Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Гидроакустические доплеровские лаги




В 1842 г. австрийский физик и астроном К. Доплер теоретически обосновал зависимость изменения частоты колебаний или длины волны, воспринимаемой наблюдателем, от скорости источника колебаний и наблюдателя при движении относительно друг друга. Это явление получило название эффекта Доплера.

Эффект Доплера для звуковых волн может наблюдаться непосредственно. Он проявляется в повышении тона звука, когда источник звука и наблюдатель сближаются, и соответственно в понижении тона звука, когда они удаляются.

Принцип действия гидроакустического лага, основанного на эффекте Доплера и применяемого для измерения скорости судна относительно грунта (дна), заключается в следующем.

Пусть в днище судна установлена антенна А (рис.3.32 ), действующая как излучатель и приемник ультразвуковых колебаний. В сторону дна излучаются ультразвуковые волны частотой f0 в виде узкого пучка под углом θ1 к плоскости горизонта. Считаем для простоты, что угол дифферента судна равен нулю, вектор скорости судна совпадает с курсом, а вертикальных перемещений судна нет.

Рис. 3.32. К принципу действия гидроакустического доплеровского лага

Длина волны ультразвуковых колебаний λ в воде, излученных с движущегося судна,

,

где W — результирующая скорость удаления излученной волны от судна в направлении звукового луча.

 

В нашем случае скорость W определяется скоростью звука с и проекцией вектора скорости Vc судна на направление излучения:

W = с - Vccosθ1.

 

Тогда

(3.8)

В силу неровностей рельефа дна звуковая волна рассеивается во все стороны, в том числе и в направлении антенны. Таким образом, от дна будет получен эхо-сигнал с длиной волны λ.

Скорость приближения эхо-сигнала

W’ = с + Vccosθ2 (3.9)

 

В результате частота принятых колебаний с учетом уравнений (4.8) и (4.9) может быть представлена в виде

или

 

Разложив второй сомножитель правой части в степенной ряд, получим

 

Пренебрегая квадратичными и последующими членами разложения и принимая θ1 = θ2 = θ, получим

 

Определим разность частот эхо-сигнала, пришедшего на антенну ото дна, и излученного сигнала:

(3.10)

 

Из формулы ясно, что при пренебрежении членами второго порядка малости зависимость доплеровского приращения частот fД от скорости судна носит линейный характер. Практическая реализация однолучевого доплеровского лага связана с рядом трудностей, основными из которых являются нелинейность зависимости fд от Vс, изменение угла θ при крене, дифференте и на качке, влияние вертикальной составляющей скорости судна на измеряемый сигнал.

Рис. 3.34. Шестилучевой доплеровский лаг
Рис. 3.33. Двухлучевой доплеровский лаг


 

На практике нашли применение двухлучевые доплеровские системы, в которых ультразвуковая волна излучается вдоль диаметральной плоскости судна в сторону носа и кормы под одним и тем же углом в (рис. 3.32).

Частота работы излучателей в обоих каналах одинакова и строго фиксирована. Приемники акустической системы принимают сигналы следующих частот:

где f1 и f2 – частоты принятых сигналов со стороны соответственно носа и кормы судна.

Доплеровский сдвиг частот между эхо-сигналами от носового и кормового излучений в этом случае

(311)

Тогда

. (3.12)

 

Двухлучевая доплеровская система позволяет устранить недостатки, присущие однолучевому доплеровскому лагу.

Рис. 3.35. Обобщенная структурная схема доплеровского гидроакустического лага

Для определения не только продольной, но и поперечной составляющей скорости судна применяют трех-, четырех- или даже шестилучевые доплеровские системы (рис. 3.34). Шестилучевые доплеровские системы, устанавливаемые на крупнотоннажных судах, предназначены не только для навигационных целей, но и для измерения небольших по значению поперечных составляющих скорости носовой и кормовой оконечностей судна, что важно при выполнении швартовных операций.

В качестве примера можно привести отечественные шести- и четырех лучевую доплеровские системы «Онега» и Ла-3.

Рассмотрим обобщенную структурную схему доплеровского гидроакустического лага (рис. 3.35).

Гидроакустическая антенна Л и приемно-передающий блок ППБ, в состав которого входят генератор, усилители и коммутаторы, служат для излучения и приема отраженных сигналов, распространяющихся по лучам 1, 2, 3 и 4. Принятые и усиленные эхо-сигналы частотой , , , и с выхода блока ППБ поступают в блок выделения доплеровских частот БВДЧ, где определяются разности частот излученных и принятых сигналов по каждому лучу. В вычислительном устройстве ВУ доплеровские частоты , , и прямо пропорциональные соответствующим составляющим абсолютной скорости судна, преобразуются в информацию о продольной, поперечной скоростях судна (или в информацию о модуле скорости и об угле сноса) и пройденном расстоянии, которая подается затем на индикаторы И и внешним потребителям. Блок синхронизации БС (схема блокирования) управляет работой лага в целом.

