ЭНП Конспект короткий

Точность измерения глубин при бортовой качке ±10° и килевой качке судна:

-±0,5 м на 20-метровой шкале, или

-±5,0 м на 200-метровой шкале, или

-±2,5% от измеряемой глубины (что больше).

Основной метод представления измеряемых глубин – графический. Запись глубин должна быть видна в течение 15 минут с отметками времени (с интервалом не более 5 минут). Должна быть предусмотрена возможность хранения записи об измеренной глубине и соответствующем времени в течение 12 часов.

Основные параметры эхолота.

Максимальная дальность действия.

Основным эксплуатационным параметром эхолота является его максимальная дальность действия, под которой понимается то максимальное расстояние по глубине или по горизонту, при котором интенсивность Imin и давление pmin акустической волны в точке приема являются наименьшими, при которых возможно выделение сигнала на фоне акустических помех. Различают энергетическую дальность действия при вертикальном зондировании толщи воды и геометрическую – при горизонтальном.

Звуковое поле отраженной волны определяется тремя основными факторами: коэффициентом отражения, (соотношением акустических сопротивлений воды и грунта), структурой грунта и рельефом дна.

Параметры зондирующего импульса.

В пьезоэлектрических преобразователях для их возбуждения применяют электрические импульсы в виде 30 – 40 колебаний рабочей частоты, огибающая которых имеет прямоугольную форму определенной длительности и с определенной частотой следования.

Длительность импульса τ у современных эхолотов колеблется в пределах от 0,5 до 100 мс.

Частота следования импульсов.

Частота посылок fп зависит от запроектированной максимальной глубины hmax, диапазона значений расчетной скорости со звука и определяет скорость получения информации об отражающих объектах, т.е. количество эхо-сигналов в единицу времени. Иными словами, каждый посланный сигнал должен однозначно идентифицироваться в виде отраженного и не накладываться на другие.

Рабочая частота.

Это одна из основных технических характеристик эхолота.

Для надежного измерения минимальных и максимальных глубин используют две рабочие частоты: высокую – для измерения малых глубин и низкую – для измерения больших глубин. В технических характеристиках современных навигационных эхолотов часто указываются две частоты, например, 200 кГц и

50кГц.

Ширина характеристики направленности антенны.

Этот параметр навигационного эхолота рассчитывают так, чтобы в условиях качки заданной интенсивности обеспечивался надежный прием эхо-

71

сигналов. Она измеряется в градусах на уровне 0,7 максимального значения по давлению и составляет обычно 25 – 35о для измерений малых глубинно и 7 – 15о для измерений больших глубин.

Разрешающая способность по глубине (дальности).

Минимальное расстояние между объектами, находящимися один за другим на линии звукового луча, которое еще способен различить эхолот и зафиксировать его на регистрирующем устройстве, называется разрешающей способностью по глубине. Она будет зависеть от длительности зондирующего импульса τ и в реальных условиях составит примерно (0,7 – 1,2)с·τ.

Разрешающая способность по направлению.

Она определяется тем минимальным углом между объектами, находящимися на одинаковом расстоянии от антенны эхолота, при котором эти объекты могут быть зафиксированы на регистрирующем устройстве раздельно. Зависит от ширины характеристики направленности антенны и разрешающей способности экрана индикатора.

Точность эхолота.

Точность измерения навигационным эхолотом запроектированной глубины определяется погрешностями: инструментальной, обусловленной отклонением действительной скорости звука от расчетной, обусловленной наклоном дна, вызванной качкой, гидроакустическими помехами и др.

При расчете эхолота скорость распространения звука в воде принимается постоянной со = 1500 м/с. Однако в реальных условиях скорость звука неодинакова в различных районах Мирового океана и может быть в пределах 1440 – 1580 м/с. Отсюда поправка h к измеренной глубине hизм определится формулой

h = hизм(с/со – 1).

Максимальное отклонение скорости звука от расчетной практически не превышает 5%, поэтому погрешность измерений в предельном случае также не превысит 5% и в навигационных эхолотах может не учитываться.

