СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ МОРСКИХ ВОЛН С БОРТА ДВИЖУЩЕГОСЯ СУДНА
METHOD TO MEASURE HEIGHT OF SEA WAVES FROM BOARD OF MOVING VESSEL

Изобретение относится к области навигации, а более конкретно к измерению параметров волнения посредством устройств, представляющих собой радиотехническое неконтактные измерители и может быть использовано для определения статистических характеристик морского волнения с борта движущегося судна. Известные устройства измерения параметров волнения (А.А. Загородников. Радиолокационная съемка морского волнения. Л., Гидрометеоиздат, 1978, с. 141-158 [1]) содержат приемник и передатчик когерентной РЛС, стробирующее устройство, схему получения доплеровской частоты, частотомер, запоминающее устройство, корректирующий фильтр и спектроанализатор. Принцип работы которых заключается в облучении морской поверхности электромагнитными волнами, приема отраженных сигналов, выделения сигнала с заданной фиксированной дальностью, измерения доплеровской частоты, преобразование доплеровской частоты в напряжение, фиксирование этого напряжения в запоминающем устройстве и далее через корректирующий фильтр подается на спектроанализатор. Существенным недостатком данных устройств является длительный период измерения порядка 20 мин, что может оказаться недопустимым для оперативного получения данных о волнении, а также необходимость фиксации облучаемой площади моря позволяет реально применять эти устройства только с вертолетов либо других летательных аппаратов, имеющих режим висения. Точность измерения данных устройств невелика, что требует выполнения нескольких серий измерения. Известно также устройство, описанное в статье: "Определение параметров волнения совмещенной системой измерения скорости судна и высоты волн" (Ванаев А.П., Чернявец В.В. - Судостроение, № 8-9, 1993 с. 6-8 [2]), состоящее из антенны, приемопередатчика, блока измерения высоты, измерителя частоты Доплера, блока измерения скорости, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн, вычислителя, устройства для определения направления прихода волн, схемы определения флюктуационной составляющей скорости, вычислителя угла встречи с волной, позволяющее оперативно измерить параметры волнения не только с летательных аппаратов, имеющих режим висения, но и с борта любых подвижных морских объектов. Недостатком является то, что известное устройство измеряет относительную высоту, определяемую разностью текущей высоты борта и возвышения профиля волны, что существенно препятствует достижению точности измерения параметров волнения. На точность измерения данного устройства оказывают влияние внешние возмущения, вызываемые качкой судна. Повышение точности измерения параметров волнения достигается посредством устройства, состоящего из антенны, приемопередатчика, измерителя частоты Доплера, блока измерения скорости, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн, вычислителя, схемы определения флюктуационной составляющей скорости, устройства для определения направления прихода волн, вычислителя угла встречи с волной, в котором антенна входом и выходом соединена с входом и выходом приемопередатчика, который двумя выходами соединен с двумя входами блока измерения высоты, который двумя выходами соединен с вычислителем и этими же выходами соединен с двумя входами вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн и еще двумя выходами соединен с устройством для определения направления прихода волн, выход которого соединен со входом вычислителя угла встречи с волной, два других входа которого соединены соответственно с выходами вычислителя, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн и еще два входа устройства для определения направления прихода волн соединены с двумя выходами схемы определения флюктуационной составляющей скорости, устройства для определения направления прихода волн, вычислителя угла встречи с волной, в котором антенна входом и выходом соединена с входом и выходом приемопередатчика, который двумя выходами соединен с двумя входами блока измерения высоты, который двумя выходами соединен с вычислителем и этими же выходами соединен с двумя входами вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн и еще двумя выходами соединен с устройством для определения направления прихода волн, выход которого соединен с входом вычислителя угла встречи с волной, два других входа которого соединены соответственно с выходами вычислителя, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн и еще два входа устройства для определения направления прихода волн соединены с двумя выходами схемы определения флюктуационной составляющей скорости, которая двумя входами соединена с двумя выходами блока измерения скорости и еще двумя входами соединена с двумя выходами измерителя доплеровской частоты, который этими же выходами соединен с двумя входами блока измерения скорости, а измеритель частоты Доплера двумя входами соединен с еще двумя выходами приемопередатчика введены измерительный модуль и блок коррекции, который своими входами соответственно соединен с выходами вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн, вычислителя угла встречи с волной, блока измерения скорости и двумя выходами измерительного модуля, который входом соединен с выходом блока измерения скорости, который еще двумя входами соединен с теми же выходами приемопередатчика, что и измеритель частоты Доплера, а выход блока коррекции является выходом устройства (патент RU №2137153, 10.09.1999 [3]). Блок-схема устройства для определения параметров волнения содержит антенну, приемопередатчик, блок измерения высоты, измеритель частоты Доплера, блок измерения скорости, вычислитель высоты волн и фазовой скорости волн, вычислитель, устройство для определения направления прихода волн, схему определения флюктуационной составляющей скорости, вычислитель угла встречи с волной, измерительный модуль, блок сопряжения.
Ввод новых элементов выгодно отличает известное устройство [3] от аналогов [1, 2], т.к. обеспечивается полный набор спектральных составляющих измеряемых параметров в наиболее очищенном от помех виде, что обеспечивает высокую точность и безинерционность измерений.
Однако, морское волнение является наиболее существенным возмущающим фактором для абсолютного большинства судов и неводоизмещающих морских аппаратов (на подводных крыльях или воздушной подушке, экранопланов; гидросамолетов и морских вертолетов при взлете и посадке), как объектов управления. Его влияние приводит к возникновению нежелательных колебательных движений, ухудшающих функциональную эффективность, безопасность и комфортность использования таких аппаратов по сравнению со случаем штилевого моря. И задача осуществления адаптации контура управления и характеристикам морского волнения в известном устройстве полностью не решается.
Известны также способы измерения сверхмалой высоты полета самолета, преимущественно гидросамолета, и параметров морского волнения, которые могут быть использованы для создания систем автоматизированного управления параметрами полета, зависящими от его текущей высоты и параметров морского волнения, в частности для автоматизации посадки (приводнения) гидросамолета на гладкую и на взволнованную поверхность.
