УДК 531.383
ДАТЧИКИ ВЕРТИКАЛЬНОЙ КАЧКИ
В. А. Дмитриев, В. Я. Распопов, Ю. В. Иванов, Р. В. Алалуев
Рассмотрены особенности применения инерциального метода для измерения вертикальной качки судна. Проанализирован состав аппаратуры датчиков вертикальной качки, необходимой для работы с различными типами промерных эхолотов. Приведены конструкции систем измерения вертикальной качки.
Одной из составляющих колебаний судна на морском волнении является вертикальная качка. Она оказывает отрицательное воздействие на работу целого ряда приборов и систем, к которым относятся гравиметры, одно- и многолучевые эхолоты, профилографы, гидролокаторы бокового обзора (в том числе рыбопоисковые), антенны гидроакустических систем слежения за автономными подвижными объектами, лазерные и радиотехнические устройства для измерения параметров и состояния поверхности океана и атмосферы, антенны радиолокационных станций, систем спутниковой связи и телевидения, автономные буи для исследования морского волнения и экологии океана, гидроакустические приборы буксируемых необитаемых подводных аппаратов.
Измерить вертикальную качку возможно оптическими, радиотехническими (в том числе спутниковыми) или инерциальными методами. Преимущество инерциального метода измерения вертикального перемещения судна на качке заключается в его автономности, когда измерения могут производиться как на надводном, так и на подводном объекте без использования береговых ориентиров в любой точке океана. Кроме того, при использовании инерциального измерителя вертикальной качки практически не имеют значения размеры объекта, на котором он установлен.
Для реализации инерциального метода измерения вертикальной качки в качестве чувствительного элемента системы используется линейный акселерометр с осью чувствительности, ориентированной по вертикали. Эта ориентация может быть реализована физически путем размещения акселерометра на гировертикали в карда-новом подвесе или математически с помощью бесплатформенной системы ориентации. Тогда акселерометр жестко связан с подвижным объектом, а его показания корректируются при помощи сигналов системы ориентации, пропорциональных углам крена и дифферента. В некоторых системах [1] "вертикальный" акселерометр является частью системы ориентации, так как его сигнал также используется для выработки сигналов, пропорциональных углам крена и дифферента.
Для получения сигнала вертикального перемещения необходимо дважды проинтегрировать
сигнал акселерометра, ориентированного по вертикали места.
Таким образом, можно считать, что устройство, реализующее инерциальный метод измерения вертикальной качки, состоит из двух измерительных каналов. Один из них — канал измерения вертикального перемещения — включает акселерометр, ось чувствительности которого ориентирована вертикально, и вычислительное устройство, производящее двукратное интегрирование его сигнала. Второй измерительный канал выполняет функцию построения вертикали для обеспечения ориентации акселерометра.
Подобная задача измерения и интегрирования вертикального ускорения успешно решается при разработке систем управления баллистическими ракетами. Однако напрямую перенести этот опыт в область проектирования систем измерения вертикальной качки не представляется возможным из-за специфики систем измерения вертикальной качки, состоящей в том, что время их непрерывной работы, в отличие от управления баллистическими ракетами, может составлять десятки и сотни часов. При этом интегрирующее устройство не должно входить в режим насыщения.
Другая особенность функционирования систем измерения вертикальной качки состоит в том, что и вертикальный канал, и канал построения вертикали работают в условиях изменения частоты и интенсивности вертикального и горизонтального ускорений качки в очень широких пределах, зависящих от типа объекта, места установки акселерометра на объекте и других факторов.
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДАТЧИКОВ ВЕРТИКАЛЬНОЙ КАЧКИ ДЛЯ ОДНОЛУЧЕВЫХ ПРОМЕРНЫХ ЭХОЛОТОВ
Промерные эхолоты предназначены для точных измерений глубины при проведении гидрографических работ с целью картографирования, инженерно-геодезической съемки дна, проведения геологических исследований. Инструментальная погрешность промерных эхолотов обычно не превышает 0,05 м.
По числу излучателей промерные эхолоты можно подразделить на однолучевые и многолу-
44
Зепвогв & Sysíems • № 7.2006
килевой и вертикальной качки
чевые. Для однолучевых эхолотов характерна широкая диаграмма направленности ультразвукового излучателя, которая может достигать 10°. К достоинствам однолучевого эхолота следует отнести простоту конструкции, а в качестве недостатка отмечают ограниченный объем информации, получаемый в результате промера в виде профиля дна по линии движения судна.
В условиях качки судно имеет угловые колебания относительно трех главных осей, кроме того, центр масс судна совершает вертикальное движение. На рис. 1 показано, как изменяется расстояние Н от излучателя до дна в результате килевой качки с углом дифферента y и вертикального перемещения центра масс Zo.
