Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Технические средства для измерения длинных волн в океане

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Технические средства для измерения длинных волн в океане"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П. ШИРШОВА

РГ6 ОД

На правах рукописи

О 9 ФГ" г ^

КОВАЛЕВ Петр Дмитриевич

УДК 551.46

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИННЫХ ВОЛН В ОКЕАНЕ

11.00.08 - океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1997 г.

Работа выполнена в Институте морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российской Академии наук

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, академик Международной

Академии информатизации

Е. В. Вержбицкий

доктор физико-математических наук,

профессор

В. В. Алексеев

доктор физико-математических наук

А. Б. Манукин

Ведущая организация: Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской АН

циализированного Совета по присуждению ученой степени доктора наук Д002.86.02 при Институте океанологии им. П.П. Ширшова, Российской Академии наук. Адрес института: 117218, Москва, ул. Красикова 23.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института океанологии им. П.П. Ширшова, Российской Академии наук.

Автореферат разослан " Л " 199 ^ г.

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат географических наук С.Г.Панфилова

Защита состоится " " \ГЬ- 199 Ъ г. в

часов на заседании Спе-

Актуальность проблемы. Практическая деятельность человека тесно связана с океаном. Это в первую очередь рыбный промысел и морской транспорт, требующие к тому же строительства портов и прибрежных сооружений. Кроме того, в связи с истощением месторождений на суше активно развивается добыча нефти и газа на шельфе с использованием плавучих и стационарных буровых платформ. В настоящее «время уже более трети мировой добычи углеводородного сырья приходится на морские месторождения.

Но успешное освоение океана невозможно без знания волнового режима в морях, океанах и резонансных особешгостей прибрежного рельефа. Опыт рыбного промысла показывает, что учет приливных течений и флюктуаций температуры воды районов лова позволяет добиться высоких уловов. Строительство портов и зданий в прибрежной полосе, установка буровых платформ без данных о дшгамике вод и донного грунта, волнового режима конкретного побережья ведет к разрушению построек.

Кроме того, при решении задач самой океанологической науки - исследовании генерации, распространения, трансформации длинных волн и их связи с барическими возмущениями оказываются необходимыми синхронные наблюдения за колебаниями уровня, температуры воды, атмосферным давлением и придонными течениями.

Под длинными волнами в океанологической литературе понимают колебания с периодами от нескольких минут до нескольких месяцев. Линейные масштабы этих волн от десятков до десятков тысяч километров. Сам термин "длинные волны" связан с известным в гидродинамике приближением для волновых процессов, у которых горизонтальные масштабы значительно превосходят глубину жидкости. Типичные примеры длинных волн в океане: приливы, волны цунами, штормовые нагоны. Эти волны в той или иной степени определяют характер большинства гидро- и геофизических процессов, протекающих в океане и его пограничных областях, включая осадконакопление, формирование береговой зоны, короткопериодные колебания климата, изменение биопродуктивности определенных районов океана и др. Поэтому, учитывая еще и интерес самой океанологической науки, становится очевидной важность проведения наблюдений за колебаниями уровня морей и океанов.

Однако до недавнего времени такие измерения на шельфе и в открытом океане носили эпизодический характер из-за отсутствия специальной приборной базы. Существующие серийные мареографы, предназначенные для регистрации приливных волн у берега, являются громоздкими сооружениями и не обеспечивают достаточной точности измерений в другом частотном диапазоне таких типов волн, как, например, цунами и сейши. Для их изучения требуется аппаратура с высоким разрешением, дающая возможность проводить измерения в широком частотном диапазоне с фильтрацией шумовых.

Важность теоретических и экспериментальных исследований вопросов создания измерительных комплексов для наблюдения длинных волн в океане, оказывающих существенное влияние на динамику океана, перенос масс, эрозию и многочисленные нужды практики, а также отсутствие качественных данных наблюдений в диапазоне волн цунами, и определяют актуальность данной работы.

Цели и задачи настоящей работы: - изучение вопросов создания измерительных комплексов для наблюдения длинноволновых процессов в береговой зоне и в открытом океане, главным образом для диапазона волн цунами, и проведение экспериментальных натурных исследований с использованием разработанных технических средств. При этом ставились следующие задачи: 1) определить требования к измерительным средствам, позволяющие создать оптимальные измерительные комплексы предназначенные для наблюдения длинных волн в океане; 2) на основами этих требований определить возможные структурные варианты измерительных комплексов; 3) исследовать вопросы применимости различных типов датчиков; 4) исследовать проблемы разработки функциональных узлов аппаратуры и рассмотреть примеры ее исполнения; 5) изучить факторы, влияющие на погрешности измерительных приборов; 6) изучить вопросы касающиеся механических конструкций приборов; 7) разработать измерительные комплексы и провести с их использованием наблюдения длинноволновых процессов, 8) провести наблюдение и исследование поля скорости течения в придонном пограничном слое океана, 9) исследовать особенности приливных течений, 10) провести изучение особенностей поля длинных волн в краевой области океана, 11) выполнил, исследования по уточнению оценки цунамиопасности морского побережья.

Научная: новизна диссертационной работы заключается прежде всего в детальном экспериментальном исследовании характера и особенностей длинноволновых процессов в прибрежной зоне океана, турбулентной структуры придонного пограничного слоя океана (ППС). В результате такого исследования удалось выяснить необходимость пересмотра роли натурного эксперимента при детальном цунамирай-онировании побережья; выяснить особенности генерации, распространения длинных волн в краевой области океана и их связи с барическими возмущениями; объяснить реально наблюдаемые особенности флуктуации поля скорости течения в погранслое. Проведенные измерения позволили обнаружить сильные приливные течения с частотой О] , значительно превосходящие по своей величине течения на других приливных частотах, т.е. было подтверждено теоретически предсказанное выборочное резонансное усиление шельфом приливных течений. В результате наблюдений поля длинных волн удалось установить, что в регистрируемых флуктуациях уровня доминируют стоячие колебания в то время как волна цунами является прогрессивной; фоновые колебания уровня моря в полосе частот цунами слабо связаны с атмосферными флуктуациями, но сильно коррелируются с активностью морской поверхности. Процесс возбуждения длинных волн похож на эффект "отрицательной вязкости", то есть идет передача энергии от мелкомасштабных к крупномасштабным движениям. Значимым результатом работы является подтверждение на основании теоретической модели и экспериментальных данных предположения о том, что в приливном потоке мелкомасштабная турбулентность успевает выйти на квазистационарный режим и параметры ППС океана могут быть вычислены с помощью соотношений полуэмпирической теории турбулентности. Кроме того, проведено исследование вопросов создания аппаратуры для измерения длинных волн в океане. В результате удалось определить технические требования, выбрать структурные схемы и разработать измерительные комплексы. Определены факторы, влияющие на точность измерительных приборов и оценена их погрешность.

Сами наблюдения за длинными волнами большой продолжительности и высокой точности в северо-западной части Тихого океана, полученные с использованием разработанных комплексов, являются новыми.

Практическая ценность результатов работы заключается с одной стороны в разработанных комплексах приборов, которые помимо своего основного назначения могут использоваться в различных областях науки и промышленности. Кроме того, в результате разработок получены авторские свидетельства на изобретения и патенты, которые также могут применяться в различных областях науки и техники. С другой стороны, данные натурных наблюдений, полученные с использованием разработанной аппаратуры могут использоваться для практических целей. Так, например, по данным колебаний уровня моря, полученным в течение экспедиции "КАМШЕЛ - 87" были рассчитаны таблицы приливов для населенных пунктов рыболовецких колхозов западного побережья полуострова Камчатка. В результате резко сократилось количество посаженных на мель судов, а рыбаки используют таблицы для увеличения вылова рыбы. Разработанные комплексы были использованы при оценке цуна-миопасности Восточного побережья КНДР для строительства АЭС.

Автор непосредственно разрабатывал всю аппаратуру, принимал участие в организации и проведении экспедиционных работ с целью выполнения наблюдений и проверки приборных комплексов в районе Курильской гряды, западного побережья полуострова Камчатка, Приморье, КНДР.

Обоснованность и достоверность выбранных концепций построения аппаратуры подтверждена полученными высококачественными натурными данными, обработка которых доказала правильность критериев и технических решений, принятых при создании приборов. Данные, полученные с использованием описанных в настоящей работе технических средств, легли в основу более чем двух десятков научных статей и докладов по длинноволновым процессам как у нас в стране, так и за рубежом. По решению международного симпозиума 1989 г. по проблеме цунами, где представлялся доклад "Investigation of long waves on the southwestern shelf of Kamchatka", было предложено опубликовать статью в журнале Natural Hazards, что несомненно указывает на высокое качество проводимых наблюдений и их анализа. Исследования проведенные на основе материала наблюдений, согласуются с результатами других авторов и выводами теоретических моделей и определяют достоверность результатов, полученных в работе.

Апробация. Результаты работы докладывались на семинарах лаборатории цунами ИМГиГ (Южно-Сахалинск, 1975-1996), отдела взаимодействия атмосферы и океана (Севастополь, 1978- 1989), кафедры физики моря и вод суши МГУ (Москва, 1982), Сеульского национального университета (Сеул, респ. Корея, 1991), Пусанско-го рыбного университета (респ. Корея, 1991), Корейского исследовательского океанографического института KORDI (респ. Корея, 1991), Fluke Corporation (Сиэтл, США, 1996), Pacific Marine Environmental Laboratory NOAA (Сиэтл, США, 1996), Всесоюзных совещаниях по техническим средствам изучения мирового океана (Геленджик, 1978, 1982), совещании "Теоретические основы, методы и аппаратурные средства прогноза цунами" (Обнинск, 1988), Международном симпозиуме по проблеме цунами (Новосибирск, 1989), Всесоюзной конференции "Проблемы метрологии гидрофизических измерений", (Москва, 1990), международном симпозиуме "Okhotsk Sea, Sea Ice & Peoples" (Момбетсу, Япония, 1995), международной конференции "PACON" (Гонолулу, США, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 41 работа, из которых 10 -авторские свидетельства на изобретения и патенты, одна монография Ковалева П. Д. "Технические средства для измерения длинных волн в океане". Из опубликовашшх работ 18 лично, а остальные в соавторстве.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Основной текст работы содержит 295 страниц, в том числе 86 рисунков, список литературы из 228 наименований на 23 стр. Диссертация содержит приложение с 4 актами на внедрение результатов работы.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность проблемы, определяются цели и задачи исследования, обсуждается новизна, практическая значимость и дается краткое описание работы.

ГЛАВА 1. Аппаратура для измерения длинноволновых процессов.

В первой главе проведен анализ параметров длинных волн определяющих характеристики измерительных средств. Рассмотрены структурные схемы кабельных комплексов и автономных приборов, разработанных автором для диапазона волн цунами, а также освещено современное состояние разработки аппаратуры аналогичного назначения. Проведен анализ первичных преобразователей, устанавливаемых на приборы.

