Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Разностно-дальномерная гидроакустическая система контроля движений гидрофизических приборов

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Разностно-дальномерная гидроакустическая система контроля движений гидрофизических приборов"

.) М {

АКАДаСЩ НАУК УКРАИНЫ ШРСКОЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

1ЮРОЗОВ Алексей Николаевич

РАЗЕОСТНО-ДАЛЬНОМЕРНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТКГГЕЫА КОНТРОЛЯ ДВИПЕНИЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

(04.00. 22 - геофизика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Севастопс!ш> - 1991

Работа выполнена в Лаборатории методов и средств измерения течения отдела автоматизации океанографических исследований 1Ьрского гидрофизического института АН Украины

Научный руководитель -. кандидат фшико-матекэгических

наук В.У.КУШНИР

Официальные оппоненты : доктор физико-математических

наук Е А. ИВАНОВ кандидат технических наук 3. М. ЕЕРДКЧЕВСКИй Ездугда организация : Арктический и Астаркткчзский

научно-иссдедовательсккГ1гпйститут г. Санкт-ШтерОург

Завята состоится >~ 1992г. часов на васе-

дыши Специализированного совета Д 016.01.01 по ваяйте диссертаций иа соЕскавие учёной степени кандидата паук при Морском гнд$о®азичоском институте АН Украины по адресу : 335005, г. Севастополь, ул. капитанская 2.

-л

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Шрского гидрофизического института АН. Украины по адресу : 335005, г. Севастополь,. ул. капитанская 2. -«

Автореферат разослан 1692г.

Учёный секретарь

Специализированного совета » кандидат фаз. - мат. 1П / к] ^ ^ Суворов

ОБЩАЯ ХАРКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теьяа. Одной из важных задач океанографичес-:ого приборостроения является контроль движний измерителей, [нформация о траектории двикения приборов необходима для по-;каення достоверности результатов измерений при реЕЭНИИ си. э-:ого. круга задач, связанных с детальными исследованиями тон-ой структуры и юкроструктуры, когерентных образований, пог-аничных слоев, конвекции и других процессов и явлений. Знаке траектории дакания измерителей необходимо тагаэ для раз-еления пространнственной и временной изменчивости- исследуе-ых полей.

В настоящее время при измерениях вертикального распреде-ения скалярных гидрологических полей с бор.та дрейфущего удяа горизонтальны:; перенесения измерителей, как правило, не •пггьшалтея, либо вдэнтифгщируются как двзшэние судна . Это риводит к возникновению методической погреипости. вызванной еолрэделЗнностью траегаорни двипгния пр;:5ороз. Прсблзш кон-роля собственных двлязний приборов наиболее актуальна при змерениях верттсадыгого распределения стрости течения. Пог-ешости, вознгасавдие вследствии отсутсвшт контроля движений таких измерительных системах, могут в несколько раз лревое эдгггь измеряемую величину. Система контроля движений гидро-¡гзических приборов необходима для решения иетодичесчх воп-зеев . роведения измерений с борта дрейфующего судна, и повы-гш'Л точности таких измерений за счот учёта колебаний прибо-эв, переходных процессов их установления, траектории двихе-от. Такая скстема необходима для оценки качества 1»делей гсчёта скорости слоса прибора от борта судна, применяемых в эшглексах для вертикального профилирования течений.

При репэнии океанографических задач, связанных- с теп-)-!£ассоперекосом, возникает потребность в данных об пнтег-ш>ных характеристиках поля скорости течения в заданном слое зубки. В настоящее время расчёт осреднённых по слоям скорос->й течений ведётся по данный точечных измерений, что могат эиводить к значительным методическим погрешностям. Поэтому )льпое значение приобретает разработка прямых методов изые-шия этих характеристик.

Указанные факторы характеризуют задачу создания гидро-

акустической систеш контроля движений гидрофизических приборов как актуальную и имеющую большое значение для развития гидрофизического приборостроения и техники экспериментальных океанографических исследований.

Щель работы. Создание гидроакустической системы контроля движений гидрофизических приборов, применение еб для решения методических вопросов проведения измерений с борта дрейфуюце-гег судна, а таклк исследование возможности создания гидроакустического измерителя интегральных характеристик скорости течения.

