Измеритель параметров морских волн

 

Изобретение относится к океанографической технике и может быть использовано для измерения параметров морских волн в натурном водоеме. Сущность изобретения заключается в том, что в заданной области натурного водоема устанавливают буй положительной плавучести с маятником, подвешенном на сферическом шарнире. Маятник подпружинен с четырех сторон двумя парами волоконных катушек, оптически согласованных в два независимых интерферометра. Имеется третья пара волоконных катушек, одна из которых расположена внутри, а другая снаружи буя, также оптически согласованных в интерферометр. Выходные сигналы интерферометров дают информацию об угловых наклонах и его вертикальной координате. Технический результат - обеспечение более высокой информативности измерителя параметров морских волн. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Измерение относится к океанографической технике и может быть использовано для измерения параметров морских волн в океане.

Известен измеритель того же назначения [1], содержащий две волоконные катушки интерферометра, расположенные под ортогонально ориентированными приемными мембранами, закрепленными в корпусе, причем волоконные катушки нагружают на эти приемные мембраны. При расположении измерителя в море на одну из мембран (и катушек) будет воздействовать полное давление, на другую - гидростатическое. При этом на выходе интерферометра выделяется сигнал, пропорциональный волновому давлению.

Недостатком известного измерителя является его низкая информативность о параметрах морских волн, ограниченная только значением волнового давления.

Известен измеритель параметров морских волн [2], принятый за прототип, содержащий заякоренный буй положительной плавучести, внутри которого на сферическом шарнире закреплен маятник, а также преобразователь отклонения маятника под действием морских волн с источниками питания, подключенный выходами через усилитель к регистраторам.

Положение маятника в прототипе измеряется посредством электрических контактов относительно северного направления, задаваемого компасом. В результате с помощью прототипа получают информацию не только о давлении (амплитуде) волн, но и о направлении последних на морской акватории.

Недостатком прототипа является отсутствие на выходе измерителя оптического сигнала, что затрудняет его согласование с оптико-волоконной линией связи, являющейся к настоящему времени основной кабельной линией связи на большие расстояния в океане.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является устранение отмеченного выше недостатка прототипа, т.е. получение на выходе измерителя оптического сигнала, как это осуществлено в аналоге [1], но при обеспечении высокой информативности измерителя по сравнению с аналогами.

Данный технический результат получают за счет того, что в известном измерителе параметров морских волн, содержащем заякоренный буй положительной плавучести, внутри которого на сферическом шарнире закреплен маятник, а также преобразователь отклонения маятника под действием морских волн с источниками питания, подключенный выходами через усилители к регистраторам, преобразователь отклонения маятника под действием морских волн выполнен в виде четырех подпружиненных волоконных катушек, попарно расположенных напротив друг друга в прямоугольной системе координат и контактирующих с поверхностью маятника, при этом обе пары волоконных катушек оптически согласованы с соответствующими источниками когерентного света и фотоприемниками в два интерферометра, снабженных фазосдвигающими устройствами, причем через усилители к регистраторам подключены выходы фотоприемников интерферометров.

Измеритель дополнительно содержит третью пару волоконных катушек, оптически согласованных с дополнительными источниками когерентного света и фотоприемником, при этом одна из волоконных катушек расположена внутри буя положительной плавучести, а внутри - вне его в морской среде и закреплена преимущественно на дне буя, причем выход фотоприемника подключен через дополнительный усилитель к дополнительному регистратору, а интерферометр снабжен фазосдвигающим устройством.

Фотоприемники, усилители и регистраторы могут быть расположены внутри буя и снабжены записывающими устройствами.

Фотоприемники, усилители и регистраторы могут быть расположены вне буя на подводном центре управления, а оптическая связь интерферометров с фотоприемниками осуществляется по волоконно-оптической линии связи.

Буй положительной плавучести может быть выполнен из двух отсеков, в одном из которых располагают усилители, регистраторы, источники питания и источники когерентного света с фотоприемниками, а в другом - волоконные катушки с маятником, при этом последний отсек заполняют водой.

Заполнение последнего отсека буя можно проводить через отверстия в дне буя морской водой.

Изобретение поясняется чертежом, на фиг.1 которого представлена общая схема измерителя, а на фиг.2 - его оптико-электронная блок-схема.

Измеритель параметров морских волн содержит буй 1, выполненный из двух отсеков 2 и 3. Причем отсек 3 заполнен морской водой, например, через отверстие 4.

В отсеке 3 закреплен маятник 5, подвешенный на сферическом шарнире 6. К отсеку 2 прикреплен захват 7 для установки буя 1 на штатном месте.

Соотношение объемов между затопленным 3 и незатопленным 2 отсеками буя выбираются такими, чтобы буй обладал положительной плавучестью в морской воде.

Маятник 5 подпружинен с четырех сторон (по координатам X, Y) волоконными катушками 8, 9 (на фиг.1 показана лишь одна пара катушек по координате X) таким образом, что с одной стороны катушки опираются на маятник 5, а с другой - на упоры 10, 11 (на фиг.1 также показана только одна пара упоров по координате X).

Волоконные катушки оптически согласованы с соответствующими источниками 12 когерентного света и фотоприемниками 13 в два интерферометра, например Цендера-Мака, снабженных фазосдвигающими устройствами 14 (на фиг. 2 показана оптическая схема только одного интерферометра).

Оптическое согласование волоконных катушек с фотоприемником 13 может осуществляться по волоконно-оптической линии связи 15. При этом фотоприемник 13, подключенный выходом через усилитель 16 к регистратору 17, может располагаться за несколько десятков километров от буя 1 на надводном центре управления (не показан). Там же могут располагаться и электронные блоки интерферометра с регистратором.

