Устройство для измерения параметров морского волнения

 

(19)SU(11)1240169(13)A1(51)  МПК ⁶    _G01C13/00(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯк авторскому свидетельствуСтатус: по данным на 17.01.2013 - прекратил действиеПошлина:

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ

Изобретение относится к области неконтактных океанографических измерений и предназначено для использования в информационно-измерительных комплексах измерения параметров морского волнения с летательных аппаратов. Цель изобретения расширение диапазона измеряемых высот морских волн при одновременном повышении точности измерений и упрощении устройства. На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг.2-5 графики функций К_b(H_3%), S(r'), a_ш²(Н_3%) и N(H_3%) соответственно. Устройство содержит антенну 1, антенный переключатель 2, первый коммутатор 3, приемник 4, второй коммутатор 5, первый детектор 6 огибающей отраженного сигнала, первый фильтр 7 нижних частот, второй делитель напряжения 8, второй детектор 9 огибающей отраженного сигнала, пятый фильтр 10 нижних частот, блок 11 автоматической регулировки усиления, центрирующий блок 12, компаратор 13 нулевого уровня, преобразователь период-напряжение 14, второй фильтр 15 нижних частот, первый умножитель 16, первый индикатор 17, первый квадратор 18, третий фильтр 19 нижних частот, функциональный преобразователь 20, реализующий степенную функцию у=х^0,5, сумматор 21, второй умножитель 22, четвертый фильтр 23 нижних частот, первый делитель напряжения 24, второй квадратор 25, третий умножитель 26, второй индикатор 27, передатчик 28, формирователь 29 коротких радиоимпульсов и синхронизатор 30. Антенна 1 через антенный переключатель 2 подключена к выходу первого коммутатора 3 и входу приемника 4, выход которого подключен к входу второго коммутатора 5. Один выход коммутатора 5 через первый детектор 6 и первый фильтр 7 подключен к первому, а второй через второй детектор 9 и пятый фильтр 10 к второму входу делителя 8. Выход первого фильтра 7 через блок 11 подключен к управляющему входу приемника 4, а выход детектора 6 к входу центрирующего блока 12. Выход блока 12 подключен одновременно к входам трех цепей. Первая цепь содержит последовательно соединенные компаратор 13, преобразователь 14, второй фильтр 15, первый умножитель 16 и первый индикатор 17, причем на один из входов первого умножителя 16 поступает с бортового измерителя скорости полета напряжение, пропорциональное этой скорости. Вторая цепь содержит последовательно соединенные первый квадратор 18, третий фильтр нижних частот 19, преобразователь 20 и сумматор 21. Третья цепь содержит последовательно соединенные второй умножитель 22, четвертый фильтр 23 и первый делитель 24, причем второй вход второго умножителя 22 подключен к выходу первого квадратора 18, второй вход первого делителя 24 подключен к выходу третьего фильтра 19, а выход первого делителя 24 к второму входу сумматора 21. Выход делителя 8 через второй квадратор 25 подключен к одному, а выход сумматора 21 к другому входу третьего умножителя 26, к выходу которого подключен второй индикатор 27. Передатчик 28 подключен к одному входу первого коммутатора 3 непосредственно, а к другому через формирователь 29. Выход синхронизатора 30 подключен к управляющим входам коммутаторов 3 и 5 и передатчика 28, на второй управляющий вход которого поступает с бортового измерителя высоты полета напряжение, пропорциональное этой высоте. Функциональные блоки 13-17 образуют каналы измерения средней длины и направления распространения морских волн, а блоки 8, 18-27 канал измерения высоты морских волн. При импульсном облучении шероховатой поверхности мощность некогерентной составляющей отраженного сигнала Р_нкг (τ) определяется следующим образом: P_нкг(τ) Q²_эβ 1-1 + l, (1) где Q величина, характеризующая параметры приемопередатчика;
Н_о высота полета летательного аппарата;
Θ ² _эβ ширина эквивалентной диаграммы направленности;
Θ ширина диаграммы направленности антенны;
