RU1791707C - Устройство дл определени фазовых скоростей поверхностных волн - Google Patents

Abstract

Использование: в области океанографических измерений. Сущность изобретени : устройство содержит вычислитель, лазер и фотоприемник, сопр женные через границу раздела двух сред, узел параллельного смещени  лазерного луча, состо щий из двух подвижных зеркал и Двух магнитов и блок управлени . 2 ил.. ошибки вследствие возмущени  волнового пол  контактными датчиками. В море и океане присутствуют длинные ветровые волны Или зыбь, энерги  которых значительно (на несколько пор дков) больше энергии коротких гравитационных и гравитационно-капилл рных волн. Как известно, частотный энергетический спектр поверхностных волн на частотах выше частоты f0 энергонесущих волн спадает примерно пропорционально f - (4-5). При определении фазовых сдвигов на частотах f f0 возникают ошибки, обусловленные этим крутым спадом спектра ветровых волн. Это инструментальные ошибки, св занный с тем, что относительно малые высокочастотные волны измер ютс  на фоне больших низкочастотных, и расчетные ошибки, св занные,с тем, что при расчете спектра функций используютс  фильтрующие спектральные окна (такие, как фильтр Тьюки, Хэмминга и т.д., имеющие небольшие боко Ё VJ ч о VI

Description

вые лепестки. Наличие этих лепестков приводит к утечке спектральной плотности из области максимума в области с низкими уровн ми спектральной плотности, и хот  боковбге лепестки невелики (дл  часто ис- польз уёмого окна Бзртлетта наибольший боковой максимум составл ет около 4-5% от основного), при оценке спектральных функций, если исследуемые процессы имеют быстроспадающий автоспектр, то на высоких частотах имеют место значительные искажени ..

Целью изобретени   вл етс  повышение точности.

Цель достигаетс  тем, что в устройстве дл  определени  фазовых скоростей поверхностных волн, содержащем измеритель волновых характеристик и вычислитель, новым  вл етс  то, что измеритель характе1 ристик выполнен в виде лазера и фотоприемника, установленных с возможностью оптического сопр жени  через границу раздела двух сред, а между лазером и фотоприемником установлен введенный узел, параллельного смещени  лазерного луча, выполненный с двум  параллельными зеркалами, установленными под углом коси лазера, при этом узел параллельного смещени  лазерного луча выполнен t возможностью перемещени  вдоль оси, перпендикул рной оси лазера, и соединен с введенным блоком управлени , подключенным к вычислителю.

Использование лазерного луча позвол ет отказатьс  от контактных датчиков волновых характеристик и тем самым исключить вносимые ими возмущени  волнового пол , что, как следствие, позвол ет исследовать короткие волны с высокой точностью .

В предлагаемом устройстве признаки, относ щиес  к выполнению лазерного укло- номера (т.е. лазер с фотоприемником и вычислителем ),  вл ютс  известными, Однако . отличие, выражающеес  во введении узла параллельного смещени  лазерного луча, св занного с блоком управлени  , позвол ет реализовать достоинства лазерного луча (малые размеры), а также позвол ет использовать новый параметр -уклон дл  измерений фазовой скорости поверхностных волн и  вл етс  новым. Другие измерители; подобные предлагаемому, не известны. Поэтому устройство соответствует критерию изобретени  существенные отличи .

На фиг, 1 схематично изображен один из возможных вариантов выполнени  предлагаемого устройства при пр мом прохождении луча лазера; на фиг,2 - то же, дл 

положени , когда луч лазера смещен на величину d..,

Предлагаемое устройство представл ет собой лазер 1, заключенный в герметичный

корпус с кварцевым окном, фотоприемник 2, вычислитель 3 и узел параллельного смещени  лазерного луча 4, помещенный в гер- метичный корпус с окнами. Узел параллельного смещени  лазерного луча 4

состоит из двух электромагнитов 5,6 и подвижной рамки (на фиг. не изображена) с укрепленными на ней зеркалами 7 и Q. Электромагниты 5,6 подключены к блоку управлени  9. Фотоприемник 2 расположен по

