Устройство для определения параметров морских волн

СООЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН ОО А 9) ( 51)4 С 01 С 13/00, С 0 ЕтЕНИЯ;У ПИСАН Е ИЗОБ ВИДЕТЕЛЬСТ ТОРСНОМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) 01 зеп И,В. Ьазег ргой 1 ошегг 2Ьзг. Апп. 8 опгЬчезс 1 ЕЕЕ Сопй, 1969,И.3 В 4, 1871-1877,Гуревич Г.С. и др. Определениеформы морской поверхности с помощьюлидара. Труды ЦАО, 1979, т. 138,с. 93-98,Авторское свидетельство СССР9 4 15489, кл. С 01 С 3/08, 1974.(54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОРСКИХ ВОЛН, представляющее собой лидар, содержащий импульсный лазер с коллиматором и оптическую систему, воспринимающую свет,отраженный от морской поверхности,и направляющую его на фотоприемник с регистрирующей аппаратурой на выходе для измерения изменений длительности отраженных импульсов, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью измерения высот волн при слабом волнении и небольшом удалении от морской поверхности, после коллиматора установлен оптический элемент для формирования светового импульса с диаграммой направленности в виде сектора конической поверхности с вертикальной осью симметрии, а в регистрирующую аппаратуру введен узел редукций измеряемой ширины импульсов с учетом угла локации. е2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что оптический . элемент для формирования светового (" импульса с выбранной циаграммой направленности выполнен в виде коничес- Я кого отражателя с углом при вершине, обращенной к коллиматору, меньшим Ж прямого на угол локации. М00 1 9310Изобретение относится к областиокеанологии и может быть использовано в метеорологии и гидродинамикеморского волнения для измерения высоты волн с берега и борта судна, атакже низколетящего авианосителя.Для дистанционного измерения высоты волн применяются фазовые дальномеры на лазерах непрерывного действияс высокочастотной модуляцией иэлучения. Необходимым условием их применения является строгая Фиксация расстояния до исследуемой поверхности, чтопрепятствует их использованию с судов.Импульсный лазерный профилометр 15работает при небольших углах скольжения, обладает невысокой точностьюи не обеспечивает непосредственногоизмерения высот волн и их статистического осреднения, Наиболее целесообразным при решении различныхокеанологических задач оказалосьустройство для определения параметровволн, построенное как импульсныйлазерный лидар. 25Лидар содержит импульсный лазерс коллиматором и оптической системой,воспринимающей свет, отраженный отморской поверхности, и направляющейего на фотоприемник с регистрирующей З 0аппаратурой для измерения измененийдлительности отраженных импульсов.В результате сопоставления шириныотраженного от поверхности импульсас шириной зондирующего и, в зависи"мости от угла зондирования, по увеличению длительности отраженного импульса определяют высоту или длинуволн,Однако определение высоты волн 40 данным устройством возможно лишь при сильном волнении, когда высота волн становится сравнима с длиной лазерных импульсов. Необходимость вертикального зондирования для определения высот 45 волн не позволяет применять данное устройство с борта судов и с берега.Цель изобретения - увеличение чувствительности импульсного лидара, а конкретнее измерение высот волн 50 при слабом волнении при небольшом расстоянии до морской поверхности, в частности с борта судов и с берега.Цель достигается тем, что в устройство вводится оптический элемент 55 для формирования диаграммы направленности излучения лазера в виде сектора конической поверхности, ось симметрии которой вертикальна. Этот оптический элемент может быть выполнен как конический отражатель, угол при вершине которого меньше 90 на угол локации.На Фиг. 1 изображена схема зондирования с борта судна; на фиг, 2 блок-схема устройства для определения параметров морских волн; на фиг. 3 - схема оптической системы для Формирования необходимой диаграммы направленности излучения; на фиг. 4 - схема, поясняющая процесс формирования диаграммы направленности в виде сектора конической поверхности при отражении излучения от поверхности конуса (вид сверху); на Фиг. 5 - вид сверху на диаграмму направленности и область пересечения ее с горизон" тальной плоскостью; на Фиг. 6 - схема, поясняющая возникновение флуктуаций локационной дальности до поверхности и обусловленное ими уширение отраженного импульса; на фиг. 7 - исходный и отраженный импульсы, нормированные к,единице.