Принцип действия гидроакустического доплеровского лага основан на эффекте Доплера, в соответствии с которым при относительном движении источника или приемника звуковых волн происходит изменение частоты принимаемых колебаний по отношению к излученным, причем это изменение, называемое доплеровским сдвигом, пропорционально скорости указанного относительного движения.
При использовании доплеровского гидроакустического лага и излучатель, и приемник колебаний находятся на судне. Рассмотрим процесс формирования доплеровского сдвига частоты, который происходит в этом случае
Точка О являющаяся в рассматриваемом случае приемником, неподвижна. Поэтому на основании полученных результатов. Можно записать, что
В точке Озвуковой луч отражается, не меняя частоты, а затем идет к приемнику. Следовательно, точку Оможно рассматривать как неподвижный источник, излучающий волны частотой . Частоту в приемнике можно определить с учетом того, что теперь Имеем:
Выражение показывает, что, в принципе, зависимость fд от скорости судна носит нелинейный характер. Это является одним из основных недостатков однолучевого лага.
Абсолютную погрешность определения доплеровского сдвига частоты
можно найти по формуле
Более показательной является относительная погрешность
Зависимость изменения частоты колебаний или длины волны, воспринимаемой наблюдателем, от скорости источника колебаний и наблюдателя при движении относительно друг друга, называется эффектом Доплера.
Эффект Доплера для звуковых волн может наблюдаться непосредственно. Он проявляется в повышении тона звука, когда источник звука и наблюдатель сближаются, и соответственно в понижении тона звука, когда они удаляются.
Принцип действия гидроакустического лага, основанного на эффекте Доплера и применяемого для измерения скорости судна относительно грунта (дна), заключается в следующем.
В днище судна установлена антенна, действующая как излучатель и приемник ультразвуковых колебаний. В сторону дна излучаются ультразвуковые волны частотой f 0 в виде узкого пучка под углом Ө к плоскости горизонта. Считаем для простоты, что угол дифферента судна равен нулю, вектор скорости судна совпадает с курсом, а вертикальных перемещений судна нет.
Длина волны ультразвуковых колебаний λв воде, излученных с движущегося судна, λ = W/ f 0 где W - результирующая скорость удаления излученной волны от судна в направлении звукового луча.
Cкорость W определяется скоростью звука с и проекцией вектора скорости V c судна на направление излучения:
W=c - VcCOS Ө1. Тогда λ= (c - VcCOS Ө)/ f 0
В силу неровностей рельефа дна звуковая волна рассеивается во все стороны, в том числе и в направлении антенны. Таким образом, от дна будет получен эхо-сигнал с длиной волны λ,
Скорость приближения эхо-сигнала W′ =c + VcCOS Ө
В результате частота принятых колебаний с учетом предыдущих уравнений может быть представлена в виде f п = f 0 (1+(2VcCOS Ө)/c)
Разность частот эхо-сигнала, пришедшего на антенну со дна, и излученного сигнала и будет являться уравнением однолучевого доплеровского лага (доплеровский сдвиг).
f д = f п - f 0 =2f 0 VcCOS Ө/c
Практическая реализация однолучевого доплеровского лага связана с рядом трудностей, основными из которых являются нелинейность зависимости f д от V c , изменение угла Ө
при крене, дифференте и на качке, влияние вертикальной составляющей скорости судна на измеряемый сигнал. Рабочие глубины доплеровских лагов находятся в пределах 200 – 300 м. погрешность, вызванная изменением скорости звука в морской воде, может достигать 4 %, поэтому в большинстве конструкций лагов приняты меры по компенсации или учёта погрешности. Коррекция выполняется вручную или автоматически по двум параметрам: температуре воды и её солёности. Точность показаний доплеровских лагов довольно высока и при углах крена, дифферента, качки, не превышающих 2 – 3%. Суммарная погрешность составляет 0,1 – 3%.
14.Двухлучевые и многолучевые доплеровские лаги.
