Устройство для определения фазовых скоростей поверхностных волн

союз соВетсихСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 791707 А 19) ИЯ ЗОБ Т ЕЛЬСТВ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Морской гидрофизический институт АН УССР(56) Авторское свидетельство СССР М 1543229, кл, 6 01 С 13/00, 1986,Ефимов В.В., Соловьев Ю.П. и Христофоров Г.Н. Экспериментальное рпределение фазовой скорости распространения спектральных составляющих морского ветрового волнения, Изв, АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 1972,8, Ь 4, с.435-446. Изобретение относится к области океанографических измерений и.может использоватьсяя для измерения фазовых скоростей коротких гравитационных и гравитационно- капиллярных волн (дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн).Известно устройство для определения фазовых скоростей морских ветровых волн, которое включает два волнографа, размещенных на прямой, вдоль которой определяется.фазовая скорость.Выходы волнографов через согласующее устройство непосредственно связаны с вычислительной машиной, в которой происходит расчет фазовых скоростей, или связаны с ней через промежуточный накопитель информации (например, магнитограф).Указанное устройство имеет следующие недостатки.При измерении фазовых скоростей коротких поверхностных волн возникают(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВЫХ СКОРОСТЕЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН(57) Использование; в области океанографических измерений, Сущность изобретения: устройство содержит вычислитель, лазер и фотоприемник, сопряженные через границу раздела двух сред, узел параллельного смещения лазерного луча, состоящий из двух подвижных зеркал и двух магнитов и блок управления, 2 ил. ошибки вследствие возмущения волнового поля контактными датчиками,ЪФВ море и океане присутствуют длинные ветровые волны йли зыбь, энергия которых значительно (на несколько порядков) больше энергии коротких гравитационных и гравитационно-капиллярных волн. Как известно, частотный энергетический спектр поверхностных волн на частотах выше час-ф тоты 1 о энергонесущих волн спадает при мерно пропорционально 1 - (4-5). При О) определении фазовых сдвигов на частотах т 0 возникают ошибки, обусловленные этим крутым спадом спектра ветровых волн Это инструментальные ошибки, связанны ф с тем, что относительно малые высокочастотные волны измеряются на фоне больших низкочастотных, и расчетные ошибки, связанные.с тем, что при расчете спектра функций используются фильтрующие спектральные окна (такие, как фильтр Тычки, Хэмминга и т.д., имеющие небольшие боко10 15 20 25 30 35 40 50 вые лепестки, Наличие этих лепестков приводит к "утечке" спектральной плотности иэ области максимума в области с низкими уровнями спектральной плотности, и хотя боковые лепестки невелики (для часто используемого окна Бартлетта наибольший боковой максимум составляет около 4-5 О от основного), при оценке спектральных функций, если исследуемые процессы имеют быстроспадающий автоспектр, то на высоких частотах имеют место значительные искажения.Целью изобретения является повышение точности,Цель достигается тем, что в устройстве для определения фазовых скоростей поверхностных волн, содержащем измеритель волновых характеристик и вычислитель, новым является то, что измеритель характеристик выполнен в виде лазера и фотоприемника, установленных с возможностью оптического сопряжения через границу раздела двух сред, а между лазером и фотоприемником установлен введенный узел параллельного смещения лазерного луча, выполненный с двумя параллельными зеркалами, установленными под углом к оси лазера, при этом узел параллельного смещения лазерного луча выполнен с возможностью перемещения вдоль оси, перпендикулярной оси лазера, и соединен с введенным блоком управления, подключенным к вычислителю.Использование лазерного луча позволяет отказаться от контактных датчиков волновых характеристик и тем самым исключить вносимые ими возмущения волнового поля, что, как следствие, позволяет исследовать короткие волны с высокой точностью.В предлагаемом устройстве признаки, относящиеся к выполнению лазерного уклономера (т,е. лазер с фотоприемником и вычислителем), являются известными, Однако . отличие, выражающееся во введении узла параллельного смещения лазерного луча, связанного с блоком управления, позволяет реализовать достоинства лазерного луча (малые размеры), а также позволяет использовать новый параметр - уклон для измерений фазовой скорости поверхностных волн и является новым. Другие измерители; подобные предлагаемому, не известны. Поэтому устройство соответствует критерию изобретения "существенные отличия".