Для определения факторов, влияющих на характеристики технических средств, проведен анализ спектра длинных волн приведенного в работе (Рабинович А.Б. 1991). Спектр подразделяется на несколько областей, аппаратура строится или включается в соответствующий режим с учетом частотного диапазона исследуемых процессов и рассматривается точность для исследуемой области.

В высокочастотной части спектра присутствуют волновые процессы с периодами от единиц секунд до двух десятков секунд. Это ветровые волны и зыбь. Сами они не являются длинноволновыми, но существенно влияют на таковые. Амплитуда ветровых волн и зыби затухает с глубиной, поэтому для измерения таких волн с достаточной точностью необходимо устанавливать датчики на малой глубине и повышать дискретность измерения. При этом во избежание алиасинга необходимо отфильтровать более высокочастотные составляющие. Для этого участка спектра можно было ожидать эффекта воздействия течения на датчики гидростатического давления. Однако, по данным работы (Spenser R., Vassie J.M. 1985) высокочастотный пик, указывающий на динамическое давление потока, отсутствует.

Для изучения длинных волн в диапазоне периодов от нескольких минут до приливных, включающем цунами и сейши, дискретность измерений может быть выбрана равной 1 мин и более, а датчики должны устанавливаться по возможности глубже с применением специальных мер по фильтрации ветровых волн и зыби. В описываемых в настоящей работе приборах осуществляется интегрирование процесса в течение времени измерения. Эта процедура эквивалентна пропусканию входного процесса через фильтр с частотной характеристикой F(co)=[sin(coT/2)]/(fflT/2), где

Т - время интегрирования. Эквивалентная шумовая полоса такого фильтра равна л /Т.

Измерение приливных колебаний уровня и штормовых нагонов не представляет особых трудностей. Даже для первичных преобразователей с очень малой разрешающей способностью (около 20 Гц/МПа) при интегрировании за 15 мин, оценка уровня получается не хуже 0,5 см. Тренд также не портит сигнал в этой области спектра. На точность измерения здесь влияют калибровка и температурная стабильность. Это последнее обстоятельство особенно важно при установке приборов в районе континентальных склонов и морских гор, где приливные течения вызывают сильные колебания температуры воды с приливным периодом. Но при хорошей калибровке это можно учесть. Поэтому точность измерения приливных гармоник определяется, в основном, продолжительностью наблюдений, а также зависит от фоновых шумов датчиков, которые выше у тензорезисторных.

Точность измерения колебаний уровня моря с периодами больше приливных ниже, чем для предыдущего участка спектра. Большую погрешность в измерении здесь вносит долговременный инструментальный тренд, определяемый в значительной мере старением механических элементов конструкций преобразователей и кварцев. Однако и для этого участка спектра возможно уменьшение погрешностей измерения при тщательном учете всех дестабилизирующих преобразователь факторов.

Рассмотренные выше параметры длинноволновых процессов существенно влияют на характеристики прибора и определяют принцип построения его схемы. Связано это с тем, что различные компоненты измеряемых процессов имеют разную точность в зависимости от диапазона. Например, сигналы с частотами около дискретизации имеют точность, определяемую разрешением датчика, а погрешность вычисления приливных гармоник зависит от длины ряда. Поэтому, многие основные характеристики аппаратуры, такие как интервал дискретизации, время интегрирования и другие определяются исходя из конкретных параметров регистрируемых процессов.

Проблема инструментального обеспечения наблюдений длинных волн зависит также и от погрешностей самой измерительной аппаратуры и выбора принципа измерения, позволяющего выделить исследуемый процесс из общего спектра. Точ-

ность средств измерения в значительной степени определяется точностью первичных преобразователей.

В настоящее время на приборы устанавливаются тензорезисторные, кварцевые и струнные преобразователи гидростатического давления, которым присущи определенные недостатки. Первый из них - это температурная чувствительность. Полупроводниковые тензодатчики обладают большей температурной зависимостью, чем кварцевые, но применение новых технологий - тонкопленочной и кремний на сапфире, а также мостовой электронной схемы позволило уменьшить ее до уровня пьезорезонансных. Кроме того, в донных датчиках зачастую выполняются измерения температуры, что позволяет с учетом температурной калибровки уменьшать влияние температуры на результаты наблюдений. При выборе типа преобразователя для конкретных задач следует еще учитывать, что с увеличением глубины постановки приборов амплитуда колебаний температуры уменьшается.

Второй недостаток заключается в том, что преобразователи гидростатического давления подвержены тренду. Это наиболее серьезный фактор при измерении низкочастотных сигналов с периодом в несколько дней, таких, как штормовые нагоны и океанская циркуляция. Тренд обусловлен пластической деформацией диафрагмы или старением кристалла. В связи с тем, что закон пластической деформации известен, первоначальный тренд может быть устранен при обработке данных наблюдений.

Третьим фактором, влияющим на точность преобразователей, является гистерезис. Его проявление заключается в том, что выходной сигнал датчика уменьшается по амплитуде и задерживается по фазе. Однако, как свидетельствуют результаты исследований (Spenser R., Vassie J.M. 1985), по данным океанских измерений, в отличие от лабораторных, этот эффект не выделяется. Это объясняется тем, что в лабораторных условиях используют большие сигналы, тогда как в океанских условиях они мелкомасштабные. Кроме того, быстрые изменения температуры и давления как бы "откачивают" датчик и уменьшают гистерезис.

Теперь остановимся на особенностях выбора типов измерительных приборов и их структуры. Принципиальная схема первых поплавковых самописцев уровня была разработана еще в XIX веке, но их недостатки, главный из которых - требова-

шю дорогих береговых сооружений в активной зоне морей и океанов, а также необходимость проведения измерений вдали от берега привели к создашпо новых типов мареографов. В зависимости от взаимного расположения регистрирующей и измерительной частей их можно разделить на два основных типа - кабельные и автономные.

В нашей стране гидростатический мареограф впервые разработан В. В. Шу-лейкиным в 1928 г. Затем появились мареографы В. В. Кузнецова (1935 и 1937 -1939 г.). В 1957 - 1958 г. в НИИГМП И. М. Шендеровичем был разработан мареограф открытого моря ГМ-4. Несложный мареограф ФТМ-68 для работы с малых судов был разработан в ААНИИ (1968). Все эти приборы имели относительно невысокую точность, надежность и, кроме того, сильную температурную зависимость.

В первом параграфе рассматриваются два типа цифровых кабельных комплексов, разработанных автором. Отличительная особенность этих приборов в том, что измерительный преобразователь, находящийся в герметичном корпусе установленном на дне, передает информацию по кабелю связи на береговой регистрирующий блок. Достоинства такой компоновки в том, что поступающая информация может использоваться в оперативных целях - для предупреждения о цунами и прогноза штормовых нагонов. Основной недостаток кабельных станций заключается в сложности прокладки кабеля и большой стоимости самого кабеля и его прокладки.

Первый кабельный мареограф для измерения уровня в открытом море был разработан, по-видимому, Ф. Снодграссом. В нашей стране кабельные станции для регистрации длинноволновых процессов разрабатывались И. М. Шендеровичем (НИИ ГМП регистраторы цунами ГМ-23-П (1961 г.) и ГМ-23-ПМ (1970-1971 г.). Также в НИИ ГМП А. Л. Бондаренко был разработан дистанционный прибор, предназначенный для измерения длинных волн с периодами от 30 с до 8 мин. В СахК-НИИ на ГФО "Шикотан" долгое время использовались донные кабельные станции с аналоговой системой регистрации (Жак В.М., Соловьев С.Л. 1971). В качестве первичных преобразователей в этих мареографах использовались вибротроны.

Таким образом, к 80-м годам имелся опыт разработки кабельных станций для регистрации длинноволновых процессов. В то же время проблемы океанологической науки поставили новые задачи перед разработчиками: проведение синхронных мно-

гомесячных наблюдений за уровнем, температурой и течениями в нескольких точках при одновременной регистрации атмосферного давления. Все это потребовало перехода на качественно новый уровень аппаратуры и привело к созданию многоканальных измерительных комплексов, предназначенных для изучения длинных волн.

Характерная черта созданных автором новых кабельных измерительных комплексов - наличие нескольких первичных преобразователей: гидростатического давления, температуры, скорости и направления течения, атмосферного давления. Предварительная обработка информации в береговом регистраторе и ее хранение осуществляются в цифровом виде.

Существующие кабельные буксируемые комплексы (например, "Катран-2") и гидрофизические кабельные системы с индуктивной муфтой (Утяков Л.Л., Шехватов Б.В., Шустенко С.Н. 1987) предназначены для изучения океанологических процессов в других частотных диапазонах.

Различные условия эксплуатации кабельных измерительных комплексов определили два различных варианта исполнения приборов. Первый вариант используется в основном в местах с непрерывным электропитанием от промышленной сети. Автором был разработан кабельный комплекс с накоплением информации и предварительной обработкой данных в персональном IBM совместимом компьютере (Kovalev P.D. 1996). Он предназначен для изучения сейш, штормовых нагонов в портах, заливах и может использоваться для синхронной регистрации четырех процессов с применением первичных преобразователей с частотным выходным сигналом.

Комплекс содержит донные датчики и микробарограф. Изменение физических величин в них преобразуется в изменение частоты электрического сигнала. При этом, если в одном корпусе донного датчика установлено несколько различных преобразователей или к одному кабелю связи подсоединяется несколько донных измерителей, используется многоканальная телеметрическая система связи с частотным разделением каналов.

Телеметрические сигналы с донных датчиков по кабелям передаются на берег и поступают на входы берегового центра. В нем информационные каналы разде-

ляются и производится интегрирование входных сигналов, преобразование их в двоичный код и затем в код ASC П, который и вводится в персональный компьютер.

Управляет вводом данных в компьютере специальная программа, которая позволяет изменять интервал осреднения, накапливая уже поступившие коды и осуществляет цифровую фильтрацию входных процессов, выделяя необходимый исследователю частотный диапазон.

Кабельные системы такого пота позволяют оперативно обрабатывать информацию в реальном масштабе времени с возможностью изменения параметров предварительной обработки. Но они разрабатывались именно для установки в населенных пунктах с обеспеченным электропитанием в стационарных помещениях. Поэтому, для работы в полевых условиях был разработан другой тип кабельного комплекса, имеющий малое энергопотребление и содержащий собственный накопитель информации - цифровой регистратор (Ковалев П. Д. 1990).

Комплекс второго типа также предназначен для изучения длинноволновых процессов и может использоваться для синхронной регистрации четырех (восьми) процессов с применением первичных преобразователей с частотным выходным сигналом. Отличие его от описанного состоит в использовании измерителя малых отклонений периода, цифрового накопителя и аккумуляторного блока питания. Для построения берегового регистратора комплекса использованы функциональные универсальные модули, выполненные на отдельных печатных платах с одинаковыми размерами и разъемами. Это позволяет легко изменять структуру комплекса и, в зависимости от задач исследования, подсоединять различные датчики, а также изменял. число каналов регистратора. Кроме того, применение двух типов кассетных накопителей с различными скоростями протяжки ленты существенно расширяет диапазон регистрируемых гидрофизических процессов.

