 |
Устройства отображения информации
|
|
|
|
ЭХОЛОТОВ
Принцип действия эхолота
Основной задачей навигационного эхолота является определение расстояния от излучающей поверхности его антенны до дна. Решение этой задачи осуществляется путем измерения времени прохождения гидроакустической посылкой, формируемой эхолотом, расстояния до дна и обратно.
Гидроакустические посылки формируются с помощью антенн. В общем случае эхолот в минимальной комплектации может иметь или одну приемно-передающую антенну или две антенны, одна из которых излучает посылку, а другая – осуществляет прием отраженного от дна сигнала. Большинство современных навигационных эхолотов имеют одну антенну. Однако для большей общности при рассмотрении принципа действия эхолота будем считать, что эхолот имеет одну передающую антенну А1 (рис. 1.1) и одну приемную А2.
| Рис.1.1 |
где r – расстояние от антенны до точки О, а с – скорость распространения звуковой волны. Учитывая, что расстояние между антеннами эхолота, как правило, значительно меньше текущей глубины h под килем судна, можно считать, что 
, и указанную глубину вычислять, используя следующее равенство:
(1.1)
| Рис.1.1 |
§ антенные устройства;
§ устройство, формирующее сигнал посылки (передающее устройство) ПРД;
§ приемное устройство ПРМ, осуществляющее усиление входного сигнала антенны А2 и преобразование его к виду, удобному для дальнейшего использования;
§ командное устройство КУ, управляющее работой эхолота;
§ устройства И отображения и регистрации информации.
|
|
|
В том случае, если эхолот имеет одну приемно-передающую антенну, он должен включать в себя устройство для переключения антенны с режима передачи сформированного импульса на прием сигнала, отраженного от дна, и далее на передачу новых импульсов и прием их отражений.
Рассмотрим особенности устройства и работы каждого из перечисленных блоков.
Передающее устройство
Параметры посылки должны удовлетворять определенным требованиям, так как от них в значительной мере зависит качество работы эхолота. Прежде всего, должна быть задана несущая (опорная)частота посылки. Несущие частоты лежат в ультразвуковом диапазоне, причем их верхние значения обычно не превышают 300 кГц.
Длительность импульса Ти также является важным параметром, так как она совместно с его амплитудой определяет энергию, заключенную в нем, и, следовательно, влияет на предельную глубину, которая может быть измерена эхолотом. Кроме того, от длительности импульса зависит разрешающая способность эхолота, т.е. та минимальная разность глубин, которая может быть измерена системой.
На практике длительность импульсов чаще всего лежит в диапазоне от 10-5 с до 10-3 с, что соответствует разности глубин от 10 см до 1,5 м.
Частота следования импульсов обычно выбирается из тех соображений, чтобы в любом рабочем диапазоне последующий импульс излучался только после того, как будет принят отраженный.
| Рис.1.2 |
Формируются указанные импульсы по типовой схеме, показанной на рис. 1.2. Генератор Г (его часто называют задающим генератором) вырабатывает гармоническое напряжение, соответствующее требуемому значению несущей частоты. При необходимости формирования импульсов, имеющих различные несущие частоты, кратные частоте генератора Г, как правило, используется деление несущей частоты названного генератора.
Напряжение генератора (или делителя частоты) поступает на модулятор М. Сюда же поступает импульсное напряжение, вырабатываемое генератором импульсов ГИ. Длительность этих импульсов и частота их следования соответствуют указанным параметрам формируемого излучения. На выходе модулятора образуются импульсы прямоугольной формы, заполненные несущей частотой. Указанные импульсы усиливаются по напряжению в усилителе напряжения УН и по мощности – в усилителе мощности УМ, после чего через согласующие цепи (на рис. 1.2 не показаны) поступают в антенну. Антенна обеспечивает максимально эффективное преобразование энергии электрического импульса в энергию звукового. Иногда в указанную схему включаются дополнительные цепи, позволяющие повысить качественные показатели посылки или осуществить необходимые задержки излучения.
|
|
|
В качестве задающих генераторов в эхолотах, как правило, используют обычные высокочастотные автогенераторы синусоидальных колебаний с трансформаторной, автотрансформаторной или емкостной обратной связью.
