RU2073203C1

RU2073203C1 - Device for determination of characteristics of rough reflecting surface

Info

Publication number: RU2073203C1
Authority: RU
Inventors: Геннадий Николаевич Христофоров; Александр Сергеевич Запевалов; Юрий Алексеевич Мищенчук; Владимир Евгеньевич Смолов
Original assignee: Морской гидрофизический институт АН Украины
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1992-06-30
Publication date: 1997-02-10

Abstract

FIELD: oceanographic measurements, mainly, investigation of statistic properties of minor structures on the sea surface in different conditions. SUBSTANCE: optical system 4 directs collimated laser beam to mirror 6 rotating round horizontal axis. Beam 6 reflected from mirror gets on parabolic mirror 7 which directs it to water surface. Reflected in reverse sequence, beam by means of parabolic mirror 7, movable mirror 6 and optical system 4 enters photodetector 5. Due to protection of mirror 6, laser beam successively moves in sector of parabolic mirror 7 from point a to point b. In so doing, beams successively directed to tested surface are parallel to optical axis of parabolic mirror 7. EFFECT: higher accuracy of determination of characteristics of surface and increased information content of measurements. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно к исследованию статистических свойств мелких структур на поверхности моря в различных условиях. The invention relates to the field of oceanographic measurements and mainly to the study of the statistical properties of small structures on the surface of the sea in various conditions.

Рябь, которая образует такие структуры, под действием ветра и в результате вязкостных процессов рассеяния энергии волнами не только непосредственно участвует в создании волн, но и отражает и рассеивает акустическую, световую и другие виды волновой энергии, падающей на поверхность воды. The ripples that form such structures, under the influence of wind and as a result of viscous processes of energy dissipation by waves, not only directly participate in the creation of waves, but also reflect and scatter acoustic, light and other types of wave energy incident on the surface of the water.

В настоящее время для изучения статистических характеристик волнения получили развитие методы и средства, основанные на локации морской поверхности лазерным лучом. При этом регистрируются зеркальные блики на поверхности и по их характеристикам оцениваются параметры ветровых волн. Currently, methods and tools based on the location of the sea surface by a laser beam have been developed to study the statistical characteristics of waves. In this case, specular glare on the surface is recorded and the parameters of wind waves are estimated by their characteristics.

Известно устройство [1] как средство того же назначения, содержащее лазер и фотоприемник с круговой апертурой, центр которого совмещен с вертикалью луча. Устройство регистрирует зеркально-отраженные в направлении фотоприемникa световые сигналы (блики). Недостатком устройства является невозможность получения информации о пространственной изменчивости морской поверхности, т.к. луч лазера направлен на одну точку поверхности. A device [1] is known as a tool for the same purpose, containing a laser and a photodetector with a circular aperture, the center of which is aligned with the vertical of the beam. The device registers light signals (glare) reflected in the direction of the photodetector. The disadvantage of this device is the inability to obtain information about the spatial variability of the sea surface, because the laser beam is directed at one point on the surface.

Известен сканирующий прибор для исследования ветровой ряби на поверхности моря [2] выбранный в качестве прототипа как наиболее близкий к заявленному изобретению по совокупности признаков. Прибор содержит коллимированный источник света, оптическую систему излучателя, фотоприемник и зеркала, развертывающие луч света по взволнованной морской поверхности. Прибор позволяет с большой скоростью сканировать поверхность воды, и получаемые при этом данные можно анализировать для нахождения распределений наклонов и кривизны поверхности. Кривизна поверхности оценивается по интенсивности отраженного светового сигнала. A known scanning device for studying wind ripples on the sea surface [2] is selected as a prototype as the closest to the claimed invention in terms of features. The device contains a collimated light source, an optical system of the emitter, a photodetector and mirrors that deploy a beam of light on an excited sea surface. The device allows you to scan the surface of the water with high speed, and the resulting data can be analyzed to find the distribution of slopes and surface curvature. The curvature of the surface is estimated by the intensity of the reflected light signal.

Недостатком прототипа является следующее. Во-первых, устройство не позволяет определять расстояния между ориентированными в одной плоскости зеркальными площадками, создающими блик, что снижает точность измерений. Это объясняется тем, что смещение луча по поверхности происходит за счет изменения его азимутальной ориентации и, зарегистрировав два блика в разных точках исследуемой поверхности, тем самым регистрируют две зеркальные площадки, лежащие в разных плоскостях. Кроме того, возникают ошибки в определении местоположения зеркальных площадок, связанные с тем, что рябь наложена на более длинные волны и фактическое расстояние до поверхности не контролируется, а используется расстояние до невозмущенной поверхности. Этот эффект иллюстрирует фиг.1 (см. также фиг.4 в [2] где принцип работы прототипа показан для лотковых, лабораторных измерений, в которых длинные волны отсутствуют). При расположении прибора на высоте 10 м, отклонении луча от вертикали Φ = 17^° [2] высоте энергонесущих волн 1^oC1,5 м можно оценить погрешность определения положения блика в горизонтальной плоскости (отрезки aa' или бб' фиг.1). Погрешность составляет