Основные задачи: анализ погреЕностей гидроакустических навигационных систем (ГШ) и обоснование основных требований к создаваемой системе;

разработка методов применения ГШ при проведении экспериментальных океанографических исследований;

разработка способов повышения точности измерений; разработка структурной схемы систеш и основных её элементов;

проведение лабораторных и натурных исследований характеристик созданной ГНС;

проведение экспериментальных исследований движений гидрофизических приборов с использованием разработанных методов и аппаратуры;

применение гидроакустического тракта ГШ в регзие встречного синхронного излучения для измерения осреднёиной по трассе скорости течения.

Научная новизна В диссертационной работе на основе теоретического анализа обоснованы основные технические требования к гидроакустическим системам контроля двиганий гидрофизических приборов. Проработаны вопросы влияния параметров среды на точное^ измерений и дальность действия ГШ, рэсэны вопросы оптимизации построения систем.

Разработан способ повышения точности регистрации моьакта

прихода акустического сигнала, обеспечивающий на расстояниях от 30 до 3500 м погрешность измерения времени распространения сигнала по трассе не более 3 мкс. Способ физически реализован и испытан в лабораторных и натурных условиях.

Структурная схема гидроакустической системы разработана на уровне изобретения. На основе новых технических решений созданы основные её узлы.

Разработаны и проверены в натурных условиях методы использования созданной гидроакустической системы. Получены новые экспериментальные данные о движениях гидрофизических приборов, связанных поддертагеавдей линией с бортом исследовательского судна, при различных режимах проведения кзгарений: зондирование, выдержка на заданных горизонтах, выход на стационарный уровень при фиксации поддерживающей линии, подъём приборов. Впервые получена экспериментальная оценка характерных пространственно-временных масштабов движений гидрофизических зондирующих приборов.

Показана возмсяяость измерения интегральных характеристик :корости течения в океане с борта дрейфутаэго судна.

Практическая ценность. Созданная в ракках выполнения дан-гой работы гидроакустическая система контроля двиганий гидро-)изических приборов позволяет повысить достоверность океаног-»афической инфорьации, получаемой посредством гидрологических ондирутащх комплексов за'счёт учёта пространственной травк-ории их двигэния. Применение созданной ГШ в комплексах для ертикального профилкрования течений обеспечивает повышение очности измерений в 2-3 раза.

Полученные в работе экспериментальные данные о переходных роцессах установления океанографического прибора при фикса-ия длины поддерживающей линии легли в основу разработки ь'в-эдикя проведения позиционных (на фиксированной глубине) изгоняй с борта научно исследовательского судна

Данные об основных характеристиках колебаний океанографч-?ских приборов, опускаемых на грузонесудем кабеле или зафик-фованных на определенной глубине, послудили основой для ^ юснования и разработки алгоритмов обработки данных таких

намерений.-

Результаты работы кспользсваны при выполнении работ г проекту "Приборостроение" (Общегосударственная комплекса программа исследований и использования Мирового океана... нифр 08.01.10) и по хоз. договорной работе "Соратник".

Технические решения, созданные при разработке ГНС, иэг; найти применение в различных модификациях океанографически аппаратуры.

Созданная б результате работы ГНС использовалась при пр< ведении океанографических исследований в 37 и 41 рейсах И "Академик Вернадский".

Аппробация работы. Материалы, представленные в диссерт; цш! докладывались и обсуядались на Всесоюзной конференц] "Автоматизация процессов управления техническими средства: исследования и освоения Мирового океана", Светлогорск, 1989] а такгз на заседаниях сешшаров ЫГИ АН Украины, ДАНИИ, М1 К-В1К0КЕА11ГЕ0Л)Г1Я и ряда других организаций, специализиру! :--,1Хся в области морской гидроакустики.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печати работ, в той числе два авторских свидетельства на ньобрет« ние.

Личный вклад автора в получении результатов, представле! ных в работе, состоит в теоретической разработке методов и; иерений характеристик движений океанографических приборов интегральных характеристик поля скорости течения гидроакуст; ческнми средствами, технической реализации гироакустичесю систеш, Проведении экспедиционных исследований и шггерпрет; ции полученных материалов.

Объём работы и дополнительные сведения. Диссертация со тоит из Введения,--трёх глав, Заключения и списка литературы: источников. Обг^м работы составляет 151 стр. .вклячая и страниц шшикописного текста, 44 рисунка. Список литерату включает 68 источников.

