RU2020520C1 - Method of measuring speed of motion of ship relatively the water surface and device for realization - Google Patents

Method of measuring speed of motion of ship relatively the water surface and device for realization Download PDF

Info

Publication number
RU2020520C1
RU2020520C1 SU4912401A RU2020520C1 RU 2020520 C1 RU2020520 C1 RU 2020520C1 SU 4912401 A SU4912401 A SU 4912401A RU 2020520 C1 RU2020520 C1 RU 2020520C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
water surface
radiation
vessel
input
lens
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
А.З. Зурабян
В.К. Качурин
А.С. Тибилов
В.А. Яковлев
Original Assignee
Научно-исследовательский институт физической оптики, оптики лазеров и информационных оптических систем головного института Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-исследовательский институт физической оптики, оптики лазеров и информационных оптических систем головного института Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова" filed Critical Научно-исследовательский институт физической оптики, оптики лазеров и информационных оптических систем головного института Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова"
Priority to SU4912401 priority Critical patent/RU2020520C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2020520C1 publication Critical patent/RU2020520C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: navigation. SUBSTANCE: laser radiation before being directed onto water surface is modulated for intensity. The radiation is directed with preset radius of light beam vertically to disturbed surface. When receiving reflected radiation the angular filtration is performed. Duration of reflected signal is measured. Average mean of pulse duration is determined and speed of the ship relatively the water surface is determined from the equation given in the description of the invention. Objective of the device is made in form of Fresnel lens. Diameter of the lens is determined by the relation given in the description. EFFECT: improved precision of measurement. 2 cl, 1 dwg

Description


Изобретение относится к навигации и может быть использовано для измерения скорости движения судна.
The invention relates to navigation and can be used to measure the speed of a ship.

Известны следующие способы и соответствующие им устройства измерения скорости движения судна относительно воды: гидродинамический, гидромеханический и наиболее распространенный электродинамический. The following methods and corresponding devices for measuring the speed of a vessel relative to water are known: hydrodynamic, hydromechanical and the most common electrodynamic.

Основным недостатком данных устройств является то, что они контактны, а следовательно, подвержены разрушающему действию среды, вносят возмущения в обтекающий поток и устанавливаются в непосредственной близости от корпуса корабля. Это требует учета при интерпретации результатов, что не всегда реализуемо на практике. Кроме того, установка контактных датчиков сложна и может вести к снижению ходовых характеристик судна. The main disadvantage of these devices is that they are contact and, therefore, are subject to the destructive action of the medium, introduce disturbances in the streamflow and are installed in the immediate vicinity of the ship's hull. This requires consideration when interpreting the results, which is not always practicable. In addition, the installation of contact sensors is difficult and can lead to a decrease in the running characteristics of the vessel.

Некоторых из перечисленных недостатков лишен оптический способ измерения скорости частиц в потоке. Этот способ может быть использован и при определении скорости судна относительно воды. Сущность способа заключается в следующем: в потоке с помощью двух световых лучей создается база измерения и регистрируются двумя фотоприемниками моменты пролета частицами границ этой базы. Кроме того, регистрируются интенсивности излучения на входах фотоприемников при наличии и отсутствии частиц в зоне измерения. После этого определяют скорость частиц по формуле
V =

Figure 00000001
, где l - размер базы; t - время пролета частицей базы измерения; I1 и I1 l- интенсивности излучения на входах фотоприемников при отсутствии и наличии частиц соответственно; К1, К2 - коэффициенты пропорциональности.Some of these drawbacks lack the optical method of measuring particle velocity in a stream. This method can be used to determine the speed of the vessel relative to the water. The essence of the method is as follows: in a stream with the help of two light rays a measurement base is created and the moments of flight by particles of the boundaries of this base are recorded by two photodetectors. In addition, radiation intensities are recorded at the inputs of photodetectors in the presence and absence of particles in the measurement zone. After that, the particle velocity is determined by the formula
V =
Figure 00000001
where l is the size of the base; t is the time of flight by the particle of the measurement base; I 1 and I 1 l - radiation intensity at the inputs of photodetectors in the absence and presence of particles, respectively; K 1 , K 2 - proportionality coefficients.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является оптический локатор зеркальных площадок, который включает в себя непрерывный излучатель, зондирующий морскую поверхность узким световым лучом, и одноканальную фотоэлектрическую систему регистрации отраженных световых импульсов, имеющую высокое угловое разрешение. Оптические оси приемника и излучателя практически можно считать совмещенными. Closest to the proposed device is an optical locator of mirror areas, which includes a continuous emitter probing the sea surface with a narrow light beam, and a single-channel photoelectric system for recording reflected light pulses having a high angular resolution. The optical axis of the receiver and emitter can almost be considered combined.