Как известно, пьезорезонансные преобразователи гидростатического давления имеют малое информационное изменение выходной частоты. Так, для кварцевых датчиков с максимально допустимым давлением 3 МПа оно не превышает 27 Гц на 1 м водяного столба, и при измерении ветрового волнения или зыби, т.е. дискретизации процесса через 1 с, точность регистрации будет очень низкой - около 4 см вод. столба на младший разряд.

Для повышения точности разрабатывались различные устройства, но наиболее приемлемым оказалось устройство измерителя малых отклонений периода, схема которого защищена авторским свидетельством (Ковалев П.Д. 1986). Это устройство предназначено для работы совместно с цифровым регистратором, синхронизируется им и позволяет реализовать минимально возможную величину младшего разряда комплекса около 0,1 мм вод. столба при дискретности 0,12 с.

Преобразование и накопление информации во втором типе кабельных комплексов осуществляется цифровым регистратором. Он производит дискретизацию поступающих сигналов, их осреднение за установленный интервал, преобразование в двоичный код и запись на кассетный накопитель в цифровом виде.

Для оперативного наблюдение за уровнем моря в регистратор введен модуль преобразователя частота - напряжение, к выходу которого подключается серийный аналоговый самописец. Питание всего комплекса с датчиками, за исключением микробарографа, осуществляется от специального блока питания содержащего аккумуляторную батарею и зарядное устройство. Последнее производит автоматическую подзарядку аккумуляторов один раз в 5-7 суток от промышленной сети или портативной электростанции.

Основные параметры разработанных комплексов: точность измерения гидростатического давления - 0,1%; абсолютная погрешность измерения атмосферного давления - 0,02 гПа; длина кабельной линии может достигать 20 км; число каналов обработки информации - 4 (8); динамический диапазон регистрируемых процессов -70 дБ.

Во втором параграфе рассмотрены автономные приборы. У них преобразователь физической величины в электрическую, регистратор и источник питания располагаются в одном или нескольких прочных корпусах, связанных между собой. Такие приборы могут устанавливаться как с использованием буйковых станций, так и самостоятельно с плавучестью и устройством отделения балласта. Развитие этого направления разработки мареографов определяется необходимостью проведения наблюдений на больших расстояниях от берега.

Измерения с помощью автономной всплывающей аппаратуры проводились в середине 60-х годов вначале Фью, затем Снодграссом. В настоящее время автоном-

ные приборы предназначенные дня изучения длинных волн, выпускаются фирмами AANDERAA (VLR-7), Sea Date ( MTR-635-7H, Tide Sentry""), SEA-BIRD ELECTROMCS (SEAGAUGE) и другими. Приборы имеют много модификаций, которые вполне оправданы, т. к. позволяют, в зависимости от задач исследования, легко подобрать необходимый по точности, длительности регистрации и стоимости прибор.

В нашей стране автономные мареографы не производились. Поэтому1, в середине 80-х годов автором был разработан мареограф открытого океана. Прибор создавался на основе функционально-модульной конструкции и по измерительной части унифицировался с кабельными комплексами. Все электронные схемы в нем расположены внутри прочного титанового корпуса. Пьезорезонансные преобразователи гидростатического давления и температуры, а также гидрофон системы акустического вызова, установлены на фланце цилиндрического корпуса. Для накопления информации используется модуль твердотельной памяти или цифровой регистратор такой же, как установлен в кабельном комплексе второго типа.

В автономном мареографе установлено устройство акустического вызова, предназначенное для его подъема с морского дна в любое удобное время. При поступлении команды на всплытие или от таймера и датчика герметичности включается механизм отделения балласта и прибор всплывает.

В третьем параграфе рассмотрены первичные преобразователи, используемые в разработанных приборах. Изложены принципы их работы и проведен сравнительный анализ.

Одним из основных чувствительных элементов мареографа является преобразователь гидростатического давления в электрический сигнал. Из известных приборов этого типа необходимым требованиям - точности, стабильности параметров и экономичности в настоящее время отвечают струнные, полупроводниковые тензо-метрические и пьезокварцевые преобразователи.

В струнных преобразователях используется зависимость собственной частоты колебаний натянутой струны от приложенного усилия. Они преобразуют изменение гидростатического давления в изменение частоты электрических колебаний выходного сигнала. Такие датчики обладают несомненными достоинствами по сравнению

с аналоговыми при работе с цифровыми регистраторами, но имеют два существенных недостатка, что затрудняет применение их в мареографах. Первый из них -тренд, который с достаточной точностью может быть устранен при обработке данных наблюдений. Второй - сильная температурная зависимость выходного параметра датчика, достигающая 6 Гц/°С, что составляет для лучших вибротронов ПДВ-10 величину около 10 мм вод. столба на градус Цельсия. К тому же коэффициент преобразования отечественных струнных преобразователей невелик - от 0,3 Гц/кПа до 1 Гц/кПа у лучших образцов.

Второй тип преобразователей - тензорезисторные полупроводниковые. Принцип действия приборов основан на свойствах изменения сопротивления полупроводниковой пластинки от деформации. В зависимости от изменения гидростатического давления в тензорезисторном преобразователе изменяется аналоговая величина -сопротивление полупроводника. К недостаткам этих преобразователей следует отнести, во-первых, Необходимость обеспечения прецизионным напряжением питания для достижения высокой точности измерений и, во-вторых, повышенную термочувствительность. Температурный коэффициент сопротивления для различных типов тензорезисторов колеблется от 0,1 до 0,25 %/К (Степанюк И.А. 1986). Кроме того, тензорезисторы имеют еще и температурный коэффициент тензочувствительности, порядок которого 0,15-0,4 %/К. Разработанные в последние годы тензорезисторы по технологии кремний на сапфире имеют меньшие, но все еще большие температурные коэффициенты и, кроме того, для них необходим прецизионный источник питания. Тем не менее, полупроводниковые тензорезисторы достаточно широко используются фирмой Sea Data в системах наблюдения за приливами Tide Watch "" и Tide

Sentiytm , а также в других приборах.

Третий тип преобразователей гидростатического давления, используемых в мареографах - пьезорезонансные (Малов В.В. 1989). В этом типе датчиков кварцевая пластина, закрепленная между чувствительной к давлению мембраной и недеформи-руемым основанием, используется как электрический резонатор в схеме автогенератора, выходная частота которого изменяется в зависимости от приложенного гидро-

статического давления и может быть с большой точностью и в большом диапазоне давлений аппроксимирована полиномом.

В качестве тензопреобразователей для этих датчиков применяются только пьезоэлементы обладающие эффектом локализации, поскольку их периферия свободна от колебаний, а акустическая энергия локализована в центральной области пьезорезонатора (Малов В.В. 1989). Это дает возможность жестко закреплять резонатор в конструкции преобразователя без ухудшения добротности и резонансной частоты за счет присоединенной массы.

Из вышеописанных типов преобразователей гидростатического давления несомненными достоинствами обладают пьезорезонансные, т.к. они имеют малую температурную зависимость, почти на порядок лучшую точность по сравненшо с тензорезисторами и вибротронами. Кроме того, результаты натурных испытаний, описанные в работе (Irish J.D., Snodgrass F.E.I972), а также выполненные автором для отечественных пьезорезонансных датчиков, показали, что уровень шумов кварцевого датчика меньше, чем вибротронного.

Для измерения температуры в мареографах обычно используют два типа чувствительных элементов - терморезисторы и термочувствительные пьезорезонаторы. В серийной аппаратуре в основном используются проволочные терморезисторы ввиду меньшего технологического разброса их характеристик. К недостаткам терморезисторов следует отнести существенную нелинейность их характеристик. Однако в мареографах они работают в относительно узком температурном диапазоне от - 5 до 30 °С. При этом точность определешм температуры колеблется от 0,1 до 0,01 °С для различных типов терморезисторов. Все это и обусловило их широкое применение для океанологической измерительной техники.

Наряду с терморезисторами все более широкое распространение для измерения температуры получают пьезорезонансные кварцевые преобразователи. Этому способствует высокая стабильность параметров, а также то обстоятельство, что фирмой "Хьюллет-Паккард" был выявлен термочувствительный срез кварцевого кристалла, названный LC-срезом, для которого температурный коэффициент частоты в широком температурном диапазоне имеет постоянное значение и близок к

48x10~б К-1 . Нелинейность температурно-частотной характеристики таких пье-зорезонаторов не превышает 0,05 % в диапазоне температур -40 - +230 °С. Основной недостаток кварцевых преобразователей температуры - их большая инерционность, которая по оценке, сделанной в работе (Парамонов А.Н., Кушнир В.М., Забурдаев В.И. 1979), составляет не менее 3 с. Однако это обстоятельство не является определяющим для приборов, регистрирующих длинноволновые процессы.

Проблемы измерения океанических течений изложены в работе (Фомин Л.М., Кушнир В.М., Титов В.Б. 1989). Однако, число длительных градиентных измерений скорости течения в придонном слое океана, необходимое, в частности, для оценки энергии, рассеянной при трении о морское дно, невелико. Применение для этих целей существующей аппаратуры типа АЦИТТ, ПОТОК, ДИСК затруднительно, учитывая характерные масштабы придонного слоя. Поэтому автором был разработан придонный измеритель течения ПИТ, применявшийся для изучения флуктуаций поля скорости течения в придонном слое океана в диапазоне длинных волн. В основу принципа работы этого прибора положен известный метод осреднения компонент вектора скорости течения за интервал измерения, что позволяет уменьшить дисперсию зарегистрированных оценок (Воловский В.В., Селин Е.А. 1971).

В первичном преобразователе, на конструкцию которого получено авторское свидетельство (Ковалев П. Д. 1984), для измерения модуля скорости течения используется пятилопастной ротор с закрепленным на нем постоянным магнитом. В качестве датчика направления применен флюгер с постоянным магнитом, перекрывающим сектор 180°, под которым расположены магнитоуправляемые контакты (герконы) датчика направления. Они установлены на окружности так, что дискретно аппроксимируют функции синуса и косинуса. На каждый оборот ротора электронная схема формирует серию импульсов опроса датчика направления, которые проходят через замкнутые герконы датчика направления, суммируются и формируют положительную и отрицательную косинусную и синусную проекции вектора скорости течения. Параметры разработанного измерителя: диапазон измеряемых скоростей -2+400 см/с, погрешность измерения скорости - не более 2 см/с, направления - ±3°.

В составе измерительных комплексов используется пьезорезонансный первичный преобразователь атмосферного давления разработанный в МИФИ. Его основная приведенная погрешность преобразования абсолютного давления в рабочем диапазоне не превышает 0,03%.