■ в -

Диссертация В1'»ыгаялась в соответствии с планами основных адых исследований Морского гидрофизического института ЛН айны.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введс-нии обосновывается актуальность темы, формулиру-т цель и задачи исследований, излагаются основные научные тактические результаты работы.

В первой_главе сформулированы задачи, решаемые судовой

при проведении океанографических исследований. На основе этического анализа погрешностей разработаны технические 5овани.ч к создаваемой система.

При помощи зондирующих приборов выполняется значительный »м океанографических измерений. Происходит постоянное сэ-зенствование таких средств. При этом для повышения досто-гости результатов и:>м«рений и достижения более высокого «пения по измеряемым параметрам необходимо учитывать га-ваяный фактор, как ¡сальная траектория движения измерите-во время зондирования. Воздействие течений на прибор и ¡онесущий кабель, изменения натязгячия последнего, вызван-качкой, дрейф судна, обуславливают собственные двигзния [а, которые могут существенно искатать значения измеряемых юфизических параметров. Измерение при помоши ГШ траект^-движения зондирующих приборов позволяет определить гсопальные масштабы таких движений и исключить методическую «теость измерения, вызванную пренебрежением изменчивости асгоабах горизонтальных перемещений зонда. Это особенно о учитывать при изучении пространственно-временной измен-сти гидрофизических характеристик океана. Измерение траектории движения приборов приобретает особуг дьность при вертикальном профилирован?™ течений. При этом, деляется распределение по вертикали горизонтальной еос-яегзэП скорости движения прибора относительно судна, кото-геометрически суммируется со скоростью дрейфа и относи-ной скоростью обтекания датчика зонда при определении икального распределения течений в земной (географической) еме координат.

- б -

Измерения гидрологических элементов на фиксированных глубинах широко используется при исследованиях тонкой структуры н микроструктуры, а такие при изучении других процессов и явлений. Ваяныы моментом таких измерений является фиксация прибора на заданной глубине. Пространственные и временные характеристики переходных процессов позволяют учитывать вертикальные и горизонтальные смешения измерителей и правильно выбирать методику их использования в зависимости от характера проводимых исследований.

При решении задач, связанных с тепло-, масеопереносом в океане расчитываются интегралькш характеристики распределения гидрологических элементов. Разработка методов прямых измерения интегральных характеристик течений имеет больше значение для совервэнствования методов таких исследований.

Перечисленные вшз задачи иогут быть эффективно ресэны ГШ с длинной базой. Однако применение такой аппаратуры требует значительных ватрат времени на установку и позиционирование донных маяков. Цри этом снижение оперативности шью рений и дороговизна исключают их применение при проведении иассовых полигонных гидрологических съёмок. В связи с этим сформулирована задача создания судовой ГШ, в которой сочетание средств судовой навигации и аппаратуры контроля движений гидрофизических приборов позволяет определять координаты последних в земной системе координат без сшпгашш оперативности проведения изыэрвпия. В частоте врзш промыэленво выпускаемые ГШ с короткой базой номинально обеспечивал? точность измерения врэюпи распространения акустических сигналов до 20 икс. Такая точность недостаточна для ргсэтш задач определения скорости сноса прггбора и измэренга интегральных характеристик скорости течэшаз.

Дет определения требуемых параметров ГШ и разработки методов повьсзиня точности в работе проведен теоретичесий анализ погресностей, свойственных таким средствам. Наибольший вклад в погресгость определения координат подводного объекта при глстко фиксированной базе ГШ вносит погрешность определена времени распространения акустического сигнала, которая вычисляется по соотнесению :

"х!^1 КС б^ /<1 (1)

где Я - расстояние до прибора, с! - длина базы, С - скорость звука, бt " погрешность определения времени распространения. Для того, чтобы определить параметры системы при заданной точности определения координат проанализирована работа приёмного устройства, содержащего синхронный детектор и пороговое устройство, обеспечивающие регистрацию момента прихода сигнала. Погрешность определения момента прихода сигнала определяется соотношением сигнал/шум в точке приёма. Шумовой фон представлен акустическими шумами моря. С использованием гидролокацинных уравнений получено соотношение, связывающее требуемую акустическую мощность (Па) с заданной погрешностью измерения времени распространения :

Я1 Ггш(д М ] Па-85Г----------<----10 > (2)

(54З) ЛГ 1г I

где Б - крутизна фронта на выходе приемника,а Г - полоса пропускания приёмника, гш- спектральная мощность шума, Ъ -акустическое сопротивление, о£.- коэффициент ослабления. Выбор оптимальной рабочей частоты производится путём минимизации множителя правой части, заключённого в фигурные скобки.

