船用计程仪的发展与现状*

赵 涛

(海军驻锦州地区某军事代表室 锦州 121000)



船用计程仪的发展与现状*

赵 涛

(海军驻锦州地区某军事代表室 锦州 121000)

舰船航速测量在船舶导航、国防应用等领域具有重要现实意义。论文主要介绍了船用计程仪的发展历程、原理分类及未来发展趋势,重点探讨了几种计程仪的基本原理并进行了性能对比分析,最后对船用计程仪技术发展进行了展望。

船用计程仪; 性能; 发展分析

Class Number TN97

1 引言

速度信息是舰船设计最重要的技术指标之一,其精度和品质对许多系统的性能有直接影响。精确的速度信息可以提高舰船的推算定位精度,提高惯性导航系统的定位和航向精度等。因此,精确测量舰船航速是十分必要的,同时速度信息也是海上交通和航运、海上军事活动等最为关注的基础信息之一。计程仪是用于测量舰船航速和累计航程的一种基本仪器[1]。

2 发展历程

古代用流木法来航海计程。19世纪出现近代计程仪。后来得到广泛使用的有梅西式和沃克式拖曳计程仪。20世纪30年代出现萨尔式水压计程仪和契尔尼克夫式转轮计程仪。上世纪50年代出现电磁计程仪。以上各种计程仪均是测量船舶相对于水的航速和航程,只有根据水的流速和流向加以修正,方能求得船舶相对于水底的航速和航程。上世纪50年代出现的多普勒计程仪和70年代的声相关计程仪,在一定水深内可以直接测量船舶相对于水底的航速和航程,使计程仪发展到一个新的水平[2]。

3 主要原理和性能分析

计程仪按其测速参考对象的不同,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,如压差式、电磁式等计程仪。绝对计程仪可以测量船舶对地的速度并累计其航程,如多普勒计程仪和声相关计程仪[3]。

3.1 水压式计程仪

3.1.1 基本原理

水压式计程仪是利用贝努力方程原理,测量舰船相对于海水的运动速度,由导压装置引入前进方向动压力与静压力进入到压差传感器,再通过速度解算装置给出航程。

根据贝努利方程,当理想液体作稳恒流动时,其任一截面Q上的动能、势能、压强能的总和是不变的,它始终等于某一常数,即:

通常将海平面当作水平面,海水相对于船舶的流动则可视为水平流动,若同时测得某一深度处的静压力和全压力之差ΔP,便可求得海水相对于舰艇运动的速度:

式中,K为一固定的常数。

3.1.2 性能分析

这种计程仪具有工作性能可靠、传感器结构简单、易于保养维护、不存在海生物污染的优点。但同时存在线性差,受海水比重的变化影响较大,在低速测量时精度和灵敏度均较差。

3.2 电磁计程仪

3.2.1 基本原理

电磁计程仪是应用电磁感应原理来测量舰船相对于水的航速并累计其航程。利用法拉第电磁感应定律,在磁场恒定的情况下,通过水流切割装在船底的电磁传感器的磁场,将船舶航行相对于水的运动速度转换为感应电势,通过数学模型结算得出航速和航程增量信息。即E=V×B×L,式中:V为舰船相对于水的运动速度,B为磁感应强度,L为两电极间的距离。

3.2.2 性能分析

其优点是测速线性好,测速范围大,精度较高;缺点是由于船体附近的水层受船体航行的影响,水层自身的不稳定会造成瞬时测速的不稳定。其传感器主要有杆式传感器和平面传感器两种,其中杆式传感器由于伸出船体较长,容易勾挂鱼网,造成设备损坏;而平面传感器存在的最大问题是易于附着生长海生物,造成传感器测量精度严重下降。

