измеритель параметров морских волн

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.

Описание изобретения к патенту

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.