На каких судах используются радиодоплеровские лаги

Обновлено: 24.04.2024

Принцип действия основан на измерении гидродинамического давления, создаваемого скоростным напором набегающего потока воды при движении судна. Поправка гидродинамического лага, как правило, нестабильна. Основными причинами, обуславливающими её изменения во время плавания, являются дрейф судна, дифферент,

обрастание корпуса, качка и изменением района плавания. Рассчитать изменение поправки лага от влияния первых трёх причин не представляется возможным.

Под абсолютными понимаются лаги, измеряющие скорость судна относительно грунта. Разработанные в настоящее время абсолютные лаги являются гидроакустическими и делятся на доплеровские и корреляционные.

Принцип работы ГДЛ заключается в измерении доплеровского сдвига частоты высокочастотного гидро-акустического сигнала, посылаемого с судна и отражённого от поверхности дна. Результирующей информацией являются продольная и поперечная составляющей путевой скорости. ГДЛ позволяет измерить их с погрешностью до 0.1% . Разрешающая способность высокоточных ГДЛ составляет 0,01 – 0,02 уз. При установке дополнительной двух лучевой антенны ГДЛ позволяет контролировать перемещение относительно грунта носа и кормы, что облегчает управление крупнотоннажным судном при плавании по каналам, в узкостях и при выполнении швартовых операции. Большинство существующих ГДЛ обеспечивают измерение абсолютной скорости при глубинах под килём до 200-300 м. При больших глубинах лаг перестаёт работать или переходит в режим измерения относительной скорости, т.е. начинает работать от некоторого слоя воды как относительный лаг. Преимуществом является тот факт, что антенны ГДЛ не выступают за корпус судна. Для обеспечения их замены без докования судна они устанавливаются в клинкетах. Источниками погрешности ГДЛ могут быть: погрешность измерения доплеровской частоты; изменение углов наклона лучей антенны; наличие вертикальной составляющей скорости судна. Суммарная

Принцип действия ГКЛ заключается в измерении временного сдвига между отражённым от грунта акустическим сигналом, принятым на разнесенные по корпусу судна антенны. На глубинах до 200 м ГКЛ измеряет скорость относительно грунта и одновременно указывает глубину под килём. На больших глубинах он автоматически переходит на работу относительно воды. Достоинствами ГКЛ по отношению к ГДЛ являются независимость показаний от скорости распространения звука в воде и более надёжная работа на качке.

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. 3.1) лага, установленного на судне, движущемся со скоростью v, распространяется в сторону морского дна под острым углом a по отношению к вертикали АВ. Для формирования указанной волны на антенну подается напряжение с частотой f_o и амплитудой U₁_m. 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:

(3.1)
где U₂_m – амплитуда принятого сигнала, y - 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 Dt движения луча до дна и обратно:

(3.2)
где r – расстояние от антенны до точки С, а с – скорость звука.

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

(3.3)
где r₀ – начальное значение расстояния АС. Учитывая, что фазовый сдвиг

(3.4)
выражение (3.1) перепишем в виде:

(3.5)
где - фазовый сдвиг, равный:

(3.6)
а l - длина волны излучаемого сигнала. Как известно

(3.7)

Из равенства (3.5) видно, что частота принятого антенной сигнала возросла на величину доплеровского сдвига

(3.8)
которая пропорциональна скорости движения судна. Поэтому, измеряя значение f_д можно найти интересующую нас скорость:

(3.9)

Формула (3.9) 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 a, 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 f_{д ср.}, определяемой как разность средней частоты спектра f_cp и частоты излучения f_o.

Более точной формулой для определения частоты f принятого отраженного элементарного сигнала является выражение [17]:

, (3.10)

которое можно разложить в ряд:

. (3.11) При этом, если ограничиться тремя членами ряда, доплеровский сдвиг частоты будет иметь вид:

(3.12)

Формула (3.12) выражает нелинейную зависимость между доплеровским сдвигом частоты и скоростью судна. Однако величина этой нелинейности не велика, так как скорость звука значительно превышает скорость судна.

Для устранения указанной нелинейности и исключения влияния изменений углов a, возникающих в результате качки судна и ряда других причин, используется двухлучевая антенная система (рис. 3.2). Частоты принятых сигналов по носовому 1 и кормовому 2 лучам определяются следующими выражениями:

(3.13)

(3.14)

Их разностная частота будет равна:

(3.15)

В рассматриваемом случае выражение для определения скорости приобретает вид:

(3.16)

Для двухлучевой антенной системы доплеровский сдвиг частоты практически линейно зависит от скорости, что уменьшает погрешности измерений.