На основе проведенного анализа определены основные требования к создаваемой ГШ. Для того, чтобы обеспечить определение осреднённой по 25 метровым слоям скорости сноса прибора с точностью 0.02 м/с, при средней скорости погружения прибора около 1 м/с на расстояниях до 2-х км необходимо, чтобы погрешность определения времени распространения сигнала не превышала 5 мкс при длине базы 60 м. Исходя из условий проведения измерений с дрейфующего судна, максимальная дальность-действия ГШ составляет 3-3.5 км. Оптимальная рабочая частота находится в диапозоне от 30 до 40 кГц. Требуемая акустическая мощность составляет 2 Вт.

Одним из важных факторов, влияющих на точность определения координат подводного объекта, является рефракция акустических лучей. В главе на основе уравнений геометрической акустики разработан приближенный способ, позволявший при незначительных затратах времени ЭВМ в достаточной мере учитывать

при расчётах кривизну лучей. Полученное комбинированное приб ливзние учёта явления рефракции шкет быть представлено соот ношением : 2

T-R/Cr+(R/Cc- R/Cr) Ctg if /2 (3)

где T - время распространения, R - наклонная дальность 0ß""ä"CCldl ' С . Ctgvp - R/H. Н - глубина.

Численные эксперименты показали, что использование данног приблизюния в диапозоне работы создаваемой ГНС обе спе чина« расхождение с данными расчёта наклонной дальности по nporpai ue полного учёта рефракции до 2 мм.

Вторая глава посвящена обсуждению технических аспектс разработки судовой ГНС и способов повышения точности измерь ний.

Одной из основных составляющих аппаратурной погрешнос! измерений является погрешность определения времени pacripoc ранения акустических сигналов. Специфика разрабатываемой с» темы состоит в широком диапазоне изменения расстояний (от : до 3500 м), что вызывает изменение амплитуды сигналов на в» де приёмника в диапазоне около 60 дБ. В современных проми ленно выпускаемых ГШ регистрация момента прихода сигна производится, как правило, по переднему фронту с последующ распознаванием частоты или кода сигнала. Такой способ регис рации в условиях широкого диапозона изменений а-шлитуды вхо, ных сигналов дает значительный вклад в'погрешность определ ния времени распространения. Для того, чтобы уменьшить со тавляицую погрешности, вызываемую изменениями уровня входно сигнала, в приёмном устройстве системы предусмотрено автом тическое регулирование усиления с тем, чтобы во всём диапоз не входных сигналов амплитуда выходного была почти постоян к моменту регистрации. Регистрация момента прихода сигна производится по заднему фронту. Показано,что погрешность и мерения времени распространения обратно пропорцональна ква рату крутизны фронта, по которому производится регистрация, целью увеличения крутизны заднего фронта радиоимпульс обые дополнен двумя периодами несукэй частоты, фаза которых еда нута на 180 градусов по отношению к гармонике заполнения, ч обеспечивает увеличение крутизны почти в 2 раза. Введение

сигнал обмена дополнительных импульсов позволяет распознавать последний период гармоники г эполнения основного сигнала и производить регистрацию по пересечению нулевого уровня в последней периоде. IIa рисунке 1 представлена структурная схеш приёмного устройства, которая реализует предлоеткшЯ способ регистрации момента прихода акустического сигнала. Для г.опи-секня надёжности дополнительно в схеме производится распознавание частоты сигнала в полосе 200 Гц, и распознавание длительности в пределах 0. 2 мс при длительности сигнал около 2 кс. Задержа сигнала при приеме определяется в лабораторных условиях и учитывается при математической обработке !шфор:з-ц:гх Предложенный способ обеспечивает устойчивую райоту np*t соотнгэшш сигнал/шум не менее 10 и погрешность регистрации :.юмэнта прихода сигнала в пределах 1 мкс в диапозоне измане-Ш'л входных сигналов 60 дБ.

Траст излучения содергзгг формирователь сигнала и усилитель !:о";чсстн, который построен по двухтактной cxeiee с трансформаторным выходом.

