Файл: Доценко С.В. Теоретические основы измерения физических полей океана.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.07.2024
Просмотров: 168
Скачиваний: 0
Влияние свойства пространственного осреднения датчика на х а рактеристики прибора оценим на примере измерителя прозрачности морской воды (см. § 2 гл. V I I ) , датчик которого ориентирован вер тикально и имеет базу длиной 1,0 м. При инерционности прибора 0,1 с и скорости зондирования 2,0 м/с граничная частота его выход
ного сигнала равна 0,69 Гц, а минимальный |
масштаб регистрируе |
|
мых неоднородностей 2,8 м. Если бы датчик |
был |
точечным (т. е. |
длина его базы равнялась нулю), то при тех |
ж е |
условиях гранич |
ная частота увеличилась бы до 1,6 Гц, а масштаб |
регистрируемых |
|
неоднородностей снизился до 1,3 м. |
|
|
§3. Влияние качки корабля
На практике зондирование с постоянной скоростью происходит очень редко. Одной из причин этого является качка корабля, кото рая периодически изменяет скорость опускания или подъема при
бора относительно среды, хотя скорость |
|
движения |
|
троса, |
к |
кото |
||||||||||||||
рому |
прикреплен |
прибор, относительно |
корабля остается |
постоян |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
ной. При этом прибор проходит через пеко- |
||||||||||||||
°\ |
|
ft |
|
" Е |
торые слои воды с большей скоростью, а че |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
рез |
другие — с |
меньшей. Д а т ч и к |
давления, |
|||||||||||
го |
|
|
|
|
|
устанавливаемый |
на |
зонде, |
может |
не |
реги |
|||||||||
|
|
|
|
|
стрировать |
изменения |
глубины, |
вызванные |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
качкой. Например, датчик глубины, имею |
||||||||||||||
20 • |
|
|
|
|
|
щий максимальный предел измерения 500 м |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
при |
точности |
± 0 , 5 % , |
нечувствителен |
к ко |
||||||||||
30- |
|
|
|
|
|
лебаниям |
прибора |
меньшим |
|
± 2 , 5 |
м. |
Сле |
||||||||
|
|
|
|
|
довательно, при |
таких |
колебаниях |
прибора |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
в среде движение его будет |
регистрировать |
|||||||||||||
40 |
|
|
|
|
|
ся к а к происходящее с постоянной |
скорос |
|||||||||||||
М I |
|
|
|
|
|
тью, |
хотя |
в действительности |
в |
|
скорости |
|||||||||
|
|
|
|
|
движения |
прибора |
будет |
присутствовать |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
периодическая составляющая . Выясним, ка |
||||||||||||||
Рис. |
15. |
Влияние |
качки |
кие |
искажения вносит эта составляющая в |
|||||||||||||||
прибора |
на |
измерение |
картину вертикального |
распределения |
поля, |
|||||||||||||||
поля |
при зондировании. |
получаемую на выходе |
прибора. |
|
|
|
||||||||||||||
/ — действительная |
картина |
|
|
|
||||||||||||||||
Н а |
рис. |
15 в качестве примера |
представ |
|||||||||||||||||
вертикального |
распределе |
|||||||||||||||||||
ния поля |
прозрачности; |
2 — |
лены |
действительная |
|
картина |
вертикаль |
|||||||||||||
картина |
поля, |
снятая |
при |
|
||||||||||||||||
качке с амплитудой 2 м и |
ного |
|
распределения |
|
поля |
|
прозрачности |
|||||||||||||
периодом 10 с при скорости |
|
|
|
|||||||||||||||||
зондирования 2 |
м/с. |
(кривая / ) |
и снятая точечным |
безынерцион |
||||||||||||||||
вая 2). |
|
|
|
|
ным |
прибором |
при |
наличии |
|
качки |
|
(кри |
||||||||
Из |
сравнения |
этих |
кривых видны |
основные |
искажения, вы |
|||||||||||||||
званные качкой. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1. И з м е р е н н а я |
толщина |
слоев |
может |
отличаться |
от истинной |
|||||||||||||||
как в большую, так и в меньшую сторону. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
2. И з м е р е н н а я |
глубина |
нахождения |
слоев |
может |
отличаться |
|||||||||||||||
от действительной. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
3. |
Поскольку |
ф а з а |
колебания |
прибора |
произвольна |
(опускание |
||||||||||||||
или |
подъем |
прибора |
могут |
быть |
начаты |
в |
любой момент |
периода |
52
к а ч к и ), может отсутствовать повторяемость результатов измерений одного и того ж е распределения.
