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: 158
Скачиваний: 0
с широким применением принципов измерения, позволяющих резко снизить инерционность приборов (при этом ограничение возможно стей прибора определяется размерами его д а т ч и к а ) , п необходимо стью измерять мелкомасштабные неоднородности полей, сравнимые
с размерами датчика |
(например, при |
исследовании полей прозрач |
||||
ности, электропроводности и д р . ) . |
|
|
|
|||
2. Прибор поступательно |
движется |
в среде. |
Математическое |
|||
описание движения прибора |
в |
поле |
позволяет варьировать способ |
|||
движения прибора в |
широких |
пределах |
с учетом |
как постоянной, |
||
так и переменной составляющей его скорости. Это позволяет опре делить наилучшую ориентацию датчика прибора относительно на
правления движения, чувствительность датчика |
к изменению напра |
|
вления движения, найти допустимые отличия |
скорости |
движения |
от равномерной. |
|
|
3. Структура теоретических моделей полей, |
с помощью |
которых |
производится анализ работы приборов, близка |
к реальной, встре |
|
чающейся в практике гидрофизических исследований.
В первой главе работы рассмотрены задачи, возникающие при измерении физических полей океана, приведена классификация при боров для измерения этих полей и д а н ы основные блок-схемы таких приборов. В основу математического описания прибора положено понятие аппаратной функции прибора. В заключение приводятся краткие сведения о многомерных детерминированных и случайных изотропных и локально изотропных полях и их спектральных раз
ложениях, необходимые д л я последующего |
анализа |
работы при |
||
боров. |
|
|
|
|
Во второй главе выводится и анализируется уравнение связи вы |
||||
ходного сигнала движущегося прибора с |
величиной |
измеряемого |
||
поля (которое может быть как детерминированным, |
так п |
случай |
||
ным) . |
|
|
|
|
В третьей главе исследуется измерение |
гидрофизических |
полей |
||
при вертикальном |
зондировании. П о к а з а н ы |
характерные особенно |
||
сти вертикальных |
профилей различных полей океана и типичные ис |
|||
кажения, возникающие при их измерении. Р1сследуется зондирова ние с постоянной скоростью и влияние качки корабля на результат измерения.
Четвертая глава посвящена измерению спектральных плотнос тей изотропных и локально изотропных гидрофизических полей при горизонтальном буксировании (или дрейфе) прибора с постоянной скоростью. В ней представлены наиболее типичные спектры этих полей и указаны особенности их измерения. Найдена связь спектра выходного сигнала прибора со спектральной плотностью измеряе мого поля н введено понятие эквивалентной спектральной характе ристики датчика. Рассмотрено измерение полей приборами с дат чиками различной конфигурации и ориентации относительно напра вления движения .
В практике измерений движение прибора редко бывает равно мерным прямолинейным. Н а постоянную составляющую скорости, как правило, налагаются продольные и поперечные колебания
7
(неравномерность скорости буксирования, качка при дрейфе
ит. д.)_.
Впятой главе исследуются искажения спектра, вносимые пере мещениями прибора вследствие качки судна при измерении слу чайных составляющих физических полей и оцениваются границы до пустимых колебаний прибора.
Шестая глава посвящена синтезу приборов с заданными спект ральными свойствами на основе применения многоэлементных дат чиков (решеток) . В ней исследованы спектральные характеристики таких приборов с различными способами включения элементов ре шетки, оценено влияние спектральных характеристик этих элемен тов и дан способ расчета таких приборов.
В заключительной седьмой главе описываются методы нахожде ния аппаратных функций датчиков гидрофизических полей, которые иллюстрируются расчетом этих функций для ряда датчиков, пред назначенных д л я измерения полей самой различной физической природы. Использование результатов теории, развитой в предыду щих главах, во многих случаях непосредственно, без дополнитель
ных вычислений дает возможность |
оценить спектральные свойства |
||
приборов, в состав |
которых входят |
эти датчики. В заключительном |
|
п а р а г р а ф е главы |
исследуются возможности |
экспериментального |
|
определения аппаратных функций приборов. |
|
||
Результаты исследований в значительной |
части доведены до |
||
формул, удобных д л я непосредственного применения. Когда это за труднительно (например, конечный результат представляется в виде неберущегося интеграла), с помощью численных методов по строены графики и таблицы, применимые во всех интересных для практики случаях.
Теоретический анализ сопровождается рядом конкретных при меров. Они не только иллюстрируют полученные выводы, но и по зволяют судить о количественных значениях исследуемых эф фектов.
