Студеникин - Технические средства судовождения

где ψ0 - фазовый сдвиг, равный:

а λ - длина волны излучаемого сигнала. Как известно

Из равенства (2.18) видно, что частота принятого антенной сигнала возросла на

величину доплеровского сдвига

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

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

Прием акустических колебаний производится после отражения их от морского дна, которое представляет собой источник большого числа элементарных отража- телей. Поэтому при отражении происходит изменение расстояния между приемопе- редающей антенной лага и отдельными элементарными отражателями. Элемен- тарные сигналы, принятые от множества отражателей морского дна, имеют случай- ные начальные фазы.

Углы α, под которыми с борта судна визируются элементарные отражатели мор- ского дна, отличаются друг от друга в пределах лепестка диаграммы направленно- сти, что также приводит к различию доплеровских сдвигов отдельных элементарных сигналов. Поэтому принятый антенной лага сигнал представляет собой сумму эле- ментарных отраженных сигналов и определяется не одной частотой, а спектром час- тот (доплеровским спектром). Положение этого спектра на оси частот относительно

частоты излучения характеризуется средней доплеровской частотой fд ср., опреде-

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 диа- метрально–траверсной (рис. 2.15, а) и “X” – образной (рис. 2.15, б) схемами распо- ложения лучей. В первом случае скорость судна вычисляется аналогично тому, как это делается в двухлучевой системе. Для каждой составляющей скорости использу- ется своя пара лучей:

При использовании более информативной “X” – образной схемы расположения лучей каждая составляющая скорости определяется по сигналам всех четырех лу- чей:

§изменение углов наклона лучей антенной системы;

§наличие вертикальных составляющих скорости судна;

§погрешности, допущенные при монтаже антенной системы на судне;

§погрешности, порождаемые неудачным выбором места установки антенн на судне.

При правильном выборе схемы и параметров лага общая погрешность, изме- рения средней доплеровской частоты мала и составляет доли процента [1,14].

В общем случае погрешность измерения скорости судна зависит от соответствия действительной скорости распространения звука в морской воде тому ее значению, которое используется в расчетных алгоритмах лага. Наиболее часто вычисления производятся для скорости, равной 1500 м/с. Отклонение скорости звука от указан- ного расчетного значения, может достигать 4%. Соответственно погрешность изме- рения скорости судна без принятия специальных мер будет достигать такой же ве- личины.

Поскольку наименее стабильным фактором, влияющим на скорость звука, явля- ется температура морской воды, то для ее автоматического определения в состав ла- га вводят специальный датчик температуры—термистор, который обычно помеща- ют в одном корпусе с акустической антенной. При этом погрешность, порождаемая указанным фактором, может быть снижена примерно до 0,2%. От указанной по-

Погрешность в азимутальной ориентации антен- ного блока приводит к появлению в каналах измерения продольной составляю- щей скорости судна доплеровских сдвигов, зависящих от величины поперечной скорости судна, и наоборот при измерении поперечной скорости возникает по- грешность, обусловленная влиянием продольной скорости (рис. 2.16). Так, при смещении антенн на некоторый угол γ значения измеренных скоростей v′x и v′y будут определяться следующими равенствами:

где vx и vy истинные значения продольной и поперечной составляющих скорости судна. Для устранения указанной погрешности проводят оценку значения угла γ после установки лага на судне. С этой целью при испытании лага на мерной ли-

нии измеряются истинные значения составляющих скорости судна и вычисляются

Вычисленное значение погрешности азимутальной ориентации антенны по- зволяет уточнить показания лага. Для этого могут быть использованы следующие приближенные равенства:

При плавании углы наклона лучей к горизонту могут измениться под воздейст- вием качки, появления крена или дифферента, что также приводит к дополнитель- ным погрешностям в измерении скорости. Как это было показано ранее, при исполь- зовании многолучевых антенных систем эти погрешности значительно меньше, чем в случае однолучевой антенны.

При наличии вертикального движения судна также как и при угловой качке воз-

никают дополнительные доплеровские сдвиги частот за счет изменения расстояния от антенны до отражающей поверхности [12]. Эти составляющие погрешности мо- гут быть снижены за счет осреднения измеренной скорости.

