Способ обнаружения гидродинамических воздействий

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам регистрации гидродинамических параметров. Способ предполагает регистрацию параметров гидродинамического воздействия с помощью расположенного в водоеме гидродинамического датчика и последующую обработку зарегистрированного сигнала. Приемный модуль выполнен с возможностью изменения углового положения под воздействием водной среды. Измеряют величину угловой скорости приемного модуля, полученную информацию обрабатывают и на ее основе определяют величины, характеризующие измеряемое гидродинамическое воздействие по заданному математическому выражению, учитывающему время измерений, радиус поворота датчика, сигнал волоконно-оптического гироскопа при измерении угловой скорости датчика. Находят линейное смещение, характеризующее гидродинамическое воздействие. В качестве датчика угловой скорости используют волоконно-оптический гироскоп, имеющий длину волокна до 25 км. В состав гироскопа входит лазер, оптическое волокно на катушке и фотоприемник. При этом лазер выполнен с возможностью введения в волокно двух встречных лучей, а угловая скорость фиксируется через разность фаз встречных лучей на выходе из катушки. Устройство также содержит гибкую подвеску, якорь и поплавок. Технический результат - повышение чувствительности датчика. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области регистрации и измерения естественного гидродинамического поля Мирового океана, гидродинамического поля, создаваемых движением подводных и надводных объектов, а также измерений гидродинамических параметров, вызванных движением несжимаемых жидкостей и их взаимодействием с надводными и подводными объектами в диапазоне от нуля до 1 Гц.

Параметры естественного гидродинамического поля Мирового океана, обусловленные морскими течениями, приливами, отливами, волнением моря и т.д., носят случайный характер и используются в основном для обеспечения судовождения.

Гидродинамическое поле подвижных объектов - это закономерные возмущения естественного гидродинамического поля Мирового океана в виде внутренних волн водной среды. Параметры этих волн можно измерить на фоне естественного поля в каждый момент времени и использовать в вычислительных программах по идентификации подвижных объектов и определению их пространственного положения.

Гидродинамические низкочастотные воздействия в пределах от нуля до 1 Гц измеряются и регистрируются на фоне естественного гидродинамического поля аналогично параметрам гидродинамического поля подвижных объектов и могут быть использованы при идентификации объектов по имеющимся сигнатурам в этом диапазоне частот.

Известен способ обнаружения внутренних волн гидродинамических подводных возмущений по патенту РФ №2134433, дата приоритета от 15.12.1997, заключающийся в поочередном облучении поверхности океанических и морских вод оптическим излучением ультрафиолетового диапазона, приеме обратных сигналов последовательно из точек, расположенных на площади, существенно превышающей площадь поверхности однократного зондирования, выделении флуоресцентной составляющей принятого сигнала, измерении спектрального и пространственного распределения энергии флуоресцентного сигнала. Облучение каждой точки поверхности производят однократно, выделяют три информационные спектральные составляющие флуоресцентного сигнала, преобразуют спектр полученного флуоресцентного сигнала в цветовой спектр, формируют с помощью дисплея на основе полученных цветовых сигналов цветовое поле, отображающее пространственное поле реальных принятых сигналов, наблюдают цветовое поле, определяют наличие подводных возмущений путем сравнения амплитудно-спектральных характеристик флуоресцентных сигналов, принятых с невозмущенных частей поверхности и с зон поверхности, под которыми имеются гидродинамические возмущения.

Известен способ измерения уровня давления шумоизлучения движущегося объекта в натурном водоеме по патенту РФ №2108007, дата приоритета от 01.11.1994, заключающийся в размещении в заданной области водоема рабочего гидроакустического средства измерений, направлении контролируемого объекта с равномерной скоростью курсом к рабочему гидроакустическому средству и измерении эффективных значений напряжений на выходе рабочего средства измерений.

Недостатком вышеуказанных способов является узкий рабочий диапазон измеряемых акустических воздействий от 5 Гц до 7-8 Гц.

Известен способ измерения параметров шумоизлучения объекта в натурном водоеме оптическими средствами, известный из заявки РФ №94006050 на изобретение с датой приоритета от 22.02.1994 г. Существо изобретения заключается в том, что в заданной области натурного водоема располагают сигнальную катушку волоконно-оптического интерференционного гидрофона, а в дополнительном водоеме располагают его опорную катушку. При этом в дополнительном водоеме формируют калиброванное гидроакустическое поле, с помощью которого непосредственно в процессе измерений периодически уточняют калибровочный коэффициент волоконно-оптического гидрофона.

