Способ измерения параметров морских волн

 

№ 133613

Класс 42с, 26а1, И

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Подписная группа № 1á5

Л. Н. Дерюгин и Г. Х. Фридман

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОРСКИХ ВОЛН

Заявлено 16 марта 1960 г. за № 659140/26 в Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Опубликовано в «Бюллетене изобретений» № 22 за 1960 г.

Известны способы измерения параметров морских волн при помощи установленных на некоторой высоте над поверхностью моря импульсного излучателя и приемника, снабженного осциллографическим указателем. Однако на результаты измерений подобными способами оказывает влияние изменение высоты расположения радиоаппаратуры на взволнованной поверхностью в процессе излучения. Поэтому требуется особая направленность излучателя и его стабилизация в пространстве.

Для устранения указанных недостатков предлагается взволнованную поверхность моря облучать радиоволнами, имеющими длину волны одного порядка с длиной морской волны. О длине морских волн судят по отношению времен запаздывания относительно зондирующего импульса максимумов двух эхо-сигналов, один из которых отражен вертикально от взволнованной поверхности моря, а другой — под некоторым острым углом. Высоту волн определяют по отношению амплитуд указанных эхо-сигналов и времени их запаздывания относительно зондирующего импульса. Определение процентного содержания волн различного периода производят на основе анализа формы эхо-сигналов, отраженных от волновой поверхности.

На фиг. 1 показано измерение параметров морских волн при строгой периодичности волнующей поверхности; на фиг. 2 — то же, при отклонении от строгой периодичности; на фиг. 3 — схематически изображено расположение импульсов на экране осциллографического устройства

Пусть облучаемая волновая поверхность является строго периодической с длиной волны (или периодом) L (фиг, 1). В точке А находится излучатель, испускающий сферические радиоволны с длиной волны 1, сравнимой с длиной волны L исследуемой поверхности. При отражении радиоволн от поверхности в каждой ее облученной точке возникает расходящийся поток зеркально отраженных (сплошные линии со стрелками № 133613 на фиг. 1) и расходящийся поток диффракционно отраженных радиоволн (пунктирные линии со стрелками на фиг. 1).

Диффракционное отражение общеизвестно периодичностью поверхности и направление его распространения $„çàâèñèò как от угла падения ср, так и от длины волны L поверхности:

sin Ä=sin u + n

A где и== 1, +2,... порядок диффракционного отражения

Всегда один из диффракционных лучей, отраженный, например, в точке В обязательно пройдет через точку А. Условием такого строгого обратного отражения служит равенство cp„— р.

Отсюда следует связь между углом падения q> и относительной длиL ной волны поверхности,при котором имеет место строго обратное дифи ) фракционное отражение порядка и: ли = — —, —, n — 1, — 2, .

С другой стороны, если применить импульсный режим работы излучателя в точке А, угол ср связан с временем t запаздывания импульса, отраженного в точке В, и временем ta запаздывания импульса, отражеч2R 1 ного в точке С (фиг, 1), соотношением

t 2Н совр где R — расстояние от излучателя до отражающей точки В; Н вЂ” высота излучателя над исследуемой поверхностью.

При этом время отсчитывается от максимума зондирующего импульса до максимумов отраженных импульсов эхо-сигналов. Отсюда

1 получается искомая связь между относительным запаздыванием о

L 1 1 и относительной длиной волны — поверхности:

1 1 — (— — )2

n= — 1,— 2,...

Чтобы исключить многозначность, целесообразно выбирать длину радиоволны Л, в пределах L < Х <2L; тогда будет осуществляться только диффракционное отражение порядка и — 1. В этом случае.

t 1 -() (1) ., 2L

Заметим, что в точку А приходят отражения только из точки В и С, так как радиоволны, диффракцированные и зеркально отраженные из других точек в нее не попадают .

Таким образом, если расположить в точке А импульсный передатчик и приемник, то, измеряя время запаздывания импульсов, отраженных в точках В и С, относительно зондирующего импульса, можно определить длину волны L взволнованной поверхности.

Определить высоту волны h можно по отношению амплитуд имЕ,, пульсов (— ), отраженных соответственно точками В и С. Это отноЕ, шение связано с длиной радиоволны, высотой волны h исследуемой поверхности и углом падения «р известным из теоремы диффракции волн № 133613

Е, на неровной поверхности выражением: — =созе

F, где I — функция Бесселя 1-го порядка; сом =—

t„„

Реальная волновая поверхность (например, взволнованная поверхность моря), не являясь строго периодической, изменяет форму эхо-си;-налов, отраженных от нее. Характер этого изменения можно уяснить из следующих соображений. Пусть отклонение от строгой периодичности

AL характеризуется величиной относительного изменения длины волны

L поверхности. Так как любой непериодический процесс представляет собой наложение в определенных соотношениях периодических процессов со всевозможными наборами периодов, то на каждом значительном (по сравнению с L) участке поверхности имеется периодичность не только с длиной волны L, но и с длиной волны L — И.. Поэтому в точку А придут отражения как из точки В, так и из некоторой точки В, близко расположенной к В (см. фиг. 2). Диффракцированная радиоволна из точки

В будет соответствовать поверхности с длиной волны L, а из  — с длиной волны L AL.

При этом следует иметь в виду, что как в В, так и в В имеется периодичность с длинами волн L u L — ., но при этом диффракцировачная радиоволна, соответствующая длине морской волны L — L из точки

В не попадет в А- Аналогично из В диффракцированная радиоволна, соответствующая длине морской волны L, также не попадет в А.

В связи с тем, что в А теперь приходят отражения из двух точек (точнее от всего участка ВВ ), отраженный импульс увеличится по длительности на некоторую величину И, зависящую от степени отклонения

AL от непериодичности, Величина расширения отраженного импульса

М может быть приближенно оценена путем дифференцирования уравнения (2): -=- (1 — о о

Таким образом, отраженный импульс несколько расплывается, как

Ь показано на фиг. 3. При этом расширение (размытость) импульса— о отражает реальное состояние измеряемой поверхности. По величине размытости импульса можно приближенно оценить спектральный состав измеряемой взволнованной поверхности моря, т. е. процентное содержание волн разной длины. Положение максимума отраженного импульса (1 1 †) соответствует длине волны поверхности моря.

,)

Таким образом, предлагаемый способ позволяет не только определичь средние значения длины и высоты морских волн, но и дает информацию о характере разброса этих величин.

Поскольку предлагаемый способ измерения параметров морских волн основан на зависимости углов отражения диффракцированных радиоволн от длины волны L отражающей поверхности и на измерении этих углов путем сравнения времен запаздывания импульсов, отраженных под разными углами, относительно зондирующего импульса, точность измерения длины морской волны L определяется точностью измерения отношения — и не зависит от высоты Н излучателя над иссле10 дуемой поверхностью. Изменение высоты Н в процессе излучения также не сказывается на его результатах. № 133613

Предмет изобретения

Способ измерения параметров морских волн при помощи установленных на некоторой высоте над поверхностью моря импульсного излучателя и приемника, снабженного осциллографическим индикатором, отличающийся тем, что, с целью исключения влияния высоты излучателя на результаты измерений, взволнованную поверхность моря облучают радиоволнами, имеющими длину одного порядка с длиной морских волн, и о высоте волн или о длине их судят по отношению амплитуд или времен запаздывания относительно зондирующего импульса максимумов двух эхо-сигналов, один из которых отражен вертикально от взволнованной поверхности моря, а другой — под острым углом, Фиг. 1