ГЛАВА 2. Проблемы разработки функциональных узлов аппарату ры и примеры ее исполнения.

Вторая глава посвящена проблемам выбора электронных схем измерительной части приборов, вспомогательных устройств, способам передачи информации и механическим конструкциям приборов. Рассмотрены погрешности электронных измерительных схем и их надежность.

Естественно, что необходимые для измерения гидрофизических процессов кабельные комплексы и автономные приборы могут иметь достаточно большое число вариантов исполнения электрошгых схем. В то же время требования, предъявляемые к аппаратуре, предназначенной для изучения длинных волн, а именно: большая продолжительность непрерывной регистрации в широком диапазоне частот, точность измерения и необходимость передачи информации по длинному грузоне-сущему и, как правило, низкочастотному кабелю при обеспечении надежности всех узлов, накладывают жесткие ограничения на разрабатываемые электронные схемы и существенно снижают круг применяемых первичных преобразователей.

Кроме того, аппаратура для изучения длинных волн, как и любая другая, замена или ремонт которой после установки очень дорог, должна быть высоконадежной. Этому обстоятельству уделялось первостепенное внимание, т.к. даже частые сбои в приборах могут существенно испортить данные, на получение которых затрачено судовое время и большие средства.

Поэтому очевидно, что существуют свои техшиеские решения аппаратуры, предназначенной для регистрации длинных волн. Все они неоднократно проверялись в приборах и по выявленным недостаткам дорабатывались, что позволило в конечном итоге приблизиться к оптимальным решениям для современного уровня полупроводниковых приборов. При этом автор пытался по возможности унифицировать

схемы приборов для облегчения настройки, изготовления и возможности изменять конфигурацию измерителей.

В первом параграфе рассмотрены электронные схемы первичных преобразователей и кабельных датчиков. Измерение длинных волн в океане началось в ИМ-ГиГ с использования кабельного донного датчика со струнным первичным преобразователем. Однако, схема серийного вибротрона, потребляла значительную электрическую мощность и, поэтому, В.М. Жаком и И.Н. Сапожниковым была разработана другая с использованием микросхем КМОП - технологии.

Аналогичная проблема была и с первыми пьезорезонансными преобразователями, электронные схемы которых выполнялись вначале на ТТЛ микросхемах. Дальнейшее, совместное с разработчиками пьезорезонансных датчиков, совершенствование преобразователей привело к созданию электронной схемы дифференциального преобразователя на основе двухмодового генератора (Малов В.В. 1989). Он обеспечивает одновременное возбуждение колебаний обоих пьезорезонаторов. Схема достаточно проста, имеет малые габариты, вес и потребляет ток всего 0,5 мА. Это и определило ее дальнейшее широкое использование в преобразователях.

Сравнительные испытания в натурных условиях датчиков гидростатического давления, проведенные автором, показали, что тензорезисторные преобразователи, выполненные по КНС - технологии, занимают промежуточное положение между струнными и пьезорезонансными и по точности немного уступают последним. Однако следует иметь ввиду, что при попытке реализовать параметры полупроводниковых датчиков на уровне кварцевых, схема прибора получается достаточно объемной, потребляет большую энергию и имеет большую, чем у пьезорезонансных преобразователей, температурную зависимость.

Измерение температуры морской воды не представляет особых сложностей. В мелководных мареографах, разработанных автором, для измерения температуры с точностью до 0,1° С, используются термисторы. Для глубоководных приборов изменения температуры меньше, и поэтому используются пьезорезонансные преобразователи температуры с дифференциальной схемой двухмодового генератора.

В связи с тем, что одно из наиболее часто используемых устройств доя построения электронных схем кабельных комплексов и донных датчиков является

полосовой низкочастотный фильтр, внимашге ему уделено отдельно. Выбор схемы полосового фильтра представляет собой достаточно сложную задачу т.к. они работают в низкочастотном диапазоне сигналов - от 400 Гц до 20 кГц и применение в них традиционных ЬС-контуров затруднительно. Поэтому в первых кабельных комплексах, разработанных автором, применялись активные многокаскадные фильтры на транзисторах с двойным Т-мостом в цепи отрицательной обратной связи. В дальнейшем была разработана схема на микромощном операционном усилителе с фазирующей цепью второго порядка в цепи положительной обратной связи, которая оказалась вполне приемлемой по всем параметрам.

Далее в работе рассмотрена схема донного датчика гидростатического давления и температуры. Он состоит из двух пьезорезонансных преобразователей выполненных по уже описанной схеме двухмодового генератора. Сигналы преобразователей суммируются в выходном усилителе в телеметрический сигнал, который и подается в кабель связи.

В кабельном датчике придонной скорости и направления течения при вращении вертушки электронная схема на каждый оборот ротора формирует восемь импульсов, которые затем используются для опроса состояния датчика направления. На выходе датчика направления импульсы объединяются схемами в соответствии с тригонометрической функцией и ее знаком. Эти четыре группы импульсов объединяются в телеметрический сигнал с частотным разделением каналов, который и используется для передачи информации.

Во втором параграфе рассмотрены регистраторы. Под ними в приборах для изучения океана обычно понимают устройства, предназначенные для предварительной обработки сигналов преобразователей и записи их в накопителе информации. Регистратор обычно содержит аналоговую часть для разделения информационных каналов, питания донных датчиков и цифровую, где производится преобразование частоты следования импульсов в двоичный код и запись в цифровом виде в накопитель.

Так как информационное изменение частоты пьезорезонансного преобразователя гидростатического давления мало, возникает проблема его измерения с высокой точность. Автором была разработана схема измерителя п периодов, позволяющая

работать с внешней синхронизацией и реализовать максимально возможную точность за интервал дискретизации информационного сигнала. С ее помощью получены записи ветрового волнения с дискретностью 0,12 си разрешением по уровню 2 мм водяного столба. На схему измерителя получено авторское свидетельство (Ковалев П.Д. 1986 ).

После прохождения аналоговой предобработки и измерителя малых отклонений периода информационные частотные сигналы поступают в цифровой регистратор. Он осуществляет дискретизацию сигналов, их осреднение, преобразование в двоичный код и запись на магнитную ле1ггу или в твердотельную память. Разработанный автором цифровой регистратор является универсальным прибором и используется как в кабельных комплексах, так и в автономных приборах.

При создании регистратора учитывалась необходимость его использования для длительных наблюдений, различной дискретности измерений, времени осреднения и возможность наращивания числа каналов. Был рассмотрен вопрос и о применении твердотельной памяти, но основным носителем информации для кабельного комплекса была выбрана магнитная лента из-за необходимости записи очень больших информационных массивов.

Особое внимание при проектировании цифрового регистратора обращалось на выбор выходного кода и способа записи информации на магнитную ленту в целях обеспечения надежного автоматизированного ввода данных в ЭВМ. В конечном итоге был выбран двухдорожечный формат. Другие способы записи, как, например, двухфазный, не дают преимуществ по числу сбоев при воспроизведении. Они только позволяет увеличить плотность записи, что не является здесь определяющим критерием, но, вместе с тем, требует существенного усложнения схемы.

Описанные выше соображения и были положены в основу при разработке цифрового регистратора. Информационные сигналы датчиков суммируются за время осреднения и преобразуются в последовательный двоичный код. Этот код и записывается на магнитную ленту в виде 12 разрядных цифровых слов. Коды единиц и коды нулей записываются на разные дорожки магнитной ленты. Первый импульс в коде единиц и нулей записывается одновременно на обе дорожки магнитной ленты и является признаком начала цифрового слова. Данный способ записи информации

обладает свойством самосинхронизации, что позволяет использовать одно устройство ввода данных в ЭВМ для регистраторов с различными скоростями протяжки ленты.

Кроме описанных выше устройств, входящих в береговой регистратор, в нем содержится преобразователь частота-напряжение, позволяющий одновременно с записью на магнитную ленту получать данные об уровне моря в аналоговой форме.

Далее в работе исследованы вопросы обеспечения питанием измерительных устройств. В результате изучения существующих вариантов была разработана схема блока питания кабельного комплекса, в котором от сети или электроагрегата через одно зарядное устройство стабильным током заряжается вся аккумуляторная батарея, а уже с нее снимаются все напряжения. Блок обеспечен сигнализацией режимов работы и аварийной.

Третий параграф посвящен устройствам вспомогательным и ввода данных в ЭВМ. Основная функция донного измерительного прибора - преобразование физического процесса в электрическую величину, измерение и запись ее в накопитель. Но, кроме этого, необходимо осуществлять подъем приборов с морского дна, проверку герметичности и обнаружение прибора после его подъема на поверхность. Выполнение этих функций осуществляется с использованием вспомогательных устройств, к которым обычно относят датчики герметичности, радио- и светомаяки, радиолокационные отражатели, таймеры и системы акустического вызова.

Вспомогательные устройства за рубежом выпускаются серийно. Отечественная промышленность, к сожалению, таких устройств не производит. Поэтому автором были изучены проблемы создания вспомогательных устройств и разработаны некоторые из них. Описание приборов приведено в работе.

Устройство, контролирующее герметичность корпуса автономного мареографа, несмотря на кажущуюся незначительность, позволяет сохранять дорогостоящую измерительную аппаратуру. Были изучены этапы погружения автономного прибора и разработана схема датчика герметичности с тройным резервированием и уменьшенной вероятностью ложных срабатываний.

Наиболее сложными из вспомогательных устройств являются системы гидроакустического вызова. Они позволяют в любое удобное время передавать на донный

прибор команду всплытия и, кроме того, команды управления, например, изменения дискретности измерений, включения гидроакустического ответчика. Устройства гидроакустического вызова на самовсплывающих станциях, предназначенных для изучения длинных волн, начали применяться в 60-е г. Снодграссом, Фью и другими. В настоящее время их изготавливают фирмы Sea Data, AANDERAA, Inter Ocean, EG&G. В нашей стране гидроакустические размыкатели изготавливались в основном для собственных нужд в ААНИИ, СКТБ МГИ, ИОРАН и других организациях.

Автором также был исследованы вопросы создания подобных систем такие, как увеличение дальности приема, повышение эффективности гидроакустического излучателя, выбор помехоустойчивого кода и другие. В результате была разработана система гидроакустического вызова. Она состоит из двух блоков - судового, и приемного. В судовом блоке установлен цифровой шифратор команд, который осуществляет частотную манипуляцию несущего сигнала трехразрядным двоичным кодом. В приемном блоке применена помехоограничивающая схема. В работе подробно рассмотрены узлы судового и приемного блоков, которые могут представлять интерес, приведены их структурные и принципиальные электрические схемы. С использованием разработанной системы акустического вызова были проведены работы по подъему донных приборов. Дальность связи достигла 8 км.

