Студеникин - Технические средства судовождения

чения ширины диаграмм направленности антенны в диаметральной плоскости судна и в плоскости, перпендикулярной диаметральной, также могут отличаться. В этом случае излучающая поверхность может иметь прямоугольную форму.

Существенное влияние на качество работы эхолота оказывают место и способ установки антенн. Как правило, они устанавливаются в донной части судна таким образом, чтобы обеспечивался непосредственный контакт излучателя с морской во- дой. Конструктивные варианты корпуса антенны и приемника, в который она уста- навливается, могут быть самыми разнообразными. C некоторыми их образцами можно познакомиться в работе [12].

В отдельных случаях, когда условия плавания не позволяют использовать ука- занные варианты установки антенны в виду опасности ее разрушения, она монтиру- ется без прорези днища судна в танке, который заполняется касторовым маслом или другой химически неактивной жидкостью, имеющей такое же акустическое сопро- тивление как и у морской воды. Акустическое сопротивление обшивки судна зна- чительно отличается от акустического сопротивления жидкостей поэтому в про- странстве между излучающей антенной и днищем судна образуется стоячая звуко- вая волна. Такая же волна возникает в обшивке судна. Специальной настройкой до- биваются наличия пучности колебательной скорости в этой части обшивки, что обеспечивает передачу звука практически без потерь.

Нередко антенны устанавливаются в клинкетах, что позволяет производить их обслуживание и замену без постановки судна в док.

Подавляющее большинство эхолотов используют импульсное излучение, позво- ляющее достаточно просто избавиться от помехи, обусловленной сигналом объем- ной реверберации.

Существуют два способа формирования импульса: ударный и тональный. Пер- вый способ [15] применяется для возбуждения магнитострикционных вибраторов, входное сопротивление которых носит явно выраженный индуктивный характер.

Однако ударным способом практически невозможно получить приемлемые по па- раметрам импульсы с часто используемыми несущими частотами, превышающими 60 – 70 кГц. Это обстоятельство практически исключило возможность его примене- ния в серийных моделях современных эхолотов.

Тональный способ формирования посылочного импульса позволяет формиро- вать импульсы прямоугольной формы, заполненный любой желаемой несущей час- тотой, равной или близкой к собственной частоте антенны. При этом могут исполь- зоваться как магнитострикционные, так и пьезокерамические вибраторы [15].

Приемные устройства осуществляют выделение полезного сигнала из сопутст- вующих ему помех, усиление выделенного сигнала и преобразование его к виду, не- обходимому для отображения, регистрации и использования другими информаци- онными или управляющими системами. В соответствие с этим, общую схему при- емного устройства можно разбить на три основных участка:

§входные цепи и цепи предварительного усиления,

§основной усилитель сигнала,

§цепи преобразования сигнала.

Входные цепи, как правило, представляют собой предварительный резонансный усилитель, настроенный на частоту излучаемого сигнала. В дополнение к частотной селекции сигнала используются различного рода регулировки усиления. Так, для снижения общего высокого уровня принятого сигнала, содержащего интенсивную помеху, предусматривают возможность изменения порога чувствительности вход- ного тракта. Для устранения помехи от объемной реверберации вводят временную регулировку усиления. Как правило, в каждом эхолоте имеется возможность ручной регулировки усиления приемного тракта. Наряду с этим, для отображения информа- ции нередко используется не весь рабочий диапазон глубин, а только небольшая его область, что исключает наблюдение помех, лежащих вне этой области, и увеличива- ет масштаб изображения. В целом, указанные приемы позволяет успешно бороться с помехами.

Если в эхолоте используется одна антенна, то рассматриваемые цепи включают в себя схему переключения антенны с приема на передачу.

Основной усилитель сигнала может быть построен как по схеме прямого уси- ления, так и по супергетеродинной схеме. Первый вариант применяется тогда, когда в эхолоте используются одна или две несущие частоты зондирующего сигнала. Если количество используемых несущих частот больше, становится целесообразным ис- пользование второго варианта.

Схемы прямого усиления также имеют свои разновидности, две из которых пока- заны на рис. 2.7 [15]. Простейшая схема приемного тракта прямого усиления пред- ставлена на рис. 2.7 а. В данной схеме усиление эхо-сигналов, поступающих с ан- тенны А через коммутатор прием – передача КПП на предварительный усилитель ПУ и усилитель напряжения УН, до величины, достаточной для срабатывания око- нечных устройств (усилителя мощности), производится на частоте эхо-сигнала. Ко- эффициент усиления подобных усилителей на рабочей частоте составляет (1—3)106. Несмотря на то, что подобные усилители имеют относительно узкую полосу про- пускания не превышающую 3— 5 кГц, обеспечение их устойчивой работы с высо-

ким качеством связано с большими трудностями. Эти устройства применяются

главным образом в эхолотах с ключевым выходом.