,
что сравнимо с размерами ветровой ряби (сантиметровый диапазон длин волн).The disadvantage of the prototype is the following. Firstly, the device does not allow to determine the distances between the mirror pads oriented in the same plane, creating glare, which reduces the accuracy of the measurements. This is explained by the fact that the beam is shifted along the surface due to a change in its azimuthal orientation and, by registering two flares at different points on the surface under study, two mirror areas lying in different planes are recorded. In addition, errors occur in determining the location of mirror sites due to the fact that the ripples are superimposed on longer waves and the actual distance to the surface is not controlled, but the distance to the undisturbed surface is used. This effect is illustrated by figure 1 (see also figure 4 in [2] where the principle of operation of the prototype is shown for tray, laboratory measurements in which long waves are absent). When the device is located at a height of 10 m, the beam deviates from the vertical Φ = 17 ^° [2], the height of the energy-carrying waves is 1 ^o C1.5 m, the error in determining the position of the flare in the horizontal plane (segments aa 'or bb' of Fig. 1) can be estimated. The error is

,
which is comparable to the size of the wind ripples (centimeter wavelength range).

Во-вторых, устройство не обеспечивает достаточной степени информативности определения мелкомасштабных характеристик морской поверхности. Это объясняется тем, что при измерениях пятно лазерного луча описывает на горизонтальной плоскости окружность. Полученные таким путем данные не позволяют определять такие характеристики, как расстояние между соседними зеркальными площадками, скорость и направление их перемещения. Secondly, the device does not provide a sufficient degree of information for determining the small-scale characteristics of the sea surface. This is explained by the fact that during measurements the spot of the laser beam describes a circle on a horizontal plane. The data obtained in this way do not allow to determine such characteristics as the distance between adjacent mirror sites, the speed and direction of their movement.

Изобретение обеспечивает повышение точности определения характеристик шероховатой отражающей поверхности и повышение информативности измерений. The invention improves the accuracy of determining the characteristics of a rough reflective surface and increases the information content of measurements.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для определения характеристик шероховатой отражающей поверхности, содержащем подвижное первое зеркало с приводом, второе зеркало и лидар, а также включающем лазер с коллиматором и оптическую систему, направляющую свет на исследуемую поверхность, воспринимающую отраженный свет и направляющую его на фотоприемник, первое зеркало выполнено с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси и расположено в фокусе второго зеркала, выполненного параболическим. The technical result is achieved due to the fact that in the device for determining the characteristics of a rough reflective surface containing a movable first mirror with a drive, a second mirror and lidar, and also including a laser with a collimator and an optical system that directs light to the surface under study, which receives reflected light and a guide it to the photodetector, the first mirror is made to rotate around a horizontal axis and is located in the focus of the second mirror, made parabolic.

Указанные преобразования, предписываемые изобретением и характеризуемые отличительными от прототипа существенными признаками, обеспечивают достижение технического результата вследствие того, что световое пятно перемещается по поверхности моря вдоль прямой линии, причем падающий на исследуемую поверхность луч смещается параллельно самому себе. Меняя азимутальную ориентацию прямой, вдоль которой перемещается луч, можно проводить исследования угловых характеристик ветровых волн. Определяя последовательно характеристики вдоль отрезка прямой, можно определять средние расстояния между зеркальными площадками и скорость их перемещения. These transformations prescribed by the invention and characterized by significant features distinguishing from the prototype ensure the achievement of the technical result due to the fact that the light spot moves along the sea surface along a straight line, and the beam incident on the surface under study is displaced parallel to itself. By changing the azimuthal orientation of the straight line along which the beam moves, one can study the angular characteristics of wind waves. By sequentially determining the characteristics along a straight line segment, it is possible to determine the average distances between the mirror sites and the speed of their movement.

Проведенные патентно-информационные исследования показали, что из известного уровня техники не выявлено влияние предписываемых заявленным изобретением преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками на достижение технического результата, т.е. повышение точности и информативности измерений. The conducted patent information studies showed that the prior art did not reveal the effect of the transformations prescribed by the claimed invention, characterized by significant features distinctive from the prototype on the achievement of a technical result, i.e. increasing the accuracy and information content of measurements.

Таким образом, изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники и соответствует требованию изобретательского уровня. Thus, the invention does not follow for a specialist explicitly from the prior art and meets the requirement of an inventive step.

На фиг. 2 изображена общая схема устройства для определения статистических параметров морской поверхности. In FIG. 2 shows a general diagram of a device for determining the statistical parameters of the sea surface.

Устройство содержит лидар 1, включающий лазер 2, коллиматор 3, оптическую систему 4 и фотоприемник 5. Устройство содержит также подвижное первое зеркало 6 с приводом, который на чертеже не показан, и второе зеркало 7. The device comprises a lidar 1, including a laser 2, a collimator 3, an optical system 4 and a photodetector 5. The device also includes a movable first mirror 6 with a drive, which is not shown in the drawing, and a second mirror 7.