Далее рассмотрены устройства ввода данных в ЭВМ. Результатом экспериментальных исследований является материал натурных наблюдений, записанный в цифровых кодах на магнитную лету. Он содержит данные об изменении нескольких параметров за длительный период. Поэтому информационные массивы достаточно велики, и обойтись без их автоматизированного ввода в ЭВМ просто невозможно. Разнообразие вычислительной техники осложняет проблему ввода данных. С учетом этого обстоятельства автором было разработано устройство ввода со сменными интерфейсами для различных типов ЭВМ. В работе рассмотрен принцип построения интерфейса для ввода данных с магнитной ленты в ЮМ совместимый компьютер и приведена его электрическая схема. Описана разработанная автором совместно с В.Н.Хромушиным и А.В.Салтыковым программа ввода на языке СИ. Ввод данных производится при работе в программе функции bioscom, которая осуществляет различные коммуникационные связи в соответствии с протоколом обмена порта COMI.

В четвертом параграфе проведен анализ погрешностей разработанных схем регистрации. Все используемые в комплексах датчики имеют частотный выходной сигнал и, поэтому, схема регистрирующей части приборов аналогична цифровому суммирующему частотомеру, а измеритель малых отклонений периода выполнен по схеме периодомера. Теория погрешностей цифровых частотомеров и периодомеров изложена достаточно хорошо в (Ермолов P.C. 1973, справочник под ред. Кузнецова В.А. 1987), однако для понимания причин погрешности и способов ее уменьшения автором проведено исследование схем измерителей, составлены уравнения погрешностей с учетом всех составляющих. Конечное выражение для текущей погрешности измерения частоты с коэффициентом j = 2, являющимся функцией доверительной вероятности и при котором доверительная вероятность равна 0,9965, имеет вид:

' TjJ3 Т0 TJ0 3 где: J - измеряемая частота, Т0 - интервал измерения, /0 - частота образцового генератора, ттг - задержка импульсов в делителе частоты, 8 - нестабильность генератора образцовой частоты, тд. -коэффициент деления опорной частоты.

Проведен анализ погрешности в зависимости от входящих в выражение (1) параметров. Показано, что с увеличением интервала измерения погрешность уменьшается. Так, для схемы кабельного цифрового регистратора с интервалом измереши

Т0 ~ 60 с текущая погрешность Yf = 7,84 хЮ 6 , а для шггервала 15 с погрешность будет уже Уj =1,14x10 5. Численный анализ (1) в зависимости от Т0 показал необходимость перехода от принципа частотомера к периодомеру при измерении волновых процессов с периодами менее 10 с.

Определены минимально возможные значения погрешности измерительных схем кабельных комплексов. Показано, что для реализации максимальной точности измеряемого физического параметра необходимо использовать преобразователь с более высокой выходной частотой.

В работе также рассмотрены вопросы обеспечения надежности электронных схем разработанной аппаратуры. Проведен анализ надежности по интенсивности отказов применяемых элементов. Определены пути для создания надежной конструкции. Дана количественная оценка надежности разработанных технических средств. Ожидаемая интенсивность отказов для кабельного комплекса с автономным питанием, включающего 207 компонент, для облегченного режима работы элементов равна 4,85x10 ч 1, а вероятность безотказной работы всего комплекса в течение 10000 часов работы будет 0,61. Для автономного мареографа, содержащего 64

компонента, ожидаемая интенсивность отказов равна 2,05x10 5ч 1, а вероятность безотказной работы мареографа в течение 10000 часов работы равна 0,815.

Реальная надежность приборов оказалась значительно выше, что, как показали полученные результаты, вполне достижимо. Несовпадение результатов связано, по-видимому, с отсутствием точных данных по новым типам комплектующих, имеющих в действительности более высокую надежность, чем указано в паспорте, а также с погрешностями существующих методик.

В пятом параграфе рассмотрены вопросы проектирования корпусов с целью упрощения задачи предварительного выбора прочного корпуса гидрофизического прибора на первом этапе проектирования, т.к. возникает множество проблем, связанных с "упаковкой" электронных блоков в прочный герметичный корпус, заделкой электрических вводов в стенках корпуса, установкой приборов на морском дне и другие.

Определены выражения, с использованием которых вычислены основные характеристики сферического и цилиндрического корпусов для различных значений отношения толщины стенки к диаметру. Результаты расчета для удобства вычислений параметров корпуса представлены в виде графиков, позволяющих по заданной глубине погружения и габаритам определить для различных материалов - титановых и алюминиевых сплавов, ситаллов - толщину стенок и величину положительной плавучести.

Анализ графиков показал, что для глубин до 6000 м наиболее экономичными по прочностным характеристикам являются алюминиевые сплавы, для предельных глубин - титановые и ситаллы.

В работе рассмотрены разработшшые автором конструкции герметичного корпуса донного датчика гидростатического давления, температуры и преобразователя скорости и направления течения.

В шестом параграфе рассмотрены приборные ракш и устройства ориентации и отделения балласта всплывающих приборов. Установка на морское дно измерителей скорости и направления течеши осуществляется с использованием приборных рам, но существующие предназначены в основном для установки на морское дно одного измерительного прибора или комплекса. Поэтому для проведения градиентных измерешш скорости течения в придошюм пограничном слое океана автором была разработана конструкция специальной приборной рамы (Кутелев А.К., Ковалев П.Д. 1991), состоящей из опорных раздвижных ребер, соединенных шарнирами с верхней кольцевой площадкой и внутренней дискообразной площадкой. Данная конструкция обладает рядом преимуществ по сравнению с известными т.к. легко приводится в рабочее положение в достаточно большом диапазоне размеров, а также занимает малый объем в транспортном положении. Так, например, приборная рама, имеющая длину одного элемента из 4-х раздвижных ребер 1,12 м в развернутом положении достигает в высоту 3,8 м при площади опоры 24 кв.м. В сложенном виде рама занимает площадь всего 0,9 кв. м.

При установке на морское дно приборных рам с измерителями скорости течения возникает необходимость измерения направления рамы относительно сторон света. Существующие для этой цели устройства - компасные арретиры, или достаточно громоздки и неудобны в эксплуатации, или позволяют считывать показания компаса только после подъема приборов на поверхность и не содержат разъединителя троса. Поэтому, был разработан компасный арретир (Ковалев П.Д., Деревшш В.А. 1985), который позволяет устанавливать приборную раму или другой объект на морское дно, отсоединять их и после подъема троса определить ориентацию приборов, что дает возможность оперативно обрабатывать данные, поступающие по кабелю.

При разработке автономных компактных мареографов появляется необходимость в установке на них малогабаритных экономичных устройств отделения балласта. В работе проведен анализ известных разъединителей. Существующие пиротехнические, механические с электроприводом и другие конструкции обладают недостатками, например, травмобезопасностью или большой энергией потребляемой электроприводом и это не позволяет использовать их на небольших приборах. Автором был разработан размыкатель пригодный для установки на небольших автономных мареографах (Ковалев П. Д. 1989).

Принцип действия этого разъединителя основан на соответствующей оргага-зации магнитной системы, состоящей из двух плоских магнитов, которая при одном положении магнитов притягивает рычаги Б - образных зацепов, удерживающих балласт, к магнигопроводам магнитной системы, а при другом отпускает. В разработанной конструкции управляющий размыкателем ток составляет 2 мА от источника напряжением 3 В. В работе отмечается, что данная конструкция размыкателя применима в основном для компактных мареографов.

ГЛАВА 3. Описание экспериментов и результаты предварительной обработки данных наблюдений.

Третья глава диссертации посвящена описанию натурных экспериментов, выполненных с использованием разработанных автором технических средств, и предварительному анализу данных. Районы работ и сроки их проведения приведены в таблице 1. Все наблюдения были проведены в рамках трех основных экспериментов. Задачей первого было изучение придонных течений с целью изучения особенностей длинноволновых движений и характеристик придонного пограничного слоя в широком частотном диапазоне. Второй эксперимент проводился для исследования генерации, распространения и трансформации длинных волн в береговой зоне и их связи с барическими возмущениями. И, наконец, в третьем проводились исследования для определения цунамиопасности побережья в районе строительства АЭС.

В первом параграфе дано описание экспериментов по изучению придонных течений. Все наблюдения за скоростями течения, используемые в настоящей работе выполнены в южной части Курильской гряды на шельфе о. Шикотан во время

Таблица 1

Сводные данные по измерениям, проведенным с использованием разработанных технических средств.

Место Постановки Время работы Примененные технические средства Глуб. (м) Дискрет. Примеч.

о. Шикотан Курильская гряда 9.11.7715.11.77 1 кабельный комплекс, 2 придонных измерителя течения 85 1 мин

о. Шикотан Курил.гряда 18.08.7919.09.79 1 кабельный комплекс, 2 придонных измерителя течений 50, 52 1 мин

Филлипин-ское море 02.8105.81 2 автономных мареографа, 1 измеритель течения. 17 1 мин

Приморский край 05.86 -09.86 1 кабельный комплекс, 2 донных датчика гидростат, давления 1-10 0,1 с

Зап. Побережье п-ова Камчатка 09.8704.88 1 кабельный комплекс, 2 донных датчика гидростат, давления и температуры, 2 микробарографа 7-20 1 мин '■КАМШЕЛ -87"

о. Сахалин, вост. побер. 08.88 1 кабельный комплекс, 1 донный датчик гидростат, давления и температуры 50 1 мин

Зап. Побережье п-ова Камчатка 09.8810.88 3 кабельных комплекса, 4 донных датчика гидростат, давления и температуры, 1 микробарограф. 7-20 1 мин "КАМШЕЛ -88"

Зап. Побережье п-ова Камчатка 05.8902.90 2 кабельных комплекса, 3 донных датчика гидростат, давления и температуры, 1 микробарограф 7-20 1 мин "КАМШЕЛ -89 "

Восточное побережье КНДР 02.8912.90 2 кабельных комплекса, 2 донных датчика гидростат, давления и температуры, 1 автономный мареограф. 3-12 1 мин

о. Шикотан Курильская гряда 09.9311.93 1 кабельный комплекс, 1 донный датчик гидростат, давления и температуры, 1 микробарограф 10-30 1 мин

о. Шикотан Курильская гряда 09.95-по наст. Время 1 кабельный комплекс, 2 донных датчика гидростат, давления и температуры, 1 микробарограф 10-30 1 мин

экспедиций в 1977 - 1979 г. Измерения проводились с помощью онисаппого в настоящей работе придонного измерителя течений. Были проведены два типа регист-раций: градиентные, при которых два измерителя закреплялись на одной раме на высотах 3 м и 0,5 м от дна на расстоянии около 8 км от берега, для исследования турбулентной структуры ППС; измерения на одном горизонте в двух разнесенных на расстояние 1,8 км точках при удалении от берега около четырех километров, в которых устанавливались две рамы с одним измерителем на каждой, для изучения волновых процессов в краевой области океана. Топография дна в районе постановки характеризуется практически параллельными изобатам, что позволяет использовать теоретические модели с цилиндрическим профилем дна. Приводятся сведения о координатах, сроках постановки и дискретности наблюдений за течениями с помощью градиентной станции ПИТ-1 и двух станций с одиночными измерителями ПИТ-2иПИТ-3.

