которому наблюдается максимальная Аu амплитуда эхосигналов, и определяется частота формы волн. Для улучшения точности эта процедура выполняется для цифровых образов нескольких последовательных обзоров РЛС.

Зная Аu, можно найти высоту волн. Максимальная амплитуда эхосигналов пропорциональны высоте волн и зависит от вида антенны, ее высоты и типа РЛС. Приближенно

зависимость между Аu и hw описывается выражением [25]: hw ≈ k0 + k1 Au ,

где k0 , k1 – эмпирически определяемые для каждого судна

коэффициенты.

Цифровые образы последовательных обзоров относятся к разным моментам времени. Путем сравнения данных этих образов находится скорость бега волн, частота волнения и другие его параметры.

4.2. Измерители параметров движения судового корпуса

4.2.1. Инерциальные датчики угловых параметров качки

Параметры угловых перемещений судна обычно измеряются гироскопическими устройствами разных типов (с вращающимся ротором, волоконно-оптическими, вибрационными и другими). Наиболее подходящими для выполнения этой задачи на современном этапе являются волоконно-оптические и вибрационные гироскопы.

Волоконно-оптические измерители угловой скорости −

одни из наиболее дешевых средне точных гироскопов (10–0,1 град/час). Этот вид приборов также называют фиброоптическими гироскопами (ФОГ).

Поясним принцип работы ФОГ. Допустим (рис. 4.5,а), что в плоскости инерциального пространства с системой координат Oζξ имеется неподвижный волоконно-оптический кабель

(световод) длиной L , свернутый в виде кольца радиусом R .

100

Начало, и конец кабеля находятся в точке А. Если в нее подать свет, то его волна разделится на две. Эти две волны распространяются по кабелю в противоположных направлениях (примем, что первая волна – по часовой стрелке, а вторая – против нее). Обойдя световод, первая и вторая волны встретятся в точке А.

Рис. 4.5. К пояснению принципа работы ФОГ

Допустим теперь, что кольцо световода вращается вокруг своей оси по часовой стрелке с угловой скоростью ω (рис. 4.5,б). В момент, когда точка А проходит через ось Oξ , в нее

подается свет. Разделившись на две волны, свет будет распространяться со скоростью c , не зависящей от скорости вращения световода. Точка А во время движения света по кабелю будет уходить от волны, движущейся по часовой стрелке и идти навстречу волне, огибающей световод против часовой стрелке. Вторая волна достигнет точки А и покинет

световод раньше первой волны, так как ее путь L2 окажется короче расстояния L1 , проходимого первой волной. По

разности времени прихода волн в точку А находится угловая скорость вращения световода.

При практической реализации в световоде поддерживаются колебания генерируемой лазером энергии, а определение

разности между L1 и L2 выполняется с помощью

интерферометра, измеряющего разность фаз между первой и второй световыми волнами.

101

Кольцевые виброгироскопы. Вибрационные гироскопы пока относятся к приборам низкой точности (ниже 10 град/час), но из-за малой стоимости, миниатюрных размеров, высокой надежности они особенно перспективны для судовых и многих других приложений. Прогрессирующими в настоящее время (изза низкой цены и малых размеров) являются

микромеханические вибрационные датчики, изготавливаемые на базе современных кремниевых технологий. Большинство из них относится к области низких точностей, ряд образцов обеспечивает среднюю точность. Наиболее совершенными видами кремниевых микромеханических виброгироскопов являются кольцевые и волновые твердотельные устройства.

Рис. 4.6. Структура вибро-гироскопического ДУС

Кольцевой датчик (рис. 4.6) состоит из вибрационного кольца, восьми поддерживающих кольцо пружин, управляющих, сигнальных, и настраивающих электродов. Поддерживающие пружины укреплены на круглой основе внутри кольца. Эта основа и электроды закреплены на стеклянной пластине. Вибрационное кольцо и электроды изготовлены из кремниевой пластины с низким сопротивлением (0,002 Ω/см). На них с помощью фотолитографии нанесено металлическое покрытие. На электрод кольца подается

поляризованное напряжение VP .

102

Сигнальный режим вибрации

В датчике выделяют два режима вибрации кварцевого кольца. С помощью управляющих электродов, на которые подается переменное напряжение, инициируется первый режим

вибрации с постоянной амплитудой AY (возбуждаемый

режим). Когда происходит вращение гироскопа вокруг оси кольца с той или иной угловой скоростью ω , сила Кориолиса вызывает второй (сигнальный) режим совместной вибрации, отклоненной по направлению от первого на 450. Возбуждаемый и сигнальный режимы вибрации кольца представлены на рис. 4.7. Формы кольца, соответствующие четырем фазам его колебаний в этих режимах, показаны на рис. 4.8.

Амплитуда АС колебаний кольца во втором режиме пропорциональна ω . Таким образом, если по направлению 450 расположить сигнальный электрод, то максимальный зазор между ним и вибрирующим кольцом будет изменяться пропорционально угловой скорости поворота. Колебание величины зазора между поверхностями кольца и сигнального электрода приводит к пропорциональному изменению емкости между ними. По измерениям этой емкости получается значение угловой скорости поворота. Для возбуждения вибрации кольца может применяться три электрода. Такое же количество электродов используется и для выходных сигналов. Обычно четыре электрода служат для настройки (балансировки) гироскопа. Остальные электроды заземлены.

Примером виброгироскопов, способных обеспечивать разрешающую способность до 0,2 град/мин, служит однокристальный кремниевый микродатчик с кольцевым

103

резонатором фирмы Silicon Sensing Systems Japan Ltd. Его вибрационное кольцо имеет диаметр 2,7 мм. Чувствительность датчика составляет 140 mV на 1 град/с. Он обладает высокой надежностью, не требует обслуживания.

Волновые твердотельные гироскопы. Похожую конструкцию на представленный выше вид вибрационных гироскопов имеют так называемые волновые твердотельные гироскопы (ВТГ). Они относятся к гиродатчикам средней точности. В основе функционирования ВТГ лежит физический принцип, заключающийся в инертных свойствах упругих волн в твердом теле. Если возбудить стоячие упругие волны в симметричном относительно оси резонаторе, то его вращение вызывает поворот (прецессию) стоячей волны как целого. Скорость прецессии пропорциональна проекции угловой скорости вращения на ось симметрии резонатора.

Резонатор ВТГ изготавливается из плавленого кварца, сапфира или другого материала, обладающего малым коэффициентом потерь при колебаниях. Обычная форма резонатора – тонкая, упругая полусфера с отверстием в полюсе. Из-за этого ВТГ также называется полусферическим резонаторным гироскопом. У полюса полусферы резонатор жестко прикреплен к основанию в виде стеклянной пластины. Край резонатора, представляющий собой большую окружность полусферы, свободен. Этот край называют рабочим.

Резонатор окружен специальным кожухом, зазор между которым и поверхностью резонатора мал. На обращенные друг к другу поверхности кожуха и резонатора вдоль рабочего края последнего напыляются металлические электроды, которые образуют конденсаторы. На электроды резонатора подается поляризованное напряжение. Электроды на кожухе разделяются на управляющие, сигнальные и настроечные.

Конденсаторы с управляющими электродами служат для возбуждения в резонаторе колебаний и поддержания их постоянной амплитуды. С их помощью в резонаторе устанавливают форму колебаний, у которой стоячая волна имеет четыре пучности через каждые 900. Конденсаторы с сигнальными электродами используются для измерения

104