Радиолокационное измерение углового спектра и степени анизотропности морского волнения Текст научной статьи по специальности «Физика»

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1 Клевцов С.И., Клевцова А.Б. Мультисегментная пространственная модель градуировочной характеристики интеллектуального датчика. //Материалы международной научной конференции "Цифровые методы и технологии". Ч.4. -Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005.

2 Клевцов С.И., Удод Е.В. Пространственная плоскостная модель градуировочной характеристики интеллектуального датчика давления // Известия ТРТУ. 2005. №1.

3 Семенов Л.А., Сирая Т.Н. Методы построения градуировочных характеристик средств измерений. - М.: Изд-во стандартов, 1986.

В.Т. Лобач РАДИОЛОКАЦИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВОГО СПЕКТРА И СТЕПЕНИ АНИЗОТРОПНОСТИ МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ

В рамках общей проблемы дистанционного измерения параметров морского волнения значительное место занимает задача определения степени анизотропности и углового спектра морского волнения. Угловой спектр морского волнения (функция углового распределения энергии волн) определяется соотношением [1]

Яь (у)= N

где коэффициент анизотропности т является показателем трехмерности волнения и характеризует ширину углового спектра.

Таким образом, для определения углового спектра (у) в рамках аппрок-

симации (1) необходимо определить параметр анизотропности. В работе [2] показана возможность измерения средней длины волны в направлении полета ЛА относительно направления распространения волн. Осуществляя в процессе полета ЛА по кругу измерения средней длины морских волн Лт;п = л(0) в направлении

распространения волн у = упол -ув = 0 и длины гребней Лтах = л(р/2), получаем возможность определения коэффициента анизотропности т из соотношения

[3]

~Л(л /2)п 2

СОБт у

(1)

т =

-1. (2)

Л(0)

Здесь упол - направление полета ЛА; ув - направление распространения морских волн.

Графики зависимости средней длины морских волн от относительного направления полета ЛА у и от параметра анизотропности т приведены на рис.1.

Процедуре измерения Лт;п и Лтах предшествует измерение направления распространения морских волн, которое может быть реализовано с неопределенностью 1800 по угловому положению минимума на графических зависимостях рис.1.

Для определения углового положения экстремума методом производной оценим первую производную по углу для функции Л (у)

0,5Л(0)--------,тап2у =Л’(у). (3)

dy

(т +1>

3

, т . 2 ’

1-----------Б1П У

т +1

Рис. 1. Графики зависимости средней длины морских волн от относительного направления полета ЛА у и от параметра анизотропности т

На рис.2 приведены графические зависимости Л'(у)/Л(0) при различных значениях параметра анизотропности т. Из анализа графических зависимостей рис.2 следует очевидный вывод о целесообразности измерения направления утах = ув ±л/2, ортогонального направлению распространения волн, поскольку

ему соответствует максимальное значение крутизны зависимости Л'(у) и, следовательно, минимальная погрешность измерения утах.

Рис.2. Графические зависимости Л'(у)/Л(0) при различных значениях параметра

анизотропности т

Ошибка определения угла Сту по методу максимума может быть определена на основе разложения функции Л (у) в ряд Тейлора [4]

сту -

2стл

Л"(тс /2 )

0,5

(4)

гДе Л''(р/2)- Д Л(у)|у-р/2 •

ау2 1

Из выражения (4) получим

а2 л (у)

ау2

-Л(0)

т т +1

СОБ 2у

, т . 2

1------------Б1П У

т +1

3

. + —

т

б1п2 2у

4 т +1

Учитывая соотношения (4) и (5), запишем

сту -

, т . 2

1------------Б1П у

т +1

0,5

(5)

2ст Л 0,5 2СТ л 0,5 2ст отн (л)

т^/ (т + 1)л(0) _ тЛ _ т

(6)

где стп

5 (л) - относительная среднеквадратическая погрешность измерения Л .

Поскольку угаы у,^ у пол

у в

связаны

соотношением

ув - упол — утах ±р/2 , среднеквадратическая погрешность измерения направления распространения морских волн Стув определится как

4

- 2 2 стув - V стуступол

(7)

где

ЛА.