Усилители блока ППБ состоят из предварительных и основных. Предварительные усилители устанавливают в непосредственной близости от антенны, они служат для усиления сигналов для передачи их по длинному кабелю, соединяющему антенну и блок БВДЧ. Основной усилитель выполняет стандартные функции усиления сигналов до уровня, достаточного для нормальной работы блока БВДЧ. В его состав, как правило, входит схема автоматической регулировки усиления.

Коммутаторы блока ППБ во время излучения подключают преобразователи антенны к генератору, а во время приема — к предварительным усилителям, а также служат для электрической развязки входов усилителей и выхода генератора.

В схему доплеровского лага могут включаться также корректирующие устройства КУ, автоматически и полуавтоматически вводящие поправки в измеряемую скорость судна на изменение скорости звука.

Как следует из выражения (3.12), источниками погрешности доплеровского лага могут быть:

погрешности изменения средней частоты fд доплеровского спектра;

изменение скорости с звука в воде;

изменение угла θ наклона лучей антенной системы;

изменение несущей частоты f0 акустического излучения.

Необходимость выделения средней частоты доплеровского спектра вызвана тем, что акустические колебания распространяются не в виде луча, а в пределах определенного телесного угла. Ширина спектра доплеровского сигнала однозначно определяется шириной диаграммы направленности антенны. Чем шире спектр доплеровского сигнала, тем больше флуктуация средней частоты этого спектра, что приводит к уменьшению точности измере­ния скорости судна. В связи с этим возникает необходимость сужения акустического пучка либо повышением несущей частоты зондирующего сигнала, либо увеличением геометрических размеров приемно-излучающей поверхности антенны.

Повышение частоты излучаемого сигнала отрицательно отражается на дальности его распространения, что приводит к уменьшению глубин возможного измерения скорости судна относительно грунта из-за повышения пространственного затухания звука в воде и снижения коэффициента отражения. Увеличивать же линейные размеры антенн можно, очевидно, лишь до разумных пределов. Следует учитывать и то, что сужение акустического пучка затрудняет прием отраженных сигналов во время качки судна. В существующих конструкциях доплеровских лагов используют акустические антенны с диаграммой направленности в пределах ψ = 3 ÷ 6°.

При выборе угла наклона акустических лучей приходится сталкиваться с двумя противоречивыми факторами. С одной стороны, чем ближе угол наклона к 90° (от плоскости горизонта), тем больше амплитуда принятого сигнала в результате улучшения условий отражения ото дна и уменьшения пути его распространения, но, с другой стороны, приращение доплеровской частоты снижается на каждый узел скорости судна (снижается чувствительность лага). Таким образом, энергетические и геометрические соотношения доплеровского лага взаимосвязаны. На практике углы наклона акустических лучей выбирают чаще всего равными 60°.

Рабочие глубины абсолютных доплеровских лагов находятся в пределах 200—300 м. При плавании на больших глубинах некоторые системы лагов можно переводить вручную или автоматически на работу в относительном режиме. В этом случае акустическим эхо-сигналом является объемная реверберация.

Погрешность, вызванная изменением скорости звука в морской воде, может достигать 4 %, поэтому в большинстве конструкций лагов приняты меры по компенсации или учету погрешности. Коррекция выполняется вручную или автоматически по двум параметрам: температуре воды в районе антенны и ее солености.Точность показаний доплеровских лагов в абсолютном режиме довольно высока и при углах крена, дифферента, качки, не превышающих 2–3°, суммарная погрешность составляет от 0,1 до 3%.

 

3.2.4. Радары

Радар (англ. radar, сокращение от radio detecting and ranging – радиообнаружение и определение дальности) или, иначе, радиолокационная станция – устройство, предназначенное для определения расстояния до движущихся или неподвижных объектов.

У движущихся объектов, например, РЛС позволяет, помимо расстояния до них, дополнительно определить пеленг на них, а также их курс и скорость движения.

 

Рис. 3.36. Радиолокатор для больших судов:

1 – основной прибор; 2 – экран радиолокатора»; 3 – металлический кожух; 4 – центр развертки (положение судна); 5 – буквенно-цифровая информация о параметрах цели: пеленг, дальность, курс, скорость; 6 – регулировка яркости изображения; 7 – регулировка цветности изображения; 8 – шаровой манипулятор (для управления движением курсора); 9 – шкала дальности; 10 – отключение подвижного визира дальности; 11 – соединительный кабель; 12 – плавкие предохранители; 12-А – выбор функции управления; 13 – устранение помех от дождя, снега; 14 – устранение помех от поверхности моря; 15 – настройка; 16 – регулятор усиления; 17 – отключение электронного визира направления; 18 – рукоятка вращения электронного визира направления; 19 – подключение компаса; 20 – переключатель работа/ждущий режим (stand by); 21 – панель управления; 22 – электронный визир направления (пеленга); 23 – положение цели (объекта); 24 – градусная круговая шкала; 25 – отметка режима излучения (посылки сигнала) ТХ; 26 – шкала дальности; 27 – антенна РЛС

 







Дата добавления: 2015-08-27; просмотров: 5557. Нарушение авторских прав


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2019 год . (0.007 сек.) русская версия | украинская версия