11Доплеровские гидроакустические лаги. Уравнение однолучевого лага.

Зависимость изменения частоты колебаний или длины волны, восприни­маемой наблюдателем, от скорости источника колебаний и наблюдателя при движении относительно друг друга, называется эф­фектом Доплера.

Эффект Доплера для звуковых волн может наблюдаться непосредственно. Он проявляется в повышении тона звука, когда источник звука и наблюда­тель сближаются, и соответственно в понижении тона звука, когда они уда­ляются.

Принцип действия гидроакустического лага, основанного на эффекте Доплера и применяемого для измерения скорости судна относительно грун­та (дна), заключается в следующем.

В днище судна установлена антенна, действующая как излучатель и приемник ультразвуковых колебаний. В сторону дна из­лучаются ультразвуковые волны частотой f₀ в виде узкого пучка под углом Ө к плоскости горизонта. Считаем для простоты, что угол дифферента судна равен нулю, вектор скорости судна совпадает с курсом, а вертикальных перемещений судна нет.

Длина волны ультразвуковых ко­лебаний λ в воде, излученных с дви­жущегося судна, λ=W/f₀ где W—результирующая скорость удале­ния излученной волны от судна в направлении звукового луча.

Cкорость W опре­деляется скоростью звука с и проек­цией вектора скорости V_c судна на на­правление излучения: W=c-Vc*COSӨ1. Тогда λ= (c-Vc*COS Ө)/f₀

В силу неровностей рельефа дна звуковая волна рассеивается во все сто­роны, в том числе и в направлении антенны. Таким образом, от дна будет по­лучен эхо-сигнал с длиной волны λ,Скорость приближения эхо-сигнала W′=c+Vc*COSӨ

В результате частота принятых колебаний с учетом предыдущих уравнений может быть представлена в виде f_п=f₀(1+(2VcCOSӨ)/c)

Разность частот эхо-сигнала, пришедшего на антенну со дна, и излученного сигнала и будет являться уравнением однолучевого доплеровского лага (доплеровский сдвиг). f_д=f_п-f₀=2f₀VcCOSӨ/c

Практическая реализация однолучевого доплеровского лага связана с рядом трудностей, основными из которых являются нелинейность зависи­мости f_д от V_c, изменение угла Ө при крене, дифференте и на качке, влияние вертикальной составляющей скорости судна на измеряемый сигнал. Рабочие глубины доплеровских лагов находятся в пределах 200 – 300 м. погрешность, вызванная изменением скорости звука в морской воде, может достигать 4 %, поэтому в большинстве конструкций лагов приняты меры по компенсации или учёта погрешности. Коррекция выполняется вручную или автоматически по двум параметрам: температуре воды и её солёности. Точность показаний доплеровских лагов довольно высока и при углах крена, дифферента, качки, не превышающих 2 – 3%. Суммарная погрешность составляет 0,1 – 3%.

12. Двухлучевые и многолучевые доплеровские лаги.

Практическая реализация однолучевого доплеровского лага связана с рядом трудностей, основными из которых являются нелинейность зависи­мости f_д от V_c, изменение угла Ө при крене, дифференте и на качке, влияние вертикальной составляющей скорости судна на измеряемый сигнал.

На практике нашли применение двухлучевые доплеровские системы, в ко­торых ультразвуковая волна излучается вдоль диаметральной плоскости судна в сторону носа и кормы под одним и тем же углом Ө.

Частота работы излучателей в обоих каналах одинакова и строго фик­сирована. Приемники акустической системы принимают сигналы следую­щих частот: f₁=f₀(1+(2V_ccosθ)/c); f₂=f₀(1+(2V_ccosθ)/c);

где f₁,f₂ — частоты принятых сигналов со стороны соответственно носа и кормы судна, с - скорость звука, V_c- скорость судна, Ө угол к плоскости горизонта, под которым излучаются ультразвуковые волны, частотой f_0.

Доплеровский сдвиг частот между эхо-сигналами от носового и кормо­вого излучений в этом случае f_д=(4f₀V_ccosθ)/c, Тогда V_c=f_дc/4V_ccosθ

Двухлучевая доплеровская система позволяет устранить недостатки, при­сущие однолучевому доплеровскому лагу.

Для определения не только продольной, но и поперечной составляющей скорости судна применяют трех-, четырех- или даже шестилучевые доплеровские системы. Шестилучевые доплеровские системы, устанав­ливаемые на крупнотоннажных судах, предназначены не только для навигационных целей, но и для измерения небольших по значению поперечных со­ставляющих скорости носовой и кормовой оконечностей судна, что важно при выполнении швартовных операций.

Обобщенная структурная схема доплеровского гидроаку­стического лага :

Гидроакустическая антенна и приемно-передающий блок ППБ, в сос­тав которого входят генератор, усилители и коммутаторы, служат для излу­чения и приема отраженных сигналов, распространяющихся по лучам. Принятые и усиленные эхо-сигналы с выхода блока ППБ поступают в блок выделения доплеровских частот БВДЧ, где определяются разности частот излученных и принятых сигналов по каждому лучу. В вычислительном устройстве ВУ доплеровские час­тоты, прямо пропорциональные соответствующим сос­тавляющим абсолютной скорости судна, преобразуются в информацию о продольной, поперечной скоростях судна и пройденном расстоянии, которая подается затем на индикаторы и внешним потребителям. Блок синхронизации управляет работой лага в целом. Рабочие глубины доплеровских лагов находятся в пределах 200 – 300 м. погрешность, вызванная изменением скорости звука в морской воде, может достигать 4 %, поэтому в большинстве конструкций лагов приняты меры по компенсации или учёта погрешности. Коррекция выполняется вручную или автоматически по двум параметрам: температуре воды и её солёности. Точность показаний доплеровских лагов довольно высока и при углах крена, дифферента, качки, не превышающих 2 – 3%. Суммарная погрешность составляет 0,1 – 3%.