Гидроакустические доплеровские лаги

Принцип действия этих лагов основан на определении скорости судна по доплеровским сдвигам частот акустических сигналов посылаемой и принятой волны.

Физический смысл эффекта, открытого Х. Доплером в 1842 году состоит в том, что при движении источника электромагнитных волн относительно приемника колебаний последний воспринимает колебания, частота которых отличается от частоты излучателя на величину

Принцип работы:

Допустим на судне расположен излучатель и приемник акустических колебаний. Излучатель (B) формирует узкий луч, направленный под углом к горизонту . В случае перемещения судна длина излучаемой волны, приходящая к условному приемнику A определяется следующим выражением:

,

где: – длина волны начального излучения, – скорость судна.

Через частоту колебаний волны данное выражение запишется так:

.

Это выражение определяет частоту колебаний сигнала, приходящего к источнику A. Отразившись от морского дна акустический сигнал с частотой колебаний идет в сторону приемника (С), установленного на судне. Таким образом, излучатель (точечный источник морского дна) остается неподвижным. Так как судно получает перемещение, то частота колебаний сигнала, принятого на судне ( ) будет отличаться от частоты сигнала отраженного от грунта ( ), т.е:

.

Подставим в это выражение значение частоты , отраженного от морского дна сигнала. Имеем:

.

Учитывая, что в реальных условиях и , можно разложить полученное выражение в ряд (степенной), ограничиваясь членами второго порядка малости. Затем, сделав некоторые преобразования, получим:

Для частоты принимаемого сигнала

.

А измеренная разность частот определится следующим выражением:

.

Полученное выражение показывает, что зависимость от скорости судна носит нелинейный характер, что является недостатком однолучевого лага. Однако для современных морских судов с достаточной степенью точности можно принять . В связи с этим, полученное выражение можно представить так:

отсюда: – уравнение однолучевого доплерлага.

Это выражение позволяет определять скорость судна относительно грунта (абсолютную скорость). Недостаток однолучевого лага (нелинейная зависимость скорости судна от доплеровской частоты) устраняется применением двулучевого варианта доплерлага. Лучи при этом варианте располагаются вдоль диаметральной плоскости в нос и корму (схема Януса).

В этом случае имеем (см. выражение 1):

,

,

или:

.

Уравнение двулучевого доплеровского лага с учетом полученного выражения запишется в следующем виде:

где: – доплеровский сдвиг частот между сигналами от носового и кормового излучений. Существуют доплеровские лаги многолучевого варианта, позволяющие получать не только скорость судна по линии пути, но и поперечные скорости носа и кормы. Принцип работы этих лагов такой же. Рабочие частоты современных доплерлагов лежат в пределах от 50кГц до 1мГц.