Очевидно, что эти искажения существенны, когда толщина из меряемых слоев сравнима с амплитудой качки прибора.
Найдем количественную связь между величиной искажений и параметрами прибора и его движения (в том числе и качки) . Д л я простоты будем считать, что прибор колеблется по гармоническому закону, т. е. отклонения центра датчика от положения, которое он занимал бы при равномерном движении, имеют вид
|
|
|
|
|
|
|
г , |
|
|
(t)=xKcosQJ, |
|
|
|
|
|
|||
где |
|
л-к — амплитуда |
|
колебаний, |
a |
QK |
— их |
круговая частота. |
||||||||||
Из |
сравнения |
с формулой |
(2.19) |
получим, что периодическая со |
||||||||||||||
с т а в л я ю щ а я |
скорости |
прибора |
vi = xKUK. |
Функция |
|
движения |
при |
|||||||||||
бора при зондировании с учетом |
качки |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
со |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С,(а; Ю ) = - 2 « |
2 |
У'п , Л,(«*к )3(*Яо + |
<» + т 2 к ) , |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
III = |
—со |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и, согласно |
формулам |
§ |
1 гл. I I I , спектр |
измеренного |
распределе |
|||||||||||||
ния поля yY] I 3 M |
(ее) |
связан |
со |
спектром |
истинного |
распределения |
||||||||||||
поля X (а) соотношением |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
со |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д , з м |
(а) = |
У) |
J"lJin |
(ал-к |
— т-{) |
н Л а |
— |
т - ^ - ; zvQ) |
X |
(а — т - Ц |
, |
|||||||
|
|
m = - c o |
|
|
|
|
|
v |
|
|
Л | : |
1 |
^ |
|
* * ' |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.25) |
где |
|
Vi |
|
При этом |
спектр |
сигнала на выходе |
|
прибора |
имеет |
|||||||||
|
Y = — — • |
• |
|
|||||||||||||||
|
|
уо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вид |
(3.5) и справедливо равенство |
(3.4). |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Сравнение |
формул |
(3.25) |
и |
(3.3) |
показывает, |
что |
качка |
при |
|||||||||
бора приводит к появлению в спектре измеренного |
распределения |
|||||||||||||||||
поля комбинационных |
компонент, |
получающихся |
из |
спектра |
изме- |
Y
ряемого поля сдвигом на кратные волновые числа т—— при одно-
Хц
временном умножении на коэффициенты Jm(axK — ту). Такое ус ложнение спектра создает дополнительные трудности в его рас шифровке.
