Перечень сокращений 3

Аннотация

Целью данного дипломного проекта является разработка цифрового эхолота, который не требует больших денежных затрат и является относительно простым с исполнении и использовании. В проделанной работе освещены принципы работы эхолотов, разобрана принципиальная схема устройства, а также разработаны конструкторско-технологические требования, которым должен удовлетворять прибор. Проведено тепловое моделирование в подсистеме АСОНИКА-Т. Произведен подсчет себестоимости проектируемого устройства. В итогу проделанной работы получаем относительно недорогое готовое устройство, которое подойдет рыболовам-любителям.

Перечень сокращений

АСУ - автоматизированная система управления

ВАРУ - временная автоматическая регулировка усиления

ПК - персональный компьютер

РЭС - радиоэлектронные средства

СФ - стеклотекстолит фольгированный

ЭМП - электромагнитное поле

ЭМС - электромагнитная совместимость

ЭРИ - электрорадиоизделие

ЭС - электронное средство

1. Введение

С необходимостью измерения глубины под килем человек начал сталкиваться сразу же, как вышел в первое плавание. Невидимые огромные подводные камни, кораллы, мели и рифы всегда доставляли много неприятностей, особенно когда корабль подходил к берегу и при плавании в узких местах между скалами. И в то же время, не зная глубины, очень трудно удачно выбрать место постановки судна на якорь и необходимую длину вытравливаемой якорь-цепи. Именно для этого и нужны эхолоты.

Первым “инструментом” для измерения глубины служил обычный шест из дерева или бамбука длиной около пяти метров. Если при вертикальном опускании в воду он не доставал дна, значит проход безопасен. если же глубина была меньше, то надо было проявлять большую осторожность. Для небольших судов далекого прошлого такой оценки глубины было достаточно. Со времени, когда стали пользоваться различными планами входа в бухту или гавань и появилась возможность отмечать на них глубины и выделять безопасные проходы и удобные места стоянок, на шестах стали наносить отметки в единицах длины — в локтях (1 локоть — около 0,4 метра), саженях (1 сажень — около 1,8 метра) или в футах (1 фут — около 0,3 метра).

С появлением более крупных судов стали использовать ручной лот. Он обычно состоял из непосредственно лота (груза) и лотлиня — тонкого троса, к которому он крепился. Чаще всего в качестве груза использовали чугунную, свинцовую гирю продолговатой, пирамидальной или конусообразной формы, для того чтобы лот быстро погружался в воду. Лотлинь делился на отрезки определенной длины, которые были отделены друг от друга кожаными или парусиновыми отметками-марками.

Наблюдатель, или лотовый, так его называли, стоял на носу корабля или на специально отведенной площадке, которая предусматривалась на судне для этих целей, и забрасывал груз вперед по ходу корабля. Когда лотлинь принимал вертикальное положение, по отметке определяли глубину под килем.

В начале XIX в. интерес к промерным работам, а следовательно, и к средствам измерения глубин резко возрос. Ученые и мореплаватели поняли, что невозможно без изучения рельефа дна и его особенностей изучать моря и океаны. Для того, чтобы получит систематические специальные промеры в морях и океанах, а для этого нужны были соответствующие инструменты для измерения больших глубин.

В наши дни эхолотостроение достигло очень высокого уровня. Широкое применение микропроцессорной техники в схемах позволяет успешно уменьшать габариты приборов и увеличивать уровень автоматизации процессов измерений. Например, в некоторых схемах предусматрено автоматическое переключение диапазонов и ввод различных поправок (на изменение скорости распространения акустических колебаний в воде, осадку судна, вертикальное перемещение его на волнении и т. nv). В некоторых конструкциях эхолотов применяют специальные схемы, которые позволяют, отсеивать всевозможные помехи от полезных сигналов. Наиболее продвинутые и сложные системы способны передавать информацию о глубине в электронные вычислительные машины автоматизированного управления судном и в батиметрические системы, обеспечивающие определение места судна по рельефу дна.

Наряду с навигационными эхолотами, которые предназначены для обеспечения безопасности плавания, выпускаются специальные приборы для поиска рыбы, промерных, геологоразведочных работ и др. Такие эхолоты имеют многоцветные телевизионные экраны, которые позволяют получить информацию не только о профиле дна, но и о качестве грунта, глубине ила, его плотности и т. п. (по цветности изображения). В исследовательских эхолотах предусмотрена возможность менять масштаб изображения и выделять на экране наиболее интересующие исследователей зондируемые участки дна. Такие эхолоты рассчитаны, как правило, на несколько рабочих частот, что позволяет измерять глубины в самых разных диапазонах. Создаются и многолучевые эхолоты, которые одновременно записывают рельеф морского дна в различных направлениях. В некоторых эхолотах предусмотрены устройства для непосредственного нанесения измеренных глубин на морские карты.

1.1. Принцип действия эхолота

Эхолот - это прибор, определяющий направление, откуда к нему приходят звуковые импульсы. В пресной воде звук распространяется со скоростью около 1500 м/с. Главная задача электроники, которая находится в эхолоте - измерить время, которое проходит от момента испускания зондирующего звукового импульса до момента его возвращения к приемнику эхолота после того, как он отразится от подводного объекта. Сигналы, которые приходят в разное время от различных объектов, отображаются на цветном жидкокристаллическом (или любом другом) экране эхолота. Время возвращения эхосигнала будет больше, если объект под водой находится на большей глубине. Электронный блок, который работает внутри эхолота, создает короткие электрические импульсы, поступающие на излучатель, подобно музыкальному громкоговорителю, который, в свою очередь, превращает электрические импульсы в звуковые сигналы высокой частоты "Отправив" пучок ультразвуковых волн в воду, эхолот переключается в режим приема сигнала и использует излучатель как микрофон для приема ультразвуковых волн, которые, в свою очередь, отражаются от дна и от других объектов, находящихся между дном и излучателем. Излучатель принимает ультразвуковые колебания и преобразует их обратно в электрические сигналы. Полученные таким образом электронные импульсы намного слабее чем те, что излучались изначально, поэтому они поступают на усилитель, который увеличивает сил импульсов до такой величины, которая необходима для срабатывания светодиода, неоновой лампочки или для включения ячейки жидкокристаллического дисплея. Светящиеся точки на экране сливаются в изображения, соответствующие положению объектов под водой и расстоянию до них.

Излучатель переключается в режим посылки следующего зондирующего ультразвукового импульса после завершения приема и обработки эхо-сигнала. У разных эхолотов длительность промежутка времени между повторными излучениями импульса, однако у большинства приборов этого времени достаточно для того, чтобы принять эхо-сигналов с достаточно больших расстояний или, что то же самое, с больших глубин. Некоторые эхолоты могут работать с различными диапазонами глубин, автоматически изменяя промежутки времени между повторными излучениями и, тем самым, давая излученному импульсу вернуться, если глубина большая.

Так как в воде звук распространяется с большой скоростью, поэтому не нужно много времени для того чтобы отправить и затем принять зондирующий импульс и сразу же после этого можно излучать новые импульсы. У коротких импульсов очень небольшая длительность - всего лишь несколько миллисекунд. Интервал времени между излучением импульсов должен быть таким, чтобы за это время не просто отправить и принять звуковой импульс, но еще должен успеть сработать экран эхолота, отобразив информацию. 24 импульса в секунду - это нормальная частота посылки импульсов, но из-за того, что жидкокристаллические экраны инерционны, эхолоты, оборудованные ими, излучают лишь два импульса в секунду.

1.2. Виды эхолотов

1.2.1. Однолучевые эхолоты

Самыми распространенными являются рыбопоисковые эхолоты, которые ориентированы на рыболовов-любителей. В России доступны любительские эхолоты целого ряда зарубежных фирм: Lowrance, Garmin, Furuno, Eagle, Humminbird, Raymarine, Interphase, Seiwa, Bottom Line, JJ-connect. Близких к ним по техническим характеристикам, уровню исполнения, надежности серийных моделей отечественного производства пока нет.

Принцип работы однолучевых эхолотов заключается в том, что одна и та же антенна испускает ультразвуковые импульсы в конусном луче, а затем принимает сигналы, которые отражаются ото дна или объектов на дне и возвращаются обратно на антенну. Измеряется время между излучением импульса и возвращение отраженных сигналов на антенну, по которому затем определяется расстояние до обнаруженных объектов и глубина, как расстояние до поверхности дна. Эхолот определяет только расстояния до обнаруженных объектов. Каждому излучаемому антенной импульсу соответствует один вертикальный столбец экрана. Обнаруженные при очередном импульсе объекты изображаются в виде штрихов в правом масштабированном столбце экрана, затем изображение на экране сдвигается на один столбец влево, а на освободившееся место в крайнем правом столбце поступают результаты следующего измерения. Таким образом формируется гидроакустическое изображение на экране. При перемещении плавсредства с установленным эхолотом картина дна на мониторе соответствует рельефу дна под антенной эхолота.

Современные рыбопоисковые эхолоты имеют функцию идентификации рыбы и при ее включении вместо штрихов на экране изображаются символы рыбы.

1.2.2. Многолучевые эхолоты

Многолучевые эхолоты чаще используются для выполнения промерных работ на больших площадях, с высокой производительностью, с большой детальностью и с гарантированным сплошным покрытием дна.

Принцип работы многолучевых эхолотов основан на формировании с использованием антенной решетки и/или электронным способом пучка узких лучей, расходящихся веером в плоскости, перпендикулярной направлению движения судна.

С учетом параметров движения корабля (курс, крен, дифферент, вертикальные перемещения) и распределения скорости звука по глубине обследуемой акватории в результате каждого сканирования получается набор данных по глубинам акватории по линии, перпендикулярной траектории движения судна. Ширина области зондирования, чаще всего, кратна глубине (обычно составляет от 3 до 7 глубин). Сильно отличаются в разных многолучевых эхолотах число лучей, так же как и методы их формирования и обработки информации. Обязательным дополнением к самому многолучевому эхолоту являются: навигационное оборудование для определения точных координат судна-носителя, система определения параметров движения судна (гирокомпас, крен-дифферент, датчик вертикальных перемещений), датчик определения вертикального распределения скорости звука в воде (STD-зонд). Как правило, стоимость дополнительного оборудования составляет значительную часть стоимости самого многолучевого эхолота.

Многолучевые эхолоты применяются в океанографических и нефте-газопоисковых исследованиях на больших и средних глубинах достаточно давно (с середины 80-х годов). Применение таких технологий на мелководных водоемах стало возможным только после существенного увеличения производительности вычислительных комплексов. Связано это с тем, что при работах на малых глубинах для того чтобы обеспечить полное покрытие дна акватории необходимо существенное увеличение числа посылок импульсов в единицу времени, что, в свою очередь, вызывает значительное увеличение объема обрабатываемой информации.

В России используются различными организациями для выполнения промерных работ, в основном, многолучевые эхолоты известных зарубежных фирм, имеющих большой опыт в разработке и производстве данного оборудования и имеющих сертификаты, подтверждающие технические характеристики приборов. Количество используемых приборов достаточно невелико, в основном это эхолоты производства компании Reson и Kongsberg.
следующая страница >>

Оглавление