Эффективным способом устранения нелинейной зависимости между сдвигом частоты и скоростью судна является использование двухлучевой антенной системы , так называемой схемой " Янус" (рис8.4) . По этой схеме акустические сигналы излучаются вдоль диаметральной плоскости судна в сторону носа и кормы под одним и тем же углом Θо. Частоту сигнала, принятого по носовому лучу f2н можно определить по выражению (f= fo*(1+Vx*cos Θо/c)*(1- Vx*cos Θо/c)¯¹), f2н = fo*(1+2Vx*cos Θо/c + 2V²x*cos² Θо/c +…) .-формула(1) . Для сигнала, принятого по кормовому лучу, получиманалогичное выражение, заменив Vx*cos Θо на - Vx*cos Θо. В результате получим: f2к = fo*(1-2Vx*cos Θо/c + 1- 2V²x*cos² Θо/c +…) .-формула(2). Доплеровский сдвиг частоты найдем как разность частот сигналов, принятых по носовому и кормовому лучам: fд = f2н- f2к .-формула(3). Подставляя в (3) значения f2н и f2к в соответствии с выражениями (1) и (2), получим истинное значение доплеровского сдвига частоты fд= (fo*4* Vx cos Θо)/ с . -формула (4) , где с - скорость распространения сигнала в воде. Найдем относительные погрешности δfд (которая определяется отношением Δfд/fдл, где fдл-лаговый доплеровский сдвиг частоты) и δVx (δVx= ΔVx/Vx). Окончательный результат имеет вид: δfд = Δfд/fдл = δVx= ΔVx/Vx = (V²x / с²)* cos² Θо. - формула (5). Итак при использовании в гидроакустическом доплеровском лаге схемы Янус с высокой степенью точности обеспечивается линейная связь между доплеровским сдвигом частоты, полученной как разность сигналов, принятых по носовому кормовому лучам, и скорости судна. Уравнение двухлучевого доплеровского лага Vx= (fд* С*sec Θо)/ 4* fo - формула(6), или Vx= fд/ Кv , где Кv=(4* fo* cos Θо)/ с - коэффициент скоростной чувствительности лага. Кv характеризует величину приращения доплеровского сдвига частоты при увеличении скорости на 1 уз. При прочих равных условиях выгоднее иметь большую величину коэффициента Кv, т.к. точность измерения скорости (при неизменной величине инструментальных погрешностей) будет выше.
Изобретение относится к области гидроакустических лагов, предназначенных для измерения скорости морского объекта. Техническим результатом изобретения является упрощение и удешевление конструкции лага при повышении точности измерений (предельная погрешность -0.1 уз). Гидроакустический доплеровский лаг содержит четырехлучевую гидроакустическую антенну, антенный переключатель, коммутатор излучения, схему согласования антенны, усилитель мощности, коммутатор приемных сигналов, дифференциальный приемник, программируемый усилитель, полосовой фильтр, аналого-цифровой преобразователь, цифровой гетеродин, цифровой фильтр с дециматором, контроллер UART, приемопередатчики RS-232 и RS-422. Лаг дополнительно содержит DSP-процессор, на вход которого поступают данные с цифрового фильтра с дециматором от четырех каналов измерения скорости объекта (нос, корма, левый борт, правый борт), с помощью которого реализуется обработка эхосигнала методом многоальтернативной фильтрации, использующей банк фильтров Калмана и направленной на оценку параметра модели эхосигнала, соответствующего значению скорости объекта, с предельной погрешностью не более 0.1 уз за время не более 4 сек, и выдаются результирующие значения скорости объекта через контроллер UART и приемопередатчики RS-232 и RS-422 внешнему потребителю. 2 ил.
Рисунки к патенту РФ 2439613
Изобретение относится к области морских лагов, предназначенных для измерения скорости морского объекта.
Известны лаги (US № 5694372, US № 3795893, SU № 1840743) с расположением лучей гидроакустической антенны по схеме Янус, которая позволяет существенно снизить погрешности измерения скорости морского объекта при волнении моря и наличии вертикальной скорости объекта.
В настоящее время в доплеровских лагах используется частотный подход, требующий оценки спектра в форме периодограммы на основе преобразования Фурье реализации эхосигнала. Эта оценка обладает свойством несостоятельности и требует для своей выработки значительного времени, приводя к повышенной погрешности и временной задержке в определении скорости. Эхосигнал с достаточной адекватностью аппроксимируется узкополосным случайным процессом, свойства которого определяются неоднородностью отражающей поверхности, конечной шириной диаграммы направленности, условиями распространения, шумом приемника и т.п.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявленного изобретения является устройство, описанное в авторском свидетельстве SU № 1840743. Устройство-прототип содержит задающий генератор, формирователь программы излучения, усилитель мощности, акустическую антенну, приемно-индикаторное устройство.