Устройство работает следующим образом.Лидар устанавливается на берегу или на борту судна. Излучатель 1 и приемник 2 располагаются рядом, Угол локации Н (угол между горизонталью 3 и направлением эондирова-.ония 4) порядка 10 и выбирается в зависимости от волнения так, чтобы не происходило затенения одних возвышений другими. Локационная дальность составляет несколько сотен метров. Лазер 5 с блоком 6 питания генерирует импульс ИК-света на длине волны 1,06 мкм длительностью 25 нс, Импульс попадает на светоделитель 7 и часть его при помощи фотодиода 8, питаемого от источника 9, запускает регистрирующую аппаратуру 10. Часть импульса, прошедшая светоделитель 7, поступает в оптическую систему 11, Формирующую диаграмму направленности излучения. Отраженный от поверхности моря свет попадает в Фотоприемник 12, питаемый от источника 13.Световой импульс преобразуется в электрический и поступает в регистрирующую аппаратуру 10, В блоке 14 ширина принятых импульсов редуцируется с учетом угла локации для получе-ния на выходе непосредственно средней высоты морских волн.9310 Оо 4ция времени приходаэлемента импульса с некоторого направления однозначно связана с возвышением Ь поверхности в точке отражения, скоростью света с и углом Ь2 Ьс зь.псПоскольку коэффициент отражения в сторону приемника в среднем не зависит от Ь;, что обосновано отсутствием корреляции между возвышениями и наклонами, то соотношение между статистическими распределениями величин й и Ь; будет иметь видС(с)= --- (Ь)с япа29где 1(Ь) - распределение возвышенийэлементов поверхности моряФормы излученного 25 и отраженного 26 сигналов показаны на фиг7.Следовательно, дисперсия Г(Ь) будет определяться по формулес зпЯЬ 2) - ---- Р16 фгде- ширина импульса С(т) на уровне е ", а среднеквадратичная высота по формулеГ 2 ТЬ =- - с ьзхпЫ.кв 4 Таким образом, изобретение увеличивает чувствительность импульсного лазерного лидара к слабому волнению при зондировании под углами менее 10 более чем в 10 раэ, что позволяет регистрировать волны от 10 см, Изобретение обеспечивает проведение измерений с высоты порядка 10-30 м., что позволяет применять измерительное устройство с борта судов, а это особенно важно, так как основной массив данных о волнении поступает именно с кораблей. формирование диаграммы направлен-, ности в виде сектора конической поверхности, имеющей вертикальную ось симметрии, показано на фиг3 и 4. Коллиматор 15 уменьшает расходимость лазерного пуска до 3-4 угловых минут. С помощью поворотного зеркала 16 импульс света направляется на поверхность конического отражателя 17, ось которого ориентирована О строго вертикально, а его вершина направлена вверх навстречу падающему импульсу. Однако ось конуса и ось пучка света не совпадаютУгол при вершине Ч равен 90 -с, Импульс све та после отражения от,конуса будет распространяться под углом о. При отражении формируется расходящийся пучок лучей, ограниченный лучами 18, пересекающимися на оси конуса в точ О ке 19, Уголрасходимости зависит от расстояния между осью пучка света и осью конуса 17. Если поверхность невзволнованна и ширина освещенной полосы 20 много меньше геометрической длины импульса, уширение отраженного импульса наблюдаться не будет. Например, при пропускании Р-импульса будет принят д"-импульс, Если поверхность взволнованна, то отраженный импульс будет длиннееисходного. Какой-то один луч 21 падает на участок поверхности 22 с положительным возвышенным Ь, его длина укорачивается, вследствии чего отраженный на этом направлении импульс попадает в приемник раньшеЬна время 2 - зпв. Какой-то другойслуч 23 падает на участок поверхности 24 с отрицательным возвышением Ь и приходит в приемник позднее на вреЬмя 2- зхп Ы, Таким образом флуктуа- с.7 аказ 59 о 4/ актор Л.Письман Техр 3 Тираж ИИПИ Государств по делам изобр 5, Москва, Ж"35 филиал ППП "Патент",.Надь Корректор В. Подписное комитета СС