Изменение расстояния от излучателя эхолота до дна на качке приводит к измерению ложных глубин. Излучатели эхолота, как правило, смещены по продольной оси судна в сторону носовой части на величину I. Это смещение необходимо для уменьшения вероятности попадания пузырьков воздуха от гребного винта под излучатель, в результате чего изменяется скорость распространения звука и появляются искажения на эхограмме.
При такой компоновке прибора вертикальные перемещения излучателя за счет угла дифферента y сопоставимы с перемещениями от вертикального движения центра масс судна Zo. Вертикальные перемещения произвольной точки судна, находящейся от центра масс по продольной оси на расстоянии I и смещенной в горизонтальной плоскости от этой оси на расстояние т, зависят также от угла крена 0 и могут быть определены по формуле:
D(P) = Z0(P) + H siny(P) + т sin0(P).
Таким образом, если датчик вертикальной качки расположить непосредственно над излучателем, то для компенсации вертикального перемещения в сигнале эхолота не потребуется информация об углах крена и дифферента. Если датчик вертикальной качки расположен над центром масс судна, то его вертикальный канал измеряет только перемещение Zo, а для выгаисления перемещения h(t) необходимо использовать информацию об углах y и 0, получаемую от гировертикали или бесплатформенной системы ориентации.
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДАТЧИКОВ ВЕРТИКАЛЬНОЙ КАЧКИ ДЛЯ МНОГОЛУЧЕВЫХ ПРОМЕРНЫХ ЭХОЛОТОВ
Многолучевой эхолот, в отличие от однолуче-вого, позволяет получать детальную информацию о поверхности морского дна. С его помощью можно построить карту рельефа дна определенной ширины по ходу движения судна.
Многолучевые эхолоты имеют различное конструктивное исполнение антенной системы, состоящей из нескольких излучателей. Для больших промерных судов чаще всего применяются излучатели, сгруппированные в блок, образующий фазированную антенную решетку и размещенный под днищем судна (рис. 2).
Площадь локации зависит от величины угла раскрытия суммарной диаграммы направленности антенной системы излучателей в поперечной плоскости d и глубины.
Для малых промерных судов и промерных катеров используется конструкция типа "эхотрал" (рис. 3).
Излучатели 1 размещаются на раскрывающихся "крышьях" 2. Такая конструкция позволяет увеличить площадь локации на малых глубинах.
L J
а) б)
Рис. 2. Конструктивные схемы размещения излучателей многолучевого эхолота:
а — жесткое крепление блока излучателей; б — выдвижной блок излучателей
типа "эхотрал":
1 — излучатели эхолота; 2 — раскрывающиеся "крылья"
Ширина диаграммы направленности каждого излучателя антенны в плоскости, перпендикулярной движению судна, составляет около 2°. Поэтому при бортовой качке эхолот измеряет не глубину $, а наклонную дальность до дна. Кроме того, при достаточно больших глубинах координаты судна и координаты участка дна, от которого принимается отраженный сигнал, могут существенно отличаться.
Поэтому в отличие от однолучевого эхолота, который в принципе может работать без устройства компенсации качки, особенно на больших глубинах, когда вертикальные перемещения судна несравнимо меньше измеряемой величины, многолучевые эхолоты всегда должны иметь в своем составе как минимум датчики крена и дифферента.
В зависимости от вида используемой конструктивной схемы размещения излучателей для компенсации влияния бортовой и килевой качки применяют механический или электронный способ стабилизации направления луча. Например, в эхолоте 81тгаё ЕМ-100, у которого конструкция антенного блока излучателей выполнена по схеме, показанной на рис. 2, б, используется механическая стабилизация излучателей по углу дифферента. Для этого выдвижной блок излучателей помещен в одноосный карданов подвес, снабженный исполнительным двигателем, который вместе с гироскопическим датчиком дифферента и усилительно-преобразовательным устройством образуют косвенную систему стабилизации. В этом эхолоте по углу крена применена электронная стабилизация излучателей, принцип действия которой заключается в том, что в приемные каналы эхолота с помощью компьютера вводятся соответствующие временные задержки сигнала, пропорциональные показанию датчика крена.
В Тульском государственном университете с 1982 г. проводились работы по теоретическому исследованию и созданию конструкций гироскопических систем измерения вертикальной качки.
В навигацию 1984 г. на гидрографическом судне "И. Киреев" в акватории Карского моря были проведены натурные испытания и опытная эксплуатация первого отечественного компенсатора качки для промерного эхолота "Волна-К" (рис. 4). В этом эхолоте для стабилизации вертикального акселерометра была использована модернизированная гиростабилизированная платформа ВГСП, предназначенная для стабилизации двух набортных гравиметров. В дальнейшем были разработаны и внедрены в практику гидрографических исследований серии компенсаторов качки "Вол-на-КМ" и "Волна-М" (рис. 5). В компенсаторе качки "Волна-М" в качестве гиростабилизато
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.