Существуют различные способы определения высоты полета самолета (гидросамолета), например, барометрический, и способы определения высоты полета с помощью изотопных и лазерных высотомеров. Известен барометрический способ определения высоты полета самолета путем учета статического давления вблизи самолета и параметров состояния атмосферы у земли (давление и плотность воздуха) (см. "Летные испытания самолетов" М.Г. Котик и др., Машиностроение, 1968 г.). Недостатком данного способа является то, что при полете с дозвуковой скоростью перед фюзеляжем, крылом и другими частями самолета (гидросамолета) образуется зона повышенного давления. Эта зона настолько велика, что вынести на штанге ПВД (приемник воздушного давления) за ее пределы практически не удается. Поэтому в статическую камеру ПВД подается местное статическое давление, большее по величине, чем атмосферное статическое давление воздуха. При полете самолета на высотах, меньших размаха крыла, значительные погрешности в определении барометрической высоты вносит аэродинамическое влияние экрана (водной или земной поверхности) на поле скоростей и давлений вблизи самолета. Для точного измерения малых высот полета используют изотопные высотомеры. Для этого вдоль ВПП (взлетно-посадочной полосы) располагают датчики, содержащие радиоактивный элемент, а на самолете устанавливают оборудование, позволяющее определять точную высоту нахождения летательного аппарата над ВПП по интенсивности излучения. Однако с помощью таких высотомеров не решают задачу определения высоты полета гидросамолета при посадке на неподготовленную водную акваторию. Известен также широко применяемый радиолокационный способ измерения высоты полета, основанный на регистрации полей излучения (полей дальней зоны), создаваемых и принимаемых антенной, установленной на самолете (гидросамолете). К классу устройств, использующих данный принцип, относятся радиовысотомеры (см. "Летная эксплуатация радионавигационного оборудования самолетов", И.Е. Бондарчук, Транспорт, 1978 г. стр. 112-152 [4]). Особенность этого способа заключается в том, что возникает рост погрешности измерений с уменьшением высоты полета. Уменьшение погрешности достигается путем значительного усложнения аппаратуры. Также аналогами способа измерения параметров морского волнения могут служить контактные методы измерения (патент RU №1584513 [5]. Однако недостатком этого способа является то, что, измерение в этом случае может быть произведено при нахождении гидросамолета на плаву, т.е. уже после посадки на воду. Также известны способы измерения параметров морского волнения с использованием радиолокационных методов зондирования морской поверхности (см. "Радиолокация морской поверхности", А.А. Гарнакерьян, А.С. Сосунов, Изд. Ростовского университета, 1978 г.). На основе этих методов создано устройство для измерения параметров морских волн (авторское свидетельство SU №805745 [6]. Однако это устройство позволяет получить характеристики волнения при полете самолета на большой высоте.
0
0
0
0
0
В известном способе (патент RU №2183010, 27.05.2002 [7]) для устранения такого недостатка предлагается использовать поля ближней зоны, создаваемые антенной. Эти поля имеют квазистатический характер, значит для описания свойств антенны, обусловленных ими, допустимо использовать язык и понятия теории электрических цепей. Поля ближней зоны возрастают гораздо быстрее полей дальней зоны при уменьшении расстояния до своего источника (до антенны). Это и дает основание полагать, что погрешность измерений будет уменьшаться при снижении высоты полета. При удалении же от своего источника поля ближней зоны убывают гораздо быстрее полей дальней зоны, поэтому способ измерения высоты полета и параметров морского волнения, основанный на регистрации полей ближней зоны, может использоваться, в отличие от радиолокационных измерителей, только на очень малых высотах полета: меньше размаха крыла гидросамолета. Задачей данного известного технического решения [7] является повышение безопасности посадки самолета, преимущественно гидросамолета, за счет автоматического выдерживания заданной для данного типа летательного аппарата вертикальной скорости. При этом, поставленная задача достигается тем, что в способе измерения сверхмалой высоты полета самолета, преимущественно гидросамолета, и параметров морского волнения, основанном на регистрации физических величин, зависящих от электромагнитного поля, создаваемого установленной на самолете антенной, создается последовательный LC-контур с образованным в поле ближней зоны антенны конденсатором, одной из обкладок которого является антенна, а другой - корпус самолета, включают данный LC-контур в одно из плеч мостовой схемы, подается на вход мостовой схемы стабилизированное по амплитуде и частоте гармоническое напряжение и судят о высоте полета самолета над водным зеркалом по амплитуде снимаемого с мостовой схемы гармонического сигнала, а при взволнованной водной поверхности снимаемый с мостовой схемы сигнал детектируют, выделяют из продетектированного сигнала и измеряют постоянную и переменную составляющие, при этом о высоте полета самолета судят по постоянной составляющей, о высоте морской волны по амплитуде низкочастотной переменной составляющей, а о длине морской волны в направлении полета и в месте, над которым пролетает самолет, - по частному от деления горизонтальной скорости самолета на частоту низкочастотной переменной составляющей. При этом индуктивность последовательного LC-контура выбирают из условия попадания резонансной частоты LC-контура при высоте полета самолета выше 50-100 м в диапазон 1,5-6 МГц. Величина емкости С зависит от высоты полета. При очень большой высоте полета она равна С, где С- емкость LC-контура на большой высоте, при этом резонансная частота LC-контура равна f. С понижением высоты полета величина емкости С возрастает и становится равной: С=С+ΔС, где ΔС - добавочная емкость - возрастает с уменьшением высоты и стремится к нулю при неограниченном возрастании высоты полета. Таким образом, δf - уход резонансной частоты LC-контура при снижении высоты полета самолета (гидросамолета) имеет вид:
c
c
0
m
0
т.е. он резко возрастает при снижении высоты полета. Однако в очень большом диапазоне изменения емкости ΔСδf - уход резонансной частоты - практически пропорционален амплитуде гармонического сигнала U(t), где U(t) - сигнал, снимаемый со средних точек мостовой схемы, изображенной на чертеже, на вход которой подается гармоническое напряжение U(t) стабилизированной частоты f и амплитуды U. При этом сопротивление r в нижней части мостовой схемы, содержащей последовательный резонансный L(С+ΔС) контур, равно:
c
c
где: Q - добротность контура, совпадающая с добротностью индуктивной катушки; L - индуктивность. При этом, предполагается, что если полет происходит над взволнованной морской поверхностью, сигнал U(t) необходимо дополнительно подвергнуть детектированию с последующим выделением постоянной и переменной (низкочастотной) составляющих, т.к. при строго горизонтальном полете величина добавочной емкости ΔС периодически меняется, достигая максимального значения над гребнем морской волны и минимального - над впадиной, и сигнал U(t) можно считать амплитудно-модулированным радиотехническим сигналом. При его детектировании амплитуда постоянной составляющей будет пропорциональна средней высоте полета над взволнованной морской поверхностью, амплитуда переменной (низкочастотной) составляющей - высоте морской волны с коэффициентом пропорциональности, зависящем от средней высоты полета, а частота низкочастотной переменной составляющей (т.е. частота огибающей сигнала) позволит найти длину морской волны в направлении полета путем деления известной горизонтальной скорости самолета на значение этой частоты. Таким образом, в силу того, что на очень малых высотах полета горизонтальная скорость самолета гораздо больше его вертикальной скорости, можно непрерывно следить за высотой полета и параметрами морского волнения в месте, над которым самолет в данный момент находится. Данный способ позволяет измерять параметры морских волн непосредственно перед посадкой гидросамолета на воду. Кроме того, этот способ позволит объединить в одном устройстве, как высотомер сверхмалых высот, так и измеритель параметров морского волнения.
