RU135117U1

RU135117U1 - SYSTEM FOR MEASURING THE HEIGHT OF INTERNAL WAVES IN THE SEA AT THE COURT OF THE VESSEL

Info

Publication number: RU135117U1
Application number: RU2013126810/28U
Authority: RU
Inventors: Алексей Вадимович Зимин
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2013-11-27

Abstract

Система измерения высот внутренних волн в море на ходу судна, содержащая акустический доплеровский измеритель течения, размещенный на буксируемой стабилизированной платформе, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит второй акустический доплеровский измеритель течения, который на мерной штанге прикреплен к платформе и смещен по вертикали относительно первого, при этом оба измерителя размещены выше пикноклина с возможностью оперативного изменения расстояния между ними.A system for measuring the heights of internal waves in the sea while the vessel is traveling, comprising an acoustic Doppler current meter located on a towed stabilized platform, characterized in that it further comprises a second acoustic Doppler current meter, which is attached to the platform on the measuring rod and is shifted vertically relative to the first, in this case, both meters are placed above the pycnocline with the possibility of rapid change in the distance between them.

Description

Область техники к которой относится полезная модельThe technical field to which the utility model relates.

Полезная модель относится к области измерительной техники, а более конкретно к системам и устройствам для измерения пространственно-временной изменчивости распространения акустических сигналов в водной среде и может быть использована, например, для определения длинны, амплитуды и периода морских внутренних волн.The utility model relates to the field of measurement technology, and more particularly to systems and devices for measuring the spatio-temporal variability of the propagation of acoustic signals in an aqueous medium and can be used, for example, to determine the length, amplitude and period of internal sea waves.

Уровень техникиState of the art

Известно, что при помощи эхолотов может регистрироваться устойчивый сигнал, отраженный от некой зоны в пикноклине (Степанюк И.А. «Методы измерений характеристик морских внутренних волн» СПб: изд. РГТМУ, 2002. с.92-93). Эту зону называют слоем скачка, а регистрируемый с помощью эхолота сигнал - звукорассеивающим слоем. Слой скачка - слой воды в океане (море), в котором вертикальные градиенты океанографических характеристик (температура, соленость, плотность, скорость звука и др.) резко возрастают по сравнению с вертикальными градиентами в выше- и нижележащих слоях. Слой скачка плотности воды называется пикноклин. С зоной пикноклина в море чаще всего связан слой повышенной концентрации планктона и взвеси, который собственно и является звукорассеивающим слоем. Поскольку элементы взвеси представляют собой поплавки нулевой плавучести, то звукорассеивающий слой при прохождении внутренних волн отслеживает, эти колебания и получаемая на эхограмме запись отображает характеристики внутренних волн. Измерения высот и периодов характеристик внутренних волн с помощью, например, рыбопоискового эхолота можно производить прямо на ходу судна.It is known that with the help of echo sounders a stable signal can be recorded reflected from a certain zone in the pycnocline (IA Stepanyuk, “Methods for measuring the characteristics of marine internal waves”, St. Petersburg: ed. RGTMU, 2002. p. 92-93). This zone is called the jump layer, and the signal recorded by the echo sounder is called the sound-diffusing layer. A jump layer is a layer of water in the ocean (sea), in which the vertical gradients of oceanographic characteristics (temperature, salinity, density, speed of sound, etc.) sharply increase in comparison with vertical gradients in the upper and lower layers. The water density jump layer is called a pycnocline. A layer of increased concentration of plankton and suspension, which is actually a sound-dispersing layer, is most often associated with the pycnocline zone in the sea. Since the suspension elements are floats of zero buoyancy, the sound-scattering layer tracks the passage of internal waves, these vibrations and the recording obtained on the echogram reflects the characteristics of internal waves. Measurement of the heights and periods of the characteristics of internal waves using, for example, a fishfinder, can be made directly on the go.