Исследуем искажения спектра поля. Рассмотрим вначале безы нерционный прибор с точечным датчиком. Д л я него выполняется равенство (2.7) и спектр измеренного поля
|
со |
|
|
^ н з м ( а ) = |
2 |
JmJm(*xK-mi)X |
(а-т-^Л. |
Определим характер спектров разных порядков, входящих в это> выражение . Спектр нулевого порядка Jo {ахк)Х (а) отличается
53-
от спектра поля X (а) спадающим с ростом волнового числа множи телем /о(аА' к ) . При отсутствии качки этот множитель равен еди нице. Его можно рассматривать как некоторую спектральную ха рактеристику испытывающего периодические колебания точечного безынерционного прибора. Соответствующая ей аппаратная функ ция:
^ i n c p ( p ) = - ^r j |
J0(xKa)eJtada |
= |
|
•*хк ] Л |
р |
при |
< 1 . |
|
|||
О |
|
при |
> 1 |
изображена на рис. 16. Ее смещение равно нулю, а дисперсия аг =
= зависит только от амплитуды колебаний. Полоса пропус
1 |
|
ки я,пер |
! |
к а н ия |
такого прибора |
а п |
= |
||||||
|
0,7 |
|
т а к ж е определяется |
|
|
Хк |
|||||||
! |
|
|
|
Ь |
только ам |
||||||||
|
0.6 |
|
плитудой колебаний. |
|
|
|
|||||||
|
|
0,5 |
/ |
I |
|
К р о м е компоненты нулевого по |
|||||||
|
|
/ |
| |
рядка измеренный спектр |
поля со |
||||||||
j |
\ |
0,4 |
|||||||||||
держит компоненты высших поряд |
|||||||||||||
I |
|
||||||||||||
|
|
|
; |
ков |
/щ (ал'к — пгу)Х |
— |
т- |
||||||
1 |
|
0.2 |
|
! |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
0,1 |
|
! |
|
Рис. |
16. |
Аппаратная |
функция |
||||
|
|
|
|
|
испытывающего |
колебания |
то |
||||||
|
|
|
|
! |
|
||||||||
i |
|
|
|
|
чечного |
безынерционного |
дат |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
-1,0 |
-0,5 О |
0.5 |
|
|
|
|
чика. |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
которые |
|
получаются |
из |
спектра |
поля |
X (а) |
сдвигом |
вол- |
нового числа на т JY _ и умножением на соответствующие коэффи-
Хк
циенты, представляющие собой функции Бесселя (рис. 17). Соста вляющие спектров высших порядков занимают широкий частот ный диапазон и частично попадают в полосу пропускания датчика. Так как спектр исходного воздействия входит в них со смещенным
на т- ХкУ аргументом, то эти составляющие не когерентны состав
л я ю щ и м основного спектра и будут регистрироваться прибором как шумы. Вопрос о величине этих шумов более подробно рассмотрен в гл. V
•54
И т а к, колебания точечного |
безынерционного прибора приводят |
к спаданию его спектральной |
характеристики с ростом величины а |
и появлению шума в широком диапазоне волновых чисел, в том чи сле и в его полосе пропускания.
Эк |
|
I |
7= °>2 |
Рис. 17. Коэффициенты передачи комбинационных спектров различных порядков.
Рассмотрим свойства инерционного прибора с протяженным (не точечным) датчиком. Измеренный им пространственный спектр ну левого порядка дается формулой
Л'изм о (a)=Jo |
(ах*) Нх (а; avQ) X (а). |
55-
С п е к т р а л ь н ые свойства прибора и способа измерения з а л о ж е н ы
здесь в произведении функций / 0 (cu'K )#i (a; av0), причем |
первой |
|||||
•функции |
соответствует а п п а р а т н а я функция с дисперсией |
а 2 к = |
||||
* |
" |
а |
второй — аппаратная функция |
с дисперсией |
о 2 |
. = |
2 |
|
|
|
|
|
|
= a2H |
+ (voT)2. |
Следовательно, инерционный |
прибор с протяженным |
.датчиком, испытывающий колебания, можно характеризовать дис персией
2 |
2 | 2 |
1 2 | 2 I |
/ |
- т . ^ |
|
|
5 эфф = |
: ; к - Г 0 |
э к в : = — -Кк-Г'3 // |
| |
\vn' ) • |
|
|
Его полоса пропускания: |
|
|
|
|
||
0,77 |
|
при |
-2-xK-\-offp>(vQT) |
, |
||
—1 |
|
при |
( г ) 0 Г ) 2 |
» 4-Л'к+о// |
||
•сокращается по сравнению с полосой пропускания |
прибора, |
движу |
щ е г о с я равномерно, а минимальный масштаб различимых неоднородностей:
U У^-^г xl-\-a%+{v0Tf |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
при |
| 4 + 4 > ( и 0 |
Г ) ! , |
|
||||
A n l п |
|
|
|
|
|
|
|
|
2TC<D0 7" |
при |
(v0T)-» |
-4- Лк + |
а ^ |
|
|||
увеличивается . М а к с и м а л ь н а я частота |
выходного |
сигнала в |
преде |
|||||
лах полосы пропускания прибора уменьшается: |
|
|
|
|||||
0,12-00 4~л 'к+3 "~Н'г '°7 ')2 |
/ г |
П |
Р И |
|
-^xl-\-=%p>(vQTf, |
|
||
0,16 |
|
|
при |
( « 0 Г ) 2 » — л-к-Н-ая. |
||||
|
|
|
||||||
При измерении инерционным |
прибором |
с протяженным |
датчи |
|||||
ком, та к ж е как и при измерении |
безынерционным прибором |
с то |
||||||
чечным датчиком, в полосе пропускания имеется |
шум от комбииа- |
|||||||
.ционных спектров, величина которого |
может |
быть |
рассчитана |
|||||
только при знании спектра поля |
и |
спектральной |
характеристики |
|||||
датчика . |
|
|
|
|
|
|
|
|
Сравнивая протяженный инерционный прибор с точечным |
безы |
|||||||
нерционным, отметим, что спадание пространственной |
спектраль |
|||||||
ной и частотной характеристик первого |
с ростом |
частоты приводит |
кследующим дополнительным эффектам .