По г ругаемое устройство системы предназначено для автоно!.*-ной работы в регимэ маяка- ответчика. Автономность его работы 4 месяца или 10 ^ излучений. Частота запроса равна 32.7 кГц, частота ответа - 34. 3 кГц, длительность импульса около 2 мс. Погружаемое устройство содерлзп- тракт ira луче Н!!Я, тракт приёьа и схему управления. При получешгя сигнала запроса схеш управления обеспечивает начало вырабо5ки ответного сгтнап с задерпсой в пределах 1 ííkc. Корпус прибора расчитап на глубину до 2-х кн.

Бортовая аппаратура содержит три канала прмёиа, три какала излучения, устройство управления, измерители вротанных шг-тервапов и адаптер связи с внеспиии измерителям и SEIL Три бортовых преобразователя при проведении изшрений выяосется за борт судна, образуя бортовую антенну с рав»*эрои базы не менее ?о и не более 100 м. В каздом цикле измерения один из преобразователей формирует акустический сигнал запроса погружаемого устройства В бортовой аппаратуре производится регистрация времени распространения сигнала ответа до каддого та преобразователей бортовой антенны, что позволяет расчитывать

Рис. I. Структурная схема приёмного тракта

.положение погружаемого устройства каждый цикл измерения в координатах, связанных с судном. В системе предусмотрено получение информации об угловой ориентации антенны от внешних измерителей крена, дифферента и курса судна, что необходимо для расчёта координат погружаемого устройства в географической системе. Предусмотрено проведение измерений в режиме ручного запуска (используется при отладке), запуска по сигналу внешнего устройства (прк работе в комплексе с другими приборами) и в режиме запуска по сигналу встроенного таймера с регулируемым циклом измерения. Система позволяет производить измерение расстояний между бортовыми преобразователями. Предусмотрена запись цифровой информации на магнитный накопитель или непосредственная передача в формате стандарта РЕ-232 в ПЭВМ.

Структурная схема гидроакустической системы разработана на уровне изобретения и допускает использование для измерения интегральных характеристик течения на масштабах до 2 км. Известно, что акустические сигналы, проходящие через толщу водной среды несут в себе информацию о структуре гидрофизических полей. Одним из параметров, характеризуют« динамику водной среды, является разность времени распространения акустических сигналов по трассе во встречных направлениях. Эта величина в первом приближении пропорциональна средней по трассе скорости течения. Метод измерения течений, основанный на-этом принципе, называется методом взаимного просвечивания. До настоящего. времени использование этого метода ограничивалось условиями* стационарной трассы ( преобразователи измерительной системы жестко фиксированы). Предложена структура зондирующего . измет рителя средних по слоям течений, которая позволяет также контролировать движения преобразователей бортовой слтенны и погружаемого устройства. Использована синхронизацию по кабель-тросу, при помоци которой обеспечивается измерение разности времени распространения акустических сигналов во встречных направленных по лучу, соединяющему один из бортовых преобразователей с погружаемым устройством. Измерение среднего значения скорости течения по слою производится за два цикла измерения, координаты погружаемого устройства - в каждрм цикле. Проведенный теоретический анализ показал, что

если погрешность измерения времени распространения сигналов не более 2 мкс, то предложенный зондирующий измеритель обеспечивает точность измерения средних еначений компонент скорости течения по слою в 1 км не хуже 0. 013 м/с. Такой измеритель позволяет получать профили скорости течения с обеспечением пространственна привязки измерений. Измерения можно проводить как при погружении прибора, так и при его подъёме.

Таким образом, во второй главе проанализированы технические аспекты и методы достижения уровня заданных технических требований. Предлагаемые методы были реализованы и воплое/зиы в созданной гидроакустической аппаратуре.

В третьей главе рассмотрены результаты натурных испытаний гидроакустической системы и её применения для решения методи-иетодических вопросов проведения измерений с борта дрейфуюде-го судна.

Испытания гидроакустического тракта проводились на океанографической платформе МГИ АН Украины (Черное море). Измерительная линия содержала излучатель и приёмник, расстояние яду .-»торыми было жестко фиксировано. Бортовая аппаратура обеспечивала формирование и приём сигналов. Регистрация временных интервалов производилась стандартным измерителей. Уровень шумового фона обеспечивался генератором шума комплекта КИЯ-10. Шлученная оценка погрешности измерения времени распространения сигналов равнялась 1.2 мкс при соотношениях сигнал/шум больших 10.

