Пристрій для визначення фазових швидкостей поверхневих хвиль

Использование: в области океанографических измерений. Сущность изобретения устройство содержит вычислитель, лазер и фотоприемник, сопряженные через гоаницу раздела двух сред, узел параллельного смещения лазерного луча, состоящий из двух подвижных зеркал и двух магнитов и блок управления. 2 ил. Изобретение относится к области океанографических измерений и может использоваться для измерения фазовых скоростей коротких гравитационных и гравитационнокапиллярных волн (дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн). Известно устройство для определения фазовых скоростей морских ветровых волн, которое включает два волнографа, размещенных на прямой, вдоль которой определяется фазовая скорость. Выходы волнографов через согласующее устройство непосредственно с&язаны с вычислительной машиной, в которой происходит расчет фазовых скоростей, или связаны с ней через промежуточный накопитель информации (например, магнитограф). Указанное устройство имеет следующие недостатки. При измерении фазовых скоростей коротких поверхностных волн возникают ошибки вследствие возмущения волнового поля контактными датчиками В море и океане присутствуют длинные ветровые волны или зыбь, энергия которых значительно (на несколько порядков) больше энергии коротких гравитационных и грав и т а ц и о н н о - к а п и л л я р н ы х волн. Как известно, частотный энергетический спектр поверхностных волн на частотах выше частоты f o энергонесущих волн спадает примерно пропорционально f - (4-5). При определении фазовых сдвигов на частотах f > >f o возникают ошибки, обусловленные этим крутым спадом спектра ветровых волн. Это инструментальные ошибки, связанный С тем, что относительно малые высокочастотные волны измеряются на фоне больших низкочастотных, и расчетные ошибки, связанные,с тем, что при расчете спектра функций используются фильтрующие спектральные окна ^такие, как фильтр Тьюки, Хэмминга и т.д., имеющие небольшие боко о 1791707 вые лепестки . Наличие этих лепестков приводит к "утечке" спектральной плотности из области максимума в области с низкими уровнями спектральной плотности, и хотя боковые лепестки невелики (для часто ис- 5 пользуемого окна Бартлетта наибольший боковой максимум составляет около 4-5% от основного), при оценке спектральных функций, если исследуемые процессы имеют быстроспэдающий автоспектр, то на вы- 10 соких частотах имеют место значительные искажения. Целью изобретения является повышение точности. Цель достигается тем, что в устройстве 15 длл определения фазовых скоростей поверхностных оолн, содержащем измеритель волновых характеристик и вычислитель, новый является то, что измеритель характер и с т и к выполнен в виде лазера и 20 фотоприемника, установленных с возможностью оптического сопряжения через границу раздела двух сред, а между лазером и фотоприемником установлен введенный узел параллельного смещения лазерного 25 луча, выполненный с двумя параллельными зеркалами, установленными под углом коси лчзера, при этом узел параллельного смещения лазерного луча выполнен с возможностью перемещения вдоль о с и , 30 перпендикулярной оси лазера, и соединен с введенным блоком управления, подключенным к вычислителю. Использование лазерного луча позволяет отказаться от контактных датчиков вол- 35 новых х а р а к т е р и с т и к и тем самым исключить вносимые ими возмущения волнового поля, что, как следствие, позволяет исследовать короткие оолны с высокой точностью. 40 В предлагаемом устройстве признаки, относящиеся к выполнению лазерного уклономера (т.е. лазер с фотоприемником и вычислителем), являются известными. Однако отличие, выражающееся во введении узла 45 параллельного смещения лазерного луча, связанного с блоком управления , позволяет реализовать достоинства лазерного луча (малые размеры), а также позволяет использовать новый параметр - уклон для из- 50 мерений фазовой скорости поверхностных волн и является новым. Другие измеритепи, подобные предлагаемому, не известны. Поэтому устройство соответствует критерию изобретения "существенные отличия". 