Оптичний сенсор хвилювання в рідині

1. Оптичний сенсор хвилювання в рідині, що включає джерело світла і оптичний детектор, відокремлені один від одного поверхнею рідини, блок живлення в герметичному контейнері, блок обробки і передачі сигналів, який відрізняється тим, що в нього додатково введена механічна перемичка, 3 прийому у вузькому куті зору і вузькій смузі частот світла, що подолало поверхню океану, розміщений під водою на дні акваторії або на спеціальній платформі, яка закріплена на субмарині в підводному стані для прийому світлового потоку і який з'єднаний кабелем з блоком збирання і відображення інформації [Патент США № 4988885, кл. G01C13/00, 1991]. У основі роботи системи лежить модуляція інтенсивності світлового потоку схвильованою поверхнею рідини за рахунок зміни величини заломленої компоненти поля випромінювання при зміні кута нахилу поверхні і зміні поглинання та розсіяння світлового потоку, викликаних змінами оптичної довжини шляху в рідині при хвилюванні. У даному сенсорі потік, що приймається, зосереджений у вузькому тілесному куту навколо оптичної осі детектора, розташованого в чутливому приладі, і тому інтенсивність заломленої компоненти світлового потоку, що потрапляє у вузьку діаграму детектора, визначається коефіцієнтами заломлення Френеля і оптичною довжиною шляху у воді, яка пов'язана з висотою хвилювання. Після калібрування сенсор дозволяє оцінювати висоти хвиль з частотами від десятих часток герців до 5Гц. Даний сенсор пристосований для роботи в умовах відкритих акваторій, але його недоліками є низька гранична частота (до 5 Гц), технічна складність, надмірна вага та висока вартість. Низька гранична частота обумовлена тим, що при збільшенні частоти хвилювання відбувається природне зменшення амплітуди хвиль, які дають приріст оптичної довжини шляху в рідині і, відповідно, рівня сигналу в оптичному детекторі. Це пов'язано з тим, що для гравітаційних хвиль гранична висота Нтах, при якій хвиля не втрачає стійкості, задовольняє умові Hmax2. Коли центр мас сенсора рухається уздовж середнього рівня великомасштабних хвиль, то хвилі, які задовольняють умові >2D, не роблять помітного впливу на положення і ухил поверхні рідини в точці вимірювання. При цьому гравітаційно-капілярні хвилі, з довжинами менш за D в 10 та більш разів, перетинають оптичну вісь сенсора практично без перешкод та спотворень. Шарнірне кріплення поплавців до штанг забезпечує плавний рух центра мас сенсора уздовж профілю великомасштабного хвилювання без ривків при зміні кривизни (і її знаку) поверхні води в опорних точках. Оптична вісь сенсора орієнтується по нормалі до усередненої тривимірної хвилевої поверхні довжина яка задовольняє умові >2D. Підвищення роздільної здатності сенсора, тобто його граничної частоти при фіксованому робочому відрізку, може досягнуте шляхом розміщення джерела світла в рідині, а оптичного детектора - в повітрі (див Фіг.2). Це пов'язано з тим, що при розповсюдженні потоку із оптично більш щільної середи в менш щільну, відбувається звуження діафрагми оптичної трубки потоку, що приймається, яка лежить на поверхні розділу середовищ [Сапожников Р.А. Теоретическая фотометрия / Р.А. Сапожников - М.: Энергия, 1977. - 264 с.]. При такому розміщенні джерела і детектора в сенсорі можна використовувати відносно ширококутні оптичні прилади, що робить сенсор некритичним до юстирування і нахилу оптичної осі відносно поверхні розділу. Невеликий розмір робочого відрізку R, та режим роботи сенсора на просвіт роблять його потенціал достатнім для впевненого виявлення хвиль з нахилами Н/ 0,001 при використанні оптичних приладів і інших компонент широкого застосування, малопотужних та мініатюрних: малогабаритних інфрачервоних світло- і фотодіодів, компонентів блока обробки і передачі сигналів в мікромініатюрному виконанні. На Фіг.1б оптичний сенсор зображений в плані. Видно, що для неспотвореної оцінки спектру хвилювання потрібна орієнтація сенсора щодо вітру і напрямку бігу хвиль. Найкраща азимутальна орієнтація досягається при збігу вектора вітру з бісектрисою АОВ поплавкової системи: в цьому положенні поплавці не затінюють набігаючи хвилювання і створюють найменший рівень перешкод (див. Фіг.1б). Це положення може бути досягнуте шляхом використання блока живлення в герметичному контейнері 6 в ролі підводної флюгерки. Оптимальна азимутальна орієнтація сенсора досягається при кріпленні кабеля 7, що також грає роль фала, в точці, яка лежить на бісектрисі АОВ, наприклад, до блоку 8 в точці F. Для того щоб не навантажувати легкий, практично безінерційний сенсор, блок живлення в герметичному контейнері має нульову плавучість. 7 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 53387 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601