3.3 多普勒计程仪

3.3.1 基本原理

1842年奥地利科学家Doppler Christion Johann首次发现,任何形式的波传播,由于波源、接收器、传播介质或散射体的运动,会使回波频率发生变化,即产生Doppler频移,这就是著名的多普勒效应[1]。声学多普勒测速的想法源于20世纪60年代,美国迈阿密大学海洋实验室最早开始这方面的研究。此后许多国家也先后开展了此项技术研究,并取得一系列成果[2]。20世纪70年代以后,随着水声技术的进步和信号处理技术的发展,使得多普勒测速的性能有了显著提高,利用多普勒测速原理研制的各种仪器逐渐被广泛应用[3]。目前船用多普勒计程仪主要分为以下几种类型:一种是双波束多普勒计程仪,又称为一元多普勒计程仪,只能测量船舶前进、后退、纵向速度并累计航程;第二种是四波束多普勒计程仪,它可向船体的前后左右四个方向发射波束,又称为二维多普勒计程仪,它除了能测量纵向速度外,还能测量横向速度;第三种类型为六波束多普勒计程仪,它又称为三维多普勒计程仪,由于它既能测量船舶的纵向速度,又能测量船首部和船尾部的横向速度,可反映船舶运动全貌,通常作为大型船舶进出港、靠泊码头或锚泊之用。

3.3.2 性能分析

多普勒计程仪通过发射和接收声学信号可以提供船舶相对于海底的绝对航速和航程信息,实现舰艇运动速度的精确测量。在超出其对底工作深度时,可自动跟踪水层,从而保证测速数据的连续性。相对于传统计程仪,多普勒计程仪具有测速精度高且稳定、并可同时输出二维速度信息的优点。同时计程仪的换能器可以在舱内维护,可以克服传统计程仪在精度、测速稳定性以及可用性、可维护性方面存在的不足。缺陷是工作时要不断的向外发射声波,容易受到外界同频信号干扰。同时常规多普勒计程仪测速精度与海水的温度、盐度密切相关,需安装高精度的温度传感器,补偿影响声速测量的温度误差。

3.4 声相关计程仪

3.4.1 基本原理

20世纪70年代,美国GE公司最早将相关测速技术用于测量水中载体相对于流层和水底速度,并于1978年由Dickey等发表了第一篇声相关测速研究的论文,该论文阐述了声相关测速技术的基本原理—“波形不变性”,并提出了相关测速声纳的设计思想以及声纳的性能预测。所谓“波形不变性”,即不同时间段的发射信号对于不同位置的水听器接收的回波有可能遇到相同的干涉效果其回波波形起伏是近似一样的。声相关计程仪通过换能器垂直向水底发射一定带宽的声波束,利用载体上的多个水听器接收回波信号,采用实时相关技术进行速度解算,进而获得载体的航速和航程[4]。

3.4.2 性能分析

声相关计程仪垂直发、收,在回波强度上高于同频率的声多普勒计程仪,所以需要的功率较小。垂直发、收也相对减少了声波的对外扩散,减少了声暴露区域范围。声相关计程仪不要求窄波束发射,也不要求指向斜下方的波束,因而可用较小的换能器和较低的工作频率。较宽的发射波束也增加了系统的抗摇摆性。与多普勒计程仪相比,相同工作频率下,声相关计程仪的换能器基阵尺寸比多普勒计程仪的基阵小很多,同时多普勒计程仪测速与声速有关,需要进行实时的声速修正,相关计程仪水平测速与声速无关,由于声相关发射波束垂直向下发射,较多普勒计程仪受载体姿态的影响小。

4 发展动向

1) 法国PA2航母被建议增加排水量和降低航速。法国PA2航母基本情况[5]:

(1)主要技术指标

满载排水量:75000t

主尺度:283.00m×73.00m×11.50m

动力系统:2台燃气轮机,4台推进电机,4台柴油交流发电机,2部推进器。

航速:25.00节

续航力:10000海里(15节)

(2)武备

2座“席尔瓦”垂直发射装置(16枚“紫菀”15导弹)