Оптический локатор состоит из двух частей: выносной головки, расположенной на гиростабилизированной платформе, и соединенной с выносной головкой при помощи двух световодов остальной части прибора. Выносная головка крепится на носу корабля так, чтобы при движении производилось зондирование невозмущенной морской поверхности. The optical locator consists of two parts: a remote head located on a gyro-stabilized platform, and connected to the remote head using two optical fibers of the rest of the device. The remote head is mounted on the bow of the ship so that when moving, sounding of the unperturbed sea surface is carried out.

В качестве источника излучения используется непрерывный нелазер, освещающий через формирующую световой луч систему (линза, световод, линза) на поверхности моря пятно диаметром 4 мм. Для подавления помех от солнечных бликов интенсивность лазерного излучения модулируется с частотой 100 кГц. Линза служит для формирования параллельного пучка, падающего на интерфильтр. Диафрагма, расположенная в фокальной плоскости приемного объектива, предназначена для того, чтобы угол приема оптической системы не зависел от расстояния до поверхности моря. Полевая диафрагма предназначена для выделения в плоскости изображения водной поверхности формируемого линзой участка, освещенного световым лучом. Установка этой диафрагмы также связана с необходимостью подавления помех от солнечных бликов. A continuous non-laser is used as a radiation source, illuminating a spot with a diameter of 4 mm through a system forming a light beam (lens, light guide, lens) on the sea surface. To suppress interference from sun glare, the laser radiation intensity is modulated at a frequency of 100 kHz. The lens is used to form a parallel beam incident on the interfilter. The diaphragm located in the focal plane of the receiving lens is designed so that the receiving angle of the optical system does not depend on the distance to the sea surface. Field diaphragm is designed to highlight in the image plane of the water surface formed by the lens area, illuminated by a light beam. The installation of this diaphragm is also associated with the need to suppress interference from sun glare.

В качестве фотоприемника использовался фотоэлектронный умножитель, с анодной нагрузки которого сигнал поступал на истоковый повторитель, далее на резонансный усилитель, детектор, амплитудный дискриминатор и затем в блок обработки и регистрации. В последний входят коррелометр (работа коррелометра синхронизируется импульсами, приходящими с формирователя импульсов стандартной амплитуды), частотомер, служащий для измерения среднего периода импульсов сигнала, преобразователь код-аналог, самописец, с помощью которого осуществляется запись корреляционной функции сигнала и показаний частотомера, осциллограф, необходимый для контроля работы аппаратуры при проведении экспериментов. A photoelectronic multiplier was used as a photodetector, from the anode load of which the signal was fed to a source follower, then to a resonant amplifier, detector, amplitude discriminator, and then to the processing and recording unit. The latter includes a correlometer (the correlometer operation is synchronized by pulses coming from a standard-amplitude pulse shaper), a frequency meter used to measure the average period of the signal pulses, an analog code converter, a recorder that records the correlation function of the signal and frequency meter readings, an oscilloscope, necessary to control the operation of the equipment during the experiments.