Определение максимальной дальности действия системы проводилось в открьл"ом океане (37 рейс НИС "Академик Вернадский"). Погружаемое устройство крепилось ка трос длиной 2000 м. Через каждые 200 м регистрировалось соотношение сигнал/шум. Затем полученная кривая экстраполировалась до соотношения сигнал/шум, равного 10, а соответствующее расстояние принималось за максимальную дальность. В условиях проведения эксперимента она составила 3. 2 км.

Оценка погрешности определения координат зондирующего прибора проводилась в 41 рейсе НИС "Академик Вернадский". С наветренного борта судна на глубине 5 м и равных расстояниях друг от друга крепились три преобразователя бортовой аппара-

• - 13 -

туры, а погружаемое устройство опускалось с кормы И фиксировалось на глубине 400 м. Кандьй цикл измерений регистрировалось время распространения ст-.адов от погружаемого устройства до калдого из преобразователей бортовой аппаратура Ло этим данным расчитывались координаты зонда. Расстояние мелду преобразователями составляло 30 м. Среднеквадратичное значение разности координат, полученное для фиксированного расстояния около 600 ы, при использовании различных комбинаций бортовых преобразователей,составило О. 2 м. В условиях проведения эксперимента это адекватно погрешности определения времени распространения около 3 касс. Полученные данные соответствовали расчётной точности определения времени распространения в каналах созданной системы при работе в режиме запрос-ответ.

Созданная гидроакустическая система была использована для получения данных о поведении прибора после прекращения стравливания троса Ереьжнные и пространственные масштабы таких процессов необходимы для разработки методического обеспечения проведения позиционных измерений с борта дрейфующего судна Эксперименты проводились в условиях открытого океана Погружаемое устройство, снабжённое датчиком давления, закреплялось на тросе, и 8атем в течении нескольких минут осуществлялось непрерывное погружение. Шсле остановки лебёдки производилось определение местоположения прибора каждые 4 секунды до выхода на квазистационарный уровень. Средняя скорость движения троса равнялась 1.2 м/с, скорость дрейфа при проведении измерений составляла 0.58 м/с. В таблице 1 представлены данные изменения наклонной дальности (Ю и соответсвующей длины несущего троса (и.

Таблица 1

! 100 ! 300 ! 700 ! 1200 I 1600 1 2100 !

И,м ! -2 1 0 ! 5 ! 35 1 25 ! 20 !

Проведенные исследования показали, что пространственные ¡/аса-табы процесса установления определяются величиной асоростн дрейфа,, распределением течений, скоростью стравливання троса

и его длиной, а также массогабаритными характеристиками троса и погружаемого устройства. Временные масштабы процесса установления лежат в диапазоне от 12 до 25 минут, (время выхода на квазистационарный уровень). Для прибора' массой 90 кг, при диаметре троса 9 мм, скорости дрейфа 0.76 м/с, скорости движения троса 0.83 м/с в течении 10 минут во время процесса•установления глубина уменьшилась на 100 м, горизонтальные перемещения составили 160 м, время, в течении которого прибор вышел на квазистационарный уровень, составило 15 минут.

В настоящее время пространственная привязи проводимых с борта лежащего в дрейфе судна измерений гидрологических параметров ограничивается измерением глубины, что во многих случаях недостаточно.- Отработка методов измерения характеристик траектории зондирующего прибора проводились в 41 рейсе НИС "Академик Вернадский" а условиях открытого океана Для того, чтобы оценить возможные погрешности, возникающие вследствии отсутствия контроля горизонтальных перемещений, были проведе-нй следующие измерения. С судна, лежащего в дрейфе производились зондирования температуры, а траектория измерителя определялась посредством ГНС. Сначала было проведено первое зондирование, а спустя час - второе. По нолученным данным был рассчитан горизонтальный градиент температуры, и затем на основе линейной экстраполяции рассчитывалась разность между измеренными и расчитанными значениями температуры для случаев отсутствия горизонтальных перемещений прибора и при его движении со скоростью дрейфа На рисунке 2 предствлены соответствующие зависимости (1), (2) и горизонтальный градиент температуры, который достигает величины 0. 0003 град/м. Оценки погрешности измерения температуры из-за неучёта горизонтальных движений составили О. 04 град. Это соизмеримо с величиной погрешности измерителей температуры (0.03 град). основе полученного материала можно сделать вывод о том, что повышение точности измерения скалярных гидрологических элементов не ограничивается лишь повышением точности используемых в зондах датчиков и требует обеспечения измерений данными о горизонтальных перемещенях приборов.