Однако, точность и достоверность измерения параметров волнения известным способом не высокие, особенно при нерегулярном волнении.
Известны также технические решения, которые относится к области неконтактных океанографических измерений и может быть использовано в информационно-измерительных комплексах для определения статистических характеристик морского волнения с борта движущегося судна и получения информации об опасном для эксплуатации судна морском волнении (патенты RU №2046287, 1995 [8], №2112925, 1998 [9], №2439494, 10.01.2012 [10]).
Проблема нормирования волновых усилий, действующих на корпуса судов, представляет огромный интерес для проектирования и эксплуатации судов. Особенно важна эта проблема для судов смешанного плавания, у которых стандарт прочности значительно ниже морских судов неограниченного района плавания. Их эксплуатация в морских условиях становится возможной при выполнении ряда ограничений, среди которых одно из первых мест принадлежит ограничению по интенсивности волнения. Характеристикой интенсивности волнения в отечественной практике является величина волны 3% обеспеченности. Для судов смешанного плавания с классом Российского Речного Регистра эта величина находится в диапазоне от 2,0 до 3,5 м. При превышении разрешенной для данного судна высоты волны судоводитель должен принять решение об изменении курса судна и уходе к месту убежища. Поскольку на судне отсутствуют системы инструментального контроля за высотой волны, принятие такого решения носит субъективный характер.
Известны способы измерения высоты морских волн с движущегося объекта, основанные на использовании посылок на водную поверхность импульсов, приеме отраженного сигнала и определении расстояния до водной поверхности по времени прихода отраженного сигнала.
Так, известный способ измерения высоты морских волн с летательного аппарата на плаву [8], основанный на облучении морской поверхности импульсным сигналом, приеме отраженного сигнала и определения текущего расстояния до морской поверхности по времени приема отраженного сигнала и измерений с помощью размещенного рядом с приемоизлучающей системой акселерометра вертикальных ускорений приемоизлучающей системы, обусловленных действием морского волнения на приводненный летательный аппарат, по измеренным вертикальным ускорениям приемоизлучающей системы определяют вертикальные составляющие ее скорости и соответствующие им вертикальные перемещения приемоизлучающей системы, вычитают значения полученных вертикальных перемещений из результатов определения текущего расстояния до морской поверхности и получают расстояние от морской поверхности до условно неподвижной точки, совпадающей с точкой размещения приемоизлучающей системы при отсутствии морского волнения, анализируют флуктуации текущих значений полученного расстояния через промежутки времени, равные принятому при измерении интервалу дискретизации, и определяют среднеквадратическое значение высоты морских волн.
Недостаток этого способа - большие погрешности при обработке результатов в темпе поступления информации вследствие искажений, возникающих при определении вертикальных составляющих скорости приемоизлучающей системы и соответствующих вертикальных перемещений, а также низкая точность определения высоты морских волн, связанная с тем, что при определении высоты волн не учитываются перемещения приемоизлучающей системы вокруг горизонтальных осей.
В известном способе измерения высоты морских волн с летательного аппарата на плаву [9], согласно которому определяют расстояние до водной поверхности по времени задержки отраженного сигнала с помощью совместно расположенной приемоизлучающей системы, определяют вертикальные ускорения приемоизлучающей системы, обусловленные действием морского волнения на приводненный летательный аппарат, с помощью акселерометра, вычитают сигналы и, анализируя сигналы, пропорциональные колебаниям морской поверхности, находят высоту морских волн, при этом сигнал, соответствующий расстоянию до водной поверхности, фильтруют фильтром с передаточной функцией K(p), в полосу прозрачности которого попадает спектр колебаний морской поверхности, а сигнал акселерометра фильтруют фильтром с передаточной функцией , где p - комплексная частота, при этом вычитают сигналы с выходов обоих фильтров.
Недостатком известного способа является низкая точность определения высоты морских волн, связанная с тем, что при определении высоты волн не учитываются перемещения приемоизлучающей системы вокруг горизонтальных осей.
Известен также способ измерения высоты морских волн с борта движущегося судна, который характеризуются точностью и информативностью полученных данных за счет измерения не только вертикального перемещения приемоизлучающей системы, но и ее перемещения вокруг горизонтальных осей [10].