На фиг,1 схематично изображен один из возможных вариантов выполнения предлагаемого устройства при прямом прохождении луча лазера; на фиг,2 - то же, для положения, когда луч лазера смещен на величину б.,Предлагаемое устройство представляет собой лазер 1, заключенныйв герметичный корпус с кварцевым окном, фотоприемник 2, вычислитель 3 и узел параллельного смещения лазерного луча 4, помещенный в герметичный корпус с окнами, Узел параллельного смещения лазерного луча 4 состоит из двух электромагнитов 5,6 и подвижной рамки (на фиг. не изображена) с укрепленными на ней зеркалами 7 и 8. Электромагниты 5,6 подключены к блоку управления 9. Фотоприемник 2 расположен по ходу луча лазера 1, а узел параллельного смещения лазерного луча 4 размещен так, чтобы лазерный луч на пути к фотоприемнику 2 проходил между зеркалами 7,8, Фото- приемник 2 и блок управления 9 подключены к отдельным входам вычислителя 3.Пример конкретного исполнения, В качестве лазерного уклономера, в состав которого входят лазер 1, фотоприемник 2, вычислитель 3, может быть использован лазерный уклономер; аналогичный описанному, Подвижная рамка с зеркалами 7 и 8 может быть закреплена эксцентрично на вертикальной оси (подобно маятнику, но в горизонтальной плоскости). В положении,когда рамка притянута к электромагниту 5, луч лазера проходит без смещения (фиг.1). В положении, когда рамка притянута к электромагниту 6, луч лазера системой зеркал 7 и 8 смещается на величину б (фиг.2). Блок управления 9 электромагнитами состоит из генератора импульсов и усилителей, Он может быть выполнен по любой известной схеПоскольку определяются фазовые скорости коротких волн, устройство можно установить на платформе, отслеживающей длинные волны."Изменение частоты смещения луча определяется изменением частоты генератора импульсов блока управления 9, Расстояние б между лучами должно составлять примерно 1/3 длины волны, для которой определяетсю фазовая скорость. Уменьшение расстояния приводит к уменьшению фазового сдвига, а увеличение расстояния приводит к потере когерентности в волнах, И тот и другой эффекты приводят к соответствующим ошибкам в определении фазовых сдвигов и соответственно фазовых скоростей.Описанное устройство устанавливают так,что лазер 1 и узел параллельного смещения лазерного луча в корпусе 4 располо1791707 ф=9 к иг.1 и ставитель А.Запевалхред М,Моргентал Ре Н,Купрякова орректор М.Керец з 147 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10 жены под водой, а фотоприемник 2 - над водой.Устройство работает следующим образом,Периодически с частотой, зависящей от длины волн, для которых определяется фазовая скорость, и от необходимой частоты опроса, блок управления 9 формирует сигнал срабатывания электромагнитов 5 и 6 таким образом;что подвижная рамка с зеркалами 7,8 притягивается то к одному, то к другому электромагниту, и луч лазера отклоняется на величину О, Сигнал о срабатывании электромагнита поступает в вычислитель 3.Пусть требуется оценить фазовую скорость волн длиной около 10 см. Это волны гравитационного диапазона, подчиняющиеся дисперсионному соотношенйю где и = 2 к 1 - циклическая, частота. Из дисперсионного соотношений следует, что частота исследуемых волн 1 д 4 Гц, Частота опроса должна быть в 8-10 раз больше частоты 1, т,е. составлять 30 - 40 Гц, Смещение лучз составит 3- 4 см,Оценив указанные выше параметры, проводят измерения уклонов морской поверхности, соответствующих двум положениям луча (двум точкам).Рассчитывают фазовый сдвиг. При этомучитывают квазисинхронность измерений5 уклонов, т,е. тот факт, что уклон сначалаизмеряется в одной точке, потом в другой.Учесть и исключить укаэанный эффект можно несколькими путями, например, откорректировав взаимную корреляционную10 функцию, по которой в конечном счете рассчитывается фазовый сдвиг,Формула изобретенияУстройство для определения фазовыхскоростей поверхностных волн, содержа-15 щее измеритель волновых характеристик ивычислитель, о т л и ч а ю щ е е с я тем; что,с целью повышения точности, измерительволновых характеристик выполнен в виделазера и фотоприемника, установленных с20 воэможностью оптического сопряжения через границу раздела двух сред, а между лазером и фотоприемником установленвведенный узел параллельного смещениялазерного луча, выполненный с двумя па 25 раллельными зеркалами, установленнымипод углом к оси лазера, при этом узел параллельного смещения лазерного луча выполнен с возможностью перемещения вдольоси, перпендикулярной оси лазера, и соеди.30 нен с введенным блоком управления, подключенным к вычислителю.