Общая характеристика навигационных эхолотов

Навигационные эхолоты предназначены для измерения глубины под килем суд-на. Выпускаются разнообразные модели рассматриваемых приборов, рассчитанных на измерение различных глубин и предназначенных для использования на судах, различного типа.

Несмотря на относительно большое разнообразие образцов приборов, их работа основана на одном принципе — измерении времени t прохождения сигнала гидроаку-стической посылки до дна и обратно.

h ,5ct (2.10)

Посылка, как правило, представляет собой короткий импульс, промодулирован-ный сигналом несущей частоты.

Типовой состав эхолота включает в себя:

антенные устройства;

устройство, формирующее сигнал посылки (передающее устройство); приемное устройство;
командное устройство, управляющее работой эхолота; устройства отображения и регистрации информации;
устройство для переключения антенны с приема на передачу в случае эхолота, использующего одну приемно-передающую антенну.
В общем случае эхолот может иметь или одну приемо-передающую антенну или две антенны – приемную и передающую. Преимущественное распространение в на-вигационных эхолотах нашли антенны типа “сплошной вибратор”. Причем в по-следнее время, как это уже отмечалось выше, чаще всего применяются пьезокера-мические вибраторы.

Существенное влияние на качество работы эхолота оказывают параметры диа-граммы направленности антенны, поскольку они в значительной степени определя-ют надежность приема отраженного сигнала и его уровень. Как правило, на практи-ке ширина диаграммы направленности выбирается такой, чтобы при наличии качки судна был обеспечен устойчивый прием отраженного от дна сигнала при макси-мально возможной измеряемой глубине. Это достаточно хорошо обеспечивается в случае равенства половины угла раствора диаграммы направленности максималь-ному значению угла отклонения судна от вертикали. При выполнении указанного условия даже при слабой рассеивающей способности поверхности дна часть энергии гарантированно отразится в направлении антенн. В связи с тем, что максимальные значения углов крена и дифферента судна в процессе его качки не совпадают, зна-

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

а)

А

КПП

От ПРД

ПУ

УН УМ Вых

Вых

б) АЦП

А

Рис. 2.7

КПП

От ПРД

ПУ

Д

М

Г

УМ

Вых.

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-

Г Д

Диапазон 

СС

БУ

СЧ ДШ И

вано с помощью сборок раз-личных точечных индикатор-ных элементов, чаще всего светодиодных, или с исполь-
зованием жидкокристалличе-

“0” “Эхо” ских дисплеев. Упрощенная

Рис. 2.8

рис. 2.8.

функциональная схема такого

указателя представлена на

Генератор Г счетных импульсов вырабатывает короткие импульсы, следующие с частотой f nc2hm ,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:

k 2 fh m , (2.11)

где h1m – максимальная глубина, измеряемая на рабочем диапазоне.

С делителя частоты импульсы поступают в схему совпадения СС, на второй вход которой подаются импульсы длительностью , 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 будет зависеть от глубины под килем судна. Поскольку схема совпадения пропускает на счетчик СЧ импульсы делителя только в течение времени , 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-
Б ции используются жидкокристалличе-ские индикаторы. На рис. 2.9-1 изобра-

жен режим чисто цифровой индикации, который указывает рабочий диапазон и текущую глубину, на втором – цифроа-налоговый, на третьем – цифроанало-говый с ограничением области отобра-жения эхосигнала диапазоном 230-250 метров.
Другие примеры отображения ин-формации в цифровом виде можно

1 2 3

найти в работе [12].

Самописцы осуществляют запись

Рис.2.9 закона изменения глубины под килем 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.





Похожие статьи






There is no ads to display, Please add some

Добавить комментарий

Реклама