Полученные в экспериментах записи имели сходный для всех станций характер. Хорошо выделяются три основных типа колебаний: мелкомасштабная турбулентность (периоды меньше 20 мин), приливные и колебания промежуточного диапазона (периоды от 30 мин до 10 час). В дальнейшем эти типы колебаний исследовались по отдельности. Для их выделения использовалась полосовая фильтрация.

В низкочастотной области основная часть волновой энергии сосредоточена на приливных частотах, причем энергия суточных приливов заменю превосходит энергию полусуточных, а главный максимум соответствует приливной гармонике О, . Выделяются также экстремумы, соответствующие обертонам главных приливных

гармоник. В диапазоне частот 10 1 - 10 цикл/ч наклон спектра близок к закону "степени -2", который соответствует закону спадания спектра внутренних волн. Явный максимум в этом диапазоне обнаруживается на частоте 1,2 цикл/ч.

Разные законы спадания спектров станций ПИТ-1 и ПИТ-2, ПИТ-3 промежуточного диапазона для частот выше 0,5 цикл/ч объясняется различной стратификацией для времени постановки первой станции и двух других. Наклон спектра в диапазоне мелкомасштабной турбулентности приближается к закону "-5/3", который для двумерной турбулентности характеризуется спектральным потоком энергии.

В промежуточном диапазоне в энергетических спектрах обнаружен пик на частоте около 1,2 цикл/ч, который проявляется на всех станциях, т.е. для различных стратификаций, что позволяет сделать вывод о баротрогаюсти движений на этой частоте. Объяснение механизма возникновения волновых процессов на частоте ~ 1.2 цикл/ч сделано с помощью результатов численного решения задачи о набегании на прямой берег плоской монохроматической волны во вращающемся океане с цилиндрическим дном для реального рельефа дна в районе о. Шикотан. Ее решение позволило определить коэффициент усиления отраженных волн. Первый максимум коэффициента усиления расположен на частоте - 1 цикл/ч и соответствует сейшевым колебаниям, образующимся при отражении волны от берега и границы шельфа.

Заключение о баротропности волновых движений на частоте около одного цикла в час следует также и из анализа функции, описывающей направление большой оси эллипса течения в зависимости от частоты.

Второй параграф посвящен приливному анализу придонных течений с целыо выделения главных приливных волн, оценки их основных параметров, а также сравнения с теоретическими представлениями. С использованием метода гармонического анализа определены гармонические постоянные четырех главных приливных волн:

М2 ,32 , К | иО, . Рассчитаны основные характеристики приливных эллипсов:

величины большой и малой полуосей, время наступления максимума скорости течения и его направления, сжатие эллипса и направление его обхода. Анализ результатов расчета показал, так же как и спектральный анализ, наличие сильных течений на

частоте 01 - до 40 см/с, что в несколько раз превосходит течения на других приливных частотах, а ориеотация приливпых эллипсов О; и Б 2 (второго по величине) совпадает с направлением береговой линии.

Проведен анализ придонного приливного потока с учетом того, что для скоростей типичных для приливных течений, оба измерителя станции ПИТ-1 располагаются в логарифмическом слое. Рассчитаны основные параметры придонного слоя для главных приливных гармоник и среднего течения: динамическая скорость, параметр шероховатости, толщина пограничного слоя, геострофический коэффициент

трения. Сравнение параметров шероховатости, соответствующих 1 ладкой и шероховатой поверхностям, позволяет судить о характере дна: для полусуточных волн его

можно рассматривать как гидродинамически гладкое, для О, - шероховатое, для

К! и среднего течения дно соответствует промежуточной области. Проведен теоретический расчет углов поворота главных осей приливных эллипсов для двух горизонтов, который хорошо согласуется с наблюдаемым. В результате делается вывод о том, что рассчитанные характеристики достаточно верно передают реальную структуру пограничного слоя в исследуемом районе и могут быть использованы при построении приливных моделей, а также в различных теоретических расчетах.

Для интерпретации сильных приливных течений с частотой О, используется теоретическая модель (Ефимов В.В., Рабинович А.Б. 1978, 1980) в которой предполагается, что в формировании приливной гармоники 01 в данном районе участвует первая мода континентальных шельфовых волн. Этот тип волн является практически бездивергентным и при малых колебаниях уровня сопровождается силыы-ми течениями. Для дискретно-ступенчатой аппроксимации профиля дна модельные

расчеты дали эллипс 01 значительно превосходящий К1 , что и наблюдалось в

действительности. При этом рассчитанные и наблюденные (на горизонте 3 м над дном) эллипсы совпадали по форме и направлению осей. Таким образом, экспери-ме1Гтально обнаружен эффект выборочного усиления шельфом приливных течений с частотами, зависящими от ширины и формы шельфа.

В третьем параграфе проведен анализ турбулентных мелкомасштабных пульсаций в придонном пограничном слое океана с использованием выводов теоретической модели (Кадзиура К. 1968) и эксперимеотальных данных. В модели рассмотрен нестационарный придонный пограничный слой в турбулентном флуктуирующем потоке в предположении, что среднее состояние турбулентности сохраняется неизменным и выбраны предположения для коэффициента турбулентной вязкости. Согласно схеме, предложенной в (Кадзиура К. 1968), оценивается толщина пограничного слоя и профиль скорости во флуктуирующем потоке. Модель рассмотрена в

предположении, что общая толщина придонного слоя мала по сравнешпо с длиной волны рассматриваемого колебания и нелинейные эффекты незначительны.

Сравнение значений коэффициента трения и фазы, вычисленных с помощью теоретической модели и натурных данных с аналогичными для установившегося режима турбулентности, показывает, что для частот флуктуаций пограничного слоя, меньших одного цикла в час, режим придонного пограничного слоя можно считать установившимся. Это означает, что турбулентность успевает приблизиться к квазистационарному режиму и для расчета характеристик пограничного слоя можно использовать соотношения полуэмпирической теории турбулентности.

Анализ временной изменчивости основных характеристик придонного слоя океана, проведенный по натурным данным, позволил подтвердить теоретический вывод и показал, что в ППС сохраняется некоторое среднее состояние турбулентности. Значительные отклонения наблюдаются лишь при скоростях потока, близких к нулю, когда течение становится существенно нестационарным.

По данным наблюдений проведен анализ мелкомасштабной турбулентности для северо-западной части Тихого океана. Отмечается, что горизонтальный масштаб низкочастотных вихрей в этом диапазоне частот превышает толщину океана в местах постановки измерителей и поэтому турбулентность для этого случая можно считать квазидвумерной, хотя вопрос о типе турбулентности требует дополшгтельных исследований. Показано, что для частот флуктуаций скорости течения, больших

10 3 Гц, двумерная турбулентность носит горизонтально-изотропный характер. Этот вывод подтверждается и анализом функций когерентности и их фаз. С учетом характера турбулентности в ППС, а также закона спадания энергетического спектра указана возможность применимости закономерностей локально-изотропной турбулентности и полуэмпирической теории турбулентности для описания движений в пограничном слое.

Сделшшое первоначально предположение о гладкости дна позволило определить, что для скоростей трения, больших 0,15 см/с, оба измерителя станции ПИТ-1 располагаются в логарифмическом слое, что в свою очередь позволило вычислить скорость трения, коэффициент сопротивления и параметр шероховатости. Результаты вычислений показывают, что для скоростей трения, меньших 0,5 см/с, дно гидро-

динамически гладкое, больших 1 см/с - шероховатое, а область скоростей трения от 0,5 до 1 см/с является переходной.

Четвертый параграф посвящен исследованию длинных волн на юго-западном шельфе п-ова Камчатка. Западное побережье полуострова подвержено воздействию разрушительных морских волн цунами. Но наиболее опасны и губительны для этих берегов штормовые нагоны и ветровые волны в шторм. От шести до сет сильных штормовых нагонов наблюдается здесь каждый год. Кроме того, охотоморский шельф п-ова Камчатка сравнительно однородный и протяженный, поэтому он создает здесь благоприятные условия для формирования пограничных волн, топографических вихрей, развития апвеллинга. Поэтому, в 1987 - 1989 г. проводились экспедиции ИМГиГ (эксперименты КАМШЕЛ) на юго-западном шельфе п-ова Камчатка с записью колебаний уровня моря. Они имели следующие научные и практические цели: проверка последних модификаций технических средств, исследование фоновых длинноволновых колебаний в полосе частот цунами ( волн с периодами 2-120 мин.), изучение приливов и штормовых нагонов.

Для проведения измерений на юго-западном побережье п-ова Камчатка в сентябре 1987 г были установлены две донных кабельных станции: VI со струнным преобразователем на глубине 9,5 м и 02 с кварцевыми преобразователями придонного давления и температуры на глубине 17 м. На берегу был установлен 8 канальный регистратор и микробарограф с пьезорезонансным преобразователем. Интервал дискретизации (время интегрирования) для всех параметров был выбран равным 1 мин. В сентябре 1988 г. бйши установлены станция <33 с кварцевыми преобразователями придонного давления и температуры воды на глубине 10,5 м, а также станция 04 с кварцевым датчиком на глубине 5,5 м. Еще один автономный датчик с вибротроном был установлен на станции А5 на глубине 20 м к югу от 04. Схема расположения станций приведена на рисунке 1.

В результате обработки данных наблюдений выявлены основные свойства спектра длинных волн в диапазоне периодов цунами на шельфе п-ова Камчатка. Он носит устойчивый характер и повышения энергии длинноволновых процессов наблюдаются сравнительно редко и в течение непродолжительного времени. Структура спектра определяется доминирующими на шельфе стоячими колебаниями и зави-

сиг от топографии береговой зоны и соответствующей системы возбуждения. Теоретическая с линейным уклоном модель для стоячих излученных волн обнаружила хорошее согласование с наблюденными данными на станциях VI и С>2. Эти результаты показывают наличие краевых стоячих волн, профиль которых нормален к берегу и очень подобен нормально излученной волне той же частоты.

Повышения энергии длинноволновых колебаний наблюдались в двух различных ситуациях. Первая связана с повышением энергии волновых движений в атмосфере, зарегистрированных при помощи микробарографа. При этом происходило повышение спектра длинных волн в том же диапазоне частот и примерно в том же масштабе. Но когеренгаость между атмосферными и океанскими волнами для этих случаев была невелика, что говорит о непрямом, нерезонансном механизме передачи энергии атмосферы океану.

Изучите данных наблюдений во время прохождения сильного циклона позволило выявить вторую ситуацию, сопровождавшуюся существенным возбуждением длинных волн с большой интенсивностью длинноволнового фона (11,5 см на станции VI), и показало, что процесс возбуждения длинных волн похож на эффект "отрицательной вязкости". При этом энергия мелкомасштабного штормового волнения в результате нелинейных эффектов в прибрежной зоне переходит в энергию длинноволновых движений с периодами до 40 минут.