Прототип имеет следующие недостатки: низкая частота выработки выходной информации, что не позволяет использовать лаг-прототип на динамичных объектах; зависимость работы лага от внешнего источника глубины.
Задачи, которые решает данное изобретение, заключаются в повышении быстродействия и точности результатов измерения скорости объекта за счет применения оптимального многоальтернативного алгоритма обработки эхосигнала, основанного на банке фильтров Калмана, а также в упрощении и удешевлении конструкции гидроакустического лага, увеличении надежности его работы, облегчении технического обслуживания изделия.
Решение вышеизложенных задач достигается за счет:
Применения алгоритма многоальтернативной фильтрации с использованием банка фильтров Калмана в задаче постобработки эхосигнала;
Реализации алгоритмов цифровой обработки сигнала на стадии подготовки сигнала к постобработке;
Использования схемы Янус в гидроакустической антенне;
Применения стандартного конструктива «Евромеханика 3U» и современной элементной базы.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой представлена структурная схема гидроакустического лага.
В состав лага входят:
1 - Четырехлучевая многоэлементная гидроакустическая антенна, представляющая собой фазированную решетку элементов;
2 - Антенный переключатель, предназначенный для разделения сигнала по каналам в режиме приема эхосигнала;
3 - Коммутатор излучения, предназначенный для выбора излучаемого диаметра антенны в режимах работы на больших или малых глубинах под излучающей поверхностью антенны;
4 - Схема согласования антенны, предназначенная для настройки резонанса антенны и снижения потерь мощности в режиме излучения;
5 - Усилитель мощности, представляющий собой схему полного моста, собранную на мощных полевых транзисторах ультразвукового диапазона с управлением от сильноточных полумостовых драйверов;
6 - Коммутатор приемных сигналов, предназначенный для выбора приема отраженного эхосигнала от антенны на малых глубинах, на больших глубинах под излучающей поверхностью антенны; использования тестового сигнала для режима контроля тракта приема;
7 - Дифференциальный приемник эхосигналов, предназначенный для точного приема отраженных эхосигналов и формирования характеристики направленности антенны в режиме приема. Особенностью этого узла является применение полупроводникового элемента, вместо обычно используемого для этих целей приемного трансформатора;
8 - Программируемый усилитель с цифровым управлением, предназначенный для построения зависящей от глубины под килем характеристики усиления отраженных эхосигналов;
9 - Полосовой фильтр, предназначенный для выделения сигнала в рабочей полосе частот перед последующим аналого-цифровым преобразованием;
10 - Аналого-цифровой преобразователь, предназначенный для получения цифровых отчетов эхосигнала по четырем каналам;
11 - Цифровой гетеродин, предназначенный для смещения области рабочих частот эхосигнала с ультразвукового спектра в область низких частот, реализован аппаратно на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС);
12 - Цифровой фильтр с дециматором, необходимые для выделения области рабочих частот и снижения частоты квантования отраженного эхосигнала, реализованы на ПЛИС;
13 - Цифровой сигнальный процессор (DSP), предназначенный для вычисления конечного результата обработки эхосигналов и получения продольной и поперечной скоростей объекта по алгоритму многоальтернативной фильтрации, с использованием банка фильтров Калмана. Блок-схема алгоритма показана на фиг.2. На фиг.1 не показаны такие части вычислительной системы, необходимые для работы DSP процессора, как ОЗУ, ПЗУ, система получения данных после предобработки эхосигналов;
14 - Контроллер интерфейсов UART, предназначенный для организации обмена конечной информацией с потребителем по протоколу NMEA 0183. Реализован в ПЛИС;
15 - Приемопередатчики интерфейсов, предназначенные для согласования уровней сигналов интерфейсов RS-232 и RS-422.
Устройство работает следующим образом.