упол

- среднеквадратическая погрешность измерения направления полета

Из (6) следует, что, при ст отн(Л')-0,1 и т=3 погрешность Сту составляет 150. Поскольку бортовые измерители позволяют измерять угол упол с высокой точностью (ступол < 0,05), можем положить Стув » Сту. По мере уменьшения параметра т погрешность Сту возрастает и при т=1 достигает недопустимо большой величины Сту^ = 27о. Уменьшить погрешность Стуз позволяет дифференциальный метод (метод вилки), который позволяет измерять угловое положение максимума функции Л(у) из условия Л(у!)—Л(у2)-Л(утах — Ду)—Л(утах +Ду). При этом утах оценивается как

_ у1 +у2

уи

2

(8)

Среднеквадратическая погрешность Сту определяется с учетом (8) как

22 ау - 0,5д( *^у1 + *^у2 .

Учитывая малость второй производной Л''(у), при Ду>20о, среднеквадратическое значение погрешности измерения углов у1 и у2 можем представить в виде

_ стл(у1 ).

СТу1 - Л'(у1) .

^2 )

СТу2 - Л'(у2 ) .

и

При симметричном расположении углов и у 2 относительно утах справедливо соотношение

_ _ сту1 _ сту2 _

стув _ _ ^2 _ ^2 _ ст°тн

т .? I р

1---------ЄіП I-----+ Ау

т +1 ^ 2

т |єіп(2Ау + р)| т +1

(9)

На рис.3 приведены графические зависимости, построенные с использованием соотношения (9).

Рис.3. Графические зависимости, построенные с использованием соотношения (9)

Из графиков следует, что минимальное значение погрешности Сту имеет место при Ду = 30о . Использование для определения направления распространения волн метода вилки позволяет при Ду = 30о , стотн (л) = 0,1 и т=3 снизить погрешность измерения до Стув » 6о. По мере уменьшения т, погрешность растет,

достигая при т=1 величины Стув = 12о . Дальнейшее уменьшение погрешности измерения Сту достигается путем оценки среднеарифметического значения углового положения двух максимумов утах1 и утах2

у = утах1 +утах2 — р . у = утах1 +утах2

Т тах ~ ’Тв

2

2

При этом ошибка стув уменьшается в 42

ув У X и у ^ Ра3.

Аппаратурные измерения коэффициента анизотропности осуществляется в процессе полета ЛА по кругу при непрерывном измерении текущих значений длины морских волн. Весь круг виража делится на N секторов, по которым строится распределение длин волн. Непрерывно поступающие в бортовой компьютер (БК) значения курса формируют в памяти СВ адреса дискретных значений курса, по

которым осуществляется запись текущих значений л(у). По завершении облета в памяти БК будет сформирован массив значений длин волн л(у). Далее осуществ-

ляется поиск в рабочем массиве четырех экстремальных значений: двух максимальных и двух минимальных. Адрес наименьшего из минимальных значений принимается за направление распространения морских волн, а коэффициент анизотропности определяется по формуле (2). Дискретный характер отсчетов угла ув приводит к появлению ошибки дискретности, максимальное значение которой Ду§т определяется соотношением [5]

Д = УТУ = р

Ду2Я N ,

где Я - радиус траектории ЛА, V - скорость полета ЛА, Ту - время измерения одного отсчета средней длины волны. Очевидно, что ошибка Ду^ является случайной величиной с равномерным законом распределения в интервале значений

- pN £ ДУg £ . Тогда среднеквадратическое значение ошибки равно

Ду да ^у

а ^ (10)

Cтyg 43 2Ш. (10)

Из (10) следует, что ошибку дискретности можно уменьшить, увеличив радиус полета и уменьшив скорость полета. Уменьшение времени измерения (усреднения) Ту снижает ошибку дискретности аyg , но одновременно увеличивает относительную погрешность измерения средней длины волны и, как следствие, увеличивает суммарную погрешность ау (6). Приняв типичные условия полета

V = 100 м/с, Ту =20 с, Я=5 км, получим ayg = 0,115 рад = 6,6 град. Такая величина дискретной погрешности соизмерима со среднеквадратической погрешностью измерения угла распространения волн а^ , обусловленной погрешностью измерения длины волны аотн (л) в наихудших условиях измерения (л = 100 м).