Автор считает своим приятным долгом поблагодарить академика АН У С С Р А. Г. Колесникова за руководство при выполнении этой работы, В. Н. Кулешову и А. Н . Недовесова, взявших на себя труд выполнения ряда расчетов, и рецензентов кандидата технических
наук Г. А. Заблоцкого |
и кандидата физико-математических |
наук |
Г. В. Алексеева за ряд ценных замечаний и советов, учтенных |
при |
|
переработке рукописи. |
|
|
ГЛАВА J
Л И Н Е Й Н Ы Е ПРИБОРЫ Д Л Я ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ОКЕАНА И МЕТОДЫ ИХ АНАЛИЗА
§ 1. Задачи и методы измерения физических полей океана |
|
^ |
||||||||||||
|
Значения физических элементов, составляющих поля океана, ( |
|||||||||||||
испытывают флуктуации турбулентной и иной природы. Поэтому |
у |
|||||||||||||
величина «поля» |
о т р а ж а е т |
действие как детерминированных, так и |
( |
|||||||||||
стохастических процессов |
[36]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
) |
||||
|
Д л я |
изучения |
этих полей |
непригоден |
широко |
используемый |
|
|||||||
в океанографии стандартный метод разовых наблюдений, осущест |
|
|||||||||||||
вляемых с научно-исследовательских судов в значительно удален |
|
|||||||||||||
ных друг от друга точках |
в разные |
моменты |
времени. Такой метод |
|
||||||||||
не |
дает |
правильной временной |
и пространственной |
(по |
вертикали |
|
||||||||
и горизонтали) картины протекающих в океане физических процес |
|
|||||||||||||
сов. Д л я |
получения более |
полной информации о полях |
необходимы |
|
||||||||||
способы |
ведения |
исследования, позволяющие |
получать |
непрерыв |
|
|||||||||
ные и длительные наблюдения |
[34]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Рассмотрим методы измерения физических полей океана при по |
|
||||||||||||
мощи применяемых в настоящее время приборов и остановимся на |
|
|||||||||||||
задачах, которые могут быть решены путем применения этих мето |
|
|||||||||||||
дов |
и приборов [4, 34, 52]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
*) |
|||
|
П р е ж д е всего |
проанализируем |
способы |
ведения |
|
наблюдении, |
\ |
|||||||
осуществляемые |
с научно-исследовательских |
судов. |
|
Приборами, |
/ |
|||||||||
работающими на |
стоянке |
судна (зондами) |
(позиция |
/, рис. 1), ча- |
>; |
|||||||||
сто осуществляется проведение вертикальных «мгновенных» разре - |
| |
|||||||||||||
зов |
исследуемого |
поля. При этом, к а к правило, |
представляет инте- |
.' |
||||||||||
рес |
зависимость |
величины |
поля от |
глубины, |
и |
целью |
|
измерения |
' |
|||||
здесь является получение с заданной точностью вертикального про |
|
|||||||||||||
филя поля. В силу вертикальной стратификации океана изменение |
^ |
|||||||||||||
поля вдоль одной координаты |
(глубины) значительно |
превосходит |
/ |
|||||||||||
его изменение вдоль двух других координат, что дает |
право считать |
|
||||||||||||
поле в этом |
случае плоско-слоистым. З а д а ч а |
|
теории |
измерения для |
|
|||||||||
этого случая |
формулируется следующим образом . |
|
|
|
|
|||||||||
К а к по данной реализации измерения, полученной с помощью прибора с заданными характеристиками инерционности, простран-
9
ственного осреднения и параметрами движения, восстановить вид исследуемого поля на траектории движения прибора? Какие огра ничения налагают прибор и методика измерения на точность изме рения?
Нередко применяется и другая методика измерения с помощью приборов-зондов: они опускаются на заданную глубину и, удержи ваясь на ней, ведут запись изменения элементов с течением вре мени. При этом зонд совершает движение относительно среды за
Рис. 1. Приборы для измерения физических полей океана.
счет дрейфа судна или, если последнее стоит на якоре, за счет дви жения водных масс океана, обусловленного течением. Скорость дви
жения прибора относительно среды |
л е ж и т |
в |
пределах |
от |
единиц |
|||||||||
до десятков сантиметров в секунду. Такого |
рода измерения |
позво |
||||||||||||
ляют |
исследовать статистические |
свойства |
случайной |
|
составляю |
|||||||||
щей |
поля |
на заданном горизонте. Д л я |
исследования именно |
стати |
||||||||||
стических |
свойств полей |
используются |
буксируемые |
приборы |
(2) |
|||||||||
и автономные: приборы, |
расположенные |
на |
горизонтах |
буйковых |
||||||||||
телеметрических станций (3), и автономные |
заякоренные |
само |
||||||||||||
всплывающие приборы |
(4). |
Буксируемые |
приборы |
работают |
на |
|||||||||
ходу, |
и перемещение |
их |
относительно |
среды |
вызвано |
движением |
||||||||
со скоростью судна |
[до |
12 |
узлов |
(620 |
см/с)]. |
Изменение |
полей |
|||||||
в точке измерения автономными приборами в значительной |
степени |
|||||||||||||
обусловлено движением |
океана, вызванным |
течением, |
скорость |
ко- |
||||||||||
10
