фиг.6), снабженные параметрическими антеннами, и имеющими следующие характеристики: диапазон рабочих частот 15-50 кГц, частота волн накачки 125,5-148 кГц и 153-175,5 кГц. Тип излучаемого сигнала - прямоугольный радиоимпульс, линейно-частотно-модулированный импульсный сигнал, сигнал с перестраиваемой частотой от импульса к импульсу, длительность зондирующего импульса 1, 2, 4, 8, 16 и 32 мс, частота следования импульсов не более 2 Гц.The
При этом электрические сигналы накачки с частотами накачки и заданным видом модуляции генерируются в формирователе сигналов и через усилители мощности подаются на преобразователь накачки, который излучает акустические колебания с частотами накачки. При распространении волн накачки в водной среде образуется параметрическая антенна волн разностной частоты с необходимыми характеристиками. Режимами работы формирователя (изменение длительности зондирующего импульса, изменение частоты посылки, изменение разностной частоты и закона ее модуляции) управляет схема управления формирователем. Рассеянные сигналы в результате взаимодействия волн разностной частоты и гидрофизических слоев принимаются приемной антенной, которая необходима, так как излучающая параметрическая антенна необратима, а преобразователь накачки на частоте разностной волны имеет низкую чувствительность из-за работы вдалеке от резонанса. Электрические сигналы через фильтр низких частот, в котором подавляются волны накачки, поступают на предварительный усилитель и затем на согласующее устройство, которое предназначено для согласования входных и выходных импедансов усилителя и аналого-цифрового преобразователя вычислительного модуля 3. Коэффициентами усиления приемной части, полосой пропускания в зависимости от типа сигнала и длительности импульса управляет устройство управления приемной частью.In this case, electric pump signals with pump frequencies and a given type of modulation are generated in the signal shaper and fed through power amplifiers to a pump transducer that emits acoustic oscillations with pump frequencies. When pump waves propagate in an aqueous medium, a parametric antenna of difference frequency waves with the necessary characteristics is formed. Shaper operating modes (changing the duration of the probe pulse, changing the sending frequency, changing the difference frequency and the law of its modulation) are controlled by the shaper control circuit. The scattered signals as a result of the interaction of the waves of the difference frequency and the hydrophysical layers are received by the receiving antenna, which is necessary, since the emitting parametric antenna is irreversible, and the pump converter at the frequency of the difference wave has low sensitivity due to operation far from resonance. Electrical signals through a low-pass filter, in which pump waves are suppressed, are fed to a pre-amplifier and then to a matching device, which is designed to match the input and output impedances of the amplifier and the analog-to-digital converter of
Датчики солености, температуры и давления расположены непосредственно у преобразователя накачки и предназначены для измерения параметров водной среды в зоне взаимодействия волн накачки, которые необходимы в дальнейшем для вычисления изменения сигнала волны разностной частоты вдоль трассы их распространения по причинам, обусловленными тем, что генерация сигналов волн разностной частоты происходит в пространстве и их уровни не могут быть получены путем приведения к нормируемому уровню на определенном расстоянии, как это делается в традиционных излучающих антеннах, а также потому, что уровни зависят от значений параметров среды в зоне взаимодействия волн накачки. Сигналы с измерительных датчиков преобразуются в электрические сигналы и поступают на вычислительный модуль 3, который производит все вычисления для определения профилей температуры, солености, акустического сопротивления, скорости звука, и плотности среды с неоднородностями.Salinity, temperature and pressure sensors are located directly at the pump transducer and are designed to measure the parameters of the aqueous medium in the zone of interaction of the pump waves, which are necessary in the future to calculate the change in the signal of the differential frequency wave along the propagation path for the reasons due to the fact that the generation of differential wave signals frequencies occur in space and their levels cannot be obtained by bringing to a normalized level at a certain distance, as is done in t traditional radiating antennas, and also because the levels depend on the values of the parameters of the medium in the zone of interaction of the pump waves. The signals from the measuring sensors are converted into electrical signals and fed to the
Определение параметров слоев гидрофизических неоднородностей производится путем их вычислений в следующей последовательности.The determination of the parameters of the layers of hydrophysical inhomogeneities is carried out by their calculations in the following sequence.
