способ измерения высоты морских волн

Формула изобретения

Способ измерения высоты морских волн, согласно которому используют датчик для измерения уровня с измерительной трубой, сообщающейся с водой, отличающийся тем, что сигналы датчика, соответствующие уровню морской поверхности, обрабатываются рекурсивным фильтром верхних частот первого порядка для получения значений колебаний уровня относительно среднего значения, определяют абсолютные значения колебаний уровня относительно среднего значения, усредняют результаты за половину периода средней частоты, умножают их на коэффициент, равный , усредняют сигналы фильтром нижних частот и получают среднестатистическое значение высоты волн.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области океанографических измерений и предназначено для использования в информационно-измерительных комплексах определения статистических характеристик морского волнения.

Известен способ определения расстояния до водной поверхности (а.с. СССР №1151819, МКИ G 01 С 13/00, 1986, ОБ №15), использующий посылки на водную поверхность импульсов оптического излучения, прием отраженного сигнала и определение расстояния до водной поверхности по времени прихода отраженного сигнала, причем из отраженного сигнала выделяют спектр фотолюминесценции, который используют для определения уровня.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: определение уровня водной поверхности.

Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является большая погрешность измерения колебаний уровня морской поверхности из-за большого рассеяния оптического излучения и отсутствие возможности обработки результатов в темпе поступления для обеспечения своевременной информации об опасном развитии морского волнения.

Известен способ определения уровня (Сертификат Госстандарта России №7453 действительно до 01.03.2005, фирма "VEGA Grieshaber KG", Германия, зарегистрированный в Государственном реестре средств измерений под №19167-00 (Руководство по эксплуатации VEGASON 51 К...53 К)), использующий датчик для измерения уровня и измерительную трубу, сообщающуюся с сосудом, содержащим жидкость, уровень которой измеряется через интервалы времени, равные 1 сек.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: определение уровня водной поверхности датчиком для измерения уровня с измерительной трубой, сообщающейся с водой, уровень которой измеряется через интервалы времени, равные 1 сек.

Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является отсутствие возможности обработки результатов в темпе поступления для обеспечения своевременной информации об опасном развитии морского волнения.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является способ измерения высоты морских волн (патент Российской Федерации №2175111, МКИ G 01 С 13/00, ОБ №29, 2001), основанный на определении уровня морской поверхности и обработке колебаний парой цепей с коэффициентами передачи, равными единице, разность сдвигов фаз которых близка к 90°, и вычислении удвоенного квадратного корня из суммы квадратов сигналов на выходах цепей, равного высоте морских волн.

Имеется в заявляемом объекте: определение колебаний уровня морской поверхности относительно среднего значения.

Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является большая погрешность, связанная с увеличением динамического диапазона обрабатываемых сигналов при их возведении в квадрат.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - разработка способа измерения высоты морских волн без увеличения динамического диапазона сигналов в процессе обработки.

Технический результат предложенного способа заключается в том, что увеличивается точность измерений благодаря уменьшению динамического диапазона обрабатываемых сигналов.

Технический результат достигается тем, что известный способ измерения уровня через интервалы времени, равные 1 сек, согласно которому используют датчик для измерения уровня с измерительной трубой, сообщающейся с водой, дополняется тем, что измерительную трубу устанавливают на поплавке, который находится ниже морской поверхности, и закрепляют на дне тросом с якорем; определяют абсолютные величины колебаний уровня относительно среднего значения, усредняют результаты за половину периода средней частоты, умножают их на коэффициент, равный , и получают оценку текущего значения высоты волн, затем усредняют сигналы и получают среднестатистическое значение высоты морских волн.

Анализ заявляемого способа и сравнение его с прототипом позволяют выявить следующие новые признаки: установка измерительной трубы на поплавке, который находится ниже уровня морской поверхности, и тросом с якорем закрепляется на дне; определение абсолютных величин колебаний уровня относительно среднего значения, усреднение результатов за половину периода средней частоты, умножение их на коэффициент, равный я и получение оценки текущего значения высоты волн, затем усреднение сигналов , и получение среднестатистического значения высоты морских волн.

Наличие новых признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критериям "Новизна", "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".