При наклоне морского дна эхолот зарегистрирует не глубину строго под килем, а ту меньшую, которая определится из геометрических соотношений угла наклона морского дна ε и угла ширины диаграммы направленности излучения.

Практика показывает, что данная погрешность начинает влиять на точность измерений при ε > 15о. Даже при больших углах наклона морского дна эхолот измеряет минимальное расстояние до грунта, поэтому в навигационных эхолотах эту поправку во внимание можно не принимать.

Большинство современных навигационных эхолотов многофункциональны, имеют несколько диапазонов измерений до глубины 1000 м, а точность измерений составляет ±2% от измеряемой глубины.

72

6. СУДОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ СКОРОСТИ

Информация о скорости судна используется для решения задачи выработки текущих координат места во всех навигационных комплексах и системах.

Требования к точности выработки скорости движения судна автономными средствами – лагами определяются решаемыми задачами. Лаги подразделяются на:

а) абсолютные – измеряющие скорость судна относительно грунта; б) относительные – измеряющие скорость судна относительно водной

среды или подстилающей поверхности.

По физическому принципу, положенному в основу измерения скорости, лаги подразделяются на: гидродинамические; индукционные; гидроакустические доплеровские, радиодоплеровские; гидроакустические корреляционные; геоэлектромагнитные; вертушечные и др.

По количеству измеряемых параметров лаги подразделяются на:

а) однокомпонентные – измеряющие скорость в направлении диаметральной плоскости (ДП) судна (Vx);

б) двухкомпонентные – измеряющие скорость в направлении ДП и в направлении ей перпендикулярном (Vx, Vy).

Сегодня при решении общих задач судовождения, как автономные устройства, используются: индукционные, гидроакустические доплеровские и гидроакустические корреляционные лаги [2 – 4, 13, 14].

6.1. Индукционные лаги

Принцип действия относительного индукционного лага основан на законе электромагнитной индукции, сформулированном М.Фарадеем в 1831 г.

Согласно этому закону э.д.с. индукции Е в электропроводящем контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф через поверхность S, ограниченную этим контуром:

Знак “минус” показывает, что индукционный ток направлен таким образом, что его магнитное поле препятствует изменению того магнитного поля, которое вызвало появление индукционного тока (правило Э. Ленца).

Магнитный поток или поток вектора магнитной индукции В через какуюлибо малую площадку dS выражается произведением проекции вектора В на нормаль к этой площадке, т.е. при В перпендикулярном dS изменение магнитного потока dФ = d(ВS).

73

Магнитная индукция В характеризует величину и направление магнитного поля и численно равна силе, с которой действует магнитное поле на единицу длины проводника, расположенного перпендикулярно к направлению поля и если по проводнику протекает ток силой в одну единицу.

Сам же ток в проводнике (если ток предварительно не пропускать) может возникнуть в двух случаях: в постоянном магнитном поле, когда проводник пересекает линии магнитной индукции; в переменном магнитном поле – за счет вихревого электрического поля, которое порождается в пространстве при изменении магнитного поля во времени.

Явление электромагнитной индукции возникает также и в морской воде при ее перемещении относительно магнитного поля. Используя это явление, можно построить индукционный датчик электрического сигнала, пропорционального скорости судна.

В современных индукционных лагах и используется датчик (индукционный преобразователь ИП), схема которого изображена на рис 6.1. В герметичном цилиндрическом корпусе 1 имеется электромагнит 2, обмотка которого питается переменным током с частотой 50 Гц (~U). В нижней торцевой части датчика установлены электроды m и n, выступающие вместе сдатчиком за днище судна и соприкасающиеся с водой. Датчик закреплен так, что линия, соединяющая электроды, перпендикулярна ДП судна.

Рис. 6.1. Индукционный преобразователь

74

Электромагнит создает переменное магнитное поле, движущееся вместе с судном относительно воды. Морскую воду можно представить в виде множества параллельных проводников, образующих плоскость, движущуюся между электродами. То есть при движении судна со скоростью Vc точками m и n будут соприкасаться все новые и новые проводники, образованные морской водой.