а_ш параметр шероховатости отражающей поверхности;
К_fo коэффициент отражения Френеля;
С скорость света;
τ длительность сигнала (зондирующего импульса). При достаточно широкой диаграмме Θ_β, когда выполняется условие Θ_β² >>5,5 а ², величина Θ²_эβ ≃ a²_ш. В этом случае формула (1) принимает вид
P_нкг(τ) ≃ 1-1 + l-. (2)
Из формулы (2) следует, что мощность отраженного сигнала зависит также и от высоты полета Н_о, длительности сигнала τ и параметра шероховатости поверхности а_ш, который остается значительно меньше единицы практически во всем диапазоне бальностей волнения моря. При больших τ, т.е. при сравнительно большой длительности сигнала, когда выполняется условие
(Cτ /H_oа_ш²) > (2-3), вторым слагаемым в квадратных скобках формулы (2) можно пренебречь по сравнению с единицей и записать
P_нкг(τ_д) ≃ QK/H²_o. (3)
В случае малых τ, когда (C τ/H_oa_ш²) < 1, формула (2) принимает вид
P_нкг(τ_к) ≃ 1-l. (4)
Из формул (3) и (4) следует, что при "длинных" импульсах мощность некогерентной составляющей к концу импульса практически оказывается равной мощности при непрерывном излучении. При "коротких" импульсах мощность некогерентной составляющей отраженного сигнала не успевает за время импульса достичь максимального значения и оказывается меньше, чем при "длинных" импульсах. Поделив Р_нкг(τ_к) на Р_нкг(τ_д), получим зависимость
S(τ¹)=1-l, (5) где τ'= Cτ_к/H_oa_ш². График функции S(τ') представлен на фиг.3, откуда видно, что функция S(τ') существенно зависит от параметра шероховатости морской поверхности а_ш, который связан с высотой волн Н_3%. На фиг.4 представлен график а_ш²(Н_3%). Функция S(τ') при известных высоте полета и длительности короткого импульса τ_к оказывается однозначно связанной с высотой волн Н_3%, причем с ростом Н_3% величина S(τ') уменьшается, что в сущности и приводит к рассмотрению диапазона измеряемых высот волн, поскольку в качестве информативного параметра используется величина N K/S(τ')
Для практической реализации предлагаемого устройства необходимо правильно выбрать и поддерживать на заданном уровне соотношение величин Н_о и τ_к. Анализ кривых на фиг.3 и 4 показывает, что наиболее оптимальным является выбор указанного соотношения из условия
3 при H_3%=2 м(a²_ш=0,042). Например, при Н_о Н_омин 1000 м и Н_3% 2 м получим
≃ 0,42 мкс. Минимальная длительность "длинного" импульса должна выбираться из условия
≥ 6, при H_3%=H, где Н_3%макс верхний предел измеряемых высот волн. Например, при Н_3%макс 6 м и Н_омин 1000 м получим
≃ 1,7 мкс. С увеличением высоты полета величины τ_к и τ_д также должны пропорционально увеличиваться. С этой целью на один из управляющих входов передатчика заводится напряжение, пропорциональное высоте полета, благодаря чему величины τ_к и τ_д меняются пропорционально Н_о. На фиг. 5 представлена зависимость N K/S(τ'), в функциях от высоты волн Н_3% при (Сτ_к/H_o) 0,126 и λ= 10 м. Для сравнения представлен график функции К(Н_3%). Как видно из графика, верхний предел измерения в предлагаемом устройстве составляет 6-7 м, в то время как в известном устройстве он не превышает 4-4,5 м. Работает устройство следующим образом. Передатчик 28 в совокупности с формирователем 29 коротких радиоимпульсов вырабатывают зондирующие радиоимпульсы длительностью τ_д и τ_к, которые с помощью первого коммутатора 3 через антенный переключатель 2 поочередно поступают в антенну 1 и излучаются, причем импульсы длительностью τ_к формируются путем деления импульсов длительностью τ_д в заданной пропорции. Отраженные морской поверхностью радиоимпульсы принимаются антенной 1 и через антенный переключатель 2 поступают в приемник 4, где усиливаются и через второй коммутатор 5 поочередно подаются на детекторы 6 и 9, причем радиоимпульсы длительностью τ_д, т.е. "длинные" импульсы, подаются на детектор 6, а длительностью τ_к т.