Навигационн эхолоты. Принцип действ, основн. пар-ры.

Гидроакустические приборы, предназначенные для определения вертикального расстояния до какого-либо подводного объекта, называ­ют эхолотами. В зависимости от назначения они подразделяются на навигационные, промерные (гидрографические), промысловые (для поиска рыбы и морского зверя), геологические и океанографические (для исследования толщи воды и морского дна). По принципу действия все эхолоты одинаковы. Далее рассматриваются только навигацион­ные эхолоты. Принцип действия эхолота состоит в использовании эхо-метода, сущность которого заключается в следующем. Пусть А - излучатель звуковых волн, а В - приемник отраженного от морского дна сигнала, который называется эхо-сигналом. Расстояние АВ между излучателем и приемником, называемое базой антенны, обозначим ℓ_a тогда база антенны связана с глубиной моря h под килем судна следующим соотношением:

где С₀ – скорость звука в море, t- время между посылом и приходом сигнала. Из второго выражения следует, что основная задача определения глубины с помощью эхолота практически сводится к измерению весьма малого промежутка времени t между моментами излучения и приема сигнала, отраженного от грунта. На рис приведена структурная схема нав эхоло­та. Схема действует следующим образом. В определенный момент вре­мени t_o по команде с индикатора И схема управления посылкой им­пульсов СУ подключает генератор импульсов ГИ к излучающей антен­не А. Посланный звуковой сигнал распространяется в направлении морского дна. Отраженный от грунта эхо-сигнал в момент времени t₁ возбуждает приемную антенну В, в которой возникает электрический сигнал. Этот сигнал усиливается в усилителе У и поступает на индикатор И, где определяется промежуток времени t = t₁ — t₀ и вырабатывается ин­формация о глубине h. В качестве индикатора глубины применяются указатели глубин, самописцы и цифровые указатели глубин. Для определения промежутка времени t в навигационных эхоло­тах используются различные методы: вращающегося диска — в указа­телях НЭЛ-5 и НЭЛ-10; вращающегося барабана — в самописце НЭЛ-5; вращающегося пера — в самописце эхолота «Кубань»; бесконечной ленты — в самописцах НЭЛ-10 и НЭЛ М-ЗБ и др. Следует иметь в виду, что показываемая эхолотом глубина h измеряется от уровня установки антенн. Если требуется знать глубину от поверхности моря, то необходимо учесть осадку судна в месте установки антенн. Основные параметры эхолота.

Параметры импульсов. Импульсы различаются по форме огибаю­щей, по заполняющей частоте, длительности и частоте следования. Чаще всего применяются импульсы прямоугольной и экспоненциаль­ной формы. К первым относятся импульсы незатухающих колебаний. Их огибающая имеет прямоугольную форму и заполняется 30 — 40 колебаниями рабочей частоты. Ко вторым относятся импульсы, огиба­ющая которых имеет форму затухающей экспоненты. Анализ показывает, что при равных исходных данных отношение мощностей импульсов первой и второй форм составляет 10³ — 10⁴. Это означает, что импульс прямоугольной формы может распространяться на значительно большие расстояния, чем экспоненциальный. Форма импульса также в сильной мере влияет на ширину ∆f полосы пропу­скания приемного тракта. Значение ∆f у экспоненциального импульса должно быть больше, а это сильно ухудшает защищенность приемного тракта от помех. Длительность импульса выбирают с учетом следующих противо-речивых условий: интенсивности шума, воспринимаемого приемником.

Интенсивность пропорциональна ∆f_ш и, следова­тельно, обратно пропорциональна τ.Другими словами, чем больше длительность импульса, тем меньший уровень шума воспринимает приемник. энергия импульса. Она пропорциональна τ, поэтому с увеличением τ возрастает его дальность распространения. длительности импульса. Чем короче импульс, тем выше порог возникновения кавитации. Уменьшение τ приводит к увеличению раз­решающей способности эхолота по глубине.Значение τ у современных эхолотов колеблется в пределах от 10^-3до 10^-5 с.Частота (ω _П) посылок зависит от запроектированной максимальной глубины (h_мах) диапазона и значения расчетной скорости (С₀) звука. Частота посылок: Разрешающая способность эхолота по глубине. Минимальное расстояние между 2 объектами, расположенными один за другим на звуковом луче, которое ещё не способен различать эхолот, называют его разр способностью m_h по глубине. В непосредственной близости от излучателя она зависит от реверберации моря. Вне области действия реверберации определяющим фактором является длина импульса S = С₀ τ.

Направленность антенн. Этот параметр эхолота рассчитывают так, чтобы в условиях качки заданной интенсивности обеспечивался надежный прием эхо-сигналов. С помощью простых геом построений (рис.7.21) можно доказать что предъявлен ное требование удовлетворяетс, если принять, что γ_i=β_i. (где γ_i — по­ловинный раствор хар-ки направленности, β _i —амплитуд­ное значение угла крена). Оптимальная рабочая частота. Выбор оптимальной рабочей час­тоты зависит от того, какая преследуется при этом цель. Пусть, напри­мер, необходимо обеспечить максимальную дальность h_max действия эхолота при минимальных затратах энергии. Это условие хар-ся следующим логическим равенством: I_{э. min}= К₁· I_γш, где I_э.min - наименьшее значение интенсивности эхо-сигнала, еще способного возбудить приемник; К₁ - коэффициент «распознания», который показывает, каким должно быть отношение сигнал/помеха, чтобы сигнал был принят с заданной вероятностью; I_yш — интенсив­ность помехи (шума), воспринимаемой приемником. Чтобы определить значение величины I_эmin считаем, для упрощения, что излучатель характеризуется мощностью N и коэффициентом концентрации ξ ↑, а отражение происходит от абсолютно ровного дна (коэффициент отражения A = 1). При таких условиях интенсивность падающей волны на расстоянии h_max от излучателя:

Как следует из рис., изображенного ниже, интенсивность I_э отраженной волны вблизи приемника можно формально рассматривать как интенсив­ность некоторого мнимого источника, расположенного в точке О₁ и имеющего одинаковые с реальным излучателем характеристики. На основании этого можно принять:

Если же учесть вязкость и неоднородность морской воды, то в соответствии с формулами, приведенными выше, будем иметь:

Путём преобразований:

Это значение f_опт (в кГц) соответствует макс глубине (в км),если только другие аргументы постоянны. Диапазон рабочих час­тот современных навигационных эхолотов обычно находится в преде­лах 15— 100 кГц. Точность эхолота. В реальных условиях скоро­сть звука неодинакова в различных районах моря. Поэтому глубина будет измерена с некоторой ошибкой. Определим значение поправки ∆h_с кото­рой необходимо исправлять показания эхолота. Измеренная глубина:

Истинная:

Дата добавления: 2015-12-08