Учитывая все составляющие погрешности измерения направления распространения морских волн, величину суммарной среднеквадратической погрешности в условиях типичных параметров траектории полета ^=100 м/с, Я=5 км, Ту=20 с), в наихудших условиях измерения (Л = 100м , т=1), удается ограничить на уровне аув = 10о . Экстремальные значения функции Л(у) используются для вычисления коэффициента анизотропности т по формуле (10). При этом величины Л(/ /2) и л(0) вычисляются как среднеарифметические значения величин

Лтах (у) и Лт;п (у) соответственно. Это позволяет уменьшить в 42 относительную погрешность измерения длины волны Л(0) и длины гребня Л(//2). Относительная среднеквадратическая погрешность измерения параметра т может быть получена из (2) в виде

аотн (т) =. -4-а2отн (л) + 4(т + а2отн (л) = — аотн (л^2 + 2т + т2 .

V т2 т2 т

При определении параметра т по среднеарифметическим значениям Л(0) и л(/ /2) полним

аотн (т) = аотн (лУ2 + 2т + т2. (11)

Из (11) следует, что среднеквадратическая погрешность измерения параметра т растет по мере стремления его к единице.

Так, при аотн (л) = 0,05, т = 2, аотн (т) = 0,11.

Предложенные алгоритмы измерения углового распределения энергии и степени анизотропности морского волнения позволили разработать эффективные средства контроля этих параметров с борта ЛА [3].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Крылов ЮМ. Спектральные методы исследования и расчёта ветровых волн. - Л.: Гид-рометеоиздат, 1966.

2. ЛобачВ.Т. Радиолокационные измерения пространственно-временной структуры морской поверхности в декаметровом диапазоне радиоволн // Радиотехника. 2001. № 2.

3. Гарнакерьян А.А., Лобач В.Т. и др. Радиоокеанографическое, навигационное и информационное обеспечение гидроавиацию/ -Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1997.

4. Белавин О.В. Основы радионавигации. - М.: Советское радио, 1977.

5. Лобач В.Т. О возможности определения средней длины и главного направления распространения морских волн радиолокационным методом //Техника усиления и преобразования радиосигналов // Труды ТРТИ. Таганрог: 1973. Вып.39.

М.Н. Роганин

МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

НА КОМПЬЮТЕРЕ Введение

Акустическая эмиссия - это явление освобождения энергии в виде механических волн в процессе перестройки внутренней структуры твердых тел, подвергнутых пластической деформации или излому. Источниками сигналов акустической эмиссии (АЭ) могут служить: движение дислокаций, двойникование, фазовые превращения, трещинообразование и т.п. АЭ представляет собой случайный нестационарный процесс, статистические характеристики которого изменяются со временем.

Явление АЭ применяется как в исследовательских целях - для изучения динамики развития структуры материала в процессе термомеханического воздействия, так и в целях неразрушающего контроля (НК) - для диагностики состояния потенциально опасных конструкций. Применение АЭ в науке и технике базируется на представлении, что процессы деформации и разрушения служат источниками эмиссии, сигналы которой могут давать детальную информацию об этих процессах.

Огромный темп развития компьютерных технологий отмечен ростом возможностей в области сбора и обработки информации. Широкое применение ресурсов ЭВМ позволяет всесторонне исследовать процесс АЭ, делает исследования более точными и значительно упрощает процедуру их проведения.

Методика исследования

Наиболее важными составляющими контрольно-измерительной аппаратуры для испытаний методом АЭ являются нагружающее приспособление, преобразователь (датчик), электронное оборудование, а также система сбора и обработки данных. Блок-схема типичной установки для регистрации АЭ представлена на рис.1.