После включения питания запускается вычислительная система лага, состоящая из DSP-процессора 13 и контроллера интерфейсов 14. Выполняется предпусковой контроль, который включает в себя проверку целостности программного обеспечения, проверку памяти, проверку функционирования приемного тракта методом подачи на вход коммутатора приемных сигналов 6 тестового сигнала. Далее вычислительная система переходит в режим готовности и ожидает прихода внешней команды начала измерения по интерфейсу RS-232 или RS-422 через приемопередатчики 15 и контроллер UART 14. По приходу внешней команды подается силовое питание на усилитель мощности 5 и начинается цикл измерения глубины под килем корабля. Диапазон глубин работы лага разбит на шесть поддиапазонов, в которых происходит последовательный поиск глубины до дна, начиная с самого старшего диапазона. Для поиска глубины до дна формируется зондирующий импульс в усилителе мощности 5, импульс поступает на гидроакустическую антенну 1 через схему согласования антенны 4, коммутатор излучения 3 (который коммутирует необходимую часть антенны 1 в зависимости от текущей глубины под килем), антенный переключатель 2. Эхосигнал, который отражается от дна, поступает обратно на гидроакустическую антенну 1. Время между началом излучения и приемом эхосигнала пропорционально наклонной дальности до грунта.
В фазе приема отраженный сигнал с гидроакустической антенны поступает на антенный переключатель 2, затем на коммутатор приемных сигналов 6, который пропускает сигнал дальше в зависимости от коммутации антенны, затем отраженный сигнал усиливается на дифференциальном приемнике 7. На программируемом усилителе 8 реализована схема временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) в зависимости от предполагаемой глубины до дна на текущем времени поиска. Закон ВАРУ выбран близким к экспоненциальному. После прохождения усилительного тракта, предварительной фильтрации на полосовом фильтре 9 и оцифровки с помощью АЦП 10, а затем гетеродинирования на цифровых гетеродинах 11 на вход цифровых фильтров с дециматором 12 поступают данные со следующих четырех каналов: нос (Н); корма (К); левый борт (ЛБ); правый борт (ПБ).
Постобработка в режиме поиска глубины представляет собой и происходит в DSP-процессоре 13:
Вычисление среднеквадратичных значений (СКЗ) сигнала в приемном тракте;
Поиск максимальных значений СКЗ сигнала для каждого из поддиапазонов;
Сравнение максимальных значений с пороговым (пороговое значение выбирается больше, чем уровень шумовой составляющей сигнала);
Выбор максимального значения, превышающего пороговый уровень (остальные значения, превышающие пороговый уровень, считаются отражением сигнала от звукорассеивающих слоев и могут быть использованы в случае необходимости измерения лагом относительной скорости).
В контроллер интерфейсов UART 14 передается текущее значение глубины под килем.
После окончания цикла поиска глубины система переходит в режим измерения скорости объекта, при этом формирование импульсов излучения и прием отраженных сигналов происходит на тех же устройствах, что и в режиме поиска глубины. В режиме измерения скорости в устройстве:
Формируется зондирующий импульс, длительность которого пропорциональна найденной дальности до грунта (глубине под килем);
Осуществляется прием и усиление эхосигнала (коэффициент усиления на всем протяжении цикла измерения скорости не изменяется и остается соответствующем текущей дальности до грунта);
Выполняется предобработка эхосигнала (гетеродинирование, фильтрация и децимация);
В DSP-процессоре 13 запускается итерационный алгоритм оценивания скорости объекта с использованием банка фильтров Калмана;
После того как суммарная длительность эхосигнала составляет не менее 1 сек и одна из апостериорных вероятностей гипотез превышает уровень 0.9, вырабатывается оценка скорости с уровнем среднеквадратической погрешности не более 0.03 узла.
При малых глубинах под килем в одном цикле измерения скорости, формируется несколько зондирующих импульсов, для того чтобы набрать суммарную длительность эхосигнала, равную 1 сек. Для работы на небольших глубинах используется только центральная часть гидроакустической антенны, при работе на больших глубинах используется полная поверхность антенны.
Алгоритм функционирования DSP-процессора при оценивании скорости.
Обработка сигнала по алгоритму многоальтернативной фильтрации с использованием банка фильтров Калмана выполняется в DSP-процессоре. Возможность применения многоальтернативного алгоритма порождена предлагаемым достаточно адекватным описанием эхосигнала на входе приемника (измерения)
где z(t) - марковский узкополосный случайный процесс второго порядка, описывающий эхосигнал; (t) - аддитивный белый шум с интенсивностью R, например шум приемника. Спектральная плотность z(t) аппроксимируется следующей дробно-рациональной спектральной плотностью, передающей основные характеристики эхосигнала (наличие доплеровского сдвига частоты, ширина спектра):
где 2 - дисперсия процесса; и - параметры модели, определяющие ширину () и центральную частоту спектральной плотности ().