В том случае, если судно идет с некоторым углом дифферента q (рис. 3.3), доплеровские сдвиги частот по лучам будут определяться следующими равенствами:

(3.17)

В этих условиях выражение для разности доплеровских сдвигов частот может быть записано в виде:

= (3.18)

Приближение, принятое здесь, допустимо ввиду малости отличия значения cosq от единицы при имеющих место на практике углах дифферента. Как следует из выражения (3.18) разность доплеровских сдвигов частот, которая используется для вычисления скорости судна, практически не зависит от угла θ. На рис. 3.4 приведены значения относительной погрешности измерения скорости судна при использовании однолучевой (кривая 1) и двухлучевой (кривая 2) систем. Из графика видно, что использование двухлучевой системы практически полностью устраняет погрешность, обусловленную углами дифферента судна.

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. 3.5, а) и “X” – образной (рис. 3.5, 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:

(3.19)

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

(3.20)

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:

(3.21)

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 (рис. 3.6). Составляющие скорости судна в рассматриваемом случае определяются по следующим зависимостям [17]:

(3.22)
где f₁, f₂ и f₃ – частоты принятых сигналов по соответствующим лучам, k_x и k_y – коэффициенты передачи соответствующих каналов.

Принцип действия корреляционного лага

Принцип действия корреляционного лага основан на измерении времени, затрачиваемого судном на прохождение определенного участка пути, длина которого определяется расстоянием между вибраторами гидроакустической антенны лага и принятым алгоритмом обработки информации.

УС

МУ

БЗ

УИ

УП1

УП2

ПУ

А2

А1

S₁(t)

τ_m

U₁(t)

U₂(t)

Рис.1.71

Рис.1.70

Предположим, что на судне вдоль диаметральной плоскости (ДП) размещены две гидроакустические приёмно – передающие антенны А1 и А2 (рис. 1.70) на расстоянии l друг от друга. В режиме излучения эти антенны совместно с передающим устройством (ПУ) формируют импульсы, которые распространяются в сторону дна, отражаются от него и возвращаются обратно. Принимаемые антеннами сигналы будут зависеть от отражающей способности грунта, рельефа дна, от параметров среды их распространения и представлять собой некоторые случайные процессы U₁(t) и U₂(t), изменяющиеся во времени (рис.1.71). 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

, которая получила название транспортного запаздывания. Очевидно, величина транспортного запаздывания зависит от расстояния l между антеннами и скорости V движения судна. В рассматриваемом случае будет иметь место следующее равенство:

. (4.1)

Отсюда может быть найдена скорость судна:

(4.2)

Учитывая, что база l известна, задача определения скорости сводится к оценке значения транспортного запаздывания .

Транспортное запаздывание определяется путём искусственной задержки сигнала первой антенны с помощью регулируемого блока задержки БЗ (рис. 1.70), который осуществляет смещение процесса U₁(t) (рис.1.71) вдоль оси времени. Для каждой задержки рассчитывается значение ВКФ и эти значения сравниваются между собой. Очевидно, что при , сдвиг сигнала первой антенны вдоль оси времени будет таким, что процессы практически совпадут и величина ВКФ будет максимальной.

Учитывая сказанное, каждый корреляционный лаг должен включать в себя (рис. 1.70):

· антенную систему А;

· передающее устройство ПУ;

· усилители – преобразователи УП для придания принятому сигналу вида, удобного для дальнейшей обработки;

· регулируемый блок задержки БЗ;

· коррелятор, состоящий из множительного устройства МУ и интегратора И;

· устройства сравнения УС значений корреляционных функций;

· вычислитель В скорости, пути, пройденного судном и других величин;

Радиодоплеровские лаги получили применение на судах на воздушной подушке и на подводных крыльях, которые не имеют надежного контакта с водой, что не позволяет использовать традиционные лаги (гидродинамические, гидроакустические и индукционные).

Радиодоплеровские лаги обеспечивают измерение скорости судна относительно поверхности воды (или поверхности Земли при движении над сушей).

Принцип действия основан на определении скорости судна по доплеровским сдвигам частот радиосигналов, излученных с борта судна, отраженных от подстилающей поверхности и принятых антенной системой лага.

Эффект Доплера заключается в изменении частоты принимаемых колебаний по отношению к частоте колебания при относительном перемещении источника и приемника колебаний. Изменение частоты (доплеровский сдвиг частоты) зависит от скорости относительного перемещения источника и приемника колебаний.