1.З а счет спадания частотной характеристики падает уровень
спектров высших порядков. Правильным выбором НА (со) можно по-
-56
давить паразитные спектры высших порядков вне полосы пропус кания прибора при незначительном изменении спектра в полосепропускания.
2. З а счет спадания пространственной спектральной характери стики датчика падает спектральная плотность сигнала в спектрах
всех порядков по мере удаления от их центральных |
частот, что |
п р и |
|||||||
водит |
к уменьшению шума |
как в полосе пропускания датчика, |
так |
||||||
и вне |
ее. Количественно |
эти эффекты |
могут |
быть рассчитаны |
|||||
только |
при конкретизации |
|
аппаратной |
функции |
прибора и |
в и д а |
|||
спектра |
поля. |
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
случае отличия качки |
от гармонической картина спектра на |
|||||||
выходе прибора аналогична |
рассмотренной, |
но амплитуды спектров |
|||||||
разных |
порядков даются |
коэффициентами |
Ст |
(а), |
определяемыми |
||||
по формуле (2.18). |
|
|
|
|
|
|
|
Оценим влияние качки корабля на результаты измерения кон кретными приборами.
При измерении вертикального распределения температуры тер
мозондом, имеющим инерционность Т = \ с и точечный |
датчик |
тем |
|
пературы, и требовании, чтобы минимальный масштаб |
регистрируе |
||
мых неоднородностей составлял 2,0 м при амплитуде |
качки 0,2 мг |
||
скорость зондирования |
не д о л ж н а превышать величины 0,20 |
м/с. |
|
В отсутствие качки эта |
величина равна 0,32 м/с. При |
качке |
мини |
мальный масштаб регистрируемых неоднородностей не может бытьменьше величины, определяемой амплитудой качки, 1т-т^Ъ,7х!{.
Влияние качки на результат измерения прибором, датчик кото
рого |
обладает свойством пространственного |
осреднения, |
оценим |
|
на примере измерителя прозрачности морской |
воды, датчик |
кото |
||
рого |
ориентирован вертикально и имеет базу |
длиной 1,0 |
м. |
П р и |
инерционности прибора 0,1 с, скорости зондирования 2,0 м/с и ам
плитуде качки 0,5 |
м граничная |
частота его выходного сигнала равна |
||||
0,48 Гц, |
что |
почти |
в полтора |
раза меньше, чем |
при |
отсутствии |
качки. |
|
|
|
|
|
|
Итак, |
колебания прибора |
вследствие качки могут |
значительно' |
|||
ограничивать |
его |
возможности. При некоторых |
условиях влияние |
качки существенней пространственного осреднения датчика и инер ционности прибора.
Полученные соотношения позволяют оценить влияние качки на результаты измерения и произвести правильный расчет п а р а м е т р о в прибора и скорости зондирования при качке с известными амплиту дой и частотой.