На основе полученного экспериментального материала можнс

-0.15 - 0.10 -0.05 -0.00 сП^, ГРАД

-0.15 -о'.ю - 0.05 -о:оо ' сПг.грАд

-0.0005 1 ' - о.оооа" 1 '0.0005 ' С1Т/с1К ГрАД/М

юо

200

300 м

•I

"Ч

бъ

> с1Тг

с—

"V

Рис. 2. Вертикальное распределение горизонтального градиента и погрешности измерения тешературу

сл

выделить следующие характерные черты траектории двиеэния зондирующих приборов. При погружении прибора горизонтальные его перенесения происходят в основном, в направлении противоположном скорости дрейфа. Угловые отклонения от вертикальной плоскости, где лежит средняя траектория движения зонда, могут достигать 14 град, в то время как при подъёме прибора аналогичные отклонения не превышают 4 град. Для следующий условий; скорость дрейфа 0.82 м/с, скорость сматывания троса 0.83 м/с в течении 11 минут, масса прибора около 90 кг, горизонтальные перемещения соизмеримы с глубиной погружения, их соотношение близко к 0.5 (глубина 470 м., горизонтальное удаление 240 м.). На основе экспериментального материала показана возможность определения горизонтального удаления прибора от борта судка* по данным о глубине и длине несущего троса. Как оказалось, зависимость горизонтального удаления прибора от глубины и длины троса шгат быть с точностью до 2-х метров представлена кривой второго порядка. Ког.Зфициенты зависимости определяются по данным ГНС. Это обстоятельство допускает возможность создания простой аппаратуры контроля горизонтальных перемещений зондирующих приборов.

В известных комплексах для вертикального профилирования течений скорость течения расчитывается по соотношению __ Уа -Уд+Ус+Уо (4) _

где Уа- вектор абсолютной скорости течения, Уд- вектор скорости дрейфа, \'с-. вектор скорости сноса прибора от борта судна, Уо- вектор относительной скорости потока. Суммарная погрешность определения абсолютной скорости зависит в равной мере от погрешностей определения величин Уд, Ус, Уо. Так измерение скорости дрейфа средствами судовых навигационных систем может производиться с точностью до 0.02 м/с на десятиминутных интервалах. Датчики относительной скорости потока обеспечивают точность измерений 0.003 м/с. Скорость сноса прибора в настоящее время определяется косвенными методами, на основе модельных представлений о поведении прибора под водой. Вопрос определения точности таких измерений до настоящего времени оставался открытым и его решение ограничиваюсь сравнительным анализом существующих моделей. Зксперименталь-

ниэ данные были получении при работе гидроакустической системы в составе комплекса для вертикального профилирования течений "БЕГА-3" (1.СГИ ЛК Украины) в 41 рейсе 1ШС "Академик Вернадский". Сравнение косвенного метода определения скорости сноса, применяемого в комплексе 'Темень", с измеренными при помощи ГКС значениями-скорости сноса показали, что расхояде-ния значений ¡»гут достигать величины 0.1 м/с при среднем совпадении указанных характеристик.

Для проверки возмоздости создания зондирующего измерителя течений на основе элементов разработанной системы были прозелени следующие измерения. Два преобразователя бортовой аппаратуры системы устанавливались с наветренного борта на глубину 10 метров. Расстояние мелду преобразователям составляло 60 метров. Аппаратура обеспечивала одновременное формирование акустических сигналов на каждом преобразователе и регистрации временя их распространения во встречних направлениях. На""р'л-сунке 3 приведены результаты взаимного спектрального анализа относительной старости движения преобразователей и измеренной методой взашаого просвечивания скорости течения. Па частотах ветровых волн ( от 0.1 до 0.15 Гц) паблпдается высокий уровень когерентности, а сдвиг фавы близок к 90 градусам. В главе на основе теоретического анализа обосновано такое поведение сдвига фаз. Это свидетельствует о том, что полученные результаты соответствуют реальным фг-эичесгспд процессам, а пе являются следствием пумов измерений. Результаты причинения системы для из!йрения течений методом взаимного просвечзЕания подтверлдаст принципиальную возможность метода. Для исследования этого метода, дополнительно проводились измерения при распологгэнии преобразователей на глубинах 10 и 20 м. В соответствии с результата^! анализа в области частот, близкой к частоте ветровых волн (от 0.1 до 0.15 Гц), при пермещэшш преобразователей с 20 на 10 метров максимум автоспектра измеренной скорости сместился в область более высоких частот, а его абсолютное значение увеличилось. Эти данные такгэ подт-вердаш соответствие полученных результатов физическим основам метода измерений.

