книги из ГПНТБ / Доценко С.В. Теоретические основы измерения физических полей океана

С. В. Д О Ц Е Н К О

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ

ОСНОВЫ

ИЗМЕРЕНИЯ

ФИЗИЧЕСКИХ

ПОЛЕЙ

ОКЕАНА

П о д р е д а к ц и е й академика АН УССР А. Г. КОЛЕСНИКОВА

ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ ЛЕНИНГРАД • 1974

5БИБЛИОТЕКА С ^ О Р

Вкниге исследуется измерение реализации различных фи­ зических полей океана н статистических характеристик их случайных составляющих линейными приборами, обладаю­ щими свойством осреднения как по времени, так и по про­ странству. Изучаются искажения измеряемых характеристик, вносимые измерительными приборами при движении с посто­ янной скоростью и при наличии качки приборов, влияние ори­ ентации датчиков приборов на результаты измерения. Оце­ нена применимость приборов для проведения тех или иных измерений и показана возможность коррекции результатов из­ мерений с целью расширения частотного диапазона приборов.

Результаты исследований в большей своей части доведены до формул, для некоторых с помощью численных методов по­ строены графики, применимые во всех интересных для прак­ тики случаях.

Книга предназначена для физиков, специализирующихся в инструментальном исследовании различных физических по­ лей океана, и инженеров, разрабатывающих приборы для их измерения. Она может быть полезна также научным работ­ никам и инженерам, работающим в области измерения ха­ рактеристик и других объемных газообразных, жидких и твер­ дых сред.

The book presents an investigation of realizations of mea­ suring various physical fields of the ocean and statistical cha­ racteristics of their random components using linear instru­ ments capable of averaging both in space and time. Distortions of the measured characteristics caused by measuring instruments

of sensors of the instruments on results of measurements are studied. The applicability of instruments to carrying out some or other measurements is determined and the possibility of cor­ rection of results of measurements for widening the frequency range of instruments is shown.

Results of investigations are for the most part reduced to formulas suitable for their direct application. When this is diffi­ cult graphs applicable to all the cases interesting for practice are constructed using numerical methods.

The book is designed for physicists who specialize in in­ strumental studies of various physical fields of the ocean as well as for engineers developing instruments for their measuring. It can also be of use for scientific workers and engineers working at measurements of characteristics and some other volumetric gaseous, fluid and solid media.

1

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА

Б о л ь ш ой интерес к освоению Мирового океана привел в послед­ ние годы к быстрому развитию средств и методов его эксперимен­ тального изучения. Появилось значительное количество приборов д л я исследования различных физических полей океана, разных по способам применения, причем разнообразие к а к приборов, так и методов их применения непрерывно возрастает. Это вызывает необ­

ров и выяснения сопоставимости результатов измерения, получен­ ных различными приборами при разных методах измерения.

Н а с т о я щ а я работа ставит своей целью постановку и решение перечисленных задач, исходя из наиболее общих, по возможности, предположений об особенностях прибора и о структуре измеряе­ мого физического поля. Применение полученных соотношений к раз ­

вработе, позволяют детально изучить практически любые приборы,

сл у ж а щ и е для измерения физических полей океана, и методы их применения, что, несомненно, должно привести как к созданию наи­ более эффективных приборов, так и к целесообразному их исполь­ зованию.

Влитературе в настоящее время отсутствуют работы, позволяю­ щие оценить с единых позиций приборы и методы измерения, при­ меняемые при гидрофизических исследованиях. Имеются отдельные работы, посвященные теории конкретных приборов, причем, как правило, с применением их к одному определенному методу иссле­

мерения полей, структура которых далека от структуры физических

полей океана. Значительная часть содержащегося в ней материала основана на оригинальных работах автора.

Монография рассчитана в первую очередь на специалистов в об­ ласти разработки и проектирования гидрометеорологических при­ боров и океанологов, применяющих эти приборы в своей практике. Она может быть рекомендована и специалистам, занимающимся измерениями в других областях геофизики.

А. Г. КОЛЕСНИКОВ

1*

Я (а; со) — спектральная характеристика прибора (29)

М^-^—-, "л^— весовая функция датчика (65)

1 В скобках указаны страницы, на которых объясняется смысл данных ве-

ВВЕДЕНИЕ

Физические поля океана (температура, соленость, плотность, скорость и направление течения, скорость звука, оптические харак ­ теристики и др.) претерпевают как упорядоченные, так и хаотиче­

Флуктуации полей океана определяют такие его свойства, как турбулентность, вязкость, теплопроводность и диффузия, рассеяние звука и др. Одним из направлений гидрофизических исследований является изучение этих свойств океана, зависимости их от его фи­ зического состояния.

