Способ измерения спектров короткопериодных поверхностных волн

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 008 А 55 С 01 ЕНИЯ К АВТОРС ВИДЕТЕЛЬСТВ ая с учетом рассчитанх условиях океааченокопеник наэ о о ия способа , сумматор отель 9. ен в виде труны, соочно- еренсхема лагаеменения .кий сиговерх- число ются Одоп д один о перешетки иг,3 -ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИ,"МПРИ ГКНТ СССР САНИЕ ИЗО(71) Морской.гидрофизический институт АН УССР(56) В,Е, Ефимов, Ю.П. Соловьев и Г.Н, Христофоров, Экспериментальное определение фазовой скорости распространения спектральных составляющих морских волн. - Изв. АН СССР, Сер, Физика атмосферы и океана, 1972, т. 8, М 4, с, 435-446.Коняев К.В, Спектральный анализ случайных океанопогических полей, - Л, Гидрометеоиэдат, 1981, гл.4.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРОВ КОРОТКОПЕРИОДНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН Изобретение относится к технографических измерений и преддля определения характеристик к рриодных поверхностных волн,Цель изобретения - повышениести измерений путем учета потери котности волн,На фиг,1 приведена структурнаяустройства для осуществления премого способа измерения спектров иностных волн (для случаев, когдаволнографов равно шести); на фиг,2даточная функция резонансной ребез учета потери когерентности; на(57) Изобретение относится к океанографическим измерениям и предназначено для определения характеристик короткопериодных поверхностных волн. Цель изобретения - повышение точности иэмерений - достигается путем учета потери когерентности волн, Волнографами измеряют сигналы, пропорциональные изменению уровня поверхности в четном числе точек пространства, расположенных вдоль прямой линии на равном расстоянии одна от другой. Затем суммируют сигналы (из двух соседних точек с разными знаками) и рассчитывают спектр суммарного сигнала. Одновременно с измерением суммарного сигнала измеряют сигналы, пропорциональные изменению уровня в двух любых соседних точках, рассчитывают взаимные спектральные характеристики и вычисляют по ним передаточную функцию, посредством которой вычисляют по спектру суммарного сигнала спектр поверхностных волн, 3 ил. передаточная функция, полученнэффекта потери когерентности,ная для измеренной в натурныфункции когерентности,Устройство для осуществленсодержит шесть волнографов 1-67, анализатор 8 спектра и вычислКаждый волнограф выпопнполупогруженной высокоомнойединенной с преобразователемсопротивления струны е эпектринал, Волнографы 1-6 раэмещапрямой на равном расстояниидругого.Выходы всех шести волнографов 1-6 соединены с входом сумматора 7. Могут использоваться как аналоговые, так ицифровые сумматоры, В последнем случаемежду волнографами 1-6 и сумматором 7должны быть включены аналого-цифровыепреобразователи, Такие же преобразователи устанавливаются во всех глучаях стыковки аналоговых и цифровых приборов.На фиг,1 элементы сопряжения аналоговой и цифровой аппаратуры не показаны.В качестве анализатора 8 спектра можно использовать мини-ЭВМ ДВКили специализированный спектроаналиэатор.Мини-ЭВМ ДВКможно также использовать в качестве вычислителя 9, Функциианализатора 8 спектра и вычислителя 9 может выполнять и одна ЭВМ.Способ осуществляется следующим образом.Устанавливают волнографы 1-6 по прямой линии на равном расстоянии 2 с 1 один отдругого. Расстояние 2 б=Л, где Л - длина исследуемой волны. Например, б = 40 см Посредством сумматора 7 определяют сигнал,пропорциональный сумме изменений уровня водной поверхности в точках расположения волнографов, причем сигналы от четныхволнографов суммируют с одним знаком, асигналы от нечетных волнографов суммируют с противоположным знаком. Одновременно волнографами 5 и 6 измеряютизменения уровня водной поверхности вдвух точках, Рассчитывают взаимные спектральные характеристики изменений уровняповерхности в двух точках. Вычисляют поспектральным характеристикам передаточную функцию. Вид ее для конкретного случая приведен на фиг.3 Рассчитываютспектр определенного суммарного сигналавсех волнографов. По спектру суммарногосигнала с помощью вычисленной передаточной функции рассчитывают спектр поверхностных волн,Устройство для осуществления способаработает следующим образом,Сигналы волнографов 1-6 поступают насумматор 7, где сигналы с датчиков имеющих четные номера, суммируются беэ изменения знака, а сигналы от нечетныхдатчиков - с противоположным знаком, Сигнал от сумматора 7 поступает на анализатор8 спектра и затем на вычислитель 9, Навычислитель 9 также поступают сигналыдвух соседних волнографов 5 и 6, входящихв состав решетки.