Эта дробно-рациональная спектральная плотность может быть записана в форме пространства состояний:
где x 1 , x 2 - компоненты вектора состояния; w - порождающий белый шум с интенсивностью Q.
Работа алгоритма многоальтернативной фильтрации поясняется блок-схемой, приведенной на фиг.2. Сигнал y(t) (в дискретном виде y i , т.е. y i =y(t i)), поступает на вход банка фильтров Калмана. Каждый фильтр из банка настроен на аппроксимирующую модель (3) с параметрами j и j , соответствующими ожидаемому значению скорости из диапазона неопределенности (диапазон неопределенности параметров дискритизован и разбит на N составляющих). В каждый момент времени (частота дискретизации 25 кГц) с выходов фильтров Калмана из банка в блок выработки апостериорных вероятностей альтернатив (гипотез) передаются значения невязки прогноза и ковариация невязки прогноза (j=1 N). По значениям и рассчитываются апостериорные вероятности наступления события, свидетельствующего, что эхосигнал на входе соответствует модели (3) с параметрами j и j . По вычисленным апостериорным вероятностям на каждом шаге дискретизации оценивается скорость движения объекта по среднеквадратическому критерию - оценка скорости в направлении правого борта объекта.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Гидроакустический доплеровский лаг, содержащий четырехлучевую гидроакустическую антенну, антенный переключатель, коммутатор излучения, схему согласования антенны, усилитель мощности, коммутатор приемных сигналов, дифференциальный приемник, программируемый усилитель, полосовой фильтр, аналого-цифровой преобразователь, цифровой гетеродин, цифровой фильтр с дециматором, контроллер UART, приемопередатчики RS-232 и RS-422, отличающийся тем, что он дополнительно содержит DSP-процессор, на вход которого поступают данные с цифрового фильтра с дециматором от четырех каналов измерения скорости объекта (нос, корма, левый борт, правый борт), с помощью которого реализуется обработка эхосигнала методом многоальтернативной фильтрации, использующей банк фильтров Калмана и направленной на оценку параметра модели эхосигнала, соответствующего значению скорости объекта с предельной погрешностью не более 0,1 узла за время не более 4 с, и выдается результирующие значения скорости объекта через контроллер UART и приемопередатчики RS-232 и RS-422 внешнему потребителю.
Относительные лаги.
В настоящее время на судах морского транспортного флота применяются индукционные, гидродинамические и радиодоплеровские лаги, измеряющие скорость относительно воды.
Индукционные лаги. Их действие основано на свойстве электромагнитной индукции. Согласно этому свойству при перемещении проводника в магнитном поле в проводнике индуктируется э.д.с., пропорциональная скорости его перемещения.
С помощью специального магнита под днищем судна создаётся магнитное поле. Объём воды под днищем, на который воздействует магнитное поле лага, можно рассматривать как множество элементарных проводников электрического тока, в которых индуктируется э.д.с.: значение такой э.д.с. позволяет судить о скорости перемещения судна.
Эксплуатируемые на судах морского флота индукционные лаги ИЭЛ-2 и ИЭЛ-2М построены по одинаковой схеме: они измеряют только продольную составляющую относительной скорости; выступающих за корпус судна частей нет. Серийно изготовляется в настоящее время только лаг ИЭЛ-2М. Лаг ИЭЛ-2 снят с производства в 1980 г. Лаг ИЭЛ-2М может устанавливаться на всех морских судах, включая ледоколы и суда на подводных крыльях.
В схемы лагов ИЭЛ-2 и ИЭЛ-2М включён фильтр, усредняющий их показания. Поэтому при измерении судном скорости лаг фиксирует это изменение с некоторым запаздыванием.
Гидродинамические лаги. Принцип действия основан на измерении гидродинамического давления, создаваемого скоростным напором набегающего потока воды при движении судна.
Поправка гидродинамического лага, как правило, нестабильна. Основными причинами, обуславливающими её изменения во время плавания, являются дрейф судна, дифферент, обрастание корпуса, качка и изменением района плавания.
Абсолютные лаги. Под абсолютными понимаются лаги, измеряющие скорость судна относительно грунта. Разработанные в настоящее время абсолютные лаги являются гидроакустическими и делятся на доплеровские и корреляционные.
Гидроакустические доплеровские лаги (ГДЛ).
Принцип работы ГДЛ заключается в измерении доплеровского сдвига частоты высокочастотного гидроакустического сигнала, посылаемого с судна и отражённого от поверхности дна.
Результирующей информацией являются продольная и поперечная составляющей путевой скорости. ГДЛ позволяет измерить их с погрешностью до 0.1% . Разрешающая способность высокоточных ГДЛ составляет 0,01 – 0,02 уз.
При установке дополнительной двух лучевой антенны А2 (см. рис.) ГДЛ позволяет контролировать перемещение относительно грунта носа и кормы, что облегчает управление крупнотоннажным судном при плавании по каналам, в узкостях и при выполнении швартовых операции.
Большинство существующих ГДЛ обеспечивают измерение абсолютной скорости при глубинах под килём до 200-300 м. При больших глубинах лаг перестаёт работать или переходит в режим измерения относительной скорости, т.е. начинает работать от некоторого слоя воды как относительный лаг.
Антенны ГДЛ не выступают за корпус судна. Для обеспечения их замены без докования судна они устанавливаются в клинкетах.
Источниками погрешности ГДЛ могут быть: погрешность измерения доплеровской частоты; изменение углов наклона лучей антенны; наличие вертикальной составляющей скорости судна. Суммарная погрешность по этим причинам у современных лагов не превышает 0.5%.
Корреляционные лаги. Принцип действия гидроакустического корреляционного лага(ГКЛ) заключается в измерении временного сдвига между отражённым от грунта акустическим сигналом, принятым на разнесенные по корпусу судна антенны.
На глубинах до 200 м ГКЛ измеряет скорость относительно грунта и одновременно указывает глубину под килём. На больших глубинах он автоматически переходит на работу относительно воды.
Достоинствами ГКЛ по отношению к ГДЛ являются независимость показаний от скорости распространения звука в воде и более надёжная работа на качке.
Гидроакустический лаг
Гидроакустический лаг
абсолютный лаг, работающий на принципе эхолота. Обеспечивает достаточную точность при глубинах, не превышающих 300 м. Различают доплеровские и корреляционные гидроакустические лаги. Действие доплеровских гидроакустических лаг основано на изменении частоты принимаемого сигнала, вызванном движением судна относительно дна, корреляционные гидроакустические лаги - на сравнении записи рельефа дна, полученного двумя приемниками (при одном излучателе), расположенном под днищем в диаметральной плоскости на некотором расстоянии друг от друга. Скорость определяется по времени между получением аналогичных записей рельефов.
EdwART. Толковый Военно-морской Словарь , 2010
Смотреть что такое "Гидроакустический лаг" в других словарях:
гидроакустический лаг - ГАЛ Лаг, основанный на использовании законов распространения акустических волн в воде. [ … Справочник технического переводчика
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ЛАГ - гидроакустическая станция для определения скорости судна относительно морского дна и угла сноса судна. Гидроакустический Лаг называют также абсолютным лагом. Существуют 2 типа Гидроакустических Лагов.: доплеровский и корреляционный. Принцип… … Морской энциклопедический справочник
Гидроакустический лаг - 70. Гидроакустический лаг ГАЛ Е. Acoustic log Лаг, основанный на использовании законов распространения акустических волн в воде Источник: ГОСТ 21063 81: Оборудование навигационное судовое. Термины и определения оригинал …
Корреляционный гидроакустический лаг - 71а. Корреляционный гидроакустический лаг Корреляционный ГАЛ Гидроакустический лаг, основанный на использовании анализа корреляционной связи при обработке гидроакустических сигналов Источник: ГОСТ 21063 81: Оборудование навигационное судовое.… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Индукционный электронный лаг ИЭЛ-3
Счетчик механического лага
Лаг - прибор, предназначенный для измерения скорости движения судна.
В древности в качестве лага использовался (и используется по сей день на небольших судах) ручной, или секторный лаг. Он представляет собой доску треугольной формы (сектор) с привязанной к ней верёвкой (линем, лаглинем) и грузом. На лине на одинаковом расстоянии друг от друга завязываются узлы. Доска выбрасывается за корму и пересчитывается количество узлов, ушедших за борт за определенное время (обычно 15 секунд или 1 минуту). Отсюда пошло измерение скорости судна в узлах, 1 узел численно равен 1 морской миле в час.