Во втором отсеке 2 могут располагаться блоки питания измерителя.

Возможен вариант исполнения, когда в отсеке 2 располагаются все электронные блоки измерителя. Тогда последний снабжается записывающим устройством.

Буй 1 также может быть снабжен третьей парой волоконных катушек 18, 19, оптически согласованных в аналогичную схему интерферометра, приведенную на фиг.2.

Волоконная катушка 18 располагается внутри отсека 3, а волоконная катушка 19 - непосредственно в морской среде 20. Волоконную катушку 19 преимущественно закрепляют на дне буя 1 положительной плавучести.

При реализации последнего варианта выполнения измерителя отверстие 4 в дне буя 1 должно отсутствовать. Но при этом отсек 3 может быть предварительно заполнен водой.

Буй 1 положительной плавучести закрепляют на штатном мете натурного водоема 20 с помощью якорного устройства 21.

Перед эксплуатацией измеритель параметров морских волн как и любой подобный прибор проходит метрологическую аттестацию. При этом предварительно с помощью фазосдвигающего устройства 14 начальные разности фаз интерферирующих лучей всех трех интерферометров устанавливают равными 90°.

Длины волокон в волоконных катушках 8, 9, 18, 19 выбирают такими, чтобы величины входных сигналов не превышали квазилинейных участков выходных кривых интерферометров, т.е. величин ±45° по разности фаз.

Измеритель может работать непрерывно или запускаться в работу периодически с помощью специально введенного в отсек 2 буя 1 программного устройства или по сигналу с надводного центра управления. В последнем варианте буй 1 положительной плавучести дополнительно снабжается приемно-передающими радиоблоками.

Измеритель параметров морских волн работает следующим образом.

Под действием морских волн буй 1 будет испытывать наклоны в плоскостях X-Z и Y-Z и колебательные движения по координате Z.

Маятник 5 будет смещаться вдоль координат X и Y насколько это позволяют подпружиненные волоконные катушки 8, 9. При этом одна из волоконных катушек будет сжиматься, а другая - ослабляться. Возникающая от этого на выходе интерферометров разность фаз преобразуется им в пульсации фототока, усиливаемые усилителем 16 и регистрируемые регистратором 17.

Пара интерферометров таким образом регистрирует угловое отклонение буя 1 в плоскостях X-Z и Y-Z.

При вертикальных колебаниях буя 1 (вверх - вниз) сигнал на волоконную катушку 19 будет изменяться под воздействием периодически изменяющегося гидростатического давления, а сигнал на катушке 18 будет оставаться постоянным. (Как уже отмечалось, отверстие 4 в буе 1 в этом варианте измерения отсутствует). При этом на выходе третьего интерферометра будет присутствовать сигнал, пропорциональный амплитуде волн (или волновому давлению).

Все три сигнала с интерферометров поступают с соответствующих регистраторов (на фиг.2 показан только регистратор 17) на компьютер, который по заданной программе рассчитывает параметры морских волн в заданной области натурного водоема 20.

Таким образом, с помощью данного измерителя получают высокую степень информативности о параметрах морских волн в оптическом диапазоне сигнала, передаваемого по оптико-волоконной линии связи на подводный центр управления.

Этим достигается поставленный технический результат.

Источники информации

1. Патент РФ №2112943, кл. G 01 L 11/00, 1996.

2. Патент Франции №2275777, кл. G 01 P 13/02, 1976 - прототип.

Формула изобретения

1. Измеритель параметров морских волн, содержащий заякоренный буй положительной плавучести, внутри которого на сферическом шарнире закреплен маятник, а также преобразователь отклонения маятника под действием морских волн с источниками питания, подключенный выходами через усилитель к регистраторам, отличающийся тем, что преобразователь отклонения маятника под действием морских волн выполнен в виде четырех подпружиненных волоконных катушек, попарно расположенных напротив друг друга в прямоугольной системе координат и контактирующих с поверхностью маятника, при этом обе пары волоконных катушек оптически согласованы с соответствующими источниками когерентного света и фотоприемниками в два интерферометра, снабженных фазосдвигающими устройствами, причем через усилители к регистраторам подключены выходы фотоприемников интерферометров.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит третью пару волоконных катушек, оптически согласованных с дополнительными источником когерентного света и фотоприемником, при этом одна из волоконных катушек расположена внутри буя положительной плавучести, а вторая - вне его в морской среде и закреплена преимущественно на дне буя, причем выход фотоприемника подключен через дополнительный усилитель к дополнительному регистратору, а интерферометр снабжен фазосдвигающим устройством.

3. Измеритель по п.1 или 2, отличающийся тем, что фотоприемники, усилители и регистраторы расположены внутри буя и снабжены записывающими устройствами.

4. Измеритель по п.1 или 2, отличающийся тем, что фотоприемники, усилители и регистраторы расположены вне буя на надводном центре управления, а оптическая связь интерферометров с фотоприемниками осуществляется по волоконно-оптической линии связи.

5. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что буй положительной плавучести выполнен из двух отсеков, в одном из которых расположены усилители, регистраторы, источники питания и источники когерентного света с фотоприемниками, а в другом - волоконные катушки с маятником, при этом последний из отсеков заполнен водой.

6. Измеритель по п.1 или 5, отличающийся тем, что в дне буя положительной плавучести выполнено отверстие для заполнения его нижнего отсека морской водой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2