Указанный технический результат достигается тем, что определяют расстояние до водной поверхности по времени задержки отраженного от водной поверхности сигнала с помощью сосредоточенной приемоизлучающей системы, жестко закрепленной на борту движущегося судна, определяют углы наклона приемоизлучающей системы по трем осям суммированием быстро меняющихся составляющих углов наклона, оцененных с помощью трех измерителей угловых скоростей, жестко связанных с приемоизлучающей системой, сигналы которых подвергают высокочастотной фильтрации, и медленно меняющихся составляющих углов наклона, оцененных с помощью трех акселерометров, жестко связанных с приемоизлучающей системой, сигналы которых подвергают низкочастотной фильтрации, после чего по величине углов наклона и расстоянию до водной поверхности приемоизлучающей системы вычисляют расстояние по вертикали от уровня приемоизлучающей системы до уровня точки отражения на водной поверхности, по величине углов наклона и величине ускорений по трем осям путем высокочастотной фильтрации и двойного интегрирования вычисляют вертикальное перемещение приемоизлучающей системы, определяют профиль морских волн, каждая точка которого вычисляется путем вычитания из расстояния по вертикали от уровня приемоизлучающей системы до уровня точки отражения на водной поверхности вертикального перемещения приемоизлучающей системы, с использованием известных методов статистической обработки результатов определяют высоту волны заданной обеспеченности и иные статистические характеристики волнения. Также, согласно изобретению, дополнительно осуществляют выравнивание комплексной частотной характеристики приемоизлучающей системы.
Сущность известного изобретения [10] заключается в том, что в процессе осуществления способа определяют не только вертикальное перемещение приемоизлучающей системы, но и ее перемещение вокруг горизонтальных осей. Определение углов наклона приемоизлучающей системы с помощью трех акселерометров и трех измерителей угловых скоростей позволяет получить волновой профиль, анализируя который находят высоту морских волн заданной обеспеченности в условиях пространственного перемещения приемоизлучающей системы вместе с судном, что позволяет повысить точность и информативность способа. Применение выравнивания частотной характеристики приемоизлучающей системы позволяет оценивать более широкополосные волновые процессы.
При этом, устройство, посредством которого реализуется способ, содержит приемоизлучающую систему, измерители угловых скоростей, акселерометры, блок выравнивания комплексной частотной характеристики (КЧХ), первый фильтр высоких частот (ФВЧ), фильтр низких частот (ФНЧ), блок оценки вертикальной проекции ускорения, блок оценки угловых перемещений, блок оценки медленно меняющихся углов наклона, второй ФВЧ, первый интегратор, третий ФВЧ, второй интегратор, четвертый ФВЧ, сумматор, блок оценки расстояния от уровня приемоизлучающей системы до уровня точки отражения на водной поверхности, блок вычитания оценки вертикальных перемещений приемоизлучающей системы, блок оценки статистик волнового процесса.
При этом, приемоизлучающая система соединена через блок выравнивания КЧХ с блоком оценки расстояния от уровня приемоизлучающей системы до уровня точки отражения на водной поверхности. Выходы измерителей угловых скоростей через последовательно соединенные первый ФВЧ и блок оценки угловых перемещений подключены к первому входу сумматора. Выходы акселерометров через последовательно соединенные ФНЧ и блок оценки медленно меняющихся углов наклона подключены ко второму входу сумматора, выход которого соединен со вторым входом блока оценки расстояния от уровня приемоизлучающей системы до уровня точки отражения на водной поверхности и первому входу блока оценки, вертикальной проекции ускорения, второй, третий и четвертый входы которого соединены с выходами акселерометров, а выход через последовательно соединенные второй ФВЧ, первый интегратор, третий ФВЧ, второй интегратор и четвертый ФВЧ подключены к первому входу блока вычитания оценки вертикальных перемещений приемоизлучающей системы, второй вход которого соединен с выходом блока оценки расстояния от уровня приемоизлучающей системы до уровня точки отражения на водной поверхности, выход которого подключен к блоку оценки статистик волнового процесса.
Вход приемоизлучающей системы является входом устройства, выходы блоков оценки статистик волнового процесса и сумматора являются выходами всего устройства. Первый выход содержит оцененные статистики волнового процесса, такие как высота волны заданной обеспеченности, средний период волны, корреляционные и спектральные характеристики волнового процесса. Второй выход содержит информацию об углах бортовой и килевой качки.
Благодаря введению новых операций: определения углов наклона приемоизлучающей системы с помощью трехосевого акселерометра и трехосевого измерителя угловых скоростей предложенный способ позволяет оценивать профиль волны, анализируя который находят высоту морских волн в условиях пространственного перемещения судна непосредственно с его борта.
Однако в реальности судно колеблется не строго вертикально, а имеет периодические горизонтальные смещения за счет скольжения по наклонному фронту волны. За счет горизонтальной составляющей колебаний судна появляются горизонтальные ускорения, которые вызывают пропорциональную погрешность измерения вертикальной составляющей ускорения. Данный вид погрешности измерения высоты волны является принципиально неустранимым, если опираться только на измерения трех проекций ускорения, регистрируемых акселерометром. Погрешности обусловлены невозможностью разделить составляющие ускорения, вызванные с одной стороны проекциями силы тяжести на три координатные оси, а с другой - составляющими ускорения движения судна.
Данные погрешности негативно сказываются и при выполнении судовых работ в обеспечение батиметрической или магнитометрической съемок на море, что накладывает ограничения на широкое использование известного способа.
Общим недостатком известных способов, включая и способ измерения высоты морских волн с борта движущегося судна [10] является то, что используемая в настоящее время в практике волновых измерений модель вероятностного описания вертикальных колебаний волнового процесса основана на нормальном законе распределении ординат волнового процесса и определении средней высоты волн в соответствии с распределением Релея, что описывает лишь одну из стадий развития волнового процесса - регулярное развитое волнение и не позволяет обеспечить в полной мере решение широкого круга прикладных задач, в том числе и определение параметров волнения с движущегося объекта при выполнении батиметрической или магнитометрической съемок на море или при выполнении работ связанных с поиском затонувших объектов или контроля безопасного функционирования подводных трубопроводов для транспортировки углеводородов.
Кроме того, используемые в настоящее время в практике волномерных измерений определения скорости распространения и длины волны осуществляются на основе установленных соотношений в рамках трохоидальной теории волн в зависимости от периодов колебаний волнового процесса, что ограничивает их использование лишь для развитого регулярного волнения.