Недостатком способа является узкий диапазон рабочих частот и большая сложность реализации.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ контроля уровня давления шумоизлучения движущегося подводного объекта в натурном водоеме по патенту РФ №2191399, дата приоритета от 09.11.2000, заключающийся в регистрации параметров шумоизлучения объекта с помощью расположенного в водоеме гидроакустического рабочего средства измерений и последующей обработке зарегистрированного рабочим средством измерений сигнала.

Данное изобретение направлено на повышение информативности об исследуемых первичных гидроакустических полях шумящего объекта. Прослушивание гидродинамических воздействий в натурных водоемах в широком диапазоне частот при использовании данного способа невозможно.

Технической задачей заявленного технического решения является расширение диапазона измеряемых гидродинамических воздействий, в частности, в область инфранизких частот в пределах от нуля до 1 Гц.

Технический результат заключается в повышении чувствительности к измерению низкочастотных гидродинамических сигналов, что позволит определить и контролировать движение подводных объектов на шельфе на малых глубинах и в океане на повышенных дальностях.

Данный технический результат достигается за счет реализации способа обнаружения гидродинамических воздействий, заключающегося в регистрации параметров гидродинамического воздействия с помощью расположенного в водоеме приемного модуля гидродинамического датчика и последующей обработке зарегистрированного приемным модулем измерений сигнала. Приемный модуль выполнен с возможностью изменения углового положения под воздействием водной среды. В качестве приемного модуля используют высокочувствительный датчик угловой скорости. Измеряют величину угловой скорости приемного модуля, полученную информацию обрабатывают в вычислительном блоке и на ее основе определяют величины, характеризующие измеряемое гидродинамическое воздействие по математическому выражению:

где:t - время измерений;

L - радиус поворота датчика;

- исходный сигнал волоконно-оптического гироскопа при измерении угловой скорости датчика;

S - линейное смещение, характеризующее гидродинамическое воздействие.

В качестве датчика угловой скорости можно использовать высокочувствительный волоконно-оптический гироскоп, имеющий повышенную длину волокна до 25 км.

Заявленный способ реализуется при использовании приемного модуля гидродинамического датчика. Приемный модуль гидродинамических сигналов выполнен в виде катушки оптоволокна и ответвителя, размещенных в корпусе датчика угловой скорости приемного модуля.

На фигуре 1 представлена схема расположения приемного модуля гидродинамического датчика в положении равновесия и при смещении.

На фигуре 2 представлена спектрограмма гидродинамических воздействий Белого моря, полученная при применении гидрофона ВОГФ-1.

Способ обнаружения гидродинамических воздействий реализуется следующим образом.

Движение корпуса приемного модуля может быть представлено как движение материальной точки с массой m под действием упругой силы F=-kx, пропорциональной смещению с коэффициентом упругости k и имеющей противоположный знак. Полагая, что в начальный момент времени смещение точки х0=1 и начальная скорость V0=0, закон движения этой точки представляется в виде х=cosωt, где , мгновенная скорость V=-ωsinωt

В общем случае материальная точка движется по закону

S=Acos(ωt+φ),

где S - смещение, т.е. текущее расстояние от колеблющейся точки до положения равновесия;

А - амплитуда смещения, т.е. максимальное смещение точки от положения равновесия;

(ωt+φ) - фаза колебания;

φ - начальная фаза.

Именно такая зависимость является характеристикой колебания водной среды. Текущее значение скорости смещения точки представляется в виде V=-Aωsin(ωt+φ).

Традиционно применяемый вариант размещения приемного модуля гидродинамического датчика с гибкой подвеской на якоре с постоянной длиной каната L и поплавком для поддержания датчика в вертикальном положении представлен на фиг. 1. Под действием упругой силы материальная точка со скоростью V смещается на расстояние S, что фиксируется гидродинамическим датчиком как колебание водной среды, т.е. гидродинамический сигнал.

На фиг. 1 показано, что при постоянной величине L действие упругой силы будет вызывать угловое перемещение корпуса приемного модуля вместе с его чувствительным элементом-датчиком угловой скорости, в котором частота и амплитуда измеряемых сигналов соответствует воздействию на корпус прибора возмущений по угловой скорости от колебаний внешней среды:

,

что соответствует текущему углу разворота на угол Ω=A1cos(ωt+φ) или в переводе на линейное смещение, характеризующее гидродинамическое воздействие: S=A1Lcos(ωt+φ).

Подобранные расчетным и подтвержденные опытным путем соотношения величины амплитуд А и А1 позволяют проводить обработку информации, полученную с датчиков угловой скорости, по алгоритмам, аналогичным имеющимся алгоритмам для традиционных способов, где измеряемой физической величиной является гидродинамическое давление.