Сигналы с приемной антенны параметрического локатора 1, датчиков измерителя параметров среды 2, устройства лазерного зондирования 4 через соответствующие аналого-цифровые преобразователи поступают на вычислительный модуль 3, где они подвергаются обработке в части предварительной обработки, при которой вычисляются амплитуды отраженного сигнала и зондирующего сигнала в месте установки приемной антенны, согласованной обработки принятых сигналов, для точного определения положения рассеянных сигналов и определения различных моментов сигналов, анализа взаимных корреляционных связей сигналов, расчета коэффициентов отражений слоев, формирования исходных данных гидрофизических характеристик в месте установки преобразователя накачки, расчета характеристик зондирующего сигнала по трассе его распространения, что необходимо для вычисления истинного значения амплитуды и фазы волны разностной частоты, падающей на рассеиватель, калибровки зондирующего сигнала, измеренного в месте установки преобразователя накачки, расчета акустического импеданса слоев, расчета глубины расположения слоя, толщины слоя, и скорости звука в нем, расчета плотности слоев, формирования профилей температуры, солености, акустического сопротивления, плотности и скорости звука, расчета температуры и солености слоев.The signals from the receiving antenna of the
Использование такой обработки позволяет, зная гидрофизические параметры слоя, расположенного у преобразователя накачки, рассчитывать последовательно слой за слоем параметры остальных слоев.The use of such processing allows, knowing the hydrophysical parameters of the layer located at the pump transducer, to calculate successively layer by layer the parameters of the remaining layers.
Блок определения волнения моря 27 представляет собой микропроцессорное устройство, состоящее из аналого-цифрового преобразователя, контроллера, оперативно запоминающего устройства, программируемого запоминающего устройства, субоптимального фильтра.The unit for determining the
В основу измерения профиля волнения положен интегральный метод, основанный на косвенном определении профиля волнения исходя лишь из данных о вертикальной скорости перемещения устройства на водной поверхности в соответствии с зависимостью:The measurement of the wave profile is based on the integral method based on the indirect determination of the wave profile based only on the data on the vertical velocity of the device on the water surface in accordance with the dependence:
где S - перемещение устройства за время Т;where S is the movement of the device during time T;
V(t) - скорость перемещения устройства.V (t) is the speed of movement of the device.
Перемещение устройства в конкретный момент определяют по формулеThe movement of the device at a particular moment is determined by the formula
где S(t) - положение устройства в текущий момент;where S (t) is the current position of the device;
S0 - положение устройства в предыдущий момент;S 0 - the position of the device at the previous moment;
а - ускорение.and - acceleration.
Данный метод позволяет полностью исключить из обработки грубые измерения высоты и получить информацию о движении дрифтера лишь по высокоточным данным о скорости.This method allows you to completely exclude rough height measurements from processing and get information about drifter movement only from high-precision speed data.