Рис. 3. Автоспектры относительной скорости движения 5у0\/о и измеренной скорости течения , а также спектры когерентности Сод

и фазы ^ этих характеристик

- 19 -

Основные результаты ргботн

1. Па основе анализа погресясстей гидроакустических навигационных систем разработаны сбсиз требования к ютодике и технически средствам, прэдназпачзниь"! для измерзши хзрагсте-ристик дшяппкнЯ о^акографнчесгагх. приборов н интегральней спорости течения.

2. Разработало ко^слфозанноэ пркблигзакэ учЗта явлений ретракции на порядок лучпэ характеристики, чем су-цэствугг~'э прКбгжЗНПУЭ иэтоды.

3. Разработан прецезпонпыД гкдроа^стичэскиЯ канал с давностью действия до 3-3,5 км и рззр8сеш:эи по врекзни распространении до 3 исс.

4. Емтолпеп теоретический аналзгз есэ!.:ол;остп измерения интегральных характеристик течений на ь-асптабах до 2-х гсш>-иетров в регзагэ зондирования. Структурная схема зонда разработала па уровпэ изсбротенга.

5. Создала судовая гидроакустическая спстет контроля ЕвггзккЛ гидрсфпзпческиз приборов. Прведепы с-й ггбораторпкэ и натургшз испытания.

Б. С использованном ссздашгой гидроакустический систеш получоны ковкз дахшьз о дшпзшпх гидро^яичесгак приборов в рэг^э зонднроиатш, вадергии па горизонте п подгЗнэ, а та!сз о пзргготраз гсмсбэний приборов "код действии кач;п1 судна.

7. Енполпепн псслздоггшкя роппл рсботы еистеш при вст-роч£СУ скнхрсппои нздучзши сигналов. йжазано, что при зтон гбоспэчлваэтся устойчивое вццэлзнке сигнала с редкой но трассе гкорэсти течения. Определены етатисттезскиэ спектральные характеристика суповых фагггоров и установлена вооно~юсть их эффективного отфлльтровывашся.

Список работ, опубликования по джсертащс!

1. Морозов А. II Погрепвости профилирования течений атгус-мгсэсгевя! >'?тодг\ш / Лзп. в ШЕИТЛ N 2710-85 - 1985. - 15 с.

2. 15о розов А. Н. Точность рэгнстрацш помзнта прихода лгустлческого сигнала на фоне цушв ¡--оря / Доп. в Е-'аПГГИ

( 7540-В35 - 1985. - 14 с.

3. 13зрозов А. К Пркблнг.эгат з задаче подводкой далько-

- 20 -

иетрии / Да п. В ВИНИТИ N 397-Б38 - 1988. - 22 с.

4. Ш розов А. Е Процесс установления зондирующего прибора при (фиксации троса / Деп. в ВИНИТИ N 5901-В39 - 1989. - 14 с.

5. A.C. N 1673984. Госкошзобретений СССР. Система измерения интегральной скорости течения. / Заикин R11 , Куп-нир R Ы. , Морозов А. а 1991 г.

6. A.C. Н 1226249 Госкомизобретений СССР. Способ измерения электропроводности жидкости. / Беляев R С. , КЬрозов А. Н. 1985 г.

7. Заикин R Ы. , Кушнир R Ü , Морозов А. Н. Измерение интегральной скорости течения в регаше зондирования океана. Б га. Тезисы докладов VII Всесоюзного совещания "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования Шфового океана". 1&>сква - 1989. - с. 101

8. Морозов А. IL Гидроакустическая навигационная система в задаче контроля движений гидрофизических приборов // В кн. Тезисы докладов III Семинара "Системы экологического контроля вод". Севастополь - 1991. - с. 37

1ГОРОЗОВ АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗНОСТНО-ДАЛЫЮМЕРНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ДВИНЕШШ ГИДРОЕ£ЗИЧЕСКИХ ПРИЮРОВ

Автореферат

Подписано к печати 11.02.92г. Формат бумаги 60x84 1/16 Объем 1 уч. изд. л.

Заказ 50 Тира» 100 зга. Бесплатно