К сожалению исследовать этот эффект не удалось т.к. в эксперименте использовался регистратор с 1 минутным прямоугольным фильтром и физический процесс перераспределения энергии искажался влиянием алиасинга. В дальнейшем это обстоятельство было учтено и привело к применению других фильтров в береговых регистраторах.

Выявление моментов повышения энергии колебаний в диапазоне цунами, изменений спектральных и взаимно спектральных характеристик записей имеет важное значение для разрабатывавшейся в период проведения исследований концепции гидрофизической подсистемы предупреждения о цунами (проблема выделения сигнала цунами на фоне естественного длинноволнового шума).

Результаты эксперимента привели также к некоторому пересмотру роли натурного эксперимента при детальном цунамирайонировании участков побережья. Поскольку

в фоновом спектре доминируют стоячие колебания, а цунами представляет обычно прогрессивную волну, расчет коэффициентов усиления от больших глубин к малым необходимо производить специальным образом, а не просто на основе осредненных взаимноспектральных характеристик записей на реальных станциях.

Кроме того, измерения длинных волн донными кабельными станциями на юго-западном шельфе п-ова Камчатка продемонстрировали возможность установки долговременных станций для оперативного наблюдения цунами в области со сложными ледовой обстановкой, береговым и гидродинамическим режимами.

В пятом параграфе описан эксперимент в районе строительства атомной электростанции (АЭС). Задачей данного эксперимента было проведение наблюдений длинноволновых процессов в районе побережья, где предполагалось строительство водозабора АЭС. По результатам наблюдений необходимо было сделать заключение о возможности строительства. Данная задача представляет и научный интерес, поскольку проводится исследование поля длинных волн в краевой зоне:

Прибрежная область Японского моря в районе строительства АЭС отличается чрезвычайно сложным характером топографии. Сильная изменчивость береговой линии и рельефа дна, наличие островов, бухт и других особенностей обуславливают здесь сложный характер длинноволновых колебаний уровня моря.

Аппаратурное обеспечение эксперимента в районе строительства состояло из кабельного комплекса третьего поколения и пяти автономных цифровых измерителей придонного гидростатического давления. К кабельному комплексу подключались две донные гидрофизические станции с пьезокварцевыми преобразователями.

Анализ энергетических спектров колебаний уровня моря на станциях Кансан-ри, Синпхо и Янхва в диапазоне периодов 2 мин -2 ч, соответствующему диапазону периодов волн цунами показал, что спектры различаются достаточно сильно и существует только один общий максимум на периоде около 40 мин. Это означает, что связность длинноволновых процессов с периодами менее 30 минут мала и особенности колебаний определяются исключительно местными топографическими условиями, которые существенно различаются для трех рассматриваемых заливов.

Для исследования частотных свойств длинноволновых колебаний непосредственно вблизи строительной площадки АЭС анализировались синхронные серии

Рис. 1. Схема расстановки кабельных сташдш на юго-западном шельфе п-ова Камчатка.

наблюдений на двух кабельных станциях и автономной, установленной вблизи берега у причала. При этом, исходя из результатов камчатских экспериментов, для расчета коэффициентов усиления волн специально отбирались отрезки записей содержащих прогрессивные волны. В этих случаях зависимость сдвига фаз между дальней кабельной станцией и двумя другими носит характер, близкий к линейному. Положительное значение сдвига фаз, соответствующее запаздыванию волн на второй кабельной и прибрежной станциях относительно самой удаленной свидетельствует, что на данном временном отрезке волны распространяются от открытого моря к берегу.

Рассчитанные осредненные энергетические спектры длинноволновых колебаний в частотном диапазоне 0,01 - 0,25 цикл/мин показали, что на всех частотах интенсивность волновых процессов для всех станций примерно одинакова, и только в высокочастотной части спектра наблюдается некоторое усиление на прибрежной станции.

Проведенный анализ показал, что в рассматриваемом районе не наблюдается каких-либо выделенных частот, на которых могло бы происходить более значительное резонансное усиление волн в диапазоне периодов волн цунами.

Одной из важных задач эксперимента было определение величины фоновых колебаний. Для оценки величины этих колебаний запись продолжительностью около месяца, полученная на автономной станции возле причала, была сглажена высокочастотным фильтром с временным окном Кайзера-Бесселя, равным 4 часам. По полученному таким образом ряду была построена гистограмма, которая рассчитывалась с шагом 1 см. Она симметрична и по форме напоминает нормальное распределение. Максимальная высота наблюдавшейся волны составляла 6,8 см.

Распределение фоновых колебаний аппроксимировалось нормальным распределением. Среднее значение оказалось близким к нулю и составило МЛ =0,0075,

дисперсия Б к =1,547. С использованием полученных параметров нормального распределения оценивалась вероятность превышения различных высот волн. Она составила для высоты 7 см - 0,0000000425, для высоты волны 8 см - 0,00000000033. В дальнейшем величина 10 см была принята в качестве верхней предельной величины фоновых колебаний.

Результаты проведенных исследований, в тон числе и по материалам КНДР и историческим сведениям из России и Токийского университета, с использованием существующих методик прогноза позволили сделать оценку цунамиопасности побережья в районе строительства АЭС. Была получена прогнозная оценка подъема уровня и отката, связанных с суммарным учетом цунами, приливов, штормовых нагонов и сейш, с заданным периодом повторяемости. Определен тип наката цунами как плавный. Образование бора было признано маловероятным. Длительность наката и осушки дна равна половине характерного периода волны цунами и может изменяться в больших пределах - от 2 минут до получаса. Максимальная величина затопляемой территории определятся величиной наката. Гораздо более длительными (до 12 часов) могут быть осушки дна, обусловленные приливными и метеорологическими колебаниями уровня моря (без учета цунами), однако их величина относительно мала (1,1 м при 0,01 % обеспеченности). В целом опасность, которую представляют колебания уровня моря, связанные с цунами, приливами, штормовыми нагонами, для района строительства АЭС была охарактеризована как умеренная.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе рассмотрены результаты исследований по созданию и использованию технических средств, предназначенных для изучения длинных волн в океане, а также проведение с помощью разработанных приборов экспериментальных исследований поля скорости течения в придонном пограничном слое океана, особенностей длинноволновых процессов в краевой области и их связи с барическими возмущениями, уточнение оценки цунамиопасности морского побережья. Основными результатами работы являются следующие:

1. В результате проведенных детальных исследований как характеристик регистрируемых процессов, так и схем регистрации, определены технические требования к измерительным средствам позволившие создать оптимальные измерительные комплексы предназначенные для наблюдения длинных волн в океане.

2. Исследованы вопросы применимости различных типов первичных преобразователей. Показано, что для изучения тонких волновых эффектов необходимо ис-

пользовать прецизионные пьезорезонансные датчики. Предложена структурная схема экономичного быстродействующего преобразователя скорости и направления течения с разложением вектора скорости на ортогональные компоненты и частотным выходным сигналом; схема защищена авторским свидетельством.

3. Исследованы проблемы разработки функциональных узлов аппаратуры и рассмотрены примеры ее исполнения.

4. Исследованы факторы, влияющие на погрешности измерительных приборов и определены погрешности измерения схем разработанных приборов. Установлено, что для регистрации волновых процессов с периодами менее 10 секунд для обеспечения требуемой точности измерения необходимо в регистрирующем комплексе переходить от измерительной схемы частотомера к периодомеру. Установлены пути повышения точности приборов в зависимости от диапазона исследуемых процессов.

5. Определена надежность разработанных электронных схем кабельных комплексов и автономного прибора.

6. Исследованы вопросы разработки корпусно-механических узлов гидрофизических приборов. Предложены конструкции герметичных корпусов донных датчиков, преобразователя скорости и направления течения, автоматического компасного арретира, приборной рамы и экономичного разъединителя балласта.

7. Разработаны два типа кабельных цифровых измерительных комплексов и автономный мареограф содержащие внутрисхемную шину и набор функциональных модулей предназначенные для наблюдения длинных волн в открытом океане и в прибрежной зоне.

8. Важным результатом работы является подтверждение правильности выбранных концепций построения аппаратуры полученными' натурными данными, обработка которых доказала правильность критериев и технических решений, принятых при создании приборов.

9. При помощи разработанной аппаратуры получены ряды наблюдений за скоростями придонных течений, колебаниями температуры и уровня моря, атмосферным давлением большой продолжительности и высокой точности в северо-западной части Тихого океана и побережье КНДР. Продолжительность отдельных рядов на-

бтодений достигала одного года. Эти наблюдения за длинными волнами полученные с использованием разработанных комплексов и автономных приборов, являются новыми.

10. На 10 используемых в приборах схем и конструкций получены авторские свидетельства и патенты.

11. Проведено изучение поля скорости течений в широком диапазоне частот и выделены три различных поддиапазона. В первом преобладают волновые процессы приливного происхождения, во втором - шельфовые сейши и внутренние волны, в третьем - мелкомасштабная турбулентность. Рассмотрены характерные особенности энергетических спектров для каждого поддиапазона.

13. Проведено исследование приливных движений:

- дня главных суточных и полусуточных приливных волн рассчитаны основные характеристики приливных эллипсов;

- экспериментально подтверждено теоретическое предположение об участии в формировании приливной гармоники 01, континентальных шельфовых волн;

- установлено, что для полусуточных волн, в районе измерений подстилающая поверхность гидродинамически гладкая, для Ох шероховатая, Кх и среднего течения соответствует промежуточной области.

14. Проведен анализ скоростей течения в диапазоне от 10 до 10 1 цикл/ч и показано, что спектральный пик в энергетическом спектре определяется наличием сейшевых колебаний. Подтверждено, что они носят баротропный характер.

15. По натурным данным, с учетом теоретической модели ППС в турбулентном флуктуирующем потоке, рассчитаны значения коэффициента трения, фазы коэффициента трения для различных частот флуктуаций ППС. Результаты показывают, что для периодов больше одного часа турбулентный режим можно считать квазистационарным, и для расчета характеристик ППС правомерно использовать представления полуэмпирической теории турбулентности.

16. Установлено, что для характерных значений скорости трения градиентная станция ПИТ-1 находилась в логарифмическом слое. С учетом этого обстоятельства

рассчитаны коэффициенты трения и эквивалентные высоты неровностей дна для различных значений скорости трения:

- показано, что для скоростей трения меньших 0,5 см/с дно гидродинамически гладкое, больших 1 см/с шероховатое, а диапазон скоростей трения 0,5 - 1 см/с относится к переходной области;

- сделан вывод, что для частот флуктуаций скорости течения выше 10 3 Гц турбулентность в пограничном слое характеризуется спектральным потоком энергии и близка к горизонтально-изотропной;

- установлено, что вихри меньших масштабов имеют меньший наклон по отношению к вертикальной оси, а это означает, что такие вихри с более короткими временными масштабами быстрее перераспределяют энергию между компонентами скорости и приближаются к трехмерному изотропному состоянию.