Однако оценки характеристик высот и периодов внутренних волн полученные по данным эхолотов получаются приближенными. Во-первых, коэффициенты взаимной корреляции колебаний звукорассеивающих слоев и внутренних волн на близких горизонтах находятся в пределах 0,6-0,8 (Степанюк И.А. «Методы измерений характеристик морских внутренних волн» СПб: изд. РГГМУ, 2002. с.94). Во-вторых, внутри пикноклина могут наблюдаться несколько звукорассеивающих слоев, что крайне затрудняет идентификацию проявлений внутренних волн. В-третьих, на показания прибора оказывает влияние качка судна.However, estimates of the characteristics of heights and periods of internal waves obtained from the data of echo sounders are approximate. Firstly, the mutual correlation coefficients of the vibrations of sound-scattering layers and internal waves at close horizons are in the range of 0.6-0.8 (Stepanyuk I.A. “Methods of measuring the characteristics of sea internal waves”, St. Petersburg: ed., Russian State Medical University, 2002. p. 94). Secondly, several sound-scattering layers can be observed inside the pycnocline, which makes it extremely difficult to identify the manifestations of internal waves. Thirdly, the pitching of the vessel affects the readings of the device.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является устройство на базе буксируемого акустического доплеровского измерителя течения. Прибор периодически излучает звуковой сигнал определенной частоты, который отражается от планктона и мелких пузырьков воздуха. Измеряя смещение частоты отраженного сигнала относительно частоты базового сигнала и время его прихода можно получить оценку скорости течения на определенной глубине (Ковчин И.С., Степанюк И.А. Методы специальных океанологических измерений. СПб: изд. РГГМУ, 2002. С.163-163.). Дополнительно акустический доплеровский измеритель течения обеспечивает измерение профилей объемного обратного акустического рассеяния. Резкое изменение этого показателя отражает положение слоя скачка, а изменение его положения несет в себе информацию о внутренних волнах, в частности об их высотах. (Серебряный А.Н., Пака В.Т., Корж А.О. Исследование с помощью ADCP течений и внутренних волн в Белом море // Геология морей и океанов: Материалы XVIII Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. ТЛИ. М: ГЕОС. 2009. С.245-250.). Наличие датчиков давления, измерения направления, поперечного и продольного наклона позволяют проводить точные измерения без использования дополнительных систем не только в дрейфе, но и на ходу судна.Closest to the proposed technical solution (prototype) is a device based on a towed acoustic Doppler flow meter. The device periodically emits an audio signal of a certain frequency, which is reflected from plankton and small air bubbles. By measuring the frequency offset of the reflected signal relative to the frequency of the base signal and the time of its arrival, you can get an estimate of the flow velocity at a certain depth (Kovchin I.S., Stepanyuk I.A. Methods of special oceanological measurements. St. Petersburg: ed. RGGMU, 2002. P.163- 163.). Additionally, an acoustic Doppler flow meter provides the measurement of volumetric backward acoustic scattering profiles. A sharp change in this indicator reflects the position of the jump layer, and a change in its position carries information about internal waves, in particular, about their heights. (Silver A.N., Paka V.T., Korzh A.O. Study using ADCP of currents and internal waves in the White Sea // Geology of the seas and oceans: Materials of the XVIII International scientific conference (School) on marine geology. TLI. M: GEOS. 2009. S.245-250.). The presence of pressure sensors, measurements of direction, transverse and longitudinal inclination allow accurate measurements without the use of additional systems not only in drift, but also on the go.

Описанное устройство не позволяет регистрировать небольшие амплитуды колебаний слоя скачка. Это связано с методическими особенностями измерений, при формировании профиля объемного обратного акустического рассеяния получаемый прибором звуковой сигнал разбивается на временные окна, определяемые устанавливаемым значением размера элемента измерения по глубине. То есть каждое измерение является интегральным для некоторого слоя воды. Толщина этих слоев при полной глубине акустического зондирования до 50 метров составляет порядка 0.5 метров (Рыбак С.А., Серебряный А.Н. Нелинейные внутренние волны над наклонным дном: наблюдение акустическим профилометром // Акуст. журн. Т. 57. №1. с.85-91.). В большинстве же районов Мирового океана глубина залегания слоя скачка (пикноклина) составляет около 120 метров. При подобной толщине акустического зондирования размер элемента осреднения по глубине достигает 3-8 метров. Это не позволяет определять характеристики внутренних волн с сопоставимыми и меньшими высотами.The described device does not allow to register small amplitudes of oscillations of the jump layer. This is due to the methodological features of measurements, when forming the profile of volume back acoustic scattering, the sound signal received by the device is divided into time windows, determined by the set value of the size of the measurement element in depth. That is, each dimension is integral for a certain layer of water. The thickness of these layers at a total depth of acoustic sounding of up to 50 meters is about 0.5 meters (Rybak S.A., Serebryany A.N. Non-linear internal waves above an inclined bottom: observation by an acoustic profilometer // Acoustical Zh. T. 57. No. 1. p. 85-91.). In most areas of the oceans, the depth of the jump layer (pycnocline) is about 120 meters. With a similar thickness of acoustic sensing, the size of the averaging element reaches 3-8 meters in depth. This does not allow to determine the characteristics of internal waves with comparable and lower heights.