Принцип работы современных приборов основан на измерении напора воды, или гидролокации морского дна. Самые распространённые лаги - доплеровский (используется эффект Доплера), индукционный и корреляционный.
Лаги и принцип их работы.
Относительные лаги.
В настоящее время на судах морского транспортного флота применяются индукционные, гидродинамические и радиодоплеровские лаги, измеряющие скорость относительно воды.
Индукционные лаги.
Их действие основано на свойстве электромагнитной индукции. Согласно этому свойству при перемещении проводника в магнитном поле в проводнике индуктируется э.д.с., пропорциональная скорости его перемещения.
С помощью специального магнита под днищем судна создаётся магнитное поле. Объём воды под днищем, на который воздействует магнитное поле лага, можно рассматривать как множество элементарных проводников электрического тока, в которых индуктируется э.д.с.: значение такой э.д.с. позволяет судить о скорости перемещения судна. Эксплуатируемые на судах морского флота индукционные лаги ИЭЛ-2 и ИЭЛ-2М построены по одинаковой схеме: они измеряют только продольную составляющую относительной скорости; выступающих за корпус судна частей нет. Серийно изготовляется в настоящее время только лаг ИЭЛ-2М. Лаг ИЭЛ-2 снят с производства в 1980 г. Лаг ИЭЛ-2М может устанавливаться на всех морских судах, включая ледоколы и суда на подводных крыльях. Рекомендации по эксплуатации заключаются в следующем. С обрастанием корпуса судна лаги ИЭЛ-2 и ИЭЛ-2М начинают давать заниженные показания. В схемы лагов ИЭЛ-2 и ИЭЛ-2М включён фильтр, усредняющий их показания. Поэтому при измерении судном скорости лаг фиксирует это изменение с некоторым запаздыванием.
Гидродинамические лаги.
Принцип действия основан на измерении гидродинамического давления, создаваемого скоростным напором набегающего потока воды при движении судна. Поправка гидродинамического лага, как правило, нестабильна. Основными причинами, обуславливающими её изменения во время плавания, являются дрейф судна, дифферент, обрастание корпуса, качка и изменением района плавания. Рассчитать изменение поправки лага от влияния первых трёх причин не представляется возможным. Абсолютные лаги. Под абсолютными понимаются лаги, измеряющие скорость судна относительно грунта. Разработанные в настоящее время абсолютные лаги являются гидроакустическими и делятся на доплеровские и корреляционные.
Гидроакустические доплеровские лаги (ГДЛ).
Принцип работы ГДЛ заключается в измерении доплеровского сдвига частоты высокочастотного гидроакустического сигнала, посылаемого с судна и отражённого от поверхности дна. Результирующей информацией являются продольная и поперечная составляющей путевой скорости. ГДЛ позволяет измерить их с погрешностью до 0.1% . Разрешающая способность высокоточных ГДЛ составляет 0,01 - 0,02 уз. При установке дополнительной двух лучевой антенны А2 (см. рис.) ГДЛ позволяет контролировать перемещение относительно грунта носа и кормы, что облегчает управление крупнотоннажным судном при плавании по каналам, в узкостях и при выполнении швартовых операции. Большинство существующих ГДЛ обеспечивают измерение абсолютной скорости при глубинах под килём до 200-300 м. При больших глубинах лаг перестаёт работать или переходит в режим измерения относительной скорости, т.е. начинает работать от некоторого слоя воды как относительный лаг. Антенны ГДЛ не выступают за корпус судна. Для обеспечения их замены без докования судна они устанавливаются в клинкетах. Источниками погрешности ГДЛ могут быть: погрешность измерения доплеровской частоты; изменение углов наклона лучей антенны; наличие вертикальной составляющей скорости судна. Суммарная погрешность по этим причинам у современных лагов не превышает 0.5%.
Корреляционные лаги.
Принцип действия гидроакустического корреляционного лага(ГКЛ) заключается в измерении временного сдвига между отражённым от грунта акустическим сигналом, принятым на разнесенные по корпусу судна антенны.
На глубинах до 200 м ГКЛ измеряет скорость относительно грунта и одновременно указывает глубину под килём. На больших глубинах он автоматически переходит на работу относительно воды. Достоинствами ГКЛ по отношению к ГДЛ являются независимость показаний от скорости распространения звука в воде и более надёжная работа на качке.