Таким образом, создается эффект движения проводника в переменном магнитном поле – возникает э.д.с., наведенная в морской воде между электродами. Измерив эту э.д.с., зависящую от скорости движения потока воды под днищем судна, получим значение Vc относительно воды.

Сигнал индукционного преобразователя состоит из двух частей и поступает на измерительную схему прибора в виде напряжения

~UИП = Uк + Uc,

где ~Uк – помеха, которая называется квадратурной;

~Uс – полезный сигнал, зависящий от скорости судна.

В измерительной части лага квадратурная помеха отделяется от полезного сигнала и исключается.

Переменный полезный сигнал Uc преобразуется затем в постоянный сигнал, а он, в свою очередь, преобразуется в импульсы, длительность τс которых пропорциональна скорости судна. Далее эти импульсы заполняются импульсами генератора опорной частоты и их количество, естественно, зависит от длительности τс, т.е. – от скорости судна. Информация о скорости в виде числоимпульсного кода дешифрируется и выдается в цифровой форме на индикаторы.

Информация о пройденном расстоянии представляется в виде последовательности счетных импульсов, частота следования которых определяется чис- ло-импульсным кодом скорости судна в данный момент, т.е. отсчет пройденного расстояния будет пропорционален числу этих поступивших импульсов.

С помощью индукционного лага можно измерять не только продольную относительную, но и поперечную составляющую скорости судна, т.е. опреде-

лять дрейф судна. Для этого ИП лага снабжают дополнительной парой измерительных электродов и по полученным двум компонентам скорости вычисляют вектор полной скорости судна и его дрейф.

Индукционный лаг имеет погрешности, выражающиеся общей поправкой лага ΔV. Поправка является некоторой функцией скорости судна ΔV = f (Vс) и ее можно представить в виде суммы трех составляющих

ΔV = а + bVc + c(Vс),

где а – постоянная, bVc – линейная, c(Vс) – нелинейная составляющие поправки. Индукционные лаги, применяемые на транспортных судах, позволяют

измерять относительную скорость судна с погрешностью до 0,2 уз.

75

6.2. Гидроакустические доплеровские лаги

Принцип действия гидроакустического абсолютного доплеровского лага основан на эффекте Доплера, который заключается в следующем: если источ-

ник или приемник звука перемещаются относительно друг друга, то частота принимаемого сигнала отличается от частоты сигнала излучаемого.

Если источник движется со скоростью v ( рис. 6.2) по направлению к приемнику, то есть догоняет испускаемую им волну частотой fo, то длина волны λ1 = (с – v)/ fo уменьшается; с – скорость распространения волн в среде. Если источник удаляется, то длина волны λ2 = (с + v)/ fo увеличивается.

чения: c1 = c – Vx cosα1.

Тогда длина волны, принятой в условном приемнике – неподвижной точке О1 на морском дне,

λ1 = (c – Vx cosα1)/fo.

Переходя к частоте, можно записать

что и поясняет эффект Доплера: в данном случае частота принятого сигнала больше частоты посланного.

Рассеянный от морского дна луч (из-за неровностей морской поверхности) достигает приемника под углом α2, поскольку судно за время распространения луча сместилось.

76

Скорость приближения отраженного сигнала к движущемуся приемнику определится скоростью звука с и проекцией вектора скорости Vx на направление отраженного луча: с2 = c + Vx cosα2.

Рис. 6.2. Принцип действия гидроакустического доплеровского лага

Если предположить, что скорость судна мала и α1 ≈ α2 = α, то в результате частота принятых колебаний с учетом (6.1) может быть представлена в виде

Тогда разность частот эхо-сигнала, пришедшего на антенну от грунта, и излученного сигнала ( доплеровский сдвиг частот):

Из равенства (6.2) имеем

77

В реальных условиях изменение угла α при крене, дифференте, качке, влияние вертикальной составляющей скорости судна на измеряемый сигнал приводит к существенным погрешностям. По этой причине однолучевая схема лага применения не нашла.