55 На фиг. 1 схематично изображен один из возможных париэнтов выполнения предлагаемого устройства при прямом прохождении луча лазера; на фиг.2 - то же. для положения, когда луч лазера смещен на величину d. Предлагаемое устройство представляет собой лазер 1, заключенный в герметичный корпус с кварцевым окном, фотоприемник 2, вычислитель 3 и узел параллельного смещения лазерного луча 4, помещенный в герм е т и ч н ы й к о р п у с с о к н а м и . Узел параллельного смещения лазерного луча 4 состоит из двух электромагнитов 5,6 и подвижной рамки (на фиг. не изображена) с укрепленными на ней зеркалами 7 и 8. Электромагниты 5,6 подключены к блоку управления 9. Фотоприемник 2 расположен по ходу луча лазера 1, а узел параллельного смещения лазерного луча 4 размещен так. чтобы лазерный луч на пути к фотоприемнику 2 проходил между зеркалами 7,8. Фотоп р и е м н и к 2 и блок у п р а в л е н и я 9 подключены к отдельным входам вычислителя 3. Пример конкретного исполнения. В качестве лазерного уклономера, в состав которого входят лазер1,фогоприемник 2, вычислитель 3, может быть использован лазерный уклономер, аналогичный описанному, Подвижная рамка с зеркалами 7 и 8 может быть закреплена эксцентрично на вертикальной оси (подобно маятнику, но в горизонтальной плоскости). В положении, когда рамка притянута к электромагниту 5, луч лазера проходит без смещения (фиг.1). В положении, когда рамка притянута к электромагниту 6, луч лазера системой зеркал 7 и 8 смещается на величину d (фиг.2). Блок управления 9 электромагнитами состоит из генератора импульсов и усилителей. Он может быть выполнен по любой известной схеме. Поскольку определяются фазовые скорости коротких волн, устройство можно установить на платформе, отслеживающей длинные волны. ' • Изменение частоты смещения луча определяется изменением частоты генератора импульсов блока управления 9. Расстояние d между лучами должно составлять примерно 1 /3 длины волны, для которой определяется 1 фазовая с к о р о с т ь . У м е н ь ш е н и е расстояния приводит к уменьшению фазового сдвига, а увеличение расстояния приводит к потере когерентности в волнах. И тот и другой эффекты приводят к соответствующим ошибкам в определении фазовых сдвигов и соответственно фазовых скоростей. Описанное устройство устанавливают так, чго лазер 1 и узел параллельного смещения лазерного луча в корпусе 4 располо 1791707 жены под водой, а фотоприемник 2 - над верхности, соответствующих двум положеводой. ниям луча (двум точкам). Устройство работает следующим обраРассчитывают фазовый сдвиг При этом зом. учитывают квазисинхронность измерений Периодически с частотой, зависящей от 5 уклонов, т.е. тот факт, что уклон сначала длины волн, для которых определяется фаизмеряется в одной точке, потом в другой. зовая скорость, и от необходимой частоты Учесть и исключить указанный эффект можопроса, блок управления 9 формирует сигно несколькими путями, например, откорнал срабатывания электромагнитов 5 и б ректировав взаимную корреляционную таким образом, что подвижная рамка с зер- 10 функцию, по которой в конечном счете раскалами 7,8 притягивается то к одному, то к считывается фазовый сдвиг. другому электромагниту, и луч лазера отклоФормула изобретения няется на величину d. Сигнал о срабатываУстройство для определения фазовых нии электромагнита поступает в скоростей поверхностных волн, содержавычислитель 3. 15 щее измеритель волновых характеристик и Пусть требуется оценить фазовую сковычислитель, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, рость волн длиной около 10 см. Это волны с целью повышения точности, измеритель гравитационного диапазона, подчиняющиволновых характеристик выполнен в виде еся дисперсионному соотношению лазера и фотоприемника, установленных с 20 возможностью оптического сопряжения через границу раздела двух сред, а между лао? = ф., зером и фотоприемником установлен введенный узел параллельного смещения где co = 2Jtf - циклическая частота лазерного луча, выполненный с двумя паИз дисперсионного соотношения-следует, что частота исследуемых волн f *&4 Гц, Час- 25 раллельными зеркалами, установленными под углом к осилазера, при этом узел паралтота опроса должна быть в 8-10 раз больше лельного смещения лазерного луча выполчастоты f, т.е, составлять 30-40 Гц. Смещенен с возможностью перемещения вдоль ние луча составит 3- 4 см. оси, перпендикулярной оси лазерз, и соедиОценив указанные выше параметры, проводят измерения уклонов морской по- 30 йен с введенным блоком управления, подключенным к вычислителю. Фиг і Редактор Н.Купрякова Составитель А Запевалов Техред М Моргентал Корректор М.Керецман Заказ 147 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г Ужгород, ул Гагарина, 101