多普勒計程儀

多普勒計程儀是根據聲波在水中的多普勒效應原理而製成的一種精密測速和累積航程的儀器 ^[1]  。它是一種計算法定位導航設備,計算法定位導航是一種古老的技術,它必須依靠船速這一重要參數,船速的準確程度直接影響到定位精度。

利用發射的聲波和接收的水底反射波之間的多普勒頻移測量船舶相對於水底的航速和累計航程。這種計程儀準確性好，靈敏度高，可測縱向和橫向速度，但價格昂貴。主要用於巨型船舶在狹水道航行、進出港、靠離碼頭時提供船舶縱向和橫向運動的精確數據。多普勒計程儀受作用深度限制，超過數百米時，只能利用水層中的水團質點作反射層，變成對水計程儀。

隨着技術的發展,到了十八世紀出現了拖拽式計程儀。在十九世紀中葉,人們利用船隻運動時周圍流體推動葉輪旋轉的道理製成了轉輪式測速計程儀。二十世紀二十年代,在皮託所作的關於流體動壓力與流體速度平方成正比的實驗結論啓示下,研製成水壓式計程儀。到了二十世紀中葉,利用法拉第電磁感應原理製成的電磁式計程儀,彌補了水壓式計程儀不能測量倒退速度及測量靈敏度低的缺陷。在這以後隨着電子技術的發展,對轉輪式和動壓式計程儀作了相應的改進。到了六十年代末和七十年代初電磁式計程儀又有了進一步的發展。隨着船舶噸位的增大及其它導航定位系統的要求,不僅要求提供船舶前進、後退的速度,而且在船舶進出船塢,靠泊碼頭時,也要求提供船首或船尾的橫移速度,並且需要所測定的速度不是相對於水流,而必須是船舶相對於地的速度"對測量的前進、後退或橫移的速度門限也要求更高。因而,在七十年代就出現了利用聲波在載體與接收體有相對運動的特性,即聲波的多普勒效應而設計的多普勒計程儀(DVL)和利用相關技術處理回波信息的聲相關計程儀(CVL)。這兩種計程儀的出現以及回聲測深儀就構成了水聲導航體制,這使船舶水下的導航系統應用在民用運輸船舶上,以其獨立的工作方式,是其它水面導航定位系統所無法取代的,受到航海界的讚賞和廣泛應用。

速度測量是多普勒計程儀的主要功能。多普勒計程儀利用回波的多普勒頻移從而解算出載體的速度,因此,測頻精度的高低直接影響着測速精度的高低,頻率測量成為多普勒計程儀的主要任務。選取一種精度高、運算量小的頻率算法對多普勒計程儀來説尤為重要。

多普勒計程儀中最常用的頻率估計方法是過零檢測法。這種方法通常是在一個過零點處開始以非常高的時鐘脈衝計數,來確定N個週期所需的時間,從而估計頻率,這種方法運算量小,實現簡單,但對噪聲過於敏感,並且當觀測長度較短時時間量化誤差較大。

多普勒計程儀特別適合測定淺水和低速時艦船的航速 ^[2]  。由於多普勒計程儀測得的速度精度高,所以由多普勒計程儀、羅經組成的推算航行系統與衞星導航或精密無線電定位系統共同組成的組合導航系統具有很高的精度,可用於水面艦艇和各種工程作業、海洋考察的船隻。另外,多普勒計程儀測得的速度還可用作慣導系統的速度阻尼信號。多普勒計程儀與慣導組合是船用慣性導航系統較為理想的組合模式之一。