Требуемая устойчивость работы и неискаженная передача на запись формы от- раженного от дна сигнала обеспечиваются приемным трактом, схема которого при- ведена на рис. 2.7 б. Это достигается благодаря тому, что выделенная детектором огибающая эхо-сигнала в модуляторе М заполняется сигналами синусоидальной или прямоугольной формы с частотой, отличной от рабочей частоты эхолота. Указанные сигналы вырабатываются генератором Г. Одновременно импульсы с выхода детек-

тора поступают в преобразователь АЦП аналогового сигнала в цифровой с целью дальнейшей цифровой обработки информации.

Супергетеродинный прием применяют для повышения устойчивости работы схемы при необходимости обеспечить значительное усиление сигнала до детектора. Однако ввиду их большей сложности и в силу того, что эхолоты работают, как пра- вило, на фиксированных частотах, количество которых не превышает двух, такие приемники используются редко.

Цепи преобразования сигнала эхолота придают ему вид, необходимый для отобра- жения информации в устройствах индикации, для регистрации информации в раз- личных записывающих устройствах, для передачи информации в другие изделия.

Для отображения информации в эхолотах используются:

§аналоговые, цифровые и цифроаналоговые индикаторы,

§устройства для регистрации закона изменения глубины под килем судна в процессе его плавания (самописцы),

§устройства для сигнализации о выходе судна на заданную глубину.

Отображение информации аналоговыми индикаторами может быть организо- вано с помощью сборок раз-

рис. 2.8.

Генератор Г счетных импульсов вырабатывает короткие импульсы, следующие с частотой f ³ nc 2hm ,где n – число разрядов индикатора И, с – скорость звука, hm

– максимальная глубина, измеряемая эхолотом по шкале минимальных глубин. Эти импульсы поступают на делитель частоты Д, который уменьшает частоту их следо- вания до величины, соответствующей рабочему диапазону глубин. Требуемый ко- эффициент деления k выбирается таким, чтобы на максимальной глубине рабочего диапазона количество счетных импульсов соответствовало количеству ячеек матри- цы индикатора. Его значение может быть определено из следующего равенства:

где h1m – максимальная глубина, измеряемая на рабочем диапазоне.

С делителя частоты импульсы поступают в схему совпадения СС, на второй вход которой подаются импульсы длительностью τ, сформированные блоком управления БУ. Длительность этих импульсов соответствует промежуткам времени между мо- ментами поступления с приемного тракта эхолота сигналов “0”, определяющих мо- менты излучения, и сигналов “Эхо”, определяющих моменты приема посылок, от- раженных от дна. Таким образом, значение τ будет зависеть от глубины под килем судна. Поскольку схема совпадения пропускает на счетчик СЧ импульсы делителя только в течение времени τ, количество импульсов, подсчитанных счетчиком, также будет соответствовать текущей глубине. Дешифратор ДШ, опрашивая счетчик, включает столько ячеек индикатора И сколько импульсов было им подсчитано. Ячейки индикатора могут быть сформированы в виде окружности, прямой линии или в любом другом виде и снабжены шкалами глубины.

Если указатель имеет блок памяти, в который в течение определенного времени записываются текущие глубины, индикаторе может отображаться и закон изменения

глубины под килем судна в течение указанного промежутка времени, как это имеет место, например, в эхолоте НЭЛ – 20К. В рассматриваемом случае в качестве инди- катора, как правило, используется жидкокристаллический дисплей. Аналогичные схемы могут использоваться и для построения цифровых указателей глубин.

Цифроаналоговые указатели глубин могут отображать информацию различ- ными способами. В качестве примера на рис. 2.9 показаны некоторые варианты ото- бражения информации в эхолоте EN 200 фирмы Simrad. Как правило, для индика-

судна в течение плавания. Как правило, эта запись производится на специальную электротермическую бумажную ленту. Было разработано достаточно много конст- руктивных вариантов самописцев, все они имеют пишущий узел, устройства управ- ления работой эхолота и контрольно – сигнальные устройства.

Электротермическая бумага, на которой производится запись глубин, имеет верхний слой, разрушающийся при прохождении через него электрического тока. Под ним расположен окрашенный, чаще в черный цвет, слой. Степень разрушения верхнего слоя и, как следствие, яркость и размеры отметки глубины зависят от тока, протекающего сквозь бумагу.