е. "короткие" импульсы, на детектор 9. С выхода детектора 6 напряжение огибающих "длинных" импульсов поступает на вход центрирующего блока 12 и через второй фильтр 7 нижних частот и блок 11 автоматической регулировки усиления на управляющий вход приемника 4. Выходное напряжение центрирующего блока 12 по аналогии с известным устройством подается на входы трех последовательных цепей, первая из которых содержит функциональные элементы 13-17 и служит для измерения длины λ _ср и направления распространения морских волн, а две другие, содержащие функциональные элементы 18-24 для измерения обобщенного параметра огибающей "длинных" импульсов К=K_b(1+K_a), функционально связанного с отношением Н_3%/λ. Напряжение огибающей "коротких" импульсов с выхода детектора 9 подается на вход пятого фильтра 10 нижних частот. Выходные напряжения второго 7 и пятого 10 фильтров нижних частот подаются на входы второго делителя 8, выходное напряжение которого U₈оказывается при этом пропорциональным отношению амплитуд "длинного" и "короткого" импульсов U_b . Это напряжение возводится в квадрат в квадраторе 25 и подается на один вход третьего умножителя 26, на второй вход которого подается выходное напряжение сумматора 21, пропорциональное параметру К огибающей "длинных" отраженных импульсов. В результате выходное напряжение U₂₆ третьего умножителя 26 оказывается пропорциональным отношению
U₂₆ N K/S, которое, как и параметр К, связано функциональной зависимостью с высотой морских волн. С выхода третьего умножителя 26 напряжение U₂₆ поступает на индикатор 27, проградуированный в значениях величин Н_3%. Синхронизатор 30 обеспечивает синхронную работу приемопередатчика с целью поочередного излучения и приема "длинных" и "коротких" импульсов.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ, содержащее передатчик, последовательно соединенные антенну, антенный переключатель и приемник, детектор огибающей отраженного сигнала, один из выходов которого через первый фильтр нижних частот и блок автоматической регулировки усиления соединен с управляющим входом приемника, а второй с выходом центрирующего блока, цепь из последовательно соединенных компаратора нулевого уровня, преобразователя период-напряжение, второго фильтра нижних частот, первого умножителя и первого индикатора, цепь последовательно соединенных первого квадратора, третьего фильтра нижних частот и функционального преобразователя, цепь из последовательно соединенных второго умножителя, четвертого фильтра нижних частот и первого делителя напряжения, а также сумматор и второй индикатор, причем выход центрирующего блока соединен с входами компаратора нулевого уровня, первого квадратора и второго умножителя, выход первого квадратора соединен с вторым входом второго умножителя, выход третьего фильтра нижних частот соединен с вторым входом делителя напряжения, выходы функционального преобразователя и делителя напряжения соединены с соответствующими входами сумматора, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых высот морских волн при одновременном повышении точности измерений и упрощении устройства, в него введены два коммутатора, формирователь коротких радиоимпульсов, синхронизатор, последовательно соединенные второй детектор огибающей отраженного сигнала и пятый фильтр нижних частот, а также последовательно соединенные второй делитель напряжения, второй квадратор и третий умножитель, причем выход сумматора соединен с вторым входом третьего умножителя, к выходу которого подключен второй индикатор, один из входов второго делителя напряжения соединен с выходом первого фильтра нижних частот, а второй с выходом пятого фильтра нижних частот, выходы второго коммутатора соединены с первым и вторым детекторами огибающей отраженного сигнала, выход передатчика соединен с одним входом первого коммутатора непосредственно, а с другим через формирователь коротких радиоимпульсов, выход приемника соединен с входом второго коммутатора, выход синхронизатора соединен с управляющими входами передатчика и обоих коммутаторов, выход первого коммутатора соединен с антенным переключателем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5