Волоконно-оптический гироскоп (ВОГФ-1) - это прибор, который предназначен для измерения угловой скорости и используется большей частью в инерциальных измерительных системах. В состав волоконно-оптического гироскопа входит лазер, оптическое волокно на катушке и фотоприемник. С помощью лазера в оптическое волокно вводят два встречных луча, которые после прохождения по катушке фиксируются фотоприемником. При вращении катушки вокруг оси угловая скорость этого вращения фиксируется через разность фаз встречных лучей на выходе из катушки.

Экспериментальное подтверждение эффективности заявленного способа измерения и регистрации гидродинамических воздействий получено в сентябре 2014 года на Государственном центральном морском полигоне, где проведены по согласованной программе ОАО «НПО автоматики» и в/ч 09703, с выпуском отчета, натурные испытания разработанного ОАО «НПО автоматики» ВОГФ-1, в котором реализован заявляемый способ измерения и регистрации гидродинамических воздействий на основе измерения угловой скорости корпуса приемного модуля. В частности, на фиг. 2 приведены полученные на этих испытаниях результаты измерений естественного фонового движения вод Белого моря в диапазоне частот от 0 до 2000 Гц.

Из спектрограммы следует, что регистрируемый сигнал в полосе частот от нуля до 1 Гц (инфразвук Белого моря) превышает сигнал в полосе частот около 100 Гц практически на 50 дБ, чем подтверждается высокая чувствительность заявленного способа измерения и регистрации гидродинамических воздействий в полосе инфранизких частот 0÷1 Гц. Проведенными испытаниями подтверждена также высокая чувствительность при измерении предлагаемым способом приливов и отливов в акватории Белого моря.

Таким образом, осуществление регистрации параметров гидродинамического воздействия с помощью расположенного в водоеме приемного модуля гидродинамического датчика, последующей обработки зарегистрированного приемным модулем измерений сигнала, выполнения приемного модуля (высокочувствительный датчик угловой скорости) с возможностью изменения углового положения под воздействием водной среды, измерения величины угловой скорости приемного модуля, обработки полученной информации в вычислительном блоке и определения величины, характеризующие измеряемое гидродинамическое воздействие по математическому выражению: , позволяет повысить чувствительность к измерению низкочастотных гидродинамических воздействий и повысить точность измерения гидродинамических воздействий, тем самым расширить диапазон обнаружения гидродинамических воздействий, в частности, в области инфранизких частот в пределах от нуля до 5 Гц. Использование высокочувствительного волоконно-оптического гироскопа, имеющего повышенную длину волокна до 25 км, в качестве датчика угловой скорости, также позволяет расширить диапазон измеряемых гидродинамических воздействий в натурных водоемах в инфразвуковой части.

1. Способ обнаружения гидродинамических воздействий, заключающийся в регистрации параметров гидродинамического воздействия с помощью расположенного в водоеме приемного модуля гидродинамического датчика и последующей обработке зарегистрированного приемным модулем измерений сигнала, отличающийся тем, что приемный модуль выполнен с возможностью изменения углового положения под воздействием водной среды, в качестве модуля используют высокочувствительный датчик угловой скорости, измеряют величину угловой скорости приемного модуля, полученную информацию обрабатывают в вычислительном блоке и на ее основе определяют величины, характеризующие измеряемое гидродинамическое воздействие по математическому выражению:
,
где t - время измерений;
L - радиус поворота датчика;
- исходный сигнал волоконно-оптического гироскопа при измерении угловой скорости датчика;
S - линейное смещение, характеризующее гидродинамическое воздействие.

2. Способ обнаружения гидродинамических воздействий по п. 1, отличающийся тем, что в качестве датчика угловой скорости используют высокочувствительный волоконно-оптический гироскоп, имеющий повышенную длину волокна до 25 км.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к конструкциям стержневых широкополосных пьезокерамических преобразователей, предназначенных для работы в составе антенн гидроакустических приемоизлучающих систем.

Изобретение относится к области метрологии, а именно к методам обнаружения гидроакустических шумоизлучений. Способ обнаружения гидроакустических воздействий заключается в расположении гидроакустического приемного модуля гидрофона в натурном водоеме на якоре с поплавком, измерении приемным модулем параметров шумящего объекта при последующей обработке таких параметров на компьютере.

