多普勒计程仪工作原理和测速精度的初探

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科技 论 坛
多普勒 计程仪工作 原理和测职业 学院 ， 天津 ３ ０ ０ ３ ５ ０ ） 摘 要： 船用 多普勒计程仪是一种测量航速 和 累计航程的助航 仪器， 它所提供 的数据在保证船舶航行安全上发挥着重要 的作 用。阐述 了船 用 多普勒计程仪的工作原理及特性， 并结合 实际研讨 了提 高测速精 度的方法。 关键词 ： 多普 勒计程仪： 测速原理删 速精度
船用计程仪可为船舶助航设备提供航速和累计航程信息。 按其测量 向后发射对称的超声波波束。 按式（ ３ ） 朝船首向及船尾向波束的多普勒频移分别为： 参考坐标系的不同＇ 可分为相对计程仪和绝对计程仪两类。 相对计程仪只 能测量船舶相对于水的速度并累计其航程， 如水压式 、 电磁式等计程仪。 ２ Ｌ（ Ｃ Ｏ Ｓ ０ 一Ｕ ｓ ｉ ｎ 目 ） ＾， ２ ， ０ （ 一 ｖＣ Ｏ Ｓ ０一Ｕ ｓ ｉ ｎ口 ） ｒ Ｃ Ｃ ’ 绝对计程仪可以测量船舶对地的速度并累计其航程， 如多普勒计程仪和 用 △ 减 去 △ 有 ： 声相关计程仪。 多普勒计程仪是 ２ ０ 世纪 ７ ０ 年代初期的产品， 它是随着航 运事业的发展， 为了解决某些大型、 超大型船舶的进出港 、 靠离码头和锚 ｚ ｘ ｆ＝ 一△ ， ２ ＝ 圆 泊等问题而制成的。典型产品如美 国的 Ｓ Ｒ Ｄ 一 ３ ３ １ 型， 德 国的 Ａ Ｔ Ｌ Ａ ｓ Ｄ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ ２ ０系列 ，日本 的 Ｔ Ｄ 一 ５ ０ １ 型、 ＭＦ 一 １ ０ ０型 和 国产 的 ＭＣ Ｄ Ｌ 一 １ 型 式（ ５ ） 称为双波束多普勒频移公式， 由公式可知船 舶摇摆颠簸引起的 等。与其他三种计程仪相比较具有测量精度高 、 门限速度小 、 能够测量船 垂向运动速度 Ｕ的影响已完全被｝ 肖 除。 ４ 多普 勒计程 仪的分类 舶横 向移动速度， 也能够测量船舶绝对速度， 并提供给 Ｇ Ｐ Ｓ 、 雷达 、 电子海 图等助航仪器。 测量的航速、 航程与船舶实际的航速 、 航程存在的误差， 主 船用多普勒计程仪现有三种类型。第一种类型是一元双波束 系统多 义 ， 它只能测量船舶纵向速度并累计其航程通 常用于船舶的导 要是由于超声波在水中的传播速度发生变化引起的， 误差相对较小。 若具 普朝 寸 ， ｇ－ － －￣ ｏ 类型是二元四波束系统多普勒计程仪， 即换能器向船体的 有“ 水温补偿” 和“ 盐度补偿” 等功能’ 贝 ０ 误差可忽略不计。但是当测量水深 航功能－ 超过其跟踪深度范围时 蝴 仪便转换成为跟踪水层的相对计程仪。 前后左右四个方向发射波束， 它除了可测量船舶纵向速度外， 还能测量横 此时计程 仪测量的航速、 航程与船舶实际的航速、 航程不相等， 由于受超 向速度， 可作为船位推算导航使用。 —元和二元多普勒计程仪的换能器均 第三种类型是三元六波束系统多普勒计程仪， 它除了在 声波在水 中传播速度变化和水流的影响将 有一定的误差， 在利用计程仪 安装在船首部位。 航速推算船位时， 应将计程仪显示的航速修正为实际航速。 船首装置四波束换能器外， 还在船尾部安装一对向船尾左右方向发射波 １多普勒效 应 束 的换能器。 这种ｉ 义 既可测量日 凸 ｊ ９ 自 纵向速度， 又骨 ０ 量 盼 部和船尾 多普勒计程仪是应用多普勒效应进行测速和累计航程的一种水声 部 的横向速度能反映昭舶运动 的全貌， ｊ 恿常用于大型或超大型船舶的进 导航仪器 。 所 谓的多 普勒效 应是指： 当声源与 接收者 之间存在相对运 动 盹 出港、 靠离码头和锚泊等作业中， 可保证皖行的安全。 接收者接收到声波的频率与声源频率不同的现象。当声源与接收者接近 ５提 高测速精 度的方法 ５ ． １ 对声 速进 行校正 时， 接收者收到声波的频率将升高； 当两者相互远离时＇ 贝 ０ 接收者收到声波 的频率将降低。 接收频率与声源频率之差值△ｆ 称为多普勒频移。 △ｆ 与声 超声波在水中的传播速度可用 函数 ｃ ：Ｆ ｎ 、 盯、 ｈ １ 来表示， ｔ 为海水 源的频率 ｆ ｏ 、 声波在介质中的 传播速度 Ｃ 和声源与接收Ｊ 之间的相对运 表面温度ｆ ℃ 叮为含盐量 讪 为水的深度（ ｍ ｏ当船舶航行在不同的 动速度 Ｖ的关系如下 ： 水域盹 声速也有相应的变化。声速变化根据式 １ － ５ 将 直接影响测速的 准确性， 变化值离基准值存在的误差率过高’ 钡 ０ 速精度也会大大降低。 另外 △ｌ 厂 ＝ （ １ ） 影响较大的因素还有海水温度和盐度误差， 一般隋况下， 能利用装在换能 当ｆ 。 与 Ｃ为常数时， △ｆ 与 Ｖ成正比，因此可以通过测定多普勒频移 器附近的热敏电阻测量换能器附近的海水温度变化＇ 在一定范围内通过 来进 行测速 。 电子单元的处理器自动补偿因温度变化引起的声速误差。 而盐晓变化 在 ２单波速 测速原理 较小范围内变化的时候广股隋况下采用手动校正补偿。 在船底部装有一个收 、 发兼用的换能器 Ｏ ， 船舶以速度 ｖ向前航行， ５ ２减小发射波束开角 换能器以频率 ｆ ｏ 向海底发射超声波脉冲。声波束的发射方向与船舶速度 多普勒计程仪所发射的超声波信号， 是有一定宽度的波束， 其波束宽 方向成 ０角ｊ 称之为波束发射俯角， 一般 ０取 ６ ０ ￣。换能器向海底发射 度由换能器的指向性所确定若 两发射波束边缘均有回波接收时， 接收频 的超声波经海底发射后， 一小部分声波能量被换能器接收。 换能器 ０既是 率就不再是理论 Ｅ 理想状态的—个单频， 而是—个频带。由于频带的存 声源又是接收者， 由于发射点和接收点之间有相对位移做换能器 Ｏ收到 在， 在多普勒测量 中会造成误差， 开角越大测 量误差就越大； 开角越小测 声波的频率和发射声波的频率并不相同 称为二次多普勒效应） 。 测得的 量误差就越小。 大的旁瓣不仅会导致发射能量不能有效的全部利用， 而且 多普 勒频 移 △ｆ 表 示如下： 还会因旁瓣回波信号被接收而造成误差 别是在浅水海域 因此， 一般 要求多普勒计程仪换能器的第—旁瓣低于主瓣 ２ ５ ｄ ｂ以上。 △， 一 ５ － ３对船速进彳 亍 校正 式中， 声波发射频率 ｆ ｎ 、 船速 Ｖ及波束俯角 ０均为已知量， 只要测出 换能器的安装情况以及仪器 的调整状态等会产生测速固定误差， 所 多普勒频移△￡ 即可求出船速。 以要对计程仪显示航速的相对误差进行测量。多普勒计程仪在船速由低 ３双波速测 速原理 到高的过程中具有线性特点， 因此在各种速良下娱 差几乎是相同的。可 单 支 束计程仪在实际使用时会因船舶摇摆而产生测速误差， 故不能 利用装在电子单元箱内的航速误差开关对仪器进行调整 Ⅲ： 航速误差。 得到广泛的应用 。 船舶摇摆时， 由于船舶上下颠簸和纵向摇摆会产生船舶 结束 语 在垂直方向上的运动速度 ｕ 。垂向速度 ｕ在波束发射方向上的分量为 综上所述’ 只有充分理解了船用多普勒计程仪的工作原理及特 ｌ 生 Ｕ Ｕ ｓ ｉ ｎ ０ ， 在波束发射方 向上的合成速度为 Ｖ ｃ ｏ ｓ ０一 Ｕ ｓ ｉ ｎ ０ 则单波束多 用提高测速精度 的方法得 到较为精确的航速 、 航程数据才 能保证船舶的