Данный прибор предназначен для измерения двухточечных плотностей распределения уклонов морской поверхности, пропорциональной корреляционной функции сигнала прибора. В процессе проведения натурных исследований установлено, что по результатам измерений прибора можно судить о скорости судна. Однако непосредственное применение этого устройства для определения скорости затруднительно по причинам сложности обработки сигнала, большой погрешности измерения скорости и большого промежутка времени, необходимого для одного измерения, а также сложности и громоздкости устройства. This device is intended for measuring point-to-point density distribution of slopes of the sea surface, proportional to the correlation function of the signal of the device. In the process of conducting full-scale studies, it was found that the speed of the vessel can be judged by the results of measurements of the device. However, the direct application of this device to determine the speed is difficult due to the complexity of the signal processing, the large error in measuring the speed and the long period of time required for one measurement, as well as the complexity and bulkiness of the device.

Недостатками известного способа являются влияние гидродинамических условий обтекания корпуса судна и датчика измерительного устройства на результаты измерений, отсутствие защиты от помех при солнечной засветке, невозможность вести измерения при малых или очень больших концентрациях частиц (в исследуемой зоне не должно находиться более одной частицы), сложность установки любого реализующего данный способ устройства на судне и возможное снижение после этого его ходовых характеристик. The disadvantages of this method are the influence of the hydrodynamic conditions flowing around the hull of the vessel and the sensor of the measuring device on the measurement results, the lack of protection against interference during solar illumination, the inability to measure at low or very high concentrations of particles (there should not be more than one particle in the study area), the complexity of the installation any device that implements this method on a ship and a possible decrease in its running characteristics after that.

Цель изобретения - повышение точности определения скорости судна за счет исключения влияния условий проведения измерений. The purpose of the invention is to increase the accuracy of determining the speed of the vessel by eliminating the influence of the measurement conditions.

Указанная цель достигается тем, что в способе измерения скорости частиц в потоке, заключающемся в создании базы измерений и регистрации моментов пролета рассеивателями границ этой базы, используется модулированное лазерное излучение, направленное с носа судна вертикально на невозмущенную водную поверхность. При попадании излучения на площадку поверхности с нормалью, ориентированной по вертикали (зеркальная площадка), отраженное излучение попадает в приемное устройство, осуществляющее угловую фильтрацию. Определяется средняя длительность импульсов отраженного от поверхности излучения и после этого по формуле
V =

Figure 00000002
, (1) где а - радиус светового луча, зондирующего поверхность; τ - средняя длительность импульсов сигнала прибора,рассчитывается скорость судна.This goal is achieved by the fact that in the method of measuring the velocity of particles in the stream, which consists in creating a measurement base and recording the moments of passage by the scatterers of the boundaries of this base, modulated laser radiation is used, directed from the bow of the vessel vertically to the unperturbed water surface. When radiation enters a surface area with a normal oriented vertically (mirror area), the reflected radiation enters the receiving device that performs angular filtering. The average pulse duration of the radiation reflected from the surface is determined, and then by the formula
V =
Figure 00000002
, (1) where a is the radius of the light beam probing the surface; τ is the average duration of the pulses of the signal of the device, the speed of the vessel is calculated.

Устройство, осуществляющее данный способ, содержит лазерный излучатель с модулятором и последовательно соединенные приемную оптоэлектронную систему, резонансный усилитель, детектор, формирователь импульсов стандартной амплитуды, частотомер и блок индикации, кроме того, фотодиод, синхронный детектор, щелевую диафрагму и линзу Френеля, причем в устройстве отсутствует система световодов, гиростабилизация и коррелометр. The device implementing this method comprises a laser emitter with a modulator and a series-connected receiving optoelectronic system, a resonant amplifier, a detector, a pulse generator of standard amplitude, a frequency meter and an indication unit, in addition, a photodiode, a synchronous detector, a slit diaphragm and a Fresnel lens, moreover, in the device there is no fiber guide system, gyrostabilization and correlometer.