Раскрытие сущности полезной моделиUtility Model Disclosure

Техническим результатом от использования настоящей полезной модели является повышение точности определения по вертикали особенностей профиля объемного обратного акустического рассеяния при измерениях с движущегося судна, приборами которые по отдельности не позволяют этого сделать. Этого возможно добиться путем масштабирования шага интегрируемой по вертикали информации поступающей от разных приборов. В результате повышается точность определения положения слоя скачка приборами, производящими измерения до значительных глубин с большими слоями интегрирования акустического сигнала.The technical result from the use of this utility model is to increase the accuracy of vertical determination of the profile features of volumetric backward acoustic scattering during measurements from a moving vessel, devices which individually do not allow this. This can be achieved by scaling the step of vertically integrated information coming from different devices. As a result, the accuracy of determining the position of the jump layer increases with instruments that measure to significant depths with large layers of acoustic signal integration.

В предлагаемой системе используют некоторые существенные признаки прототипа, а именно в ней для измерения характеристик профиля сигнала объемного обратного акустического рассеяния, резкие изменения которого во времени и пространстве связываются со слоем скачка, используется акустический доплеровский измеритель течения, буксируемый в специальной стабилизированной платформе за судном.In the proposed system, some essential features of the prototype are used, namely, for measuring the profile characteristics of the signal of volume back acoustic scattering, the sharp changes of which in time and space are associated with the jump layer, an acoustic Doppler flow meter is used, towed in a special stabilized platform behind the vessel.