Также существенным недостатком известных способов является то, что модель вероятностного описания вертикальных колебаний волнового процесса, используемая в настоящее время в практике волновых измерений, охватывает лишь часть волнового процесса - регулярное развитое волнение, что соответствует предельному случаю представленной модели, когда относительная среднеквадратическая ширина спектра процесса ε→0, - узкий спектр, формируемый основными энергонесущими частотами первичных волн, без учета вторичных волн.
В этой связи возникает необходимость создания способа измерения высоты морских волн с борта движущегося судна, обеспечивающего реализацию модели описания волнового процесса на всех стадиях его развития, позволяющая с одной стороны обеспечить решение прикладных задач, а с другой стороны - разработку и создание новых методов и средств измерений.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей и повышение достоверности измерения параметров волнения с движущегося судна.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе измерения высоты морских волн с борта движущегося судна, характеризующийся тем, что определяют расстояние до водной поверхности по времени задержки отраженного от водной поверхности сигнала с помощью сосредоточенной приемоизлучающей системы, жестко закрепленной на борту судна, определяют углы наклона приемоизлучающей системы по трем осям суммированием быстро меняющихся составляющих углов наклона, оцененных с помощью трех измерителей угловых скоростей, жестко связанных с приемоизлучающей системой, сигналы которых подвергают высокочастотной фильтрации, и медленно меняющихся составляющих углов наклона, оцененных с помощью трех акселерометров, жестко связанных с приемоизлучающей системой, сигналы которых подвергают низкочастотной фильтрации, после чего по величине углов наклона и расстоянию до водной поверхности приемоизлучающей системы вычисляют расстояние по вертикали от уровня приемоизлучающей системы до уровня точки отражения на водной поверхности, по величине углов наклона и величине ускорений по трем осям путем высокочастотной фильтрации и двойного интегрирования вычисляют вертикальное перемещение приемоизлучающей системы, определяют профиль морских волн, каждая точка которого вычисляется путем вычитания из расстояния по вертикали от уровня приемоизлучающей системы до уровня точки отражения на водной поверхности вертикального перемещения приемоизлучающей системы, определяют высоту волны заданной обеспеченности и иные статистические характеристики волнения, в отличие от прототипа [10], при определении углов наклона приемоизлучающей системы посредством акселерометров, дополнительно регистрируют три компоненты магнитного поля с частотой 100 кГц, по значениям которых вычисляют угол отклонения вектора магнитного поля от вертикальной оси приемопередающей системы, посредством магнитометра, жестко связанного с приемоизлучающей системой и размещенного в одном корпусе с акселерометрами, при определении профиля морских волн определяют среднеквадратические отклонения ординат, скорости и ускорений вертикальных колебаний волнового процесса, средний период первичных колебаний волнового процесса, формирующих основной спектр волнового процесса, средний период максимальных значений ординат, характеризующих верхнюю граничную частоту вертикальных колебаний волнового процесса, коэффициент взаимной корреляции значений ординат вертикальных колебаний волнового процесса и ускорений вертикальных колебаний волнового процесса, относительной среднеквадратической ширины спектра волнового процесса, а среднюю высоту волн определяют в зависимости от относительной среднеквадратической ширины спектра волнового процесса.
В качестве устройства для реализации заявляемого способа может быть использовано устройство прототипа [10], которое работает следующим образом.
На вход приемоизлучающей системы, которая жестко привязана к борту судна, поступает отраженный от морской поверхности импульсный сигнал. По времени его прихода определяется текущее расстояние от морской поверхности до приемоизлучающей системы по ее оси. С выхода приемоизлучающей системы сигнал поступает на вход блока выравнивания комплексной частотной характеристики (КЧХ), где осуществляется выравнивание амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик в области интересующих частот. Выравнивание может быть осуществлено по специальным алгоритмам (см., например, книгу Льюнг, Л. Идентификация систем. Теория для пользователя. / Л. Льюнг. Пер. с англ. / Под ред. Я.З. Цыпкина. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит., 1991. - 432 с. - ISBN 5-02-014511-4 или книгу Прокис, Д. Цифровая связь. / Д. Прокис. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь, 2000. - 800 с. - ISBN 5-02-014511-4). Применение выравнивания частотной характеристики приемоизлучающей системы позволяет оценивать более широкополосные волновые процессы в тех случаях, когда в приемоизлучающую систему встроена фильтрующая система. При отсутствии встроенных фильтров блок выравнивания вырождается во всепропускающий фильтр.
Измерители угловых скоростей и акселерометры жестко привязаны к приемоизлучающей системе, что позволяет по их показаниям оценивать положение и ориентацию в пространстве приемоизлучающей системы. С измерителей угловых скоростей в первый ФВЧ поступают сигналы, пропорциональные угловым скоростям приемоизлучающей системы вокруг трех осей подвижной системы координат, привязанной к приемоизлучающей системе. В первом ФВЧ осуществляется подавление низкочастотных компонент оценок угловых скоростей, которые могут вызвать существенную ошибку при оценивании угловых перемещений в блоке оценки угловых перемещений. В блоке оценки угловых перемещений оцениваются угловые перемещения приемоизлучающей системы в неподвижной системе координат, привязанной к Земле. Для этого сначала оцениваются угловые перемещения приемоизлучающей системы в подвижной системе координат, привязанной к ней. При этом учитывается, что угловая скорость является производной от углового перемещения по времени. Переход от подвижной системы координат к неподвижной осуществляется с помощью известной формулы поворота осей координат.
На выходе блока оценки угловых перемещений отсутствует информация о медленно меняющихся углах наклона приемоизлучающей системы. Ее получают, оценивая направление ускорения свободного падения. Для этого сигналы с акселерометров подвергают низкочастотной фильтрации в ФНЧ, в результате которой подавляются составляющие ускорения, обусловленные относительно быстрыми перемещениями судна, а компоненты, связанные с притяжением Земли, остаются. По соотношению проекций ускорения свободного падения на оси акселерометров в блоке оценки медленно меняющихся углов наклона оцениваются медленно меняющиеся углы наклона. В сумматоре суммируются оцененные быстро и медленно меняющиеся углы наклона приемоизлучающей системы.