Эти отличительные признаки позволяют:
1) упростить устройство;
2) повысить надежность в работе;
3) снизить время измерения и повысить его точность.These distinguishing features allow you to:
1) to simplify the device;
2) increase the reliability in operation;
3) reduce the measurement time and increase its accuracy.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации установлено, что отличительные признаки предлагаемого изобретения проявляют свойства, не совпадающие со свойствами известных технических решений со сходными признаками, что дает основание сделать вывод о соответствии изобретения критерию "Существенные отличия". As a result of a search by sources of patent and scientific and technical information, it was found that the distinguishing features of the present invention exhibit properties that do not match the properties of known technical solutions with similar features, which gives reason to conclude that the invention meets the criterion of "Significant differences".

На чертеже дана блок-схема устройства. The drawing shows a block diagram of a device.

Устройство содержит лазерный излучатель 1, модулятор 2, щелевую диафрагму 3 (щель расположена перпендикулярно курсу судна), линзу Френеля 4, полевую диафрагму 5, фотодиод 6, буферный каскад 7, резонансный усилитель 8, синхронный детектор 9, формирователь 10 импульсов стандартной амплитуды, схему совпадения 11, частотомер 12 и блок индикации 13. The device comprises a laser emitter 1, a modulator 2, a slit diaphragm 3 (the slit is perpendicular to the ship's heading), a Fresnel lens 4, a field diaphragm 5, a photodiode 6, a buffer stage 7, a resonant amplifier 8, a synchronous detector 9, a pulse generator 10 of standard amplitude, a circuit coincidence 11, the frequency counter 12 and the display unit 13.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Лазерный излучатель 1 освещает поверхность моря световым лучом, промодулированным по интенсивности с частотой 100 кГц с целью подавления помех от солнечных бликов. При попадании в освещенный на водной поверхности световой кружок площадки с нормалью, отклоненной от вертикали в пределах заданных углов, отраженный свет регистрируется фотоприемником. С помощью щелевой диафрагмы 3 осуществляется угловая фильтрация принимаемого излучения и, следовательно, задаются размеры отражающих площадок. В качестве объектива используется линза Френеля 4 с достаточно большим диаметром
d≥Zγ, где γ - среднеквадратичный уклон поверхности; z - высота установки устройства над водой.A laser emitter 1 illuminates the surface of the sea with a light beam modulated in intensity with a frequency of 100 kHz in order to suppress interference from sun glare. When it enters the light circle of a site illuminated on a water surface with a normal deviated from the vertical within the specified angles, the reflected light is detected by a photodetector. Using the slit diaphragm 3, angular filtering of the received radiation is carried out and, therefore, the dimensions of the reflecting areas are set. The lens used is a Fresnel lens 4 with a sufficiently large diameter
d≥Zγ, where γ is the root mean square slope of the surface; z is the installation height of the device above water.

Это позволяет существенно увеличить число зеркальных площадок, а следовательно, повысить точность и сократить время измерений. При достаточно малом по сравнению с диаметром лазерного луча значении поперечного размера площадки и равенстве нулю средней скорости зеркальных площадок (это условие выполняется в силу хаотичности их перемещений) средняя длительность отраженного светового импульса определяется по формуле (1). This allows you to significantly increase the number of mirror pads, and therefore, increase accuracy and reduce measurement time. If the value of the transverse size of the site is sufficiently small compared to the diameter of the laser beam and the average speed of the mirror sites is equal to zero (this condition is satisfied due to the randomness of their movements), the average duration of the reflected light pulse is determined by formula (1).

Поперечные размеры зеркальных площадок определяются из следующего соотношения
χ =

Figure 00000003
, где b - ширина диафрагмы; r - радиус кривизны поверхности; z - высота.The transverse dimensions of the mirror pads are determined from the following relation
χ =
Figure 00000003
where b is the width of the diaphragm; r is the radius of curvature of the surface; z is the height.

Контроль за выполнимостью условия малости поперечного размера зеркальных площадок можно осуществлять по малости амплитуды отраженных импульсов по сравнению с насыщенными импульсами от зеркальных площадок размером с диаметр луча. The fulfillment of the condition for the smallness of the transverse size of the mirror pads can be controlled by the smallness of the amplitude of the reflected pulses in comparison with saturated pulses from the mirror pads the size of the beam diameter.