Изобретение относится к метрологии, в частности к измерительным средствам, используемым в гидроакустике. Гидроакустический приемник содержит сферический корпус с элементами упругого подвеса, пьезоэлементы и груз, контактирующий с корпусом через пьезоэлементы, установленные на одинаковых расстояниях от центра корпуса по трем взаимно ортогональным осям по два пьезоэлемента на каждый канал.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке направленных эффективных волноводных преобразователей для гидроакустических средств различного назначения.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено при изготовлении многоэлементных приемных гидроакустических антенн. Предложена конструкция антенного модуля с цифровым выходом, содержащая однорядную (либо двухрядную) акустическую антенную решетку и герметичный контейнер, в котором размещен блок предварительной обработки сигналов (ПОС) с уплотнением информации и общий обтекатель с заливкой зазоров между антенной и обтекателем, а также между рядами антенны эластомером.

Изобретение относится к области гидроакустики. Векторное приемное устройство содержит звукопрозрачную раму и векторный приемник, связанные между собой посредством подвеса.

Изобретение относится к гидроакустической технике и предназначено для использования в многоканальных гидроакустических системах. Гидролокационные антенные решетки состоят из пьезокерамических элементов, содержат излучающую антенную решетку и приемную антенную решетку, каждая из которых выполнена в единой модульной конструкции.

Изобретение относится к области гидролокации и может быть использована при конструировании антенн гидролокационных станций. Технический результат состоит в создании технологичной конструкции гидролокационной фазированной антенной решетки с заданной полосой пропускания преобразователей и повышенным сроком службы.

Изобретения относятся к измерительной технике и метрологии и могут быть использованы для проверки работоспособности измерительных трактов (ИТ), работающих в тяжелых рабочих условиях.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено при измерениях с использованием фазовых характеристик чувствительности гидроакустических преобразователей, использовании преобразователей в многоэлементной гидроакустической антенне либо фазированной антенной решетке.

Изобретение относится к гидроакустическим антеннам режима шумопеленгования (ШП) и может быть использовано в дискретных линейных или двумерных плоских и криволинейных антенных решетках, в том числе и фазированных. Предложен многоэлементный линейный модуль гидроакустической приемной антенны, содержащий круглые пластинчатые преобразователи, электрически объединенные в каналы и размещенные во внутреннем объеме полимерного шланга, имеющего прямоугольное поперечное сечение, вдоль его оси симметрично относительно нее так, что их плоские поверхности параллельны большим сторонам полимерного шланга, при этом полимерный шланг заполнен компаундом и герметизирован концевыми заглушками; круглые пластинчатые преобразователи по линии симметрии поперечного сечения их цилиндрического корпуса скреплены со стеклотекстолитовой подложкой посредством кольцевых двутавровых резиновых развязок, вклеенных в соответствующие отверстия в стеклотекстолитовой подложке, скрепленной с двумя концевыми заглушками, при этом по ширине полимерного шланга симметрично его оси размещены два круглых пластинчатых преобразователя, причем каждые четыре соседних пластинчатых преобразователя, из которых два являются соседними по длине шланга, а два - по его ширине электрически объединены в один канал так, что размеры канала по длине и ширине шланга примерно равны. При этом улучшаются направленные характеристики многоэлементного линейного приемного модуля, повышается его помехоустойчивость; обеспечиваются широкие углы обзора пространства без искажения ХН в расширенном диапазоне частот. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к элементам гидроакустических антенн шумопеленгования и может быть использовано в дискретных линейных или двумерных плоских антенных решетках, в том числе и фазированных. Многоэлементный линейный антенный дискретный цифровой модуль, содержащий приемники давления, выходы которых соединены с входами соответствующих устройств обработки сигналов, расположенные с определенным интервалом вдоль модуля, причем выходы устройств обработки сигналов соединены с входами устройства передачи информации, а его выход соединен с линией связи, при этом многоэлементный линейный антенный дискретный цифровой модуль выполнен герметичным. В качестве приемников давления используют емкостные датчики, установленные на печатной плате, на которой в непосредственной близости расположены устройства обработки сигнала, выполненные в виде одной микросхемы, выполняющей дополнительно функцию прямого измерения изменения емкости, при этом печатные платы закреплены к несущему основанию коробчатого типа, при этом по проводникам печатной платы осуществляют электропитание устройств обработки сигналов и приемника давления, подачу импульса синхронизации и выходной цифровой код. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности преобразования в низкочастотной области спектра воздействия. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к приемным многоэлементным гидроакустическим антеннам двойной кривизны, размещаемым в носовой оконечности носителя. Техническим результатом настоящего изобретения является создание формы рабочей поверхности гидроакустической антенны, позволяющей упростить устройство формирования характеристик направленности и алгоритмы обработки сигналов, принимаемых приемными каналами, снизить затраты на аппаратную часть ГАК. Для этого рабочая поверхность антенны выполнена в виде трех сопряженных частей круговых бочек - носовой и двух бортовых, сформированных путем скольжения образующей - дуги окружности радиуса Rv по направляющей, представляющей собой три сопряженные части окружностей радиусов Rnos (нос антенны) и Rbor (левый и правый борта антенны), при этом приемные каналы во всех текущих, определяемых номером "m", горизонтальных плоскостях, параллельных плоскости направляющей, расположены на дугах окружностей носовой и бортовых частей антенны таким образом, что отношение углового шага расположения каналов на носовой части к угловому шагу на бортовых частях составляет целое число. 3 ил.