20或30mm火炮

舰载机联队:32架“阵风”战斗机,3架E-2C“鹰眼”预警机,5架NH 90直升机。

(3)电子设备

探测监视:多功能对空/海雷达,导航雷达,红外传感器,光电传感器。

支援对抗:电子战系统,干扰弹发射装置,指控系统。

(4)人员编制:总共1650人。

2) 诺斯罗普·格鲁曼公司为新船提供导航系统。诺斯罗普·格鲁曼公司为6艘新的高速船提供电子导航系统[6]。

诺斯罗普·格鲁曼公司斯佩里船舶公司已为新船提供导航系统设备并进行安装,包括导航与通信标准件。这些船包括4艘高速穿浪双体渡船和两艘澳大利亚皇家海军的“阿密德尔”级巡逻艇。

其中两艘渡船为阿曼建造,长65m,航速50节,将用于旅游观光,它们正在安装斯佩里船舶公司的雷达、自动驾驶仪、回转罗经、速度计程仪、测深仪、差分全球定位系统(DGPS)和航行数据记录器(VDR)。

另外两艘渡船为土耳其伊多(IDO)建造,长88m,航速36节,可运载1200名乘客和225辆轿车,它们将安装雷达、自动驾驶仪、光纤陀螺罗经、速度计程仪、测深仪、DGPS、航行数据记录器(VDR)和电子海图显示与信息系统。

2艘巡逻艇长57m,是澳大利亚皇家海军的第13和14艘“阿密德尔”级巡逻艇,安装斯佩里船舶公司的雷达、自动驾驶仪、DGPS以及航向与航速传感器。

3) 美海军接收两艘新型测量艇。美国海军舰队测量小组(FST)接收了两艘9m长的“保卫者”级测量艇[7]。

FST指挥官称,在未来若干年内,这两艘艇将为舰队提供关键的水文信息。“保卫者”可以对艇舱环境进行控制,使测量设备和测量员在高温时可保持凉爽,在潮湿时可以保持干燥,因而可以在多种海况和气候条件下进行持续测量。此外,“保卫者”还具备多种功能和测量能力,支持多束和单束声波探测工作,还通过艇上的电绞盘及金字塔型系统安装测声呐。

FST的任务是进行各种远征水文测量,及时响应海军海上系统司令部的命令,并提供各种快速反应。包括海军军事行动的地点及对不确定的海上地图进行测量。

4) 诺斯罗普·格鲁曼公司推出新型惯性导航系统。诺斯罗普·格鲁曼公司推出Mk39 mod 4A型船用环状激光惯性导航系统。该系统基于环状激光陀螺仪技术,能够独立提供导航所需数据。这种系统能够通过舰艇网络上的计算机相连接,以对导航器、全球定位系统和速度计程仪进行检查。此外,Mk39 mod 4A型系统可支持惯性测量单元(IMU),并能够实现后勤供应流水线[8]。

诺斯罗普·格鲁曼公司透露,该系统体积更小,重量更轻,成本也更低,将成为海军舰队更好的选择。

5) 詹姆斯·默多克:LCS新设计方案将解决腐蚀问题并实现更高航速。2011年10月20日,默多克在记者招待会表示,LCS项目目前面临一系列关于是否有必要继续发展的问题。他认为,该型舰的模块化特征有助于海军快速增设目前正在研讨中的任务包类型,如海军陆战队型、特别作战型或其他类型[9]。

LCS 1与LCS 3(“沃斯堡”号)相比,最重要变化是LCS 3水下部分船体的修改设计方案增加燃油容量。LCS 3目前处于船厂海试阶段,海军与马里内特海事公司将合作研究加强该舰水下部分船体强度,该舰将比LCS 1增加10%以上的燃油容量。

此外,LCS 3可在外海实现更高的航速,该舰的锚链舱将从主甲板以下移置至主甲板上。默多克表示,舰上的每种装置都对整舰性能存在正负两方面作用。但锚链回收至主甲板是一种更为传统的设计。该种设计更易使舰员适应,并可降低锚链在舰艇高速航行状态下损坏的可能性。

LCS 4(“科罗拉多”号)于2011年11月下水,已于2012年11月前交付。由于装备更大型喷水推进器,LCS 4可比LCS 2航速增加2～3节。新的喷水推进器外部直径增加约10cm,可有效增加舰艇航速。

6) 美造船企业开发出最高航速达50节的“超空泡”舰船。防务技术杂志2014年8月24日报道:近日美国朱丽叶海洋系统公司开发了一种独特的高速船舶“幽灵”号,该船采用了类似俄罗斯超空泡鱼雷的技术,其最高航行速度可达50节。“幽灵”号除了执行快速巡逻、特种作战、保护侨民等任务外还能执行像近海战斗舰(LCS)一样的任务,相比于LCS其速度更快、操作方便、自动化水平更高。目前美国海军濒海战斗舰方案正在重新评估并调整,朱丽叶海洋公司正向海军推荐“幽灵”号[10]。

“幽灵”号的发动机主要由两个装载在浮筒中的T53-L-703涡轴发动机,其驱动位于船体前部吊舱中的旋转螺旋桨,该螺旋桨随后产生“超空泡”效应,整艘船随后由“泡沫”而不是密集的海水携带高速航行,相比传统的舰船其船体摩至少能减少900倍。

超空泡效应使该船即使在高速行状态下仍能穿过3m高的海浪,该船还采用了计算机控制航行过程中的稳定状态。在测试中“幽灵”号已经达到了每小时30节的速度,预计其最大能达到50节,这种航速可以追踪上目前任何一种小型武装船。此外该船上的全电脑控制使其成为一个真正的隐秘幽灵船,船上的操作任务不需要任何船员执行。

5 结语

随着数字信号处理技术、芯片技术、材料技术及计算机技术等各项技术的不断发展,计程仪的发展方向正在向低功耗、小型化、全自动、智能化的方向发展。随着技术成熟度的提高和新型工艺的应用,多普勒计程仪和声相关计程仪的制造成本也将逐步降低,届时会获得更加广泛的应用。

[1] 田坦,刘国枝,孙大军.声纳技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2000:63-170.

[2] 朱昊,刘文耀.基于DSP和CPLD的数字ADCP信号处理系统[J].海洋技术,2004,23(4):96-102.

[3] 马淳燕.宽带相控多普勒测速技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009:6-17.

[4] 王力宝,战永红,程翥,等.声相关计程仪测速技术[J].舰船电子对抗,2008,31(5):98-101.

[5] 法国PA 2航母被建议增加排水量和降低航速[N].每日防务快讯,2006-08-17.

[6] 诺斯罗普·格鲁曼公司为新船提供导航系统[N].每日防务快讯,2006-12-15.

[7] 美海军接收两艘新型测量艇[N].每日防务快讯,2008-03-12.

[8] 诺斯罗普·格鲁曼公司推出新型惯性导航系统[N].每日防务快讯,2011-09-21.

[9] 詹姆斯·默多克:LCS新设计方案将解决腐蚀问题并实现更高航速[N].每日防务快讯,2011-11-03.

[10] 美造船企业开发出最高航速达50节的“超空泡”舰船[N].每日防务快讯,2014-09-10.

Development and Current Situation of Log Ship

ZHAO Tao

(Navy Faorce Representative Office in Jinzhou, Jinzhou 121000)

Ship speed measurement has important practical significance in ship navigation, defense applications. This paper mainly introduces the development history of the ship, log classification principle and the future trend of development, focuses on the basic principles of several kinds of log and a performance comparison analysis. The last, the development of marine log technology is prospected.

for ship log, performance, development analysis

2014年10月5日,

2014年11月25日

赵涛,男,硕士研究生,工程师,研究方向:导航制导与控制技术。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.005