УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ

Полезная модель относится к области навигации, а точнее к измерению и прогнозированию параметров морского волнения с помощью неконтактных измерителей.
Известны различные технические решения в рассматриваемой области.
Так, известно устройство измерения параметров волнения (патент RU №2489731, МПК: G01S 13/88, G01C 21/00, опублик. 10.08.2013), состоящее из антенны, приемопередатчика, измерителя частоты Доплера, блока измерения скорости, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн, вычислителя, схемы определения флуктуационной составляющей скорости, устройства для определения направления прихода волн, вычислителя угла встречи с волной, измерительного модуля, блока коррекции, блока антенн приема спутниковых сигналов, приемника спутниковых сигналов, функционально-логического блока, монитора. При этом, монитор выполнен в виде многофункционального дисплея с возможностью формирования 3D-изображения с постоянным трехмерным представлением данных и загрузкой спутниковыми снимками морской поверхности, а приемник спутниковых сигналов содержит четыре канала приема спутниковых сигналов для измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли. Кроме того, функционально-логический блок содержит модуль сопряжения с судовой системой управления движением и судовым комплексом гидрометеорологической информации, модуль программного обеспечения, вычислительный блок, навигационный фильтр для моделирования движения судна.
Известно также устройство измерения параметров волнения (патент RU №2137153, МПК: G01S 13/58, G01S 13/60, опублик. 10.09.1999). Устройство состоит из антенны, приемопередатчика, измерителя частоты Доплера, блока измерения скорости, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн, вычислителя, схемы определения флуктуационной составляющей скорости, устройства для определения направления прихода волн, вычислителя угла встречи с волной. Кроме того, дополнительно введены измерительный модуль и блок коррекции.
Наиболее близким, по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели, является устройство измерения параметров волнения (патент RU №2384861, МПК G01S 13/58, опублик. 20.03.2010), которое выбрано в качестве прототипа. Известное устройство состоит из антенны, приемопередатчика, измерителя частоты Доплера, блока измерения скорости, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн, вычислителя временных интервалов, схемы определения флуктуационной составляющей скорости, устройства для определения направления волн, вычислителя угла встречи с волной, инерциального модуля, обеспечивающего измерение собственных вертикальных перемещений объекта, блока коррекции, стробирующего устройства, детектора, частотомера, интегратора, вычислителя параметров волнения по радиолокационному каналу. Кроме того, дополнительно введены индикатор и функциональное устройство, предназначенное для определения высоты волн. В состав индикатора входит электронная картографическая система с набором электронных карт, при этом высота определяемых волн коррелирует с данными соответствующей электронной карты, кроме того, антенна снабжена сканирующим устройством, обеспечивающим ее перемещение в секторе 45° от вертикальной плоскости для обеспечения измерения параметров волнения непосредственно у борта судна и на расстоянии от него.
Основным недостатком известных технических решений является отсутствие функции прогнозирования параметров морского волнения, а также учета априорных данных о параметрах ветра при измерении параметров морского волнения.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства измерения параметров морского волнения с улучшенными характеристиками, предназначенного также для прогнозирования параметров морского волнения.
Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, заключается в повышении быстродействия измерения параметров морского волнения и прогнозировании параметров морского волнения.
Достигается технический результат за счет того, что устройство измерения и прогнозирования параметров морского волнения содержит шину данных, к которой подключены блок цифровой обработки (блок ЦО) радиолокационных эхосигналов, соединенный с блоком приема радиолокационных сигналов (блок ПРС) от внешней радиолокационной станции (РЛС), блок приема сигналов датчика (блок ПСД) параметров ветра, блок приема данных метеопрогноза (блок ПДМ), блок управления, блок отображения информации (блок ОИ), запоминающее устройство (ЗУ) и вычислительное устройство (ВУ), которое содержит взаимосвязанные блок формирования сегмента эхо-изображений (блок ФСЭ), блок вычисления спектра волнения (блок ВСВ), блок прогнозирования морского волнения (блок ПМВ), блок статистической обработки данных (блок СОД), блок измерения высоты волны (блок ИВВ), блок измерения направления волны (блок ИНВ) и блок измерения среднего периода волны (блок ИПВ).