16. Детальный анализ данных наблюдений флуктуаций гидростатического и атмосферного давлений показал:

- фоновые колебания уровня моря в полосе частот цунами слабо связаны с атмосферными колебаниями, но сильно коррелируются с активностью морской поверхности. Процесс возбуждения длинных волн похож на эффект "отрицательной вязкости", то есть идет передача энергии от мелкомасштабных к крупномасштабным движениям,

- структура прибрежного поля длинных волн хорошо согласуется с теоретическими оценками доя стоячих волн доя линейного уклона.

17. В результате исследовании цунамиопасности побережья доя строительства АЭС была получена прогнозная оценка подъема уровня и отката, связанных с суммарным учетом цунами, приливов, штормовых нагонов и сейш, с заданным периодом повторяемости. Тип наката цунами - плавный. Образование бора маловероятно. Длительность наката и осушки дна равна половине характерного периода волны цунами и может изменяться в больших пределах - от 2 минут до получаса.

18. Важным результатом натурных исследований является изменение представлений о подходе к решению задачи цунамирайонирования участков побережья. Исследования на шельфе Камчатки показали, что в фоновых спектрах длинноволновых колебаний уровня доминируют стоячие колебания в то время как волна цунами

вляется прогрессивной. Поэтому рассчитанные по обобщенным спектральным ха-)актеристикам оценки цунамиопасности оказываются заниженными. Для получения >еальных оценок необходимо проводить изучение характеристик прогрессивных юлн.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации.

1. А.с. 725038 СССР, МКИ G 01 R 24/10 Цифровой следящий измеритель пе-шода/А.М. Агафонников, П.Д. Ковалев. Заявл. 06.09.77; Опубл. 07.12.79, Бюл. № ¡2.

2. А.с. 652499 СССР, МКИ G 01 R 23/00//Н 03 D 3/04. Цифровой измеритель ¿алой девиации частоты / А.М. Агафонников, П.Д. Ковалев, А.К. Кутелев, ИМ. 1ебедев. Заявл. 05.09.77; Опубл. 21.11.78, Бюл. № 10.

3. А.с. 1190195 СССР, МКИ G 01 С 13/00. Компасный арретир / П.Д. Ковалев, З.А. Деревнин. Заявл. 20.05.80; Опубл. 08.07.85, Бюл. № 41.

4. А.с. 1137303 СССР, МКИ G 01 D 9/42. Регистратор морского течения / П.Д. Совалев. Заявл. 01.07.82; Опубл. 01.10.84, Бюл. № 4.

5. А.с. 1136618.СССР, МКИ G 01 R 19/165. Индикатор напряжения/ П.Д. Ко-1алев. 3аявл.07.07.1983.

6. А.с. 1287027 СССР, МКИ G 01 R 23/00. Цифровой измеритель малых от-□юненийпериода/П.Д. Ковалев. Заявл. 20.05.85; Опубл. 01.10.86, Бюл. №4.

7. А.с. 1640491 СССР, МКИ F 16 М 11/04. Приборная рама / А.К. Кутелев, 1Д. Ковалев. Заявл. 06.05.88; 0публ.07.04.9], Бюл. № 13.

8. А.с. 1169294 СССР, МКИ В 63 В 22/06. Разъединитель для глубоководного (борудования / П.Д. Ковалев, В.И. Иволгин. Заявл. 28.02.84; Приоритет 22.03.85.

9. А.с. 1589530 СССР, МКИ В 63 В 22/06. Разъединитель для глубоководного >борудоцания / П. Д. Ковалев. Заявл. 28.02.84; Приоритет 17.01.89.

10. Агафонников A.M., Ковалев П.Д. Четырехзвенные активные RC - фильт->ы // Институт океанологии АН СССР. Южное отделение. Геленджик, 1986. Деп. в ЗИНИТИ 05.12.86, № 8337-В. 6 с.

11. Гарбер М.Р., Жак В.М., Ковалев П.Д. и др. Предварительные результаты 28 рейса НИСП "Океан" // Вопросы долго срочного и оперативного прогноза цунами. Владивосток, 1981. С. 53-54.

12. Ефимов В.В., Ковалев П.Д. Исследование поля скорости в придонном слое океана // Морские гидрофизические исследования. Севастополь: МГИ АН СССР, 1980. №3. С.145-154.

13. Ковалев П.Д. Экономичный четырехканальный автономный регистратор // Геолого-геофизические исследования охотоморского региона, СахКНИИ, ДВНЦ АН СССР, Южно-Сахалинск, 1978. С.151-155.

14. Ковалев П.Д. Морской цифровой измеритель течений // Волновые процессы в краевых областях океана. Южно-Сахалинск: СахКНИИ ДВНЦ АН СССР 1979. С.119-122.

15. Ковалев П. Д., Рабинович А.Б. Придонные измерения приливных теченю в южной части Курило-Камчатского желоба // Океанология. 1980. Т.20, вып.4. С.451-458.

16. Ковалев П.Д., Иволгин В.И. Преобразователь автономного измерителя течений // Волновые процессы в северо - западной части Тихого океана, СахКНИИ Владивосток: ДВНЦ АН СССР , 1980. С. 143-145.

17. Ковалев П.Д., Рожков В.С. Механизм транспортирования ленты автоном ного регистратора // Волновые процессы в северо - западной части Тихого океана СахКНИИ, Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1980. С. 146-147.

18. Ковалев П.Д. Исследование поля скорости течения в придонном слое океа на. Автореферат канд. диссертации, Севастополь, 1982. 17 с.

19. Ковалев П.Д. Особенности флуктуаций поля скорости течения в диапазон! частот 0,1-10 цикл/ч // Нестационарные длинноволновые процессы на шельфе Ку рильских островов. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1984. С.116-120.

20. Ковалев П.Д., Лобанов С.Ф. Проектирование корпусов гидрофизически: приборов // Теоретические и экспериментальные исследования длинноволновы: процессов. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1985. С.189-192.

21. Ковалев П.Д., Куликов. ДА. и др.. Исследование статиспиеских характе ристик полей температуры и скоростей течения в шельфовой зоне северо- западно)

тасти Тихого океана // Заключительный отчет по проблеме 074.01. Задание 06.01 ,Н2. Ю-Сахалинск, шт. №02850073462, № г.р. 77001925. 1985. 73 с.

22. Ковалев П.Д. Преобразование информации гидрофизических датчиков с тастотным выходом // Теоретические основы, методы и аппаратурные средства прогноза цунами: Тез. докл. Обнинск, 1988. С.94-95.

23. Ковалев П.Д. Дистанционный кварцевый измеритель гидростатического давления и температуры // Теоретические основы, методы и аппаратурные средства трогноза цунами: Тез. докл. Обнинск, 1988. С.92-93.

24. Ковалев П.Д., Рабинович А.Б., Шевченко Г.В. Анализ флуктуаций атмо-;ферного давления и колебаний уровня моря в диапазоне частот волн цунами // Теоретические основы, методы и аппаратурные средства прогноза цунами. Тез. докл. Эбнинск, 1988. С.97-98.

25. Ковалев П.Д., Летута A.A. Об организации и работе измерительного комплекса на юго-западном шельфе полуострова Камчатка // Теоретические основы, методы и аппаратурные средства прогноза цунами. Тез. докл. Обнинск, 1988. С.96.

26. Ковалев П. Д., Рабинович А.Б., Ковбасюк В.В. Гидрофизический эксперимент на юго-западном шельфе Камчатки (КАМШЕЛ-87) // Океанология, 1989. Т.29. !ып.5. С.738-744.

27. Ковалев П.Д. О разработке эффективного комплекса приборов для регист->ации гидрофизических параметров в шельфовой зоне океана // Проблемы метроло-ии гидрофизических измерений: Тез. докл. всесоюзн. конф., 28-31 мая 1990 г. М., 990. С. 112-113.

28. Ковалев П.Д. Согласующее устройство. Положительное решение от 17.12.1991 по заявке №4797247/09 (024599), приоритет 28.02. 1990. 2 с.

29. Ковалев П. Д., Рабинович А.Б., Шевченко Г.В. Измерение колебаний уров-[я моря на юго-западном побережье Камчатки // Проблемы метрологии гидрофизи-[еских измерений. Тезисы докладов. Москва, 1990. С. 307-308.

30. Ковалев П.Д. Компасный арретир,- Южно-Сахалинск, 1990.-/Сахалинский 1еж. тер. ЦНТИ: Информ. листок о научно-технической разработке №90-2. Серия '.37.21.02.

31. Ковалев П.Д. Придонный измеритель давления.- Южно-Сахалинск, 1992. /Сахалинский меж. тер. ЦНТИ: Информ. листок о научно-технической разработк №92-7. Серия Р.37.25.03.

32. Ковалев П.Д. Цифровой кабельный комплекс.- Южно-Сахалинск, 1992. /Сахалинский меж. тер. ЦНТИ: Информ. листок о научно-технической разработк №92-8. Серия Р.37.25.03.

33. Ковалев П.Д. Технические средства для измерения длинных волн в океане Владивосток, Издательство ДВО РАН, 1993. 149 с.

34. Поплавский А.А., Берншгейн В.А., Ковалев П.Д. и др. Исследование щ нами, разработка методических основ оперативного прогноза ( окончат, отчет СахКНИИ, инв. N Б922088, Новоалександровск, 1980. 471 с.

35. Kovalev P.D., Rabinovich А.В., Shevchenko G.V., Fain I.V. Investigation с the long waves near the south-west shelf of Kamchatka. Abstracts of Papers. Intemation; Tsunami Meetings. Proc. Inter. Tsunami Symp. My 31- August 10, 1989. Novosibirsl 1989, p.58.

36. Kovalev P.D., Rabinovich A.B., Shevchenko G.V.Investigation of long wave on the southwestern shelf of Kamchatka. Tsunami: Their Science and Hazard Mitigation Proc. Inter. Tsunami Symp. July 31-August 10, 1989. Novosibirsk, 1990, p.131-136.

37. Kovalev P.D., Rabinovich A.B., Shevchenko G.V. Investigation of long vvavi in the tsunami frequency band on the southwestern shelf of Kamchatka // Natural Hazard 1991. Vol.4. P.141-159.

38. Kovalev P.D. The Gauges for Measuring Long Waves in Ocean // The Tent International Simposium on Okhotsk Sea, Sea Ace & Peoples. 5-8 February 199: Mombetsu, Japan. 1995. P. 299 - 304.

39. Kovalev P.D. The System for Measuring Long Wawes That Using P( International Conference PACON, 17-22 Junel996. P. 35. Honolulu, USA.

40. Bogdanov G.S., Kovalev P.D. Digital Thermometer for Measuring Temperatui of Ice. The Northern Forum, 1997, Anchorage, USA, (in press).

41. Kovalev P. D., Kovalev D. P. The Device for Measuring Waves. Intemation Conference PACON 1997. Honolulu, USA, (in press).