На практике используют двухлучевые доплеровские системы, в которых ультразвуковая волна излучается вдоль диаметральной плоскости судна в сторону носа и кормы под тем же углом α (рис. 6.3).

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

где fн и fк – частоты принятых сигналов со стороны носа и кормы судна соответственно.

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

А

Vx

α α

Δα

Рис. 6.3. Двухлучевая доплеровская система

Двухлучевая доплеровская система позволяет в значительной мере снизить погрешности, присущие однолучевому доплеровскому лагу, однако определяется при этом только продольная составляющая скорости судна. Для определения не только продольной, но и поперечной составляющей скорости судна применяют трех-, и четырехлучевые антенны. А если необходимо иметь информацию о движении оконечностей судна, то используют шести-(в основном),

ивосьмилучевые доплеровские системы, как показано на рис 6.4.

Спомощью пары лучей 1 и 3 определяется продольная составляющая

скорости судна Vx, а с помощью пары лучей 2 и 4 – поперечная составляющая

78

скорости Vу. В вычислительном устройстве лага вычисляются путевая скорость судна Vс и угол сноса β. Пара лучей 5 и 6 кормового антенного блока Ак дает информацию о поперечной составляющей скорости кормовой части судна.

β

Рис. 6.4. Шестилучевая доплеровская система

Описанная система устанавливается на крупнотоннажных судах и предназначена 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.

Большинство конструкций доплеровских лагов имеют корректирующие устройства, компенсирующие погрешности, вызванные изменением скорости звука в морской воде по двум параметрам: температуре воды в районе антенны и ее солености.

Рабочие глубины абсолютных доплеровских лагов находятся в пределах 200 – 300 м. При плавании на бóльших глубинах лаги переводят вручную или автоматически на работу в относительном режиме. В этом случае лаг будет функционировать на основе сигналов, отраженных от слоев воды, лежащих на глубинах 20 – 60 м [13], – рис. 6.4. Эти слои в большей степени характеризуются наличием различных вкраплений в морской воде – микрочастицы, биоорганизмы, пузырьки воздуха.

Точность показаний доплеровских лагов в абсолютном режиме довольно высока и при углах крена, дифферента, качки, не превышающих 2 – 3о, суммарная погрешность составляет от 0,1 до 3%.

6.3. Гидроакустические корреляционные лаги

Принцип действия гидроакустического корреляционного лага основан на измерении временного сдвига между идентичными акустическими сигналами,

79

принятыми двумя судовыми антеннами, разнесенными на определенное расстояние, получившими с движущегося судна отраженный от грунта сигнал.

Поясним указанный принцип действия для случая измерения одной – продольной составляющей скорости судна.

В днище судна вдоль его диаметральной плоскости (рис. 6.5) установлены одна излучающая 3 и две приемные 1 и 2 гидроакустические антенны. Приемные антенны отстоят от излучающей на строго одинаковое базовое расстояние L. Характеристики диаграмм направленности всех трех антенн идентичны (в пределах 30о), они взаимно перекрываются и их оси ориентированы вертикально вниз. Расстояние между акустическими антеннами 3 – 5 см., а рабочая частота излучения – 150 кГц.

Излучающая антенна 3 имеет довольно широкую диаграмму направленности (показано пунктирной линией) и облучает на дне совокупность множества элементарных отражателей, расположенных случайным образом, в том числе и элементарный отражатель О1.

Эхо-сигнал от отражателя О1 принимается антеннами 1 и 2 в момент времени t = t1. Амплитуда и фаза сигнала, принятого антенной 1, определяется геометрией лучей r3 и r1 (угол α).

При походе судном расстояния L, положение антенн относительно грунта изменится: геометрия лучей r′3 и r′2 аналогична геометрии лучей r3 и r1 (тот же угол α) за исключением направления распространения акустической волны.

80