Существенными отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что в состав предлагаемой системы включен второй акустический доплеровский профилограф течения, который на мерной штанге прикреплен к платформе и смещен по вертикали относительно первого, при этом оба измерителя размещены выше пикноклина с возможностью оперативного изменения расстояния между ними. Расположение акустических профилографов на разных глубинах относительно друг друга приводит к тому, что получаемые с помощью этих приборов слои интегрирования акустических сигналов смещены относительно друг друга на заданное расстояние. Разность в их показаниях является сигналом измерительной информации о характере колебаний слоя скачка в заданном сдвигом масштабе по шкале глубин. Причем этот сдвиг по вертикальной шкале глубин может меняться за счет контролируемого изменения глубины погружения второго акустического профилографа. Это повышает точность определения вертикального положения слоя скачка, в условиях движущегося судна дает преставление о пространственно-временной изменчивости слоя скачка и соответственно характеристиках внутренних волн приводящих к его колебаниям.Significant distinguishing features of the proposed device is that the composition of the proposed system includes a second acoustic Doppler flow profiler, which is attached to the platform on the measuring rod and shifted vertically relative to the first, while both meters are placed above the pycnocline with the possibility of rapid change in the distance between them. The location of the acoustic profilographs at different depths relative to each other leads to the fact that the layers of integration of acoustic signals obtained using these devices are offset relative to each other by a predetermined distance. The difference in their readings is a signal of measurement information about the nature of the oscillations of the jump layer at a given scale shift on a depth scale. Moreover, this shift on the vertical depth scale can vary due to a controlled change in the immersion depth of the second acoustic profiler. This increases the accuracy of determining the vertical position of the jump layer, in the conditions of a moving vessel gives an idea of the spatio-temporal variability of the jump layer and, accordingly, the characteristics of the internal waves leading to its oscillations.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Сущность изобретения пояснена на чертежах. На фиг.1 представлена схема расположения акустических доплеровских профилографов течения и вертикальное расположение слоев интегрирования информации об объемном обратном акустическом рассеянии при смещении вертикального расстояния между приборами при заранее известной величине этого смещения. Акустический доплеровский профилограф течения 1 устанавливается на стабилизированной платформе 2, к которой на мерной штанге 3 крепится второй акустический профилограф 4 и вся эта систем буксируется за судном 5. Профилографы течения 1, 4 за один цикл измерения получают профили по вертикали из слоев интегрирования сигналов объемного обратного акустического рассеяния 6 и 7 со сдвигом слоев по вертикали 8 относительно друг друга при смещении времени приема зондирующих импульсов. При этом оба измерителя размещаются выше пикноклина 9.The invention is illustrated in the drawings. Figure 1 shows the layout of the acoustic Doppler flow profilers and the vertical arrangement of the layers of integration of information on volumetric acoustic backscattering with a displacement of the vertical distance between the devices with a predetermined value of this displacement. An acoustic Doppler profilograph of current 1 is installed on a stabilized platform 2, to which a second acoustic profilograph 4 is attached to the measuring rod 3 and the whole system is towed behind the vessel 5. Profilographs of current 1, 4 receive vertical profiles from the integration layers of the volumetric feedback signals in one measurement cycle acoustic scattering 6 and 7 with a shift of the layers vertically 8 relative to each other with a shift in the reception time of the probe pulses. In this case, both meters are located above the pycnocline 9.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Система работает следующим образом. Один акустический доплеровский профилограф течения устанавливаются на буксируемую за судном стабилизированную платформу второй акустический доплеровский профилограф на мерной штанге заглубляется относительно первого профилогрофа на заданную глубину: Синхронизируется время работы обоих приборов и толщина слоев интегрирования акустических сигналов. За одно измерение каждый из приборов получает профиль из слоев интегрирования акустических сигналов. При этом вертикальное распределение слоев интегрирования сигналов объемного обратного акустического рассеяния приборов получается со сдвигом положение начального уровня измерения. Получаемые сигналы о вертикальном профиле объемного обратного акустического рассеяния по показаниям первого прибора соответствует значению объемного обратного акустического рассеяния по показаниям второго прибора, смещенному относительно профиля измеряемой величины на заданное расстояние. Этот сдвиг находится в пределах толщины одного слоя интегрирования. Масштабирование положения границ слоев скачка характеристик производится путем вычитания одновременных показаний этих приборов по каждой паре сдвинутых по вертикали слоев интегрирования. Точность получаемой оценки положения слоя скачка определяются величиной заданного вертикального сдвига слоен измерения который может оперативно изменятся. При этом оба прибора располагаются в верхнем слое моря выше слоя скачка (пикноклина), что позволяет однозначно интерпретировать полученные результаты.The system operates as follows. One acoustic Doppler current profiler is installed on a stabilized platform towed behind the vessel; the second acoustic Doppler profiler on the measuring rod is deepened relative to the first profile groff to a predetermined depth: The operating time of both devices and the thickness of the acoustic signal integration layers are synchronized. For one measurement, each device receives a profile from the layers of integration of acoustic signals. In this case, the vertical distribution of the layers of integration of the signals of volumetric backward acoustic scattering of the devices is obtained with a shift in the position of the initial measurement level. The received signals about the vertical profile of volume back acoustic scattering according to the testimony of the first device corresponds to the value of volume back acoustic scattering according to the testimony of the second device, offset from the measured value profile by a predetermined distance. This shift is within the thickness of one integration layer. Scaling of the position of the boundaries of the layers of the jump in characteristics is performed by subtracting the simultaneous readings of these devices for each pair of vertically shifted integration layers. The accuracy of the resulting estimate of the position of the jump layer is determined by the value of the specified vertical shift of the measurement layers, which can quickly change. In this case, both devices are located in the upper layer of the sea above the jump layer (pycnocline), which allows one to unambiguously interpret the results.

Полезная модель позволяет повысить точность определения характеристик внутренних волн приборами, производящими измерения до значительных глубин с большими слоями интегрирования акустического сигнала, и производить подстройку характеристик сдвига в зависимости от глубины залегания интересующего слоя.The utility model allows to increase the accuracy of determining the characteristics of internal waves with instruments that measure to significant depths with large layers of acoustic signal integration, and to adjust the shear characteristics depending on the depth of the layer of interest.

Claims

A system for measuring the heights of internal waves in the sea while the vessel is traveling, comprising an acoustic Doppler current meter located on a towed stabilized platform, characterized in that it further comprises a second acoustic Doppler current meter, which is attached to the platform on the measuring rod and is shifted vertically relative to the first, in this case, both meters are placed above the pycnocline with the possibility of rapid change in the distance between them.