В последнее время на смену самописцам, рассмотренного типа, приходят прин- теры, связанные с процессором эхолота. Они позволяют распечатывать не только эхограмму, но и любую другую информацию, вводимую в них со стороны. Кроме этого, они могут отображать цветовую селекцию принятых эхолотом сигналов по их мощности, что облегчает расшифровку эхограммы.

На рис. 2.10 приведен пример эхограммы, отпечатанной с помощью принтера. Вертикальные линии эхограммы соответствуют отметкам событий, вводимым судо-

Рис. 2.10

водителем, которые обычно называют оперативными отметками. Они имеют свой номер, проставляющийся автоматически при нажатии кнопки, вводящей отметку. При желании у линии оперативной отметки могут быть отпечатаны текущие коор- динаты судна и различные заметки судоводителя к отмечаемому событию. На ри-

сунке также отмечены нулевая линия и линии глубин в диапазоне от нуля до ста метров. Все указанное выше делает эхограмму, отпечатанную на принтере, сущест- венно более информативной, чем ее аналог, записанный самописцем.

Приборы сигнализации о выходе судна на заданную глубину (ПСГ) могут

быть выполнены в виде отдельного изделия или встраиваться в другие приборы комплекта эхолота.

Принцип действия ПСГ заключается в сравнении промежутка времени от мо- мента излучения до приема отраженного от дна сигнала с заданным интервалом вре- мени, соответствующим глубине, установленной оператором на приборе.

2.4. Основные погрешности эхолотов

Основные погрешности эхолотов возникают за счет:

§отклонения действительной скорости звука от расчетной,

§наличия относительного смещения приемной и передающей антенн,

§наклона дна,

§технологического несовершенства прибора.

Относительная погрешность δhc , обусловленная отклонением c скорости распространения звука от принятого для расчетов значения с0 , равна относи-

тельному отклонению δсвеличины этой скорости. Действительно,

Известно, что максимальное отклонение скорости звука в море не превышает 6%. Такова же и возможная погрешность в измерении глубины за счет рассматри- ваемого фактора. Погрешность может иметь как положительный, так и отрицатель- ный знак.

где а = l h

Как видим, с увеличением глубины под килем судна погрешность быстро убывает.

Однако необходимо помнить, что при глубинах, со-

измеримых с базой антенн, эхолот указывает завы- A шенные значения глубины, что может представлять определенную опасность.

отраженный от точки D, соответствующий истинной глубине под килем судна. В ре- зультате будет измерено расстояние АС, а не требуемое расстояние АD.

Оценка величины этой погрешности при плавании на опасных глубинах показы-

вает [9], что в силу отсутствия в указанных условиях больших наклонов дна, ошибка незначительна и может не учитываться. К тому же прибор показывает глубину, меньшую действительной, что исключает возможность посадки на мель из- за наличия рассматриваемой погрешности.

Существенное влияние на работу эхолота может оказывать качество его изго- товления и регулировки [15].

2.5. Общие требования к размещению гидроакустических антенн

От выбора места установки антенн эхолотов зависит уровень шумов, сопрово- ждающих полезный сигнал, коэффициент полезного действия антенны, максималь- ная глубина, которую практически можно измерить в существующих условиях пла- вания, а порой и сама возможность проведения измерений.

Основными источниками гидроакустических помех, воздействующих на антен- ны, являются судовые машины и механизмы, гребные винты, турбулентный погра- ничный слой, а также другие гидроакустические системы, одновременно работаю- щие на судне. Каждый из источников помех создает шумы определенного спектра, которые попадают на антенну, распространяясь непосредственно по корпусу судна,

вводе вдоль корпуса судна, отражаясь от объектов рассеяния в морской среде или от дна. Особое влияние на работу антенн оказывают пузырьки воздуха, рассеянные

вслое воды, омывающей антенну. Неоднократно было замечено на практике, что при движении судна в балласте, когда в его придонной области имело место интен- сивное образование пузырьков, эхолот переставал измерять даже относительно не- большие глубины. При снижении скорости перемещения судна или его остановке работа эхолота восстанавливалась. Это явление можно объяснить тем, что пузырьки воздуха с одной стороны интенсивно рассеивают и поглощают энергию, с другой – изменяют физические свойства среды, непосредственно соприкасающейся с антен- нами, снижая ее эквивалентную жесткость, что, в свою очередь, влияет на настройку системы антенна – среда, снижая эффективность преобразования электрического сигнала в механический и обратно.