Изобретение относится к акустике, в частности к пьезоэлектрическим приемникам звука для морских гибких протяженных сейсмокос. Гидроакустический приемник содержит цилиндрический пьезоэлемент, внутренняя поверхность которого герметично заэкранирована воздухом, и электрические выводы, в котором на наружную поверхность цилиндрического пьезоэлемента с натягом установлена полиуретановая трубка, а концевые части трубки, выступающие за торцы цилиндрического пьезоэлемента, герметично защемлены с помощью склейки и термической обработки, образуя герметичный шов, через которые герметично пропущены электрические выводы. Технический результат - повышение чувствительности приемника, уменьшение веса приемника давления, упрощение технологии его изготовления. 1 ил.

Изобретение относится к метрологии, в частности к волоконно-оптическим сенсорным системам. Антенна состоит из двух частей: вневодной части и подводной части, включающей в себя последовательно соединенные лазер, волоконно-оптический разветвитель 1×N излучения - на N каналов, делящий энергию излучения в равных долях на гидрофоны, где N - количество гидрофонов в антенне. Каждый гидрофон состоит из волоконно-оптического разветвителя 1×2, делящего излучение пополам в равном соотношении в волокна опорного и чувствительного плеч интерферометра, намотанных каждое на свои сердечники, при этом волокно опорного плеча намотано на твердый, не подвергающийся изменениям под воздействием внешнего акустического давления сердечник, а волокно чувствительного плеча намотано на эластичный сердечник, дополнительно усиливающий внешнее акустическое давление на свое волокно для большей чувствительности. На конце каждого волокна опорного и чувствительного плеч интерферометра установлены коллиматоры. Их выходные коллимированные пучки попадают на суммирующую полупропускающую пластинку. Суммарное излучение регистрируется многоэлементным приемником гидрофона. Выходные сигналы N гидрофонов поступают на устройство временного мультиплексирования. Технический результат – повышение чувствительности датчика. 2 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах излучения и приема гидроакустических сигналов антенн профилографов, систем связи и передачи информации необитаемых глубоководных подводных аппаратов, маяков-ответчиков. Предложен глубоководный широкополосный гидроакустический преобразователь, выполненный в виде полого водозаполненного цилиндра, открытого с одного торца и герметизированного по всей поверхности полимером, в котором на наружную цилиндрическую и тыльную поверхности полого водозаполненного цилиндра установлен двухслойный акустический экран в форме усеченного конуса для бокового и тыльного экранирования, выполненный из двух частей - внутренней, изготовленной из высокопрочного композитного материала с волновым сопротивлением, близким к волновому сопротивлению воды, и внешней - в виде металлической конической оболочки, установленной на боковую поверхность композитной части экрана, при этом основание тыльного экрана установлено на корпус носителя, а угол наклона боковой поверхности усеченного конуса к корпусу носителя составляет 20-40°. Такая конструкция преобразователя позволяет обеспечить заданную характеристику направленности при сохранении широкополосности и обеспечении работы на больших глубинах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам регистрации гидродинамических параметров. Способ предполагает регистрацию параметров гидродинамического воздействия с помощью расположенного в водоеме гидродинамического датчика и последующую обработку зарегистрированного сигнала. Приемный модуль выполнен с возможностью изменения углового положения под воздействием водной среды. Измеряют величину угловой скорости приемного модуля, полученную информацию обрабатывают и на ее основе определяют величины, характеризующие измеряемое гидродинамическое воздействие по заданному математическому выражению, учитывающему время измерений, радиус поворота датчика, сигнал волоконно-оптического гироскопа при измерении угловой скорости датчика. Находят линейное смещение, характеризующее гидродинамическое воздействие. В качестве датчика угловой скорости используют волоконно-оптический гироскоп, имеющий длину волокна до 25 км. В состав гироскопа входит лазер, оптическое волокно на катушке и фотоприемник. При этом лазер выполнен с возможностью введения в волокно двух встречных лучей, а угловая скорость фиксируется через разность фаз встречных лучей на выходе из катушки. Устройство также содержит гибкую подвеску, якорь и поплавок. Технический результат - повышение чувствительности датчика. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх