Обща характеристика на навигационните ехолоти
Навигационните ехолоти са предназначени за измерване на дълбочината под кила на плавателния съд. Произвеждат се различни модели на разглежданите инструменти, предназначени за измерване на различни дълбочини и предназначени за използване на различни видове кораби.
Въпреки сравнително голямото разнообразие от модели инструменти, тяхната работа се основава на един и същ принцип - измерване на времето t на преминаване на хидроакустичен сигнал до дъното и обратно.
Съобщението, като правило, е кратък импулс, модулиран от сигнал с носеща честота.
Типичният състав на ехолота включва:
устройство, което генерира изпращащ сигнал (предавателно устройство); приемно устройство; командно устройство, което контролира работата на ехолота; устройства за показване и запис на информация; Устройство за превключване на антената от приемна към предавателна в случай на ехолот, използващ една приемна и предавателна антена. По принцип ехолотът може да има или една предавателна/приемателна антена, или две антени – приемна и предавателна. Антените от типа "твърд вибратор" са намерили преобладаващо разпространение в навигационните ехолоти. Освен това в последно време, както беше отбелязано по-горе, най-често се използват пиезокерамични вибратори.
Параметрите на диаграмата на антената оказват значително влияние върху качеството на ехолота, тъй като те до голяма степен определят надеждността на приемане на отразения сигнал и неговото ниво. По правило на практика ширината на диаграмата на излъчване се избира така, че при наличие на движение на кораба да се осигури стабилно приемане на отразения от дъното сигнал на максимално възможната измерена дълбочина. Това е доста добре осигурено в случай на равенство на половината от ъгъла на отваряне на диаграмата на излъчване на максимумастойността на ъгъла на отклонение на съда от вертикалата. Когато това условие е изпълнено, дори и при слаба разсейваща способност на долната повърхност, част от енергията гарантирано се отразява в посоката на антените. Поради факта, че максималните стойности на ъглите на крен и диферент на плавателния съд по време на неговото накланяне не съвпадат,
Стойностите на ширината на диаграмите на антената в централната равнина на съда и в равнината, перпендикулярна на централната линия, също могат да се различават. В този случай излъчващата повърхност може да има правоъгълна форма.
Мястото и методът на монтаж на антената оказват значително влияние върху качеството на ехолота. По правило те се монтират на дъното на съда по такъв начин, че да се осигури директен контакт на излъчвателя с морска вода. Вариантите за дизайн на корпуса на антената и приемника, в който е инсталиран, могат да бъдат много разнообразни. Някои от техните образци могат да бъдат намерени в [12].
В някои случаи, когато навигационните условия не позволяват използването на посочените варианти за монтаж на антената поради опасност от нейното разрушаване, тя се монтира без процеп в дъното на съда в резервоар, който се пълни с рициново масло или друга химически неактивна течност със същия акустичен импеданс като този на морската вода. Акустичното съпротивление на обшивката на кораба е значително различно от акустичното съпротивление на течности, поради което в пространството между излъчващата антена и дъното на кораба се образува стояща звукова вълна. Същата вълна възниква и в корпуса на кораба. Специална настройка постига наличието на антинод на скоростта на вибрациите в тази част на корпуса, което осигурява предаване на звука почти без загуби.
Често антените се монтират в клинове, което им позволява да бъдат обслужвани.и подмяна без доковаване на кораба.
По-голямата част от ехолотите използват импулсно излъчване, което прави доста лесно премахването на смущенията, причинени от обемния реверберационен сигнал.
Има два начина за генериране на импулс: ударен и тонален. Първият метод [15] се използва за възбуждане на магнитострикционни вибратори, чието входно съпротивление е ясно индуктивно.
Въпреки това е практически невъзможно да се получат импулси с приемливи параметри с често използвани носещи честоти над 60–70 kHz, като се използва ударният метод. Това обстоятелство практически изключи възможността за използването му в серийни модели на съвременни ехолоти.
Тоналният метод за генериране на изпращащ импулс ви позволява да генерирате правоъгълни импулси, изпълнени с всяка желана носеща честота, равна или близка до естествената честота на антената. В този случай могат да се използват както магнитострикционни, така и пиезокерамични вибратори [15].
Приемащите устройства извличат полезния сигнал от съпътстващите го смущения, усилват избрания сигнал и го преобразуват във формата, необходима за показване, регистриране и използване от други информационни или контролни системи. В съответствие с това общата схема на приемното устройство може да бъде разделена на три основни секции:
входни вериги и вериги за предварително усилване, усилвател на главния сигнал, вериги за преобразуване на сигнали.
Входните вериги, като правило, са предварително резонансен усилвател, настроен на честотата на излъчвания сигнал. В допълнение към избора на честота на сигнала се използват различни видове настройки на усилването. Така че, за да намалите общото високо ниво на получения сигнал,съдържащи интензивни смущения, осигуряват възможност за промяна на прага на чувствителност на входния път. За да се елиминират смущенията от обемната реверберация, се въвежда временен контрол на усилването. По правило всеки ехолот има възможност ръчно да регулира усилването на приемащия път. Заедно с това, не целият диапазон на работна дълбочина, а само малка част от него, често се използва за показване на информация, което изключва наблюдението на смущения, разположени извън тази област, и увеличава мащаба на изображението. Като цяло тези техники ви позволяват успешно да се справите със смущенията.
Ако ехолотът използва една антена, тогава разглежданите вериги включват верига за превключване на антената от приемане към предаване.
Основният усилвател на сигнала може да бъде изграден както по схемата за директно усилване, така и по суперхетеродинната схема. Първият вариант се използва, когато в ехолота се използват една или две носещи честоти на сондиращия сигнал. Ако броят на използваните носещи честоти е по-голям, става разумно да се използва втората опция.
Веригите за директно усилване също имат свои собствени разновидности, две от които са показани на фиг. 2.7 [15]. Най-простата диаграма на пътя за получаване на директно усилване е показана на фиг. 2.7 а. В тази схема усилването на ехо сигналите, идващи от антена А през превключвателя за приемане - предаване на контролната точка към предусилвателя PU и усилвателя на напрежение UN, до стойност, достатъчна за задействане на крайните устройства (усилвател на мощност), се извършва на честотата на ехо сигнала. Коефициентът на усилване на такива усилватели на работната честота е (1-3)106. Въпреки факта, че такива усилватели имат относително тясна честотна лента, която не надвишава 3-5 kHz, осигуряването на тяхната стабилна работа с високо качество е свързано с големитрудности. Тези устройства се използват главно в ключови изходни ехолоти.
Необходимата стабилност на работа и неизкривено предаване за запис на формата на отразения от дъното сигнал се осигуряват от приемния път, чиято диаграма е показана на фиг. 2.7 б. Това се постига благодарение на това, че избраната от детектора обвивка на ехо сигнала в модулатора М се запълва със синусоидални или правоъгълни сигнали с честота, различна от работната честота на ехолота. Тези сигнали се генерират от генератора G. Едновременно с това импулсите от изхода на детектора се подават към ADC преобразувателя на аналоговия сигнал в цифров с цел по-нататъшна цифрова обработка на информацията. Суперхетеродинното приемане се използва за увеличаване на стабилността на веригата, ако е необходимо, осигурява значително усилване на сигнала към детектора. Въпреки това, поради по-голямата си сложност и поради факта, че ехолотите обикновено работят на фиксирани честоти, чийто брой не надвишава две, такива приемници се използват рядко. Веригите за преобразуване на сигнала на ехолота му придават формата, необходима за показване на информация в дисплейни устройства, за регистриране на информация в различни записващи устройства, за предаване на информация към други продукти. За показване на информация в ехолотите се използват следните:
аналогови, цифрови и цифрово-аналогови индикатори,
устройства за регистриране на закона за промяна на дълбочината под кила на кораба по време на неговото плаване (записващо устройство), устройства за сигнализиране на навлизането на кораба на дадена дълбочина.
Показването на информация чрез аналогови индикатори може да се организира с помощта на комплекти от различни точкови индикаторни елементи, най-често светодиоди, или с помощта на дисплеи с течни кристали. Опростена функционална схема на такъвиндексът е представен на
Генераторът на импулси за броене G генерира кратки импулси, следващи с честота f nc2hm, където n е броят на цифрите на индикатора I, c е скоростта на звука, hm е максималната дълбочина, измерена от ехолота по скала на минималните дълбочини. Тези импулси се подават към честотния делител D, който намалява честотата на тяхното повторение до стойност, съответстваща на диапазона на работната дълбочина. Необходимият коефициент на разделяне k се избира така, че при максималната дълбочина на работния диапазон броят на броещите импулси да съответства на броя на клетките на индикаторната матрица. Стойността му може да се определи от следното равенство:
където h1m е максималната дълбочина, измерена в работния диапазон.
От делителя на честотата импулсите постъпват във веригата за съвпадение на SS, на чийто втори вход се получават импулси с продължителност , генерирани от блока за управление CU. Продължителността на тези импулси съответства на интервалите от време между моментите на получаване от приемния път на ехолота на сигналите „0“, които определят моментите на излъчване, и сигналите „Ехо“, които определят моментите на получаване на съобщения, отразени от дъното. По този начин стойността на ще зависи от дълбочината под кила на кораба. Тъй като веригата за съвпадение предава импулсите на делителя към средночестотния брояч само през времето , броят на импулсите, преброени от брояча, също ще съответства на текущата дълбочина. DSh декодерът, като запитва брояча, включва толкова индикаторни клетки И колко импулса са преброени от него. Индикаторните клетки могат да бъдат оформени под формата на кръг, права линия или във всяка друга форма и са снабдени със скали за дълбочина.
Ако показалецът има блок памет, в който се записват текущите дълбочини за определено време, индикаторът може да показва и закона за промяна
дълбочини подкила на кораба през определения период от време, какъвто е случаят например с ехолота NEL-20K. В разглеждания случай, като правило, като индикатор се използва дисплей с течни кристали. Подобни схеми могат да се използват и за изграждане на цифрови индикатори за дълбочина.
Дълбокомерите D/A могат да показват информация по различни начини. Като пример, на фиг. 2.9 показва някои опции за показване на информация в ехолот Simrad EN 200. По правило течнокристалните дисплеи се използват за индикация. На фиг. 2.9-1 изображение
Има чисто цифров режим на индикация, който показва работния обхват и текущата дълбочина, на втория - цифров данък, на третия - цифрово-аналогов с ограничение на зоната на показване на ехо сигнала в диапазона от 230-250 метра. Други примери за показване на информация в цифрова форма могат да бъдат
намерени в [12].
Рекордерите записват
Фиг. 2.9 от закона за промяна на дълбочината под кила на кораба по време на пътуването. По правило този запис се прави на специална електротермична хартиена лента. Разработени са доста конструктивни опции за записващи устройства, всички те имат записващо устройство, устройства за управление на работата на ехолота и контролни и сигнални устройства.
Електротермичната хартия, върху която се записват дълбочините, има горен слой, който се разпада при преминаване на електрически ток през него. Под него има цветен, често черен слой. Степента на разрушаване на горния слой и в резултат на това яркостта и размерът на маркировката за дълбочина зависят от тока, протичащ през хартията.
Наскоро записващите устройства от разглеждания тип бяха заменени от принтери, свързани с процесора за ехолот. Те ви позволяват да печататене само ехограма, но и всяка друга информация, въведена в тях отвън. В допълнение, те могат да показват цветова селекция на сигналите, получени от ехолота според тяхната мощност, което улеснява декодирането на ехограмата.
На фиг. 2.10 показва пример на ехограма, отпечатана с помощта на принтер. Вертикалните линии на ехограмата съответстват на маркировките на събитията, въведени от навигатора, които обикновено се наричат оперативни марки. Те имат собствен номер, който се въвежда автоматично при натискане на бутона, който въвежда марката. При желание на линията на оперативната маркировка могат да се отпечатат текущите координати на кораба и различни бележки на навигатора към маркираното събитие. Фигурата също така показва нулевата линия и линиите на дълбочината в диапазона от нула до сто метра. Всичко по-горе прави ехограмата, отпечатана на принтер, много по-информативна от нейния аналог, записан със записващо устройство.
Устройствата за сигнализиране на достигане на кораба на зададена дълбочина (PSG) могат да бъдат изработени като отделен продукт или вградени в други устройства от комплекта ехолот.
Принципът на работа на PSG е да сравнява интервала от време от момента на излъчване до приемането на отразен от дъното сигнал с даден интервал от време, съответстващ на дълбочината, зададена от оператора на устройството.