Оптическая система 4, направляющая и воспринимающая луч лазера, выполнена любым известным образом, например в виде светоделителя, как в [2] В качестве подвижного зеркала 6 с приводом может быть использовано оптическое зеркало площадью 1 см², закрепленное на оси электродвигателя, работающего со скоростью вращения вала 3000 об/мин. Зеркало 7 выполнено параболическим, и в качестве него может быть использовано, например, зеркало, аналогичное зеркалам судовых прожекторов. Подвижное зеркало 6 установлено в фокусе параболического зеркала 7. В точках а и б параболического зеркала 7 могут быть установлены фотоэлектрические датчики, сигнализирующие о начале и конце цикла измерений.The optical system 4, directing and receiving the laser beam, is made in any known manner, for example, in the form of a beam splitter, as in [2] As a movable mirror 6 with a drive, an optical mirror with an area of 1 cm ² mounted on the axis of an electric motor operating at a speed can be used shaft rotation of 3000 rpm. The mirror 7 is made parabolic, and as it can be used, for example, a mirror similar to the mirrors of ship's searchlights. A movable mirror 6 is installed in the focus of the parabolic mirror 7. At points a and b of the parabolic mirror 7, photoelectric sensors can be installed to signal the beginning and end of the measurement cycle.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Оптическая система 4 направляет коллимированный лазерный луч на зеркало 6, вращающееся вокруг горизонтальной оси. Отраженный от зеркала 6 луч попадает в точку а параболического зеркала 7, которое направляет его в точку а поверхности воды. Отраженный от поверхности воды луч в обратной последовательности отражается от точки а параболического зеркала 7, подвижного зеркала 6 и через оптическую систему 4 попадает в фотоприемник 5. Вращением зеркала 6 луч лазера последовательно перемещается в секторе параболического зеркала 7 из точки а в точку б, что соответствует перемещению светового пятна на поверхности воды из точки a' в точку б'. The optical system 4 directs the collimated laser beam at a mirror 6, rotating around a horizontal axis. The beam reflected from the mirror 6 hits the point a of the parabolic mirror 7, which directs it to the point a of the water surface. The beam reflected from the surface of the water is reflected in the reverse order from point a of the parabolic mirror 7, the movable mirror 6, and through the optical system 4 enters the photodetector 5. By rotating the mirror 6, the laser beam sequentially moves in the sector of the parabolic mirror 7 from point a to point b, which corresponds to the movement of the light spot on the surface of the water from point a 'to point b'.

Частота вращения зеркала 6 составляет 50 Гц, т.е. один оборот за 0,02 с. Поскольку интервал времени, в течение которого лазерный луч попадает с зеркала 6 на параболическое зеркало 7, менее 1/4 периода вращения зеркала 6, то горизонтальное смещение луча по поверхности воды на расстояние d за цикл измерений происходит менее чем за 0,005 с. При d 0,5 м перемещение луча по морской поверхности происходит со средней скоростью порядка 100 м/с. The frequency of rotation of the mirror 6 is 50 Hz, i.e. one revolution for 0.02 s. Since the time interval during which the laser beam hits the parabolic mirror 7 from the mirror 6 is less than 1/4 of the rotation period of the mirror 6, the horizontal displacement of the beam along the water surface by a distance d per measurement cycle takes less than 0.005 s. At d 0.5 m, the beam moves along the sea surface at an average speed of about 100 m / s.

Энергонесущие океанские волны с характерными длинами около 100 м имеют фазовую скорость порядка 10 м/с. Волны Черного моря, соответственно, с длинами около 30 м имеют фазовую скорость порядка 4 5 м/с. Фазовые скорости более высокочастотных волн еще ниже. Energy-bearing ocean waves with characteristic lengths of about 100 m have a phase velocity of about 10 m / s. Waves of the Black Sea, respectively, with lengths of about 30 m have a phase velocity of the order of 4 5 m / s. The phase velocities of higher-frequency waves are even lower.

Следовательно, в течение 0,005 с, пока происходит смещение луча на расстояние d 0,5 м, можно считать структуру морской поверхности "замороженной", т. е. за цикл измерений можно пренебречь изменениями структуры. Параллельное движение лазерного луча вдоль прямой позволяет оценивать пространственные распределения характеристик бликов на морской поверхности. Therefore, within 0.005 s, while the beam is shifted by a distance of d 0.5 m, the structure of the sea surface can be considered “frozen,” that is, changes in the structure can be neglected during the measurement cycle. The parallel movement of the laser beam along a straight line allows us to estimate the spatial distribution of the characteristics of glare on the sea surface.

Claims

A device for determining the characteristics of a rough reflective surface, comprising a lidar, including a light emitter in the form of a laser with a collimator, and a transceiver system with a scanning system, characterized in that the scanning system is made in the form of a mirror mounted for rotation around an axis lying in its plane, and located in the focus of an additionally introduced mirror in the form of a paraboloid of revolution.