Возможность достижения технического результата обусловлена следующими теоретическими положениями: установка датчика измерения уровня в измерительной трубе обеспечивает повышенную точность измерения уровня. Установка измерительной трубы на поплавке, который находится ниже нижнего уровня морской поверхности, и крепление трубы тросом к якорю обеспечивает вертикальное положение трубы независимо от волнения. Отверстия в верхней (надводной) и нижней (подводной) части измерительной трубы обеспечивают равенство уровней воды в трубе и снаружи. Таким образом, обеспечиваются одинаковые колебания уровней. Датчик уровня измеряет колебания внутри трубы. Морское волнение представляет случайный процесс, максимальная частота в спектре которого не превышает 0.5 Гц, минимальная равна 0,05 Гц, а полоса на уровне половинной мощности менее 0.1 Гц. В соответствии с теоремой Котельникова шаг дискретизации для анализа такого процесса может быть выбран равным 1 сек., что и обеспечивает применяемый датчик. Для анализа такого процесса можно применить модель вида:

A(t) - не принимающая отрицательных значений огибающая, (t)= ₀t+ (t) - полная фаза, ₀ - средняя частота волнения, (t) - фаза. Огибающая и фаза - сравнительно медленно изменяющиеся функции. Высота морских волн равна удвоенной амплитуде H(t)=2A(t). (См., например, книгу Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978).

Для определения амплитуды найдем абсолютные значения левой и правой частей (1):

За половину периода колебания со средней частотой морского волнения огибающая и фаза существенно не изменяются. Учитывая это, усредним левую и правую части (2) в пределах половины периода частоты ₀, примерно равной 2 сек:

Следовательно, высота волн равна:

Одномерная плотность вероятности случайной величины при условии, что s имеет нормальный закон распределения с нулевым средним и среднеквадратическим значением - , равна:

Среднестатистическое значение этой величины совпадает со среднестатистическим значением огибающей процесса s(t). (См., например, книгу Гоноровский И.С., Демин М.П. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1994).

Среднее значение высоты морских волн в пределах интервала равно:

Усреднение можно выполнить с помощью фильтра нижних частот (см. книгу В.Д.Кукуш. Электрорадиоизмерения. - М.: "Радио и связь", 1985).

Таким образом, при определении высоты морских волн освобождаемся от возведения в квадрат, и уменьшается динамический диапазон обрабатываемых сигналов, что позволяет увеличить точность измерения высоты волн.

В прототипе для определения высоты волн вычисляют сумму квадратов сигналов, что приводит к увеличению динамического диапазона сигналов и, в связи с этим, увеличению погрешности измерения.

Для подтверждения данного способа далее приведен пример реализации устройства на его основе.

Колебания уровня относительно среднего значения находят с помощью рекурсивного фильтра верхних частот первого порядка с частотой среза 0.017 Гц. Системная функция фильтра:

где а=0,95 и b=0,9.

При подаче на вход фильтра верхних частот сигналов датчика х_n отклики на выходе будут равны:

Учитывая, что в пределах половины периода частоты _о укладываются три выборки, усреднение в (3) сделаем по формуле трапеций и получим выборки текущих значений высоты волн:

Усреднение при определении среднестатистического значения высоты волн выполняется с помощью рекурсивного фильтра первого порядка нижних частот с полосой пропускания, примерно равной 5×10^-4 Гц, и постоянной времени примерно 300 сек. Системная функция фильтра

где с=3×10^-3 и d=0,997. Соответствующий алгоритм имеет вид:

На чертеже приведена структурная схема устройства для осуществления предложенного способа измерения высоты морских волн в соответствии с предлагаемым изобретением.

Устройство содержит первый, второй и третий регистры 1, 2 и 3, первый сумматор 4, первый, второй и третий блоки умножения 5, 6 и 7, четвертый регистр 8, второй сумматор 9, схему сравнения 10, четвертый и пятый блоки умножения 11 и 12, третий сумматор 13, пятый регистр 14, шестой блок умножения 15.

Выходы 16 и 17 являются выходами устройства, вход 18 является информационным входом устройства.