Рисунок 1. принцип действия радиодоплеровского лага

Антенна лага А формирует узкий луч шириной ориентированный параллельно диаметральной плоскости судна под углом к поверхности моря (подстилающей поверхности).

Прием производится после отражения от подстилающей поверхности, которая может быть представлена как источник вторичного излучения, состоящей из большого числа независимых элементарных отражателей.

При этом происходит изменение расстояния между приемопередающей антенной и отдельными элементарными отражателями.

Частота принятого элементарно сигнала изменяется вследствие эффекта Доплера

где , - частота излученных и принятых колебаний, С – скорость света, - проекция скорости судна на направление i-го элементарного отражателя, - угол между направление движения судна и направлением i-го элементарного отражателя.

Выражение (*) разлагается в ряд:

Для судов всегда выполняется условие: , следовательно можно пренебречь высшими членами разложения:

При этом доплеровский сдвиг частоты составит:

а скорость судна:

Таким образом, доплеровский сдвиг частоты несет информацию о скорости движения судна относительно подстилающей поверхности.

Антенные системы радиодоплеровских лагов формируют от одного до четырех лучей. При этом однолучевой лаг обеспечивает измерение только одной составляющей вектора скорости, а именно, проекции вектора скорости на направление луча.

Рисунок 2 – Схема расположения лучей

Для определения 2-х составляющих используют 2 луча, не лежащих в одной вертикальной плоскости.

Решая совместно данные уравнения, находим:

Модуль вектора скорости:

Недостатком одно- и двулучевых систем являются значительные погрешности возникающие при изменении пространственной ориентации лучей вследствие крена, дифферента, качки.

В зависимости от расположения лучей и величины углов и эти погрешности могут достигать нескольких процентов на один градус наклона судна.

Устранения этого недостатка достигается при использовании трех и четырехлучевых антенн.

Устройство радиодоплеровского лага

Рисунок 1. Структурная схема

Антенное устройство 1, питание которого осуществляется генератором приемопередатчика 2, обеспечивает излучение и прием отраженных от морской поверхности электромагнитных колебаний по заданному числу лучей. Принятые колебания смешиваются в приемнике приемопередатчика с колебаниями генератора. Выделенные биения разностной частоты после усиления и преобразования подаются в устройство для измерения доплеровских частот 3. С выхода этого устройства сигналы, пропорциональные средним доплеровским частотам, поступают в виде аналоговых величин или в виде импульсных последовательностей в вычислительное устройство 4. Выходные сигналы вычислительного устройства, поступают на индикатор 4 и к внешним потребителям.

Антенное устройство

Характерной особенностью использования радиодоплеровских лагов является малая высота расположения антенн лага над подстилающей поверхностью. Это исключает применение импульсного режима измерения, ввиду крайне малого времени распространения сигнала до подстилающей поверхности и обратно.

В связи с этим радиодоплеровские лаги работают в непрерывном режиме и имеют совмещенные приемопередающие антенны.

Приемопередатчик

Рисунок 2. структурная схема приемника

Отраженные колебания, воспринятые антенной А, через циркулятор Ц поступают в смеситель СМ. Сюда же направляется ослабленный циркулятором прямой сигнал генератора Г. Выделенное смесителем напряжение разностной частоты поступает в усилитель У и далее в измерительное устройство.

Радиодоплеровские лаги

Рисунок 1. принцип действия радиодоплеровского лага

Частота принятого элементарно сигнала изменяется вследствие эффекта Доплера

Выражение (*) разлагается в ряд:

Для судов всегда выполняется условие: , следовательно можно пренебречь высшими членами разложения:

При этом доплеровский сдвиг частоты составит:

а скорость судна:

Рисунок 2 – Схема расположения лучей

Для определения 2-х составляющих используют 2 луча, не лежащих в одной вертикальной плоскости.

Решая совместно данные уравнения, находим:

Модуль вектора скорости:

Устранения этого недостатка достигается при использовании трех и четырехлучевых антенн.