Дополнительными отличиями предлагаемой полезной модели является то, что:
ВУ выполнено с возможностью коррекции вычислительных алгоритмов по данным о параметрах ветра;
блок ПМВ выполнен с возможностью краткосрочного и/или долгосрочного прогнозирования.
Сущность полезной модели поясняется следующими фигурами:
фиг. 1, на которой изображена структурная схема устройства, где:
1 - шина данных;
2 - блок ПРС;
3 - блок ЦО;
4 - блок ПСД;
5 - блок ПДМ;
6 - блок управления;
7 - ВУ;
8 - ЗУ;
9 - блок ОИ;
10 - блок ФСЭ;
11 - блок ВСВ;
12 - блок ПМВ;
13 - блок СОД;
14 - блок ИВВ;
15 - блок ИНВ;
16 - блок ИПВ;
фиг. 2, на которой изображено формирование наблюдаемого сегмента морской поверхности.
Блок 3 ЦО, соединенный с блоком 2 ПРС, блок 4 ПСД, блок 5 ПДМ, блок 6 управления, ЗУ 8, блок 9 ОИ и ВУ 7, содержащее взаимосвязанные блок 10 ФСЭ, блок 11 ВСВ, блок 12 ПМВ, блок 13 СОД, блок 14 ИВВ, блок 15 ИНВ и блок 16 ИПВ, подключены к общей шине данных 1.
В состав ЗУ 8 входят база данных и база знаний.
Устройство измерения и прогнозирования параметров морского волнения работает следующим образом.
Предлагаемое устройство принимает сигналы от внешней РЛС через блок 2 ПРС и от датчика параметров ветра через блок 4 ПСД, в течение времени наблюдения, порядка двух минут, чтобы набрать достаточную выборку для статистической обработки, с количеством измерений 3-4 в час, благодаря чему обеспечивается высокое качество оценки параметров.
Скорость поворота антенны радара должна быть не ниже 24 об/мин, которая обеспечивает 48 реализаций. При повышении скорости до 36 об/мин или 48 об/мин (что является предпочтительным) временной интервал можно уменьшить до одной минуты. В качестве внешней РЛС, предпочтительно использовать радар X-диапазона (длина электромагнитной волны 2.8-3.2 см), например, радар Furuno FR-8252.
Сигналы от блока 2 ПРС поступают в блок 3 ЦО и преобразуются в матрицы двоичного кода, которые вместе с данными о скорости и направлении ветра, в виде стандартных цифровых сообщений поступают в базу данных ЗУ 8. Блок 3 ЦО состоит из двух аналогово-цифровых преобразователей, корреляционного фильтра, вычислителя доплеровской частоты, блока комплексного сопряжения и блока преобразования сдвига (Кравченко В.Ф., Чуриков Д.В. Новые методы корреляционной обработки радиолокационных сигналов семейством атомарных функций. Сб. докл. III Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь». - М.: ИРЭ РАН, 2009, с. 977).
По данным о направлении ветра блок 10 ФСЭ выделяет сегмент матрицы оцифрованных отраженных сигналов морской поверхности, в соответствии с выставленными блоком 6 управления дальностью и размером ориентированной по направлению ветра области.
Угловой диапазон области (см. фиг. 2) определяется из соотношения:
в
[φ±Δφ],
в
где φ - угол, характеризующий распространение ветра;
,
где d - заданная дальность;
a - продольный размер сегмента.
Пространственный диапазон области определяется из соотношения:
0
0
[d(φ); d(φ)+ΔR(φ)],
где ;
,
где .
Для этого сегмента в блоках 11, 12, 14, 15 и 16 вычислительного устройства 7, которое выполнено с возможностью коррекции вычислительных алгоритмов по данным о параметрах ветра, определяются требуемые параметры морского волнения.
Блок 14 ИВВ обеспечивает измерение высоты волны, на основе расчета двумерного пространственного спектра для сформированного сегмента эхоизображений. При спектральном анализе используется преобразование Гильберта, что позволяет определять плотность распределения вероятности значений высоты волны.
Расчетные формулы:
;
,
где x, y - декартовы координаты плоскости сформированного сегмента эхоизображений;
x
y
λ, λ - волновые числа в соответствующих направлениях;
xy
A - оцифрованные данные радиолокации;
x
y
k, k - номера отсчетов по соответствующим осям;
x
y
N, N - число отчетов.