Модуляторы могут применяться как амплитудные, воздействующие непосредственно на колебания, вырабатываемые генератором сигнала, так и ключевые, обеспечивающие прохождение напряжения задающего генератора только в те промежутки времени, когда они открыты импульсом, поступившим с ГИ.
Усиление сигналов по напряжению и мощности осуществляется по классическим схемам. Конкретные схемы усилителей определяются той элементной базой, на которой они построены.
В современных эхолотах с целью оптимизации параметров излучения предусматривается возможность изменения в определенных пределах несущей частоты, мощности излучаемого сигнала, а также длительности импульсов и частоты их следования.
Антенные устройства
В настоящее время во всех современных эхолотах используются пьезокерамические антенны, работа которых основана на пьезоэлектрическом эффекте, свойственном пьезокерамике на основе титаната бария, метаниобата свинца или цирконата свинца. Сущность эффекта заключается в том, что при подаче напряжения на электроды, нанесенные на поверхность пьезокерамических элементов, которые будем называть вибраторами, происходит их деформация и наоборот, если деформировать вибратор, то на его электродах появится потенциал, зависящий от величины этой деформации. Таким образом, указанные вибраторы можно использовать в качестве приемных и передающих антенн. Пьезокерамические вибраторы имеют хорошие эксплуатационные показатели, технологичны в изготовлении и надежны в работе. В связи с тем, что изготавливаются они из тонкодисперсионного порошка путем прессования с небольшой добавкой цементирующего материала и последующим обжигом, легко могут быть получены преобразователи любой формы и размеров.
|
|
|
Пьезокерамическая антенна, как правило, состоит из активного элемента (керамики), наклеенного на металлическую накладку (мембрану). При этом путем выбора акустических характеристик керамики и накладки можно в определенных пределах изменять параметры всей антенны.
В качестве примера рассмотрим конструкцию антенны эхолота типа НЭЛ-МЗБ (рис. 1.3). Основными ее частями являются блок 9 пьезоэлементов 7, корпус 1, крышка 2 и кабель 3. Соединение крышки с корпусом осуществляется с помощью болтов 5. Для герметизации антенны используется резиновая прокладка 10.
| Рис.1.3 |
Блок пьезоэлементов состоит из металлической мембраны 6, завулканизированной в корпус, и наклеенных на нее пьезоэлементов 7. В корпусе имеются отверстия 11, в которые устанавливаются втулки для крепления антенны на судне. С целью обеспечения акустической развязки антенны от вибраций корпуса судна и изоляции мембраны от внешней среды корпус и блок пьезоэлементовзавулканизированы резиной. Для предохранения излучающей поверхности антенны от повреждений при транспортировке и хранении предусмотрен защитный щиток 8, который снимается после установки антенны на судне.
Кабель завулканизирован в металлическую втулку и крепится к крышке гайкой 4 кабельного ввода, которая одновременно защищает его от повреждения в месте крепления.
| Рис. 1.4 |
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 водой. Конструктивные варианты корпуса антенны и приемника, в который она устанавливается, могут быть самыми разнообразными. Например, с этой целью может использоваться фланцевый тип монтажа. На рис 1.4 представлена фланцевая схема крепления антенны эхолота IES-10,разработанного корпорацией OceanDataEquipment(США). Антенна устанавливается в специальное установочное кольцо, которое чаще всего изготовляется из нержавеющей стали и приваривается в прорезь днища судна. Нижняя часть кольца прикрывается полиуретановой крышкой (на рисунке не показана), сквозь которую беспрепятственно проходит импульс посылки. В процессе эксплуатации следует поддерживать эту крышку в чистоте. Наличие крышки снижает турбулентность потока воды у антенны и уменьшает обрастание вибратора антенны. Фиксируется антенна крепежными болтами. Под фланец антенны прокладывается герметизирующий сальник, который исключает проникновение морской воды.Аналогичная установка может быть произведена с использованием обтекателя (fairingblock) (рис. 1.5). При этом обтекатель не должен затруднять работу вибратора антенны.