Разнообразие физических полей, присущих океану, и их многомасштабность привели к созданию большого количества самых раз ­ нообразных по назначению и принципу действия приборов, пред­ назначенных д л я их измерения. В процессе экспериментального ис­ следования гидрофизических полей измерительный прибор является посредником между величинами измеряемого поля и записью их в виде ряда значений, соответствующих этим величинам. Поэтому очень важен вопрос о том, насколько отличаются измеренные зна­ чения >поля от действительных, и как по показаниям прибора вос­ становить действительные значения исследуемого поля.

Производя измерение физических полей океана, исследователь может решать различные задачи . В зависимости от того, к а к а я ха­ рактеристика поля его интересует, эти задачи условно могут быть разделены на два типа.

Целью решения задач первого типа является измерение с за­ данной точностью какой-либо^реализации.изучаемого поля. К таким задатгам относится'получение вертикальных разрезов полей при зондировании и горизонтальных при буксировании. При этом необ­ ходимо исследование ограничений, налагаемых прибором и методи­ кой измерения на точность полученной реализации, выяснение тре­ бований к прибору и методике измерения, обеспечивающих задан ­ ную точность.

5

П ри решении задач второго типа целью измерения является по­ лучение статистических характеристик изучаемого поля: среднего значения, дисперсии, корреляционной или структурной функции, спектральной плотности и др . Такие задачи решаются дрейфую ­ щими, буксируемыми приборами и приборами, расположенными на горизонтах буйковых станций и на придонных установках. В этом случае наибольший интерес с точки зрения теории измерений пред­ ставляет выяснение искажений исследуемых статистических х а р а к ­ теристик, вносимых измерительным прибором при дайной методике измерения, и оценка применимости прибора д л я их измерения. Оба типа задач могут быть решены только с помощью непрерывных и длительных наблюдений [34], что возможно при применении совре­ менных измерительных приборов.

Интенсивный рост объема гидрофизических исследований, рас­ ширение круга решаемых при этом задач, появление большого коли­ чества разнообразных измерительных приборов и повышение требо­ ваний к их метрологическим показателям делают целесообразным единый подход к измерению полей независимо от их физической природы и конкретного исполнения измерительного прибора. При таком подходе возможно изучение процесса измерения (т. е. преоб­ разования величины исследуемого поля в выходной сигнал прибора или в какую-либо статистическую характеристику этого сигнала) в наиболее общем виде с последующим распространением получен­ ных результатов на любой конкретный прибор и метод измерения.

В настоящее время в литературе известно несколько задач по теории измерения полей. О д н а к о постановка этих задач носит более узкий характер . Это либо теория работы одного конкретного при­ бора (например, в [69] рассмотрена работа термоанемометра), либо теория измерения конкретным методом (например, в [15] и [16] — оптический метод исследования турбулентности, в [63] — исследо­ вание турбулентности с помощью электромагнитных волн), либо теория измерения полей, структура которых отлична от структуры

это затрудняет использование результатов названных работ для по­ строения теории измерения физических полей океана. При исследо­ вании искажений прибором статистических характеристик измеряе­ мых полей обычно пренебрегают свойством пространственного осреднения, присущим датчику, а принимается во внимание только инерционность [78,41].

Вданной работе поставленные задачи теории измерения решены

сминимальными ограничениями, налагаемыми на прибор (линей­ ность и независимость параметров прибора от времени) и методику

1. Измерительный прибор обладает свойством не только инерци­ онности, но и пространственного осреднения. Учет этого обстоятель­ ства приобрел в последнее время особую актуальность в связи

6

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

так и переменной составляющей его скорости. Это позволяет опре­ делить наилучшую ориентацию датчика прибора относительно на­

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 ­

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

ГЛАВА J

Л И Н Е Й Н Ы Е ПРИБОРЫ Д Л Я ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ОКЕАНА И МЕТОДЫ ИХ АНАЛИЗА

К а к по данной реализации измерения, полученной с помощью прибора с заданными характеристиками инерционности, простран-

9