Далее, путем факторизации,  вычисляется пространственное распределение амплитуды огибающей эхоизображения. На его основе вычисляется плотность распределения вероятности значений высоты волны, осуществляется фильтрация плотности вероятности известными методами (Степанов О.А. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации. - СПб: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 1998. - 370 с).
Максимальное значение функции плотности распределения прямо пропорционально значительной высоте волны, которая может быть пересчитана в высоту волны 3%-ной обеспеченности.
Блок 15 ИНВ обеспечивает измерение направления волны, на основе анализа двумерного спектра морского волнения, вычисляемого для сформированного сегмента эхоизображений, для разных моментов времени. Определяется пространственное положение точек, соответствующих локальным максимумам энергии отраженного сигнала. Полученный многомерный массив данных подвергается процедуре многоальтернативной фильтрации, которая выявляет угловой сектор распространения волн и основное направление как середину сектора. (Степанов О.А. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации. - СПб: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 1998. - 370 с).
Ориентация сегмента эхоизображений на направление ветра формирует априорную информацию для фильтров, обеспечивающую высокую скорость сходимости фильтров и лучшее быстродействие.
Блок 16 ИПВ обеспечивает измерение среднего периода волны, на основе комбинированного анализа матрицы эхоизображений и пространственного спектра для разных моментов времени. По величинам доплеровского сдвига частот вычисляются длины волн с учетом заранее определенного направления распространения волнения. Длина волны связана с периодом известными теоретическими соотношениями для регулярного волнения. Расчетное значение периода позволяет разрешать неопределенность, возникающую при анализе пространственного спектра, связанную с неизвестным количеством волн, проходящих через фиксированные точки за период измерения. Полученная совокупность вычисленных периодов проходит статистическую обработку, из которой выявляется средний период волнения.
Блок 11 ВСВ реализует алгоритм построения спектральной функции, показывающей распределение дисперсии сигнала по пространственной частоте, с учетом известного направления и по временной частоте. Статистическая обработка спектральной функции вычисляет фильтрованную спектральную функцию, которая в виде многомерного массива хранится в ЗУ 8, для прогнозирования параметров морского волнения.
Блок 12 ПМВ обеспечивает прогнозирование параметров морского волнения и основан на временном анализе измеренных данных о скорости и направлении ветра, и расчетных параметров морского волнения. В базе данных ЗУ 8 накапливается информация для каждого отсчета о скорости, направлении ветра, высоте волны, среднем периоде и направлении распространения волнения, а также о фильтрованном спектре. Далее, на основе спектрального анализа, выделяются ветровая составляющая волнения и составляющая морской зыби (Torsethaugen K., Haver S. Simplified double peak spectral model for ocean waves. Paper №2004-JSC-193 Stavanger, Norway, 2004.). Данные о соответствии параметров ветра и волнения транслируются в базу знаний ЗУ 8, выполненную с использованием процедурной модели.
Блок 12 ПМВ выполнен с возможностью краткосрочного и/или долгосрочного прогнозирования.
Режим краткосрочного прогнозирования основан на анализе выборки данных по диапазону времени, задаваемому через блок 6 управления (Т. Андерсон. Статистический анализ временных рядов. - М.: Мир, 1976. - 757 с). Глубина прогнозирования в этом случае составляет не более двух часов.
Режим долгосрочного прогнозирования реализуется при использовании данных от блока 5 ПДМ, в качестве которого может быть использован, например, навигационный телекс типа JMC NT-2000 с цифровым интерфейсом. В этом случае, прогноз параметров морского волнения осуществляется на основе анализа знаний, с использованием продукционной системы (Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. - СПб: Питер, 2000. - 384 с). Диапазон глубины прогноза при использовании данного режима увеличивается до двадцати четырех часов. Значение глубины прогноза устанавливается оператором через блок 6 управления.
Измеренные параметры морского волнения: высота волны (текущая и прогнозируемая), направление волны (текущее и прогнозируемое), средний период волны (текущий и прогнозируемый) поступают на блок 9 ОИ.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает прогнозирование параметров морского волнения и обладает повышенным быстродействием измерения параметров морского волнения.