Для исключения сильно зашумленных кодовых измерений высоты фазовыми скоростями перемещений дрифтера применен субоптимальный фильтр. Текущая оценка Zi с помощью любого линейного фильтра в виде суммы прогноза Zi и фильтрованной оценки текущего измерения:To exclude highly noisy code measurements of height by phase velocities of drifter movements, a suboptimal filter is used. The current estimate of Z i using any linear filter as the sum of the forecast Z i and the filtered estimate of the current measurement:
где - текущее значение измерения;Where - current measurement value;
α - коэффициент передачи определяет постоянную времени фильтра α=1τс;α - transmission coefficient determines the filter time constant α = 1τ s ;
Поскольку оценка Z формируется в спутниковых приемниках из высокоточных фазовых измерений, воспроизводящих динамику дрифтера с миллиметровой (субмиллиметровой) точностью формула (2) определяет самый высокоточный прогноз для любого линейного фильтра спутниковых измерений. Подставляя (2) в (1) получим α - БИХ фильтр, оптимальным образом сглаживающий кодовые измерения фазовыми:Since the Z estimate is formed in satellite receivers from high-precision phase measurements that reproduce drifter dynamics with millimeter (submillimeter) accuracy, formula (2) determines the most accurate forecast for any linear satellite measurements filter. Substituting (2) into (1), we obtain an α - IIR filter that optimally smooths phase measurements of code measurements:
Результатом обработки являются оптимальным образом сглаженные кодовые измерения, однако, данный фильтр не может убрать постоянный низкочастотный тренд ошибок высотных измерений, в силу достаточно большой величины α. Для исключения этого тренда достаточно применить к уже сглаженной оценке этот же самый фильтр повторно, но с большим коэффициентом α (глубокое сглаживание). Анализ низкочастотного шума позволяет сделать вывод, что компромиссным вариантом будет выбор α=0,15 1/с. Далее выполняется центрирование (вычитание из оценки тренда). После исключения тренда производится вычисление дисперсии полученной центрированной оценки:The result of processing are optimally smoothed code measurements, however, this filter cannot remove the constant low-frequency trend of errors in high-altitude measurements, due to a sufficiently large value of α. To eliminate this trend, it is sufficient to apply the same filter repeatedly to an already smoothed estimate, but with a large coefficient α (deep smoothing). Analysis of low-frequency noise allows us to conclude that the choice of α = 0.15 1 / s will be a compromise. Next, centering is performed (subtracting from the trend estimate). After trend exclusion, the variance of the obtained centered estimate is calculated:
где Нi - значения центрированного тренда,where H i - the values of the centered trend,
N - количество значений в выборке.N is the number of values in the sample.
Амплитуда колебаний выводится через дисперсию The amplitude of the oscillations is derived through the dispersion
где A - искомая амплитуда, σ - средняя квадратичная ошибка.where A is the desired amplitude, σ is the mean square error.
Далее производится вычисление периода волн, методом подсчета числа пересечений волновым профилем нулевой линии.Next, the period of the waves is calculated by counting the number of intersections by the zero line wave profile.
При этом посредством спутниковой навигационной системы типа СН-3800 определяется вектор скорости течения водной поверхности по изменению горизонтального перемещения дрифтера.Moreover, by means of a satellite navigation system of the type SN-3800, the velocity vector of the flow of the water surface is determined by the change in the horizontal movement of the drifter.
Высота волны hi определяется как hi=r1+r2, где r1 - высота предыдущего полупериода, r2 - высота последующего полупериода. При наличии нескольких одинаковых максимальных амплитуд за полупериод для расчета высоты волны используется любая из них. После определения значений высот волн и их количества в реализации рассчитывается среднее значение высоты волныThe wave height h i is defined as h i = r 1 + r 2 , where r 1 is the height of the previous half-period, r 2 is the height of the subsequent half-period. If there are several identical maximum amplitudes for a half-period, any of them is used to calculate the wave height. After determining the values of the wave heights and their number in the implementation, the average value of the wave height is calculated
где m - число волн за время измерения 20 минут.where m is the number of waves during the measurement of 20 minutes.
Для определения высоты волны 3% обеспеченности из массива высот волн отбирается 20 максимальных волн, которые располагаются по мере убывания с присвоением порядкового индекса от 1 до 20, начиная с максимальной амплитуды. Затем вычисляется индекс 3% обеспеченности К3%=3m/100. Высота волны, соответствующая этому индексу, будет трехпроцентной.To determine the wave height of 3% of coverage, 20 maximum waves are selected from the array of wave heights, which are arranged in decreasing order of 1 to 20, starting with the maximum amplitude. Then the index of 3% security K 3% = 3m / 100 is calculated. The wave height corresponding to this index will be three percent.