Полевая диафрагма служит для выделения на водной поверхности освещенного участка с целью подавления помех от солнечных бликов. Электрический сигнал с фотодиода поступает на буферный каскад и далее по кабелю на вход резонансного усилителя. Усиленный сигнал поступает на синхронный детектор, с выхода которого низкочастотный сигнал, имеющий форму огибающей исходного, поступает на формирователь импульсов стандартной амплитуды. Сформированные импульсы заполняются на схеме совпадения импульсами меток, поступающими туда же с модулятора 100 кГц. Измерение средней длительности импульсов сигнала производится с помощью частотомера, работающего в режиме деления частот (по входу В отсчитывается 100 импульсов сигнала, а по входу A в течение этого времени считаются импульсы меток, заполнившие импульсы сигнала). В результате этой операции показания частотомера пропорциональны усредненной по ста импульсом длительности импульсов сигнала. Пересчет величины τ в V производится по формуле (1) и высвечивается на электронном табло в блоке индикации. The field diaphragm serves to highlight the illuminated area on the water surface in order to suppress interference from sun glare. The electrical signal from the photodiode is fed to the buffer stage and then through the cable to the input of the resonant amplifier. The amplified signal is fed to a synchronous detector, from the output of which a low-frequency signal, having the shape of an envelope of the original, is fed to a pulse shaper of standard amplitude. The generated pulses are filled on the coincidence circuit with label pulses arriving there from the 100 kHz modulator. Measurement of the average duration of the signal pulses is carried out using a frequency meter operating in the frequency division mode (100 signal pulses are counted at input B, and label pulses counting the signal pulses are counted at input A during this time). As a result of this operation, the frequency meter readings are proportional to the signal pulse duration averaged over a hundred pulses. Recalculation of the value of τ in V is carried out according to the formula (1) and is displayed on the electronic display in the display unit.

Claims (2)

1. Способ определения скорости движения судна относительно водной поверхности, заключающийся в направлении светового излучения в среду, содержащую рассеивающие объекты, приеме отраженного излучения и преобразовании оптического отраженного сигнала в электрический, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет исключения влияния условий проведения измерений, перед направлением на водную поверхность лазерное излучение модулируют по интенсивности и направляют модулированное излучение с заданным радиусом светового пучка a вертикально на невозмущенную водную поверхность, при приеме отраженного излучения осуществляют угловую фильтрацию, измеряют длительность импульсов отраженного излучения, находят среднее значение длительности импульса отраженного излучения τ и определяют скорость судна относительно водной поверхности по формуле
v = 2a / τ .1. The method of determining the speed of the vessel relative to the water surface, which consists in the direction of light radiation into a medium containing scattering objects, receiving reflected radiation and converting the optical reflected signal into electrical signal, characterized in that, in order to improve accuracy by eliminating the influence of measurement conditions , before being directed to the water surface, the laser radiation is modulated in intensity and the modulated radiation is directed with a given radius of the light beam a in rtikalno unperturbed on a water surface, upon receiving the reflected radiation is carried angular filtering duration measured reflected radiation pulses are the average value of the reflected radiation pulse duration τ and determine vessel velocity relative to the water surface by the formula
v = 2a / τ. 2. Устройство определения скорости движения судна относительно водной поверхности, содержащее непрерывный лазерный излучатель, снабженный модулятором, передающую оптическую систему, состоящую из оптически сопряженных диафрагмы, приемного объектива и полевой диафрагмы, фотоприемное устройство, последовательно соединенные буферный каскад, резонансный усилитель, детектор, формирователь импульсов стандартной амплитуды, схема совпадения, частотомер и индикатор, при этом выход фотоприемного устройства соединен с входом буферного каскада, второй выход формирователя импульсов стандартной амплитуды соединен с вторым входом частотомера, отличающееся тем, что, с целью повышения точности за счет исключения влияния условий проведения измерений, приемный объектив выполнен в виде линзы Френеля, диаметр которой определяется соотношением
d ≥ Z γ ,
где Z - высота установки устройства относительно водной поверхности,
γ - среднеквадратичный уклон поверхности,
диафрагма выполнена в виде щелевой диафрагмы, ориентированной перпендикулярно курсу судна, фотоприемное устройство выполнено в виде фотодиода, детектор выполнен в виде синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом модулятора, который также соединен с вторым входом схемы совпадения.2. A device for determining the speed of a vessel relative to a water surface, comprising a continuous laser emitter equipped with a modulator, a transmitting optical system consisting of optically conjugated apertures, a receiving lens and a field diaphragm, a photodetector, serially connected buffer cascade, resonant amplifier, detector, pulse shaper standard amplitude, matching circuit, frequency meter and indicator, while the output of the photodetector is connected to the input of the buffer stage a, the second output of the pulse generator of standard amplitude is connected to the second input of the frequency meter, characterized in that, in order to improve accuracy by eliminating the influence of the measurement conditions, the receiving lens is made in the form of a Fresnel lens, the diameter of which is determined by the ratio
d ≥ Z γ,
where Z is the installation height of the device relative to the water surface,
γ is the root mean square slope of the surface,
the diaphragm is made in the form of a slit diaphragm oriented perpendicular to the course of the vessel, the photodetector is made in the form of a photodiode, the detector is made in the form of a synchronous detector, the second input of which is connected to the output of the modulator, which is also connected to the second input of the matching circuit.
SU4912401 1991-02-20 1991-02-20 Method of measuring speed of motion of ship relatively the water surface and device for realization RU2020520C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4912401 RU2020520C1 (en) 1991-02-20 1991-02-20 Method of measuring speed of motion of ship relatively the water surface and device for realization