В заключение, приведем оценки результирующих погрешностей промышленных образцов лагов [1]. Для высокочастотных лагов среднеквадратичная погрешность составляет 0,2÷0,5%. В рекламных проспектах лучших зарубежных образцов указы- ваются цифры от 0,1÷0,2%. В упрощенных моделях погрешность может достигать 1÷2%. При измерении относительно низких скоростей движения судна абсолютная погрешность лага лежит в пределах 0,01÷0,05 уз.

2.9. Общая характеристика корреляционных лагов

Корреляционная обработка принятого эхосигнала с целью получения ин-

формации о скорости судна на практике стала использоваться относительно недавно. Достаточно детальные исследования в этом направлении были вы- полнены в США компанией "Дженерал электрик" при содействии корпорации "Сперри" и шведской фирмой "Юнгер Инструмент" в 70-е годы прошлого сто- летия. Сообщения о разработке первою промышленного образца шведского корреляционного лага "SAL-ACCOR" для морских судов относятся к 1973 г. В 1977 г. группой научных сотрудников Акустического Института АН СССР

был предложен, а затем и испытан в океанских условиях корреляционный лаг,

обеспечивающий повышенную точность измерения скорости судна в условиях его движения с боковым сносом. В 1979 г. появились рекламные сообщения компании "Дженерал электрик" о разработке промышленного образца корре- ляционного лага "Quo Vadis" для морских объектов различного назначения, которому приписываются высокие технические характеристики, в том числе

возможность измерения составляющих вектора скорости судна при любых глубинах под килем по сигналам от дна и в условиях качки. В этот же период появилось сообщение о модели корреляционного лага МХ-810 (Магнавокс, США), способном измерять скорость относительно грунта при глубинах до

5100 м.

В последнее время исследования в рассматриваемой области заметно активи- зировались, что обусловило появление многих качественных образцов корреляци- онных лагов. Так, достаточно широкое применение на морских судах находят гид- роакустические корреляционные лаги SAL-840, SAL-860, SAL-Т1, SAL-Т2, SAL- Imcor-2 и SAL-R-1, разработанные шведской фирмой “Consilium Marine”. В различ- ных странах мира, включая и Россию, ими уже оборудовано более 1000 судов. На- ряду с указанной фирмой корреляционные лаги производят и такие известные ком-

пании как “Magnavox”, “Echo Pilot”, “Marine Acoustic Ltd.” и ряд других.

Корреляционные лаги, как и доплеровские, могут измерять относительную и аб- солютную скорости судна. Кроме того, указанные лаги позволяют измерять глубину под килем судна и, тем самым, одновременно могут выполнять функции эхолотов. Лаги построены на современной электронной базе и отвечают всем требованиям, предъявляемым к приборам данного типа.

(рис. 2.17) на расстоянии l друг от друга. В режиме излучения эти антенны совмест- но с передающим устройством (ПУ) формируют импульсы, которые распространя- ются в сторону дна, отражаются от него и возвращаются обратно. Принимаемые ан- теннами сигналы будут зависеть от отражающей способности грунта, рельефа дна, от параметров среды их распространения и представлять собой некоторые случай- ные процессы U1(t) и U2(t), изменяющиеся во времени (рис. 2.18). В связи с тем, что при отсутствии дрейфа судна антенна А2 проходит над теми же участками дна, что и антенна А1, процессы U1(t) и U2(t) будут аналогичны друг другу, но сдвинуты по времени на величину τт , которая получила название транспортного запаздывания. Очевидно, величина транспортного запаздывания зависит от расстояния l меж- ду антеннами и скорости V движения судна. В рассматриваемом случае будет иметь место следующее равенство:

Отсюда может быть найдена скорость судна:

Учитывая, что база l известна, задача определения скорости сводится к оценке зна- чения транспортного запаздывания τт .

Транспортное запаздывание τт определяется путём искусственной задержки

сигнала первой антенны с помощью регулируемого блока задержки БЗ (рис. 2.17), который осуществляет смещение процесса U1(t) (рис. 2.18) вдоль оси времени. Для каждой задержки τi рассчитывается значение взаимной корреляционной функции

(ВКФ) и эти значения сравниваются между собой. Очевидно, что при τi = τт , сме-

щение сигнала первой антенны вдоль оси времени будет таким, что процессы прак- тически совпадут и величина ВКФ будет максимальной.

Учитывая сказанное, каждый корреляционный лаг должен включать в себя (рис. 2.17):

∙антенную систему А;

∙передающее устройство ПУ;

∙усилители – преобразователи УП для придания принятому сигналу вида, удобно- го для дальнейшей обработки;