Так как углы наклона приемоизлучающей системы изменяются при движении судна, то ее показания не соответствуют ее уровню относительно водной поверхности. На основании оцененных в сумматоре углов наклона в блоке оценки расстояния от уровня приемоизлучающей системы до уровня точки отражения на водной поверхности пересчитываются показания приемоизлучающей системы в разность уровней приемоизлучающей системы и точки отражения на водной поверхности. Выход сумматора имеет и самостоятельное значение, так как наклоны приемоизлучающей системы определяются наклонами судна. Поэтому выход устройства несет полезную информацию измерительной системы о величинах килевой и бортовой качек.
На выходе блока оценки расстояния от уровня приемоизлучающей системы до уровня точки отражения на водной поверхности получают сумму 3-х компонент, а именно: среднего расстояния от поверхности воды до приемоизлучающей системы, вертикального перемещения приемоизлучающей системы и вертикального перемещения водной поверхности. При этом, только последняя компонента является полезной. Средний уровень расположения приемоизлучающей системы обычно не важен, так как при вычислении высоты волны величина среднего уровня игнорируется. Однако при необходимости оценить средний уровень можно путем усреднения показаний блока оценки расстояния от уровня приемоизлучающей системы до уровня точки отражения на водной поверхности. Для оценки вертикального перемещения приемоизлучающей системы используется следующее.
В блоке оценки вертикальной проекции ускорения на основании данных с акселерометров и оценок углов наклона с сумматора вычисляется вертикальная проекция ускорения. Затем последовательным фильтрованием во втором ФВЧ, первым интегрированием в интеграторе, фильтрованием в третьем ФВЧ, вторым интегрированием в интеграторе и фильтрованием в четвертом ФВЧ выполняется подавление низкочастотных составляющих и двойное интегрирование. Интегрирование нужно выполнять для оценивания вертикального перемещения, так как ускорение - это вторая производная от перемещения по времени. Второй и третий ФВЧ нужны, чтобы после интеграторов ошибка акселерометров не увеличивалась катастрофически из-за очень большого усиления интегратором низкочастотных сигналов. Четвертый ФВЧ должен обладать слабыми фильтрующими свойствами, его назначение в устранении накопления ошибок, связанных с квантованием в аналого-цифровых и цифровых устройствах.
В блоке вычитания оценки вертикальных перемещений приемоизлучающей системы корректируются показания блока оценки расстояния от уровня приемоизлучающей системы до уровня точки отражения на водной поверхности путем устранения вертикальных перемещений приемоизлучающей системы на основании оценок на выходе четвертого ФВЧ.
Сигнал с выхода блока вычитания оценки вертикальных перемещений приемоизлучающей системы поступает на блок оценки статистик волнового процесса, в котором происходит оценивание статистик волнового процесса. Количество и набор статистик может варьироваться для разных измерительных систем. Обязательно оценивается высота волны с заданной обеспеченностью. Полученные оценки поступают на выход блока оценки статистик волнового процесса, который является выходом всего устройства.
Все блоки могут быть выполнены программно, например, на распределенном вычислительном устройстве (ВУ), в которое входят быстродействующее ВУ на базе микроконтроллера и ВУ на базе ЭВМ.
В отличие от прототипа [10] в предлагаемом способе, вертикальная составляющая качки судна измеряется с помощью цифрового трехкомпонентного акселерометра, объединенного в одном общем корпусе с трехкомпонентным магнитометром. Линейные перемещения судна по вертикали получают путем двойного интегрирования по времени вертикальной составляющей ускорения. При обработке данных исключают вклад проекции силы тяжести на вертикальную ось, обусловленной наклонами судна по двум горизонтальным осям Х и Y.
При этом наклоны судна по осям Х и Y измеряют независимо от акселерометра путем обработки данных магнитометра. Независимые измерения углов наклона судна позволяют исключить погрешности измерения высоты волн, обусловленные горизонтальной составляющей качки судна, что может быть реализовано в блоке оценки вертикальной проекции ускорения.
В реальности судно колеблется не строго вертикально, а имеет периодические горизонтальные смещения за счет скольжения по наклонному фронту волны. За счет горизонтальной составляющей колебаний судна появляются горизонтальные ускорения, которые отклоняют маятниковый подвес по вертикали и вследствие этого вызывают пропорциональную погрешность измерения вертикальной составляющей ускорения. Данный вид погрешности измерения высоты волны является принципиально неустранимым, если опираться только на измерения трех проекций ускорения, регистрируемых акселерометром. Погрешности обусловлены невозможностью разделить составляющие ускорения, вызванные с одной стороны проекциями силы тяжести на три координатные оси, а с другой - составляющими ускорения движения судна.
Для корректного решения задачи требуется дополнительно привлечь данные независимого датчика углов наклона.
Последующей задачей обработки полученных данных волнения является построение по точкам полученной волнограммы в течение интервала наблюдений с последующим вычислением средней высоты и периода волнения, посредством вычислительного устройства. Согласно нормативам статистики для обработки данных по волнению достаточно иметь ряд наблюдений из 30 волн с средним периодом 6 с, что составляет интервал осреднения 180 c. Достаточная дискретность отсчетов волнограммы составляет 0,5 c, что соответствует измерению периодов волн от 2 до 12 c. Каждый отсчет должен представлять осредненное значение в интервале 0,5 c с целью фильтрации высокочастотных составляющих. Ряд наблюдений из 360 отсчетов должен быть центрированным, т.е. из него должна быть исключена постоянная составляющая. В обработку принимается только вертикальная составляющая ускорения, из которой исключены проекции силы тяжести, обусловленные наклонами судна.
Вначале измеряются и обрабатываются данные магнитометра для измерения углов наклона оси Z от вертикали в каждой точке волнограммы с периодом 0,5 с в интервале 180 с (всего 360 отсчетов).