Устройство радиодоплеровского лага

Рисунок 1. Структурная схема

Антенное устройство

Приемопередатчик

Рисунок 2. структурная схема приемника

– навигационный прибор для измерения скорости судна и пройденного им расстояния. На морских судах применяются механические, геомагнитные, гидроакустические, индукционные и радиодоплеровские лаги. Различают:
– относительные лаги, измеряющие скорость относительно воды; и
– абсолютные лаги, измеряющие скорость относительно дна.
Гидродинамический лаг – относительный лаг, действие которого основано на измерении разности давления, которая зависит от скорости судна. Основу гидродинамического лага составляют две трубки, выведенные под днище судна: выходное отверстие одной трубки направлено к носовой части судна; а выходное отверстие другой трубки находится заподлицо с обшивкой. Динамическое давление
определяется по разности высот воды в трубках и преобразуется механизмами лага в показания скорости судна в узлах. Кроме скорости, гидродинамические лаги показывают пройденное судном расстояние в милях.
Индукционный лаг – относительный лаг, принцип действия которого основан на зависимости между относительной скоростью проводника в магнитном поле и наводимой в этом проводнике электродвижущей силой (ЭДС). Магнитное поле создается электромагнитом лага, а проводником является морская вода. Когда судно движется, магнитное поле пересекает неподвижные участки водной среды, при этом в воде индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения судна. С электродов ЭДС поступает в специальное устройство, которое вычисляет скорость судна и пройденное расстояние.

Гидроакустический лаг – абсолютный лаг, работающий на принципе эхолота.
Различают доплеровские и корреляционные гидроакустические лаги.
Геомагнитный лаг – абсолютный лаг, основанный на использовании свойств магнитного поля Земли.
Радиолаг – лаг, принцип действия которого основан на использовании законов распространения радиоволн.
На практике отсчеты лага замечают в начале каждого часа и по разности отсчетов получают плавание S в милях и скорость судна V в узлах. Лаги имеют погрешность, которая учитывается поправкой лага.

Рекомендации по эксплуатации заключаются в следующем. С обрастанием корпуса судна лаги ИЭЛ-2 и ИЭЛ-2М начинают давать заниженные показания.

В схемы лагов ИЭЛ-2 и ИЭЛ-2М включён фильтр, усредняющий их показания. Поэтому при измерении судном скорости лаг фиксирует это изменение с некоторым запаздыванием.

Гидродинамические лаги. Принцип действия основан на измерении гидродинамического давления, создаваемого скоростным напором набегающего потока воды при движении судна.

Поправка гидродинамического лага, как правило, нестабильна. Основными причинами, обуславливающими её изменения во время плавания, являются дрейф судна, дифферент, обрастание корпуса, качка и изменением района плавания.

Абсолютные лаги . Под абсолютными понимаются лаги, измеряющие скорость судна относительно грунта. Разработанные в настоящее время абсолютные лаги являются гидроакустическими и делятся на доплеровские и корреляционные.

Принцип работы ГДЛ заключается в измерении доплеровского сдвига частоты высокочастотного гидроакустического сигнала, посылаемого с судна и отражённого от поверхности дна.

Результирующей информацией являются продольная и поперечная составляющей путевой скорости. ГДЛ позволяет измерить их с погрешностью до 0.1% . Разрешающая способность высокоточных ГДЛ составляет 0,01 – 0,02 уз.

При установке дополнительной двух лучевой антенны А2 (см. рис.) ГДЛ позволяет контролировать перемещение относительно грунта носа и кормы, что облегчает управление крупнотоннажным судном при плавании по каналам, в узкостях и при выполнении швартовых операции.

Большинство существующих ГДЛ обеспечивают измерение абсолютной скорости при глубинах под килём до 200-300 м. При больших глубинах лаг перестаёт работать или переходит в режим измерения относительной скорости, т.е. начинает работать от некоторого слоя воды как относительный лаг.

Антенны ГДЛ не выступают за корпус судна. Для обеспечения их замены без докования судна они устанавливаются в клинкетах.

Источниками погрешности ГДЛ могут быть: погрешность измерения доплеровской частоты; изменение углов наклона лучей антенны; наличие вертикальной составляющей скорости судна. Суммарная погрешность по этим причинам у современных лагов не превышает 0.5%.

Корреляционные лаги. Принцип действия гидроакустического корреляционного лага(ГКЛ) заключается в измерении временного сдвига между отражённым от грунта акустическим сигналом, принятым на разнесенные по корпусу судна антенны.

На глубинах до 200 м ГКЛ измеряет скорость относительно грунта и одновременно указывает глубину под килём. На больших глубинах он автоматически переходит на работу относительно воды.

Достоинствами ГКЛ по отношению к ГДЛ являются независимость показаний от скорости распространения звука в воде и более надёжная работа на качке.

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: