Глава 11 судовые навигационные рлс

11.1. Особенности работы навигационных доплеровских рлс

Принцип действия РЛС системы Доплера  Белопольского состоит в том, что при относительном движении РЛС и объекта частота принимаемых отраженных сигналов не остается постоянной, а изменяется по определенному закону. Это свойство было открыто в 1842 году австрийским физиком Х. Доплером и впервые экспериментально проверено в лабораторных условиях для световых волн в 1900 г. русским физиком А. А. Белопольским.

Величина вышеуказанного изменения частоты зависит от скорости и направления относительного перемещения РЛС и объекта и от длины волны (частоты) радиолокационной станции. На рис. 11.1 представлена структурная схема простейшей доплеровской РЛС (ДРЛС).

Передатчик излучает зондирующие сигналы в виде непрерывных немодулированных колебаний частотой f₁. Частота f₂ сигналов, отраженных от объекта и попадающих в приемную антенну РЛС, будет отличаться от частоты f₁ зондирующих сигналов на величину так называемой доплеровской частоты (F_D): f₂ = F₁ ± F_D .

Знак плюс соответствует сближению РЛС и объекта, а минус – удалению.

Ослабленные зондирующие сигналы и принимаемые отраженные сигналы поступают на вход приемника, создают биения с разностной частотой f₁ – f₂ , и после детектирования на входе приемника получаем колебания доплеровской частоты, которая равна

где V_P - радиальная составляющая скорости перемещения объекта;

 - длина волны зондирующих сигналов РЛС.

Если выразить длину волны в сантиметрах, а радиальную скорость объекта - в километрах в час, то расчетная формула доплеровской частоты в герцах примет вид

Зависимость доплеровской частоты от направления движения объекта (цели), находящегося в точке О, может быть охарактеризована диаграммой в полярных координатах, представленной на рис. 11.2.

В

 F_D

этой диаграмме радиус-вектор ха-рактеризует направление движения объек-та, а длина вектора – значение доплеров-ской частоты с учетом знака. Увеличение доплеровской частоты отмечено на диа-граммме знаком плюс, а уменьшение – зна-ком минус.

Э

+ F_D

ффект Доплера вызывает смещение частотного спектра отраженного сигнала, который можно иллюстрировать графика-ми (рис. 11.3).

П

ДРЛС

Рис. 11.2.

Диаграмма в полярных координатах

s(f)

риближение и удаление объекта от-носительно РЛС вызывает соответствую-щий сдвиг частоты отраженных сигналов от f_min = f₁ – F_D до f_max = f₁ + F_D. Следовательно, спектральные линии будут перемещаться по оси частоты f, как пока-зано на рисунке. В связи с тем, что отра-женный сигнал практически представляет собой синусоидальное колебание конечной длительности, а также из-за флюктуаций эффективной поверхности отражения (ЭПО) объектов, сканирования луча ан-тенны и ускорения объектов, спектр отра-женного сигнала будет несколько шире, чем показано на рис. 11.3.

Р

f₁ – F_D f₁ f₁+F_D

ис. 11.3. График спектра отраженного сигнала.

s – амплитуда сигнала; f – частота.

Доплеровские РЛС с непрерывным излучением сигналов широко используются для измерения путевой скорости самолетов, скорости ветра, скорости автомобильного транспорта и пр.

В последнее время доплеровские РЛС начали широко использовать в судовождении для измерения скорости причаливания судов. Это объясняется тем, что появление крупнотоннажных судов, в частности танкеров водоизмещением 150 – 200 тыс. т и более, вызвало необходимость принятия мер, предотвращающих повреждения при швартовке таких судов к причалу.

Оснащение судов подруливающими устройствами, использование швартовных буксиров и тому подобные меры не решают проблемы полностью. При швартовке судоводитель должен иметь исчерпывающую информацию о положении судна относительно причала и его скорости. Применяемые визуальные методы определения скорости судна и расстояния до причала по береговым предметам при швартовке крупнотоннажных судов стали непригодными. Многие из существующих причалов не могут выдержать соприкосновения с ними судна водоизмещением 150 – 200 тыс.т, если его скорость превышает 3 – 5 м/мин. Следовательно, возникает необходимость в точном измерении скорости судна, достигающей 0,5 – 1 м/мин.

Структурная схема доплеровской РЛС показана на рис.11.4.

В структурную схему входит: генератор ГСВЧ непрерывных немодулированных колебаний сверхвысокой частоты f₀ , развязывающее устройство РУ, направленная антенна А, смеситель См, усилитель доплеровской частоты УДЧ и индикатор. Зондирующие колебания сверхвысокой частоты f₀ через развязывающее устройство попадают в антенну и одновременно, после ослабления в развязывающем устройстве, подаются на вход смесителя приёмника.

Отраженные сигналы с частотой f₀ ± F_D поступают на вход смесителя и смешиваются с частотой зондирующих сигналов f₀ . Возникающие биения разностной частоты создают на входе смесителя доплеровскую частоту F_D , усиливаемую каскадами УДЧ.

Индикатором служит устройство, измеряющее доплеровскую частоту. Поскольку радиальная скорость объекта V_P и доплеровская частота связаны между собой линейной зависимостью , указанный индикатор–частотомер может быть отградуирован в единицах скорости (например, в метрах в минуту). Практически при использовании доплеровской РЛС в качестве измерителя скорости движения объектов оказывается необходимым выяснить, в каком направлении движется объект относительно ДРЛС, т.е. приближается или удаляется.

Эту задачу можно выполнить несколько способами. Например, с помощью отдельных фильтров, настроенных на частоты f₀ – F_D и f₀ + F_D , лежащие по обе стороны частоты зондирующего сигнала f₀ . в первом случае частота отраженного сигнала оказывается ниже частоты f₀ , следовательно, объект удаляется от ДРЛС. Во втором случае наоборот – частота отраженных сигналов оказывается выше частоты f₀ , следовательно, объект приближается к ДРЛС.

Знак доплеровской частоты можно определить также фазовым методом. путем обработки принятых отраженных сигналов в двухканальной схеме приёмного устройства, как это показано на рис. 11.5.

,

Если объект приближается, то выходные напряжения I и II каналов будут выражаться следующими зависимостями:

;

,

где E_m – амплитуда напряжения сигнала;

 - постоянный фазовый угол, зависящий, например, от дальности первоначального

обнаружения объекта (цели).

При удалении объекта относительно ДРЛС напряжения выходных сигналов обоих приёмных каналов будут определяться следующими уравнениями:

;

.

Таким образом, направление движения объекта определяется опережением или запаздыванием фазы выходного сигнала II канала приёмника относительно I канала. Индикацию направления движения объекта можно обеспечить, например, использованием двухфазного синхронного электродвигателя. При изменении фазы выходного сигнала направление поворота электродвигателя укажет направление движения объекта (цели).

Доплеровские РЛС имеют максимальную дальность обнаружения объектов до 3000 м, а минимальную — до 0,5 м. В них применяется стрелочный индикатор, проградуированный в единицах скорости (м/мин). Отклонение стрелки вправо соответствует сближению доплеровской РЛС с объектом, отклонение влево — удалению от него. Обычно на индикаторе имеется несколько шкал скорости, например 0 — 15, 0 — 30, 0 — 150 м/мин. Доплеровская РЛС может устанавливаться на судне (антенна направлена на стенку причала) или на причале (антенна направлена на судно). На больших судах приемопередатчики и антенны обычно размещают в носу и в корме, а индикаторы — на крыльях ходового мостика. При размещении доплеровской РЛС на причале используют два или три передвижных комплекта станции: например, одна определяет скорость судна при входе в порт, а две другие — скорость приближения судна к причалу носом и кормой. Данные о скорости передаются капитану по радиотелефону или посредством светящегося табло.

Вопрос обеспечения безопасности мореплавания — один из главных в морском судоходстве. Соблюдение мер безопасности в портах мира подчеркивается международной конвенцией. Доплеровскими РЛС или как их ещё называют системами лазерной швартовки судов, давно оснащены все порты мира.

Рассмотрим внедрение такой современной лазерной системы безопасности швартовки крупнотоннажных судов на примере порта Новороссийск на Чёрном море. В России именно Новороссийск, как особо значимый порт, выбран первым, где была внедрена лазерная система на четырех глубоководных причалах порта.

Аппаратура системы "LDS-200", разработана и изготовлена датской компанией "Marimatech". Она определяет скорость движения судна, расстояние и угол его подхода к причалу с точностью до одного сантиметра. Используя ее совместно с системой гидрометеомониторинга, можно обеспечить полную безопасность прохождения судов в любое время суток и в любую погоду. Это значительно поднимает статус порта, обеспечивает безопасность прохождения судов и делает порт привлекательным для грузоотправителей и грузополучателей.

Лазерная система "LDS-200" является вспомогательной для лоцманской службы порта и предназначена для повышения безопасности в процессе причаливания и швартовки судов, а также мониторинга их состояния после постановки к причалу. Ниже приведена структурная схема системы (рис. 11.6) и внешний вид переносного лоцманского индикатора (рис. 11.7).

Рис. 11.7.

Переносной лоцманский индикатор

Рис. 11.6. Структурная схема лазерной системы причаливания и швартовки крупнотоннажных судов "LDS-200"

Функциональные возможности лазерной системы "LDS-200":

• обеспечение лоцмана информацией о дистанции до причала и скорости сближения, а также гидрометеорологической информацией;

• документирование параметров движения судна при швартовке;

• обслуживание необходимого количества мест швартовки крупнотоннажных судов.