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4912401 RU2020520C1 (en) 1991-02-20 1991-02-20 Method of measuring speed of motion of ship relatively the water surface and device for realization

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2020520C1 true RU2020520C1 (en) 1994-09-30

Family

ID=21561147

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU4912401 RU2020520C1 (en) 1991-02-20 1991-02-20 Method of measuring speed of motion of ship relatively the water surface and device for realization

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2020520C1 (en)

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Авторское свидетельство СССР N 901910, кл. G 01P 5/18, 1982. *
Зурабян А.З. и Тибилов А.С. Физика атмосферы и океана. Известия АН СССР, 1987, т. 23, N 2, с.194-199. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4936676A (en) Surface position sensor
EP0092369B1 (en) Light frequency change detecting method and apparatus
JPS57128810A (en) Distance measuring device
US3860342A (en) Dual-wavelength scanning doppler velocimeter
GB1512245A (en) Detection of backscattered radiation
US3680961A (en) Measurement of particle sizes
WO1986006845A1 (en) Optical diffraction velocimeter
RU2020520C1 (en) Method of measuring speed of motion of ship relatively the water surface and device for realization
RU2293336C2 (en) Method of determination of ship's speed and device for realization of this method
SU1091076A1 (en) Optical doppler meter of reynolds stresses in liquid or gas flow
CN212904428U (en) Detection assembly and device
SU957071A1 (en) Device for determination of concentration of water aerosol in atmosphere
JPS6359930A (en) Blood flow meter
SU1753271A1 (en) Method to determine vibration parameters
SU1539527A1 (en) Method and apparatus for measuring distance to reflecting surface
SU1681168A1 (en) Instrument to measure the object displacement
SU601011A1 (en) Apparatus for registering the coordinates of moving object
SU916976A1 (en) Device for measuring object angular position
SU1073639A1 (en) Method of measuring atmosphere refraction index structural constant
SU757898A1 (en) Method and device for testing optical systems
RU2091711C1 (en) Process of range measurement and device for its realization
SU1435942A1 (en) Method of measuring velocity of motion of scattering objects in transparent media
SU901910A1 (en) Method of measuring particle speed in polydispersed flow
SU603842A1 (en) Photoelectric meter of semiconductor plate deelection
SU1430839A1 (en) Method of locating measurement of attenuation index of dissipating media