Пятиструнный волнограф

Внедрение: 2005 г.

В рамках международного эксперимента CAPMOS’05 проводились дистанционные исследования морской поверхности с использованием комплекса радиометров с рабочими длинами волн 3, 8, 15 и 80 мм, сопровождаемые контактными измерениями с помощью пятиструнного волнографа [1]. Подобное сочетание позволило получать информацию о пространственно-временной структуре волнения с целью последующего анализа и разработки алгоритма восстановления параметров спектра морского волнения в гравитационно-капиллярном интервале на основе данных угловых радиополяриметрических исследований.

Измеритель волнения морской поверхности ИВМП-1 является законченным устройством и состоит из блока управления, системы измерительных струн (рисунок 1), сетевого источника питания и комплекта соединительных кабелей. Для оцифровки сигналов c выхода блока управления использовался модуль АЦП E14-140. 

Измерительные струны изготовлены из нихрома диаметром 0,25 мм и имеют длину порядка 4 метров. Струны фиксируются параллельно друг другу с помощью стальной конструкции, состоящей из двух (над- и подводного) треугольников, жестко соединенных между собой несущей трубой (рисунок 2).

Рисунок 1. Система измерительных струн (слева). Модель расположения струн (справа), 

Для проведения измерений система струн (см. рисунок 1) погружается в морскую воду на глубину, примерно равную половине длины струн (около 2 м). Непосредственно измерение волнения морской поверхности осуществляется посредством записи выходных сигналов блока управления волнографа ИВМП-1 на персональном компьютере через плату сопряжения аналого-цифрового преобразователя. Результатом является получение временных зависимостей относительных высот поверхностных волн, измеренных каждым из пяти каналов (струн).

Функциональная схема блока управления пятиструнного волнографа представлена на рисунке 2. Шесть измерительных каналов, изображенных на схеме, соответствуют 5 рабочим каналам, используемых для подключения измерительных струн, и 1 тестовому –  для подключения опорного сопротивления.

Рисунок 2. Функциональная схема пятиструнного волнографа ИВМП-1: ИС1 - ИС8 – измерительные струны; ГИ – генератор импульсов 10 кГц; ДЧ 1/6 – делитель частоты; К1 - К6 – коммутационные аналоговые ключи; УВХ1 - УВХ6 – устройства выборки-хранения; ИСТ – источник стабильного тока; Σ – cумматор напряжения; ФОН – формирователь опорного нуля; ФНЧ – фильтры низкой частоты.

Управляющая часть прибора состоит из генератора импульсов (ГИ), делителя частоты (ДЧ 1/6) и коммутационных аналоговых ключей (К1 - К6). В зависимости от уровня погружения струн в воду, вследствие изменения их сопротивления, напряжения на струнах меняются пропорционально волнениям воды. Эти напряжения поступают на сумматор напряжения Σ. В результате работы схемы сначала производится опрос первой струны и одновременное запоминание напряжения на соответствующем УВХ, затем производится опрос второй струны и т.д. в циклическом порядке. Индивидуальные информационные сигналы поступают на ФНЧ для очистки выходного сигнала от шумов работы схемы и от возможных паразитных наводок 50 Гц. На выходах фильтров низких частот вырабатываются напряжения, пропорциональные вариациям уровня воды вокруг соответствующих измерительных струн.

Выходные данные блока управления регистрировались на экспедиционном персональном компьютере через модуль АЦП E14-140 с частотой дискретизации 100 кГц. Малые габариты модуля и использование широко распространенного интерфейса USB делают E14-140 удобным для организации полевых измерений, требующих высокой степени мобильности.

Для записи цифровых данных использовалось программное обеспечение PowerGraph 3.1 Professional Edition. Пример записи выходных данных с помощью указанного программного обеспечения показан на рисунке 3. 

Рисунок 3. Пример записи волнения морской поверхности с выходов пятиструнного волнографа ИВМП-1 с помощью ПО PowerGraph 3.1 Professional Edition.

Рисунок 4. Результаты сравнения восстановленной функции дисперсии уклонов (радиополяриметрический метод) (крестики), данных струнного волнографа (звездочки) и модельных расчетов (модели A, E, R, ...).

Данные измерений, полученные с помощью пятиструнного волнографа, сравнивались с результатами радиополяриметрического метода восстановления параметров спектра, а также с модельными расчетами, выполненными в соответствии с моделями ветрового волнения. Как видно из представленных на рисунке 4 зависимостей, экстраполяция восстановленных радиополяриметрическим методом значений дисперсии уклонов волновой поверхности в область волновых чисел 0,125 рад/см наилучшим образом ложится на данные пятиструнного волнографа. 

Полученные результаты могут использоваться для интерпретации данных дистанционного зондирования, способствовать уточнению существующих и разработке новых моделей волнения на поверхности Мирового океана.

Источник:
Антонов В.С., Садовский И.Н. Измеритель волнения морской поверхности ИВМП-1: описание устройства и данные измерений натурного эксперимента CAPMOS’05. – М. – 2007. – 38 с.

Разработчик: Антонов В.С., Садовский И.Н. (Институт космических исследований РАН)