Сравним передаточные функции, определенные с учетом и без учета эффекта по 1 ери когерентности,Сначала получают выражение для передаточной функции в общем виде, Пусть решетка состоит из 2 гч (где й = 1,2,3,.) идентичных идеальных волнографов 1-6, 5 сигнал каждого из которых пропорционаленизменению уровня поверхности. Волнографы 1-6 расположены вдоль прямой на одинаковом расстоянии друг от друга, равном б. Сигналы от волнографов, имеющих чет ные номера, суммируются без изменениязнака, а от нечетных волнографов - с противоположным знаком. Тогда выходной сигнал решетки Ер определяется выражением2 И( )=Х ( - 1)"( ), (1)о =1где 7 р - выходной сигнал решетки;Ъ - сигнал волнографа с номером и, Спектр мощности Зр сигнала резонан сной решетки определяется выражениемэр(ь) =(3)Иэ (3) следует, что Ер(1) равняется суммевзятых с соответствующим знаком взаимных ковариационных функций2 пгп(т ) = 2.п(1) 2 п( с + т).Подставляя (3) в (2) и вынося знаки суммирования за знак интеграла, получаютЯр (О 1) =21 Ч гй( - 1 )" Е (о, (4)п=1 в=145 где Е(о) = 2(л)Г Ещ(т) ехр(о 1 г) д 2- кросс-гпектр и-го и гп-го волнографов,Представим кросс-спектр Епп(в), являющийся в общем случае комплексной функцией, в форме50 Еп,(и) = Апп(о ехр 1 уъгп(оу)(5)где Ав (го) и уев(в) - взаимные амплитудный и фазовый спектры,В стационарном и однородном волновом поле 5,( ог) = 5(в) = Я(в) и А ( и) =г55 = й,(а) 5(о 1), поэтому выражение (5) можно переписать в видеЕпт( оФ = Впгп(о ) 5(го) ехр 1 уъпфо), (6)где йп(ог) = Р щтФд)2 1/г, 5 1635008В - квадратичная функция когерентногсти,Учитывая, что эи уЪ - -3 вр, и чтоВпв(й = йвп(ю), можно показать, что суммамнимых частей Гпп(ю) в(4) равна нулю,Отсюда получают5 Р (о) =дч9;, (-1)" + В.(и Х1 л =1 щ =сов п(щ З (щ). (7)Выражение в фигурных скобках является передаточной функцией резонансной решетки, связывающей спектр ее выходногосигнала Зр( а) со спектром исследуемоговолногового поля 5 (и.В случае, когда волнографическая решетка ориентирована в направлении распространения волн, фазовый сдвиг в волнедлиной Л между волнографами с номерамии и гп на расстоянии Ои-вравенЪ= 27 ги - гп .б(8)Спектральные характеристики можнопредставить как функции безразмерногопараметра ОМ. В частности, в короткопериодных волнах практически полная потерякогерентности происходит на расстояниях,меньших длины волны. Следовательно, сигналы волнографов. разнесенных на расстояние 2 б или больше. на частотах,соответствующих А = 2 с и выше, являютсястатистически независимыми,Примеры передаточных функций, рассчитанных без учета (как это делается в прототипе) и с учетом потери когерентности,показаны на фиг.2 и 3.Используемая функция квадратичнойкогерентности показана на фиг,З: сплошнаялиния - экспериментальные данные, пунктир - аппроксимация в область, где измерения не проводились,Для наглядности передаточные функции на фиг,2 и 3 даны нормированными на 5 безразмерный коэффициент (2 й) . Учетгполученной в натурных экспериментах потери когерентности в значительной мере влияет на вид передаточной функции, Влияние этого эффекта увеличивается с увеиче нием числа волнографов в составе оешетки.Таким образом показано, что рас .ет передаточной функции без учета эффекта потери когерентности приводит к ошибкам в определении спектра волн, которые еозра стают с увеличением числа элементов решетки.Формула изобретения20 Способ измерения спектров короткопериодных поверхностных волн, заключающийся в том, что измеряют сигнал, пропорциональный сумме изменений уровня водной поверхности в 2 Й числе точек, где 25 й = 1,2,3, расположенных по прямой линии на равном расстоянии одна от другой, вычисляют спектр суммарного сигнала, по которому с использованием передаточной функции вычисляют спектр короткопериодных поверхностных волн, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерений, одновременно с измерением суммарного сигнала измеряют сигналы, пропорциональные изменению уровня водной поверхности в двух соседних точках, по этим сигналам вычисляют взаимные спектральные характеристики, по которым определяют передаточную функцию для расчета спектра короткопериодных поверхностных 40 волн, 1635008ул.Гагарина, 101 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Уж Заказ 748 Тираж 310 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва. Ж, Раушская наб 4/5