|
|
|
| Рис. 1.5 |
Такая схема использована, например, в изделии “BronzPlusDepth” производства EchoPilotMarineElectronicsLTD. Нередко антенны, устанавливаемые таким образом, имеют снабженный резьбой хвостовик 1 (рис. 1.6), что облегчает крепление антенны.
| Рис. 1.6 |
| Кабель |
| Рис. 1.7 |
| Рис. 1.8 |
| А |
| В |
| С |
| С |
|
|
|
Нередко антенны устанавливаются в клинкетах, что позволяет производить их обслуживание и замену без постановки судна в док. Один из вариантов устройства клинкета представлен на рис. 1.9. К вырезу в донной части корпуса судна 1 приваривается установочный фланец 2, на который монтируется клинкет. Антенна 10 помещается в цилиндрический корпус 9 и вставляется в корпус клинкета. Верхний фланец 6 цилиндрического корпуса свинчен с крепежным фланцем 7, который, в свою очередь, соединяется с корпусом клинкета с помощью винтов или, как это показано на рисунке, с помощью предохранительных шпилек 4. Все места соединений снабжаются уплотняющими прокладками 3, предотвращающими протечку воды. С помощью маховика 8 перекрывается клинкет при извлечении из него антенного блока.
| Рис. 1.10 |
| Рис. 1.9 |
Приемные устройства
Приемные устройства осуществляют выделение полезного сигнала из сопутствующих ему помех, усиление выделенного сигнала и преобразование его к виду, необходимому для отображения, регистрации и использования другими информационными или управляющими системами.
В соответствие с этим, общую схему приемного 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 входного тракта. Для устранения помехи от объемной реверберации вводят временн ỳ ю регулировку усиления. Как правило, в каждом эхолоте имеется возможность ручной регулировки усиления приемного тракта. Наряду с этим, для отображения информации нередко используется не весь рабочий диапазон глубин, а только небольшая его область, что исключает наблюдение помех, лежащих вне этой области, и увеличивает масштаб изображения. В целом, указанные приемы позволяет успешно бороться с помехами.
Основной усилитель сигнала может быть построен как по схеме прямого усиления, 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 использование второго варианта.
| Рис.1.11 |
Более устойчивую работу обеспечивает приемное устройство, схема которого показана на рис. 1.11 б, поскольку в этом случае усиление на рабочей частоте производится только до величины, необходимой для нормальной работы детектора Д. Однако широкого применения подобные устройства тоже не нашли, в виду того, что они, как и предыдущий вариант, могут работать только с ключевой схемой выхода. Это объясняется тем, что усиление импульсов длительностью более нескольких миллисекунд и их передача без искажений через трансформаторные связи весьма затруднительны.
Требуемая устойчивость работы и неискаженная передача на запись формы отраженного от дна сигнала обеспечиваются приемным трактом, схема которого приведена на рис. 1.11 в. 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 детектора поступают в преобразователь АЦП аналогового сигнала в цифровой с целью дальнейшей цифровой обработки информации.
Супергетеродинные приемные тракты. 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 правило, на фиксированных частотах, количество которых не превышает двух, такие приемники используются редко.
Цепи преобразования сигнала эхолота придают ему вид, необходимый для отображения информации в устройствах индикации, для регистрации информации в различных записывающих устройствах, для передачи информации в другие изделия.
Устройства отображения информации
Для отображения информации в эхолотах используются:
§ Устройства, обеспечивающие регистрацию закона изменения глубины под килем судна в процессе его плавания и последующее его визуальное представление;
§ аналоговые, цифровые и цифроаналоговые индикаторы глубины,
§ системы, обеспечивающие сигнализацию о выходе судна на заданную глубину.
Описание указанных устройств будет рассмотрено применительно к конкретным моделям эхолотов, а сейчас дадим лишь их общую характеристику. Отметим, что в устаревших моделях эхолотов для отображения закона изменения глубины в процессе плавания судна использовались самописцы, осуществляющие запись измеренных глубин на бумажную ленту. Это были достаточно громоздкие и не простые в регулировке и техническом обслуживании электромеханические устройства. Принцип их действия и правила эксплуатации достаточно полно описаны в учебной литературе и в настоящем пособии они не рассматриваются.
В современных эхолотах закон изменения текущей глубины в процессе плавания, как правило, отображается на цветных жидкокристаллических дисплеях и записывается в флэшпамять. В ряде эхолотов по желанию оператора цветное представление эхограммы может быть изменено на тональное черно-белое. Отображение указанного закона производится на ограниченном отрезке времени при этом устаревшие значения глубины (вышедшие за пределы данного отрезка времени) с экрана удаляются и заменяются текущими значениями. Данные, записанные в память, сохраняются при выключенном эхолоте или вне его в течение заданного времени и могут быть воспроизведены как на экране эхолота, так и на внешнем мониторе. Как правило, эти данные дополняются другой полезной информацией (моментом времени, соотнесенным с записанной глубиной, координатами судна и т.д.).
Практически всегда записанные в память данные могут быть распечатаны на бумаге с помощью встроенных или внешних принтеров.
Описываемые дисплеи могут представлять информацию в однооконном и двухоконном варианте. Второй вариант используется тогда, когда эхолот работает на двух несущих частотах (в каждом окне отображается информация, полученная на одной из частот) и когда возникает необходимость отобразить отрезок эхограммы, записанной ранее. Потенциально во втором окне может быть отображена любая другая полезная для судоводителя информация.
В составе комплекта некоторых моделей эхолота (например,GDS-101 Raytheon) могут поставляться дополнительные (slave) дисплеи, которые дублируют показания основного дисплея.
В устаревших моделях эхолотов, использующих самописцы, как правило, в комплекте поставлялись цифровые указатели глубин, которые были единственными источниками информации в цифровом виде. В современных эхолотах вся необходимая информация (в том числе и в цифровом виде), как это уже было сказано, отображается на основном дисплее, расположенном в центральном приборе, как правило, называемом прибором управления и индикации. В связи с этим, репитеры могут не входить в базовый комплект эхолота и поставляются только по заявке заказчика. В настоящее время разработано большое количество как целевых (рассчитанных на отображение одного вида информации), так и универсальных репитеров. Некоторые образцы таких репитеров будут рассмотрены ниже при описании конкретных моделей эхолотов.
| Рис. 1.12 Индикатор глубины |
| Рис. 1.13 Индикатор глубины, скорости и пройденного расстояния |
регулировки яркости свечения экрана и нередко допускают возможность установки критических значений измеряемых параметров и осуществляют сигнализацию о достижении измеряемым параметром этого критического значения.
Сигнализации о выходе судна на заданную глубину в устаревших моделях эхолотов нередко обеспечивалась отдельным прибором, поставляемым в комплекте. В современных эхолотах эта сигнализация обеспечивается путем подачи звукового сигнала устройствами, встроенными в прибор управления и индикации и/или внешними устройствами, используемыми для аналогичных целей. Наряду со звуковой сигнализацией используется визуальная сигнализация в виде включения светящегося табло, предупреждающего об опасности, или в виде мигающей информации, отображаемой на дисплее эхолота. Вполне очевидно, что для обеспечения указанной сигнализации в оперативную память эхолота должна быть записана заданная глубина.
Эксплуатация эхолотов
При работе с конкретным типом эхолота необходимо руководствоваться требованиями его инструкции по эксплуатации. Многие из них в своей основе являются общими для всех типов эхолотов, хотя и могут иметь несущественные отличия по отдельным параметрам, отражающим специфику самого изделия или судна, на котором оно установлено. К таким требованиям можно отнести:
§ общие требования к размещению приборов комплекта эхолота на судне,
§ общие указания по подготовке эхолота к рейсу и работе с ним,
§ общие указания по техническому обслуживанию эхолотов,
§ общие указания по обеспечению эксплуатационной надежности эхолотов.
|
|
|