Сбор и обработка измеренной информации осуществляется в спутниковом навигационно-измерительном модуле 28.The collection and processing of measured information is carried out in a satellite navigation and measuring
Скорость перемещения дрифтера V(t), определяемая посредством спутниковой навигационной системы, есть ничто иное, как скорость дрейфового течения Vд перемещения дрифтера, которое определяется как Vд=(0,0127/√sinφ)W, где φ - широта места, W - скорость ветра (см. Шулейкин В.В. Краткий курс физики моря. Л., Гидрометеорологическое издательство, 1959, с.40). Откуда скорость ветра может быть определена как W=Vд/0,0127√sinφ, что осуществляется посредством блока определения скорость ветра 26.The drift drift velocity V (t), determined by the satellite navigation system, is nothing more than the drift drift velocity Vd of drifter movement, which is defined as Vd = (0,0127 / √ sinφ) W, where φ is the latitude of the place, W is the speed wind (see. Shuleykin VV Short course of sea physics. L., Hydrometeorological publishing house, 1959, p.40). From where the wind speed can be defined as W = Vd / 0,0127√sinφ, which is carried out by means of the unit for determining the
Гидроакустические антенны выполнены с возможностью обеспечения сдвига фазы на постоянный угол позволяет реализовать частотно-независимую антенну, что позволяет устранить влияние изменений скорости звука в воде и кроме того, появляется возможность измерения скорости перемещения дрифтера относительно дна или относительно водных слоев по сигналам объемной реверберации.Hydroacoustic antennas are configured to provide a phase shift by a constant angle, which makes it possible to implement a frequency-independent antenna, which eliminates the influence of changes in the speed of sound in water, and in addition, it becomes possible to measure the speed of the drifter relative to the bottom or relative to the water layers using volumetric reverb signals.
Ввиду того, что принятый сигнал характеризуется не одной фиксированной частотой, а спектром частот шириной Δfд, то положение этого спектра на оси частот относительно частоты излучения определяется средней доплеровской частотой и при перемещении дрифтера будет наблюдаться доплеровский сдвиг частоты fд=2Vд, где Vд - скорость дрифтера, которая может быть использована при анализе окончательных результатов исследований или для контроля перемещений дрифтеры в период проведения работ.Due to the fact that the received signal is characterized not by one fixed frequency, but by a frequency spectrum of width Δf d , the position of this spectrum on the frequency axis relative to the radiation frequency is determined by the average Doppler frequency and when the drifter moves, the Doppler frequency shift f d = 2V d , where V d - drifter speed, which can be used to analyze the final research results or to control drifter movements during the period of work.
Устройство в целом выполнено в виде единой монолитной конструкции, в которой размещены измерительные блоки. В верхней части имеется крышка, служащая для установки измерительных блоков. На крышке установлена антенна спутниковой навигационной антенны. Заглубленная часть корпуса снабжена полиуретановым ступенчатым каркасом, выполненным в виде усеченной пирамиды, в нижней части которой размещены гидрофоны, четыре из которых ориентированы по частям света, соответственно, и еще один гидрофон ориентирован по вертикали в сторону дна. Ступенчатый каркас, расширяющийся к низу с установленными на нем гидрофонами, выполняет функцию стабилизирующего устройства и служит для гашения колебаний устройства в целом.The device as a whole is made in the form of a single monolithic structure in which the measuring units are located. In the upper part there is a cover used to install measuring units. A satellite navigation antenna is mounted on the lid. The recessed part of the body is equipped with a polyurethane stepped frame made in the form of a truncated pyramid, in the lower part of which there are hydrophones, four of which are oriented in parts of the world, respectively, and another hydrophone is oriented vertically towards the bottom. The stepped frame, expanding to the bottom with hydrophones installed on it, serves as a stabilizing device and serves to dampen the vibrations of the device as a whole.