Сцелью уменьшения влияния возмущающих факторов на работу эхолота антен- ны следует устанавливать в местах, удовлетворяющих следующим требованиям

[15]:

§изменение гидродинамического давления в месте установки антенны при изме- нении скорости судна должно быть минимальным;

§место установки антенны должно располагаться как можно дальше от машинного отделения, гребных винтов, подруливающих устройств, а также от помещений, в которых расположены сильно шумящие машины и механизмы;

§в районе размещения антенн (на расстоянии до 3—5 м) не должно быть водоза- борных и отливных устройств, так как это может вызвать резкое увеличение пропусков или полное пропадание показаний эхолотов, особенно работающих на низкой частоте;

§в непосредственной близости от антенны, в особенности в направлении к носу судна, не должно быть выступающих судовых конструкций и выстреливающих устройств, которые могут мешать работе эхолота;

§на пути излучения и приема сигнала, в пределах 60° от вертикали, не должно быть частей, которые могут создавать отражение акустических колебаний;

§место установки антенны должно быть максимально удалено от других гидро- акустических систем, имеющихся на судне;

§рекомендуется обеспечивать удобный доступ к антенне для ее осмотра, проведе-

ния профилактических работ и замены.

После определения возможных мест установки антенн эхолота с учетом выше-

перечисленных требований необходимо на основании предварительной оценки уровня шумов в местах предполагаемого расположения антенн выбрать место с наименьшим уровнем акустического шума.

При выборе места размещения антенны эхолота необходимо учитывать на- правление вращения судового винта. Так, при использовании винта правого шага в левую часть кормовых обводов судна ударяет возмущенный им поток воды. Вследствие этого возникает вибрация обшивки, распространяющаяся главным образом в левой части днища судна. Эта вибрация корпуса судна вызывает до-

полнительные акустические помехи. В связи с этим при гребном винте право- го шага антенну эхолота рекомендуется устанавливать по правому борту, а при гребном винте левого шага — по левому борту.

Результаты замеров уровней шумов в различных точках корпуса свидетельству- ют о том, что наименьший уровень шумов, как правило, наблюдается в носовой час-

ти судна [15]. Поэтому антенну эхолота рекомендуется устанавливать возмож- но ближе к носу судна (в области положительного давления) с учетом недо- пустимости ее оголения при качке. Антенну рекомендуется устанавливать возможно ближе к диаметральной плоскости судна.

Уменьшить влияние помех можно с помощью установки специальных экранов.

Монтаж остальных приборов комплекта эхолота осуществляется в соответствии с требованиями технической документации на изделие и с учетом удобства работы с прибором.

2.6. Общая характеристика судовых лагов

Как это было отмечено выше, скорость движения судна является одним из ос- новных навигационных параметров, поэтому необходимо создание надежных и точ- ных ее измерителей. Эта задача стала особенно актуальной в силу наличия большо- го разнообразия типов судов, с одной стороны, и высоких требований к безопасно- сти мореплавания, с другой. Так, у судов с динамическими принципами поддержа- ния появилась необходимость измерения скорости, достигающей ста узлов и более.

Широкомасштабное использование крупнотоннажных судов потребовало измерения не только продольной, но и поперечных составляющих скоростей, причем не только относительно воды (относительной скорости), но и относительно грунта (абсолют- ной скорости). С другой стороны малотоннажные суда, прогулочные катера и яхты потребовали разработки простых по устройству и не дорогих лагов. Все это привело к тому, что в настоящее время эксплуатируются лаги, построенные на различных физических принципах, вырабатывающие различную по объему информацию, имеющие различную точность измерения.

Значительное место среди них занимают гидроакустические лаги, способные из- мерять как относительную, так и абсолютную скорости судна. В этих лагах для по- лучения информации, на основании которой определяется скорость судна, исполь- зуется или эффект Доплера, или корреляционные методы обработки принятых гид- роакустических сигналов. Первые получили название доплеровских лагов, а вторые

– корреляционных.

Наибольшее распространение на судах получили доплеровские лаги. Разработ- кой этих лагов занимаются многие зарубежные фирмы. К их числу можно отнести:

американские “Marquardt”, “Magnavox” и “Sperry Rand”, японскую “Koden Electronics Co. Ltd”, французскую “Tomson CSF”, германскую “Krupp Atlas Electronik” и ряд других. Не оставались в стороне и отечественные предприятия. Ими была разрабо- тана хорошая по техническим параметрам система гидроакустических лагов “Оне- га”, нашедшая применение на крупнотоннажных и пассажирских судах, и хорошо зарекомендовавшая себя в эксплуатации. В настоящее время она устарела и замене- на новыми изделиями. В числе этих изделий отечественный доплеровский лаг ЛА- 53, разработанный предприятием “Морфизприбор”.