х
y
z
Для этого регистрируются все три компоненты магнитного поля М, M, M с частотой 100 Гц, осредняются по 50 отсчетов и записываются в буферную память. В каждой точке волнограммы с номером от 1 до 360 вычисляется мгновенный угол отклонения вектора магнитного поля от оси Z приемоизлучающей системы по формуле:
где
х
y
z
x
y
z
М, M, M - усредненные по 50 измерениям значения проекций магнитного поля на оси X, Y, Z в условных единицах. Цена делений по осям должна быть приведена к единому масштабу предварительной градуировкой (путем определения масштабных коэффициентов m, m, m).
z
z
z
Полученная величина α еще недостаточна для расчета угла отклонения оси Z от вертикали, поскольку вектор магнитного поля М наклонен к горизонтали на некоторый угол β, зависящий от координат географической точки и называемый магнитным наклонением (в отличие от магнитного склонения - угла между географическим и магнитным меридианом). Магнитное наклонение рассчитывается как среднее значение угла α всего ряда наблюдений из 360 точек, исходя из предположения, что колебания судна происходят симметрично относительно вертикали. В штилевую погоду без волнения магнитное наклонение равняется углу α.
В каждой точке волнограммы с 1 по 360 вычисляется отклонение оси Z судна от вертикали по формуле:
z
γ=α-β, где
γ - угол отклонения оси Z от вертикали, в радианах;
z
α - мгновенный угол оси Z относительно вектора магнитного поля;
β - магнитное наклонение.
2
2
2
a
a
a
x
y
z
Регистрируются три компоненты ускорения по осям X, Y, Z в каждой точке волнограммы с 1 по 360 с частотой 100 Гц, осредненные по 50 отсчетов, записываются в буферную память в условных единицах. Затем отсчеты ускорения пересчитываются в физическую величину м/с, путем умножения на градуированные коэффициенты , , , определяемые при первичной калибровке приемоизлучающей системы. Это необходимо для того, чтобы при последующих вычислениях получить высоту волны в метрах. Полученные три ряда наблюдений центрируют, вычисляя среднее значение из 360 отсчетов и вычитая из каждого отсчета полученное среднее значение. По оси Z среднее значение ускорения должно быть близко к 9,8 м/с, а по горизонтальным компонентам Х и Y близко к нулю. Если это условие выполняется, значит, судно не имеет постоянной составляющей угла наклона. Если не выполняется, то последующей обработкой с использованием данных магнитометра погрешность от угла наклона будет устранена. Данные магнитометра, измеряющего углы наклона судна от вертикали, необходимы и в том случае, если колебания по углу происходят симметрично относительно вертикали. Если представить, что под действием ветра или других причин судно колеблется только по углу наклона, не испытывая вертикальных перемещений центра тяжести, то результат измерения высоты волн должен быть нулевым. Однако проекция силы тяжести на ось Z будет иметь значительную амплитуду и при учете углов наклона, что даст ложную амплитуду вертикальной качки. Для исключения ошибки такого рода следует учитывать все три проекции на оси X, Y, Z, которые при векторном сложении дадут величину ускорения, в точности равную 9,81 м/с, что и укажет на отсутствие волнения.
x
y
z
Для вычисления только вертикальной составляющей качки судна достаточно три зарегистрированных проекции ускорения b, b, b спроектировать на вертикаль. Для этого необходимо использовать угол наклона у оси Z к вертикали, измеренный магнитометром. Вычисления выполняются для каждой точки волнограммы по формуле:
2
В - вертикальная компонента ускорения судна в м/с;
x
y
z
2
b, b, b - компоненты ускорений, измеренные акселерометром в каждой точке волнограммы, м/с;
γ - угол отклонения оси Z датчика от вертикали в каждой точке волнограммы.
В итоге вычислений получится центрированный ряд из 360 точек вертикальных ускорений судна, используемый далее для вычисления высоты и периода волны.
Далее выполняют операции двойного интегрирования ускорения.
Первое интегрирование ряда наблюдений по времени дает мгновенную скорость вертикального движения судна в каждой точке волнограммы. Приращение скорости вычисляются по известной из физики формуле:
ΔV=g*Δt, где
ΔV - приращение скорости в м/с,
2
g - ускорение в м/с,
Δt - интервал дискретизации в с.
Интегрирование выполняют по шагам от первой точки волнограммы до 360, последовательно прибавляя приращение скорости с учетом знака от точки к точке согласно формулам:
1
1
V=B*Δt,
2
1
2
V=(B+B)*Δt
3
1
2
3
V={B+B+B)*Δt
n
1
2
3
n
V=(B+B+B+B)*Δt, где
1
n
V…V - скорость судна в точках волнограммы с 1 до 360 в м/с;
1
n
B…B - вертикальные ускорения судна в точках волнограммы;
Δt=0,5 с - дискретность квантования в с.
Коррекцию нулевой точки датчика ускорений делать не требуется, поскольку исходный ряд был центрирован.
Полученный новый ряд мгновенных скоростей судна из 360 отсчетов подвергают второму интегрированию, в результате которого получают искомую волнограмму - высоты волн непосредственно в метрах. Вычисления выполняют по аналогичной формуле:
1
1
H=V*Δt,
2
1
2
H=(V+V)*Δt
3
1
2
3
H={V+V+V)*Δt
n
1
2
3
n
H=(V+V+V+V)*Δt, где
Н - вертикальное смещение судна в м;
1
2
n
V, V…V - скорость судна в точках волнограммы от 1 до 360;
Δt=0,5 с - дискретность квантования.
Вычисляют среднюю высоту волны от подошвы до вершины, предполагая, что колебания буя происходят по синусоидальному закону. Фактически вычисляется площадь волнограммы, деленная на время наблюдений и умножения на коэффициент формы. Вычисление выполняют по формуле:
, где
ср
Н - высота волны в м;
1
2
360
H, Н…Н - смещение буя от среднего положения по абсолютной величине (без знака) в м;
К=1,41 - коэффициент формы для синусоиды.
Средний период волнения определяют по формуле по соотношению амплитуд высоты волны и ускорений, исходя из предположения синусоидальной формы волны. Вычисление выполняют по формуле:
Т - средний период волны, с;
cp
2
B - средняя амплитуда ускорения, м/с;
ср
Н - средняя высота волны, м.
Следует отметить, что вычисленный по этой формуле средний период волнения величина достаточно условная, но она соответствует периоду синусоиды с максимальной амплитудой, полученной спектральным анализом Фурье-разложения. Ранее при обработке волнограмм средний период волнения определяли по числу пересечений волнограммы с нулевым уровнем моря. При малых амплитудах волн между цугами относительно больших волн количество пересечений нулевого уровня резко возрастает и трудно поддается подсчету. Условность такого подхода к измерению периода волнения еще более формальна и не отражает энергетической стороны процесса. Строгого определения среднего периода волнения не существует.