Технический результат, заключающийся в повышении достоверности при гидрометеорологических наблюдениях за акваторией морского полигона и в расширении функциональных возможностей аналогичных устройств, достигается за счет того, что распределение скорости звука по глубине определяют посредством лазерно-гидроакустического зондирования с выполнением гидрологических разрезов до слоя скачка в периодическом режиме посредством устройства, в которое дополнительно введен твердотельный лазер, включающий активный элемент, помещенный в резонатор, приемная антенна параметрического локатора выполнена в форме цилиндра с тангенциальной поляризацией, внутренняя поверхность цилиндра выполнена экранированной, цилиндр помещен в отражатель с наклонной образующей к основанию под углом 45 градусов, а приемная антенна состоит из n отдельных элементов, расположенных на равном расстоянии друг от друга, при этом на соседние элементы подается напряжение, сдвинутое по фазе на постоянный угол.The technical result, which consists in increasing the reliability during hydrometeorological observations of the water area of the marine landfill and in expanding the functionality of similar devices, is achieved due to the fact that the distribution of sound velocity in depth is determined by laser-hydroacoustic sounding with hydrological sections to the jump layer in periodic mode by a device into which an additional solid-state laser is introduced, including an active element placed in a rez nator, the receiving antenna of the parametric locator is made in the form of a cylinder with tangential polarization, the inner surface of the cylinder is shielded, the cylinder is placed in a reflector with an inclined generatrix to the base at an angle of 45 degrees, and the receiving antenna consists of n separate elements located at equal distance from each other while the neighboring elements are supplied with voltage, shifted in phase by a constant angle.
Промышленная реализация предлагаемого технического решения технической сложности не представляет так, как используются серийно освоенные изделия и апробированные аппаратные средства.The industrial implementation of the proposed technical solution of technical complexity does not represent the way that commercially mastered products and approved hardware are used.
Источники информацииInformation sources
1. Патент РФ №2066466.1. RF patent No. 2066466.
2. Патент РФ №1240169.2. RF patent No. 1240169.
3. Современные донные станции для сейморазведки и сейсмологического мониторинга. / Зубко Ю.Н., Левченко Д.Г., Леденев В.В., Парамонов А.А. // Научное приборостроение, 2003, том 13, №4, с.70-82.3. Modern bottom stations for seismic exploration and seismological monitoring. / Zubko Yu.N., Levchenko D.G., Ledenev V.V., Paramonov A.A. // Scientific Instrumentation, 2003, volume 13, No. 4, p. 70-82.
4. High-precision water-level monitoring / Massatoshi Harigae, Isao Yamaguchi, Tokio Kasai, Hirotaka Igava, Hiroto Nakanishi, Takahiro Murayama, Yasunori Iwanaka, Hirotaka Suko/GPS World, April 2005.4. High-precision water-level monitoring / Massatoshi Harigae, Isao Yamaguchi, Tokio Kasai, Hirotaka Igava, Hiroto Nakanishi, Takahiro Murayama, Yasunori Iwanaka, Hirotaka Suko / GPS World, April 2005.
5. Патент US №6847362 B2, 25 января 2005.5. US patent No. 6847362 B2, January 25, 2005.
6. Загородников А.А. Радиолокационная съемка морской поверхности с летательных аппаратов. Л., Судостроение, 1978, 376с.6. Zagorodnikov A.A. Radar survey of the sea surface from aircraft. L., Shipbuilding, 1978, 376p.
7. Патент РФ №2079168 С1.7. RF patent No. 2079168 C1.
8. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. Ростов-на-Дону. РостИздат, 2004, с.288-293.8. Voronin V.A., Tarasov S.P., Timoshenko V.I. Hydroacoustic parametric systems. Rostov-on-Don. Rostizdat, 2004, p. 288-293.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008122168/28A RU2376612C1 (en) | 2008-06-02 | 2008-06-02 | Method of hydrometeorological monitoring water body of sea test site and device to this end |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008122168/28A RU2376612C1 (en) | 2008-06-02 | 2008-06-02 | Method of hydrometeorological monitoring water body of sea test site and device to this end |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2376612C1 true RU2376612C1 (en) | 2009-12-20 |
Family
ID=41625781
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008122168/28A RU2376612C1 (en) | 2008-06-02 | 2008-06-02 | Method of hydrometeorological monitoring water body of sea test site and device to this end |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2376612C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2466425C1 (en) * | 2011-06-01 | 2012-11-10 | Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН | Method of measuring characteristics of wavy water surface |
RU2642888C1 (en) * | 2016-08-11 | 2018-01-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" | Method of remote determination of sea surface slope dispersion |
RU222343U1 (en) * | 2023-10-31 | 2023-12-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук (ИФА им. А.М. Обухова РАН) | Device for processing and analyzing large amounts of hydrometeorological data |
-
2008
- 2008-06-02 RU RU2008122168/28A patent/RU2376612C1/en active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2466425C1 (en) * | 2011-06-01 | 2012-11-10 | Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН | Method of measuring characteristics of wavy water surface |
RU2642888C1 (en) * | 2016-08-11 | 2018-01-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Морской гидрофизический институт РАН" | Method of remote determination of sea surface slope dispersion |
RU222343U1 (en) * | 2023-10-31 | 2023-12-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук (ИФА им. А.М. Обухова РАН) | Device for processing and analyzing large amounts of hydrometeorological data |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Worcester et al. | A test of basin-scale acoustic thermometry using a large-aperture vertical array at 3250-km range in the eastern North Pacific Ocean | |
RU2474793C1 (en) | Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment | |
RU2326408C1 (en) | Method of reconstruction of sea ground terrain at discrete depth measurements by means of hydroacoustics and device for its implementation | |
CN111854704A (en) | Marine geophysical comprehensive survey system | |
RU2550588C1 (en) | Method of formation of parametric antenna in marine conditions | |
CN109764950A (en) | A kind of synchronous vibration type vector hydrophone absolute Calibrating Method based on accelerometer | |
RU2451300C1 (en) | Hydroacoustic navigation system | |
RU86321U1 (en) | MULTI-FREQUENCY NAVIGATION SYSTEM | |
Choi et al. | Array type miniaturized ultrasonic sensors to detect urban sinkholes | |
Morgunov et al. | Studies of spatiotemporal structure of the acoustic field formed in deep water by a broadband pulsed signal source on the shelf of the Sea of Japan | |
RU75062U1 (en) | DOPPLER LOCATION SYSTEM | |
RU2304794C2 (en) | Mode of hydrometeorologoacouctic observation over an area of water | |
RU2279696C1 (en) | Naval polarization seismic prospecting method | |
RU2376612C1 (en) | Method of hydrometeorological monitoring water body of sea test site and device to this end | |
RU2559159C1 (en) | Ice thickness measuring method | |
RU2272303C1 (en) | Method for determining depths of body of water and device for realization of said method | |
RU2262718C1 (en) | Method for measuring thickness of snow cover | |
RU2510608C1 (en) | Method of measuring thickness of ice from underwater vehicle | |
Yu et al. | Measurements of midfrequency acoustic backscattering from a sandy bottom in the South Yellow Sea of China | |
Didier et al. | Real-time correction of sound refraction errors in bathymetric measurements using multiswath multibeam echosounder | |
RU2614854C2 (en) | Method of measuring depth and echo sounder therefor | |
RU2300781C1 (en) | Device for hydrometeorological observations of sea range water area | |
RU2463624C1 (en) | Hydroacoustic navigation system | |
RU168083U1 (en) | ACOUSTIC WAVE GRAPH | |
RU2452977C1 (en) | Method of measuring distance to monitored facility |