Соответственно в устройстве первый регистр 1 записывает и выдает величину х_n-1, второй регистр 2 записывает и выдает значение , третий регистр 3 записывает и выдает значение ; первый блок умножения 5 определяет произведение ; второй блок умножения 6 определяет произведение ; третий блок умножения 7 определяет произведение ; четвертый регистр 8 записывает и выдает величину ; второй сумматор 9 определяет величину H_n ; схема сравнения 10 определяет знак s_n; четвертый блок умножения 11 определяет абсолютное значение ; пятый блок умножения 12 определяет произведение сН _n; третий сумматор 13 определяет среднестатистическое значение высоты волн ; пятый регистр записывает и выдает величину ; шестой блок умножения определяет произведение ; на выходах устройства 16 и 17 получаем соответственно оценки текущих значений высоты морских волн Н_n и их среднестатистические значения ; на информационный вход 18 подаются сигналы, соответствующие уровням морской поверхности.

Устройство работает следующим образом.

Цифровые сигналы х_n, соответствующие уровню морской поверхности, поступают с информационного входа 18 с интервалом времени 1 сек на входы первого сумматора 4 и первого регистра 1. На второй вход первого сумматора 4 поступают через первый регистр 1 задержанные на один такт сигналы х _n-1. С выхода сумматора 4 на третий его вход поступают сигналы, задержанные на один такт четвертым регистром 8 и умноженные третьим блоком умножения 7 на коэффициент b, хранящийся в блоке. Таким образом, на выходе первого сумматора 4 получается значение, равное . Эта величина поступает на вход схемы сравнения 10 и информационный вход четвертого блока умножения 11. Схема сравнения сравнивает поступающие на ее вход значения с нулем и дает возможность при отрицательных значениях получить на выходе сигнал, соответствующий логической единице, в противном случае - логическому нулю. С выхода схемы сравнения сигналы поступают на управляющий вход четвертого блока умножения 11. Логическая единица на управляющем входе приводит к умножению сигнала на информационном входе четвертого блока умножения на -1. В противном случае множитель равен 1 и на выходе четвертого блока умножения 11 получается абсолютное значение , которое поступает на вход первого блока умножения 5. Поступающие на вход первого блока умножения 5 сигналы умножаются на множитель, хранящийся в блоке и равный . На выходе первого блока умножения 5 получаются сигналы - , которые поступают на первый вход второго сумматора 9. Эти же сигналы, задержанные на один такт вторым регистром 2 и умноженные третьим блоком умножения 6 на коэффициент 2, который хранится в самом блоке, поступают на второй вход второго сумматора 9. Следовательно, на второй вход второго сумматора 9 поступают значения - . На третий вход второго сумматора 9 поступают с выхода второго регистра 2 сигналы, задержанные на один такт третьим регистром 3. На третьем входе второго сумматора 9 получаются значения, равные - . В результате сумма на выходе второго сумматора 9 получается равной оценкам текущих значений высоты волн H _n и поступает на выход устройства 16.

Оценки текущих значений высоты волн поступают на вход пятого блока умножения 12, в котором хранится множитель с. В результате умножения на его выходе получаем произведение - cH_n. Эти значения поступают на первый вход третьего сумматора 13. С его выхода на второй вход поступают сигналы, задержанные на один такт пятым регистром 14 и умноженные шестым блоком умножения 15 на коэффициент d, который хранится в блоке. В результате суммирования на выходе 17 получаем среднестатистические значения высоты морских волн .

Таким образом, описанное устройство не содержит не известных ранее блоков и элементов и полностью реализует все операции в предложенном способе определения высоты морских волн.

Благодаря введению новых операций: установке измерительной трубы, сообщающейся с водой, на поплавке, который находится ниже морской поверхности и крепится на дне тросом с якорем, а также определению абсолютных значений колебаний уровня относительно среднего значения, усреднению результатов за половину периода средней частоты, умножению их на коэффициент, равный , и усреднению сигналов фильтром нижних частот - уменьшается динамический диапазон обрабатываемых сигналов, что позволяет получить своевременно информацию об опасном развитии волнения при большей точности определения среднестатистического значения высоты волн.