2. Принцип действия доплеровского лага. Состав отображаемой информации.

Принцип действия доплеровских лагов основан на определении скорости суд­на по доплеровским сдвигам частот акустических сигналов, излучаемых с борта движущегося судна и принятых антенной системой судна после отражения их от морского дна.

Предположим, что акустическая волна, возбуж­даемая антенной А (рис. 2.13) лага,

установленного на судне, движущемся со скоростью v, распространяется в сторону морского дна под острым углом а по отно­шению к вертикали АВ. Для формирования указанной волны на антенну подается напряжение с частотой и амплитудой . Достигнув точки С, волна отразится от дна и часть звуковой энергии, вернувшейся на судно будет принята ан­тенной лага. При этом на выходе приемной антенны появится напряжение:

где: – амплитуда, принятого сигнала;

ψ – отставание по фазе, принятого сигнала от излучаемого.

Будем считать, что амплитуда принятого сигнала достаточна для того, чтобы выделить сигнал из помех и проводить дальнейшую его обработку. Фаза сигнала определяется временем Δt движения луча до дна и обратно:

(2.15)

где r - расстояние от антенны до точки С, а с - скорость звука.

За счет движения судна на интервале времени Δt происходит непрерывное изме­нение расстояния AС. Закон изменения этого расстояния можно записать в виде:

(2.16)

где – начальное значение расстояния АС. Учитывая, что фазовый сдвиг

(2.17)

Выражение перепишем в виде:

(2.18)

где ψ₀ - фазовый сдвиг, равный:

(2.19)

а 𝝀 - длина волны излучаемого сигнала. Как известно

(2.20)

Из равенства видно, что частота принятого антенной сигнала возросла на величину доплеровского сдвига

(2.21)

которая пропорциональна скорости движения судна. Поэтому, измеряя значение , можно найти интересующую нас скорость:

(2.22)

Формула (2.22) указывает на линейную зависимость скорости судна от доплеровского сдвига частоты. Как и в большинстве реальных физических процессов, в действительности между скоростью судна и доплеровским сдвигом существует нелинейная зависимость.

Прием акустических колебаний производится после отражения их от морского дна, которое представляет собой источник большого числа элементарных отража­телей. Поэтому при отражении происходит изменение расстояния между приемопе­редающей антенной лага и отдельными элементарными отражателями. Элемен­тарные сигналы, принятые от множества отражателей морского дна, имеют случай­ные начальные фазы.

Углы а; под которыми с борта судна визируются элементарные отражатели мор­ского дна. отличаются друг от друга в пределах лепестка диаграммы направленно­сти, что также приводит к различию доплеровских сдвигов отдельных элементарных сигналов. Поэтому принятый антенной лага сигнал представляет собой сумму эле­ментарных отраженных сигналов и определяется не одной частотой, а спектром час­тот (доплеровским спектром). Положение этого спектра на оси частот относительно частоты излучения характеризуется средней доплеровской частотой , определяемой как разность средней частоты спектра и частоты излучения.

Для устранения имеющих месть нелинейностей и исключения влияния изменений углов а, возникаю­щих в результате качки судна и ряда других причин, используется двухлучевая антенная система (рис. 2.14). Разностная частота принятых сигналов по носовому 1 и кормовому 2 будет равна:

В рассматриваемом случае выражение для определения скорости приобретает вид:

В связи с необходимостью измерения не только продольной скорости судна, но и поперечной довольно широко стали применяться многолучевые антенные системы.

Наибольшее распространение среди них получили четырехлучевые системы с диа­метрально-траверсной (рис. 2.15, а) и - образной (рис. 2.15, б) схемами распо­ложения лучей. В первом случае скорость судна вычисляется аналогично тому, как это делается в двухлучевой системе. Для каждой составляющей скорости использу­ется своя пара лучей:

При использовании более информативной "X" - образной схемы расположения лучей каждая составляющая скорости определяется по сигналам всех четырех лу­чей:

В случае отсутствия сигнала по одному из лучей имеется возможность изменить алгоритм вычисления составляющих скорости судна при сохранении практически той же погрешности получаемого результата. Так, при отсутствии отраженного сигнала второго луча вычисление составляющих скорости может производиться, используя следующие равенства:

Аналогично могут быть изменены алгоритмы вычисления составляющих скорости судна при отсутствии сигнала по другим лучам. При указанных изменениях сохра­няется методика определения, присущая двухлучевой системе.

Наряду с четырех лучевой используются и трех лучевые системы, сохраняющие в основном достоинства схемы Януса, но позволяющие упростить аппаратную часть лага за счет снижения количества каналов, необходимых для обработки принятого сигнала.

Принципиально гидроакустические доплеровские лаги могут работать как при непрерывном, так и при импульсном излучении. При непрерывном режиме возника­ет существенное ограничение по рабочей глубине под килем в силу наличия объем­ной реверберации.

На глубинах более 200 м в качестве рабочих сигналов, как правило, используют­ся сигналы объемной реверберации и лаг становится измерителем относительной скорости судна. Принцип измерения скорости остается прежним.