Реальные параметры волнения определяются из предположения, что судно совершает синусоидальные колебания на волне, при этом уравнения движения запишутся следующим образом:
0
H=H*sinωt
0
V=ωH*sinωt
2
0
g=ω*H*sinωt, где
0
Н - половина высоты волны в м;
V - мгновенная скорость судна в м/с;
2
g - мгновенное ускорение в м/с;
ω - угловая частота волнения, 1/с;
Т - период волны, с;
t - текущее время в с.
Из этих формул выводится выражение для периода волнения в зависимости от соотношения амплитуды волны и амплитуды ускорения (или их средних значений):
Если подставить в эти формулы реальную высоту волны 5 м, период колебаний 10 с, то получим амплитуду ускорения судна:
2
0
g=0,985 м/с, т.е. около 0,1 g, а соотношение g/H составит 0,1/2,5=0,392.
Способ осуществляется следующим образом.
Посредством измерительного средства, например, радиовысотомера малых высот измеряют высоту от антенны до водной поверхности, при этом антенны могут быть установлены по обоим бортам, в носовой и кормовой оконечностях судна. Антенны, как и в прототипе, снабжаются акселерометрами и измерителями угловых скоростей для учета вертикальных и горизонтальных перемещений. В отличие от прототипа, в одном корпусе с акселерометрами установлен магнитометр.
Для измерения параметров волнения с движущегося судно может быть и использовано известное устройство [3], т.к. оно обеспечивает полный набор спектральных составляющих измеряемых параметров в наиболее очищенном от помех виде, что обеспечивает высокую точность и безинерционность измерений.
При выполнении гидрологических работ, батиметрической и магнитной съемки на море, поиске подводных объектов и контроле подводных магистральных трубопроводов, полученные результаты измерений в вычислительном устройстве подвергают обработке по алгоритму определения основных статистических характеристик движущейся волновой поверхности во временном представлении, который включает:
- определение среднеквадратических отклонений (СКО) измеренных параметров вертикальных колебаний полученного волнового процесса: СКО ординат вертикальных колебаний
СКО скоростей вертикальных колебаний
СКО ускорений вертикальных колебаний
Z(t) - ординаты вертикальных колебаний волнового процесса
колебаний волнового процесса, Z'(t) - скорости вертикальных колебаний волнового процесса, Z"(t) - ускорения вертикальных колебаний волнового процесса;
- определение среднего периода первичных колебаний, формирующих основной спектр волнового процесса
- определение среднего периода максимальных значений (ординат), характеризующих верхнюю граничную частоту вертикальных колебаний волнового процесса
- определение коэффициента взаимной корреляции значений Z(t) и Z(t):
- определение относительной среднеквадратической ширины спектра волнового процесса Z(t):
- определение средней высоты волн вертикальных колебаний в зависимости от относительной среднеквадратической ширины спектра волнового процесса
Данный алгоритм реализован на основании модели вероятностного описания движущейся волновой поверхности во временном представлении, разработанной исходя из полноты и достоверности определения основных статистических характеристик (период, высота волн) вертикальных колебаний волнового процесса, которые в существенной степени зависят от относительной среднеквадратической ширины спектра волнового процесса, определяемой коэффициентом взаимной корреляции между значениями (ординатами) и ускорениями вертикальных колебаний волнового процесса, в то время как, существующие способы определения параметров волнения основаны на модели вероятностного описания вертикальных колебаний волнового процесса, которая охватывает лишь часть волнового процесса - регулярное развитое волнение, что соответствует предельному случаю представленной модели, когда относительная среднеквадратическая ширина спектра процесса ε→0, - узкий спектр, формируемый основными энергонесущими частотами первичных волн, без учета вторичных волн.
Требуемая для широкого круга прикладных задач полнота и достоверность описания вертикальных колебаний волнового процесса обеспечивается путем определения основных статистических характеристик , ,  на основе исходной информации, получаемой путем измерений первичными измерительными средствами ординат, скоростей и ускорений вертикальных колебаний волнового процесса с определением их среднеквадратических отклонений, где:
- средний период первичных колебаний, формирующих основной спектр процесса;
- средний период максимальных значений амплитуд, характеризующий верхнюю граничную частоту спектра вертикальных колебаний волнового процесса;
- средняя высота волн, определяемая в зависимости от параметра ε - относительной среднеквадратической ширины спектра волнового процесса.
Из модели вероятностного описания движущейся волновой поверхности в пространственно-временном представлении следует соотношения, определяющие в зависимости от относительной среднеквадратической ширины спектра волнового процесса
среднюю фазовую скорость распространения и длину волны вдоль уровенной поверхности;
среднюю фазовую скорость распространения и длину волны огибающего волнового профиля;
среднюю крутизну переднего фронта волны.
Данная модель, в отличии от существующих моделей, позволяет обеспечить, с одной стороны требуемую полноту и достоверность описания волнового процесса для решения широкого круга прикладных задач, а с другой, - разработку и создание новых технических средств измерения волнения.
В отличие от прототипа, заявляемый способ измерения высоты морских волн с борта движущегося судна обеспечивает определение крутизны переднего фронта волны, что позволяет выбрать наиболее благоприятные курсовые углы для плавания судна на волнении.
Источники информации
1. А.А. Загородников. Радиолокационная съемка морского волнения. Л., Гидрометеоиздат, 1978, с. 141-158.
2. "Определение параметров волнения совмещенной системой измерения скорости судна и высоты волн" (Ванаев А.П., Чернявец В.В. - Судостроение, № 8-9,1993, с. 6-8).
3. Патент RU №2137153, 10.09.1999.
4. И.Е. Бондарчук. Летная эксплуатация радионавигационного оборудования самолетов. Транспорт, 1978, стр. 112-152.
5. Патент RU №1584513.
6. Авторское свидетельство SU №805745.
7. Патент RU №2183010, 27.05.2002.
8. Патент RU №2046287, 1995.
9. Патент RU №2112925, 1998.
10. Патент RU №2439494, 10.01.2012.