ходу луча лазера 1, а узел параллельного смещени  лазерного луча 4 размещен так, чтобы лазерный луч на пути к фотоприемнику 2 проходил между зеркалами 7,8. Фото- приемник 2 и блок управлени  9

подключены к отдельным входам вычислител  3. -. :; - :. ;-:--:; . - . : .. Пример конкретного исполнени  . . В качестве лазерного уклономера, в состав которого вход глазер 1, фотоприёмник

2, вычислитель 3, может быть использован лазерный уклономер-, аналогичный описанному . Подвижна  рамка с зеркалами 7 и 8 может быть закреплена эксцентрично на вертикальной оси (подобно ма тнику, но в

горизонтальной плоскости). В положении, когда рамка прит нута к электромагниту 5, луч лазера проходит без смещени  (фиг.1). В положении, когда рамка прит нута к электромагниту 6, луч лазера системой зеркал 7

и 8 смещаетс  на величину d (фиг.2). Блок управлени  9 электромагнитами состоит из генератора импульсов и усилителей. Он может быть выполнен по любой известной схеме . : : . - . -. :

Поскольку определ ютс  фазовые скорости коротких воли, устройство можно установить на платформе, отслеживающей длинные волИы. .-

Изменение частоты смещени  луча определ етс  изменением частоты генератора импульсов блока управлени  9. Рассто ние d между лучами должно составл ть примерно 1 /3 длины волны, дл  которой определ етс 1 фазова  скорость. Уменьшение

рассто ни  приводит к уменьшению фазового сдвига, а увеличение рассто ни  приводит к потере когерентности в волнах. И тот и другой эффекты привод т к соответствующим ошибкам в определении фазовых

сдвигов и соответственно фазовых скоростей .

Описанное устройство устанавливают так, что лазер 1 и узел параллельного смещени  лазерного луча в корпусе 4 расположены под водой, а фотоприемник 2 - над водой.

Устройство работает следующим образом .

Периодически с частотой, завис щей от длины волн, дл  которых определ етс  фазова  скорость, и от необходимой частоты опроса, блок управлени  9 формирует сигнал срабатывани  электромагнитов 5 и б таким образом, что подвижна  рамка с зеркалами 7,8 прит гиваетс  то к одному, то к другому электромагниту, и луч лазера отклон етс  на величину d. Сигнал о срабатывании электромагнита поступает в вычислитель 3.

Пусть требуетс  оценить фазовую скорость волн длиной около 10 см. Это волны гравитационного диапазона, подчин ющиес  дисперсионному соотношению

йЯ дк,

где со 2 jrf - циклическа  г-.;, частота. Из дисперсионного соотношени  следует, что частота исследуемых волн f 4 Гц. Частота опроса должна быть в 8-10 раз больше частоты f, т.е. составл ть 30-40 Гц. Смещение йуча составит 3- 4 см.

Оценив указанные выше параметры, провод т измерени  уклонов морской поверхности , соответствующих двум положени м луча (двум точкам).

Рассчитывают фазовый сдвиг. При этом учитывают квазисинхронность измерений

уклонов, т.е. тот факт, что уклон сначала измер етс  в одной точке, потом в другой. Учесть и исключить указанный эффект можно несколькими пут ми, например, Откорректировав взаимную коррел ционную

функцию, по которой в конечном счете рассчитываетс  фазовый сдвиг.

Форму л а изо брете н и   Устройство дл  определени  фазовых скоростей поверхностных волн, содержащее измеритель волновых характеристик и вычислитель, отличающеес  тем. что, с цел1ью повышени  точности, измеритель волновых характеристик выполнен в виде лазера и фотоприемника, установленных с

возможностью оптического сопр жени  через границу раздела двух сред, а между лазером и фотоприемником установлен введенный узел параллельного смещени  лазерного луча, выполненный с двум  параллельными зеркалами, установленными под углом к оси лазера, при этом узел параллельного смещени  лазерного луча выполнен с возможностью перемещени  вдоль оси, перпендикул рной оси лазера, и соединен с введенным блоком управлени , подключенным к вычислителю.