[科普中國(guó)]-多普勒聲納計(jì)程儀

多普勒聲納計(jì)程儀（Doppler sonar log）是指用來(lái)測(cè)量艦船在水中運(yùn)動(dòng)速度和航程的水聲的導(dǎo)航設(shè)備。

簡(jiǎn)介多普勒聲納計(jì)程儀的主要過(guò)程是，根據(jù)多普勒原理，運(yùn)動(dòng)著的船只以頻率f向海底發(fā)射超聲波信號(hào)，當(dāng)從海底反射回來(lái)的信號(hào)頻率被接收時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率差值△f，這個(gè)頻率差值△f與船運(yùn)動(dòng)的速度存在著線性關(guān)系。多普勒聲納計(jì)程儀就是來(lái)測(cè)量艦船在水中運(yùn)動(dòng)速度和航程的水聲導(dǎo)航設(shè)備。這種設(shè)備從六十年代研制成功以來(lái)，時(shí)間不長(zhǎng)，然而卻得到了廣泛的應(yīng)用。這種計(jì)程儀的最突出的特點(diǎn)是具有很高的靈敏度，在200米左右水深范圍內(nèi)測(cè)相對(duì)海底速度，能精確到0.01節(jié)。它還能同時(shí)測(cè)出縱向和橫向速度。這些特點(diǎn)對(duì)于大型和特種船舶是十分重要的。1

主要特點(diǎn)多普勒聲納計(jì)程儀的特點(diǎn)有：①采用可編程序信號(hào)處理機(jī)，以增大雷達(dá)信號(hào)的處理容量、速度和靈活性，提高設(shè)備的復(fù)用性，從而使雷達(dá)能在跟蹤的同時(shí)進(jìn)行搜索并能改變或增加雷達(dá)的工作狀態(tài)，使雷達(dá)具有對(duì)付各種干擾的能力和超視距的識(shí)別目標(biāo)的能力；②采用可編程序柵控行波管，使雷達(dá)能工作在不同脈沖重復(fù)頻率，具有自適應(yīng)波形的能力，能根據(jù)不同的戰(zhàn)術(shù)狀態(tài)選用低、中或高三種脈沖重復(fù)頻率的波形，并可獲得各種工作狀態(tài)的最佳性能；③采用多普勒波束銳化技術(shù)獲得高分辨率，在空對(duì)地應(yīng)用中可提供高分辨率的地圖測(cè)繪和高分辨率的局部放大測(cè)繪，在空對(duì)空敵情判斷狀態(tài)可分辨出密集編隊(duì)的群目標(biāo)。1

主要原理多普勒聲納計(jì)程儀的原理主要就是多普勒原理。多普勒雷達(dá)就是利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行定位，測(cè)速，測(cè)距等工作的雷達(dá)。所謂多普勒效應(yīng)就是，當(dāng)聲音，光和無(wú)線電波等振動(dòng)源與觀測(cè)者以相對(duì)速度V相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所收到的振動(dòng)頻率與振動(dòng)源所發(fā)出的頻率有所不同。因?yàn)檫@一現(xiàn)象是奧地利科學(xué)家多普勒最早發(fā)現(xiàn)的，所以稱之為多普勒效應(yīng)。由多普勒效應(yīng)所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對(duì)速度V成正比，與振動(dòng)的頻率成反比。1

脈沖多普勒雷達(dá)是利用多普勒效應(yīng)制成的雷達(dá)。1842年，奧地利物理學(xué)家C·多普勒發(fā)現(xiàn)波源和觀測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)使觀測(cè)到的頻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)。
脈沖多普勒雷達(dá)的工作原理可表述如下：當(dāng)雷達(dá)發(fā)射一固定頻率的脈沖波對(duì)空掃描時(shí)，如遇到活動(dòng)目標(biāo)，回波的頻率與發(fā)射波的頻率出現(xiàn)頻率差，稱為多普勒頻率。根據(jù)多普勒頻率的大小，可測(cè)出目標(biāo)對(duì)雷達(dá)的徑向相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時(shí)間差，可以測(cè)出目標(biāo)的距離。同時(shí)用頻率過(guò)濾方法檢測(cè)目標(biāo)的多普勒頻率譜線，濾除干擾雜波的譜線，可使雷達(dá)從強(qiáng)雜波中分辨出目標(biāo)信號(hào)。所以脈沖多普勒雷達(dá)比普通雷達(dá)的抗雜波干擾能力強(qiáng)，能探測(cè)出隱蔽在背景中的活動(dòng)目標(biāo)。
脈沖多普勒雷達(dá)于20世紀(jì)60年代研制成功并投入使用。20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路和數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，脈沖多普勒雷達(dá)廣泛用于機(jī)載預(yù)警、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)、衛(wèi)星跟蹤、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、靶場(chǎng)測(cè)量、武器火控和氣象探測(cè)等方面，成為重要的軍事裝備。裝有脈沖多普勒雷達(dá)的預(yù)警飛機(jī)，已成為對(duì)付低空轟炸機(jī)和巡航導(dǎo)彈的有效軍事裝備。此外，這種雷達(dá)還用于氣象觀測(cè)，對(duì)氣象回波進(jìn)行多普勒速度分辨，可獲得不同高度大氣層中各種空氣湍流運(yùn)動(dòng)的分布情況。1

機(jī)載火控系統(tǒng)用的主要是脈沖多普勒雷達(dá)。如美國(guó)戰(zhàn)機(jī)裝備的APG－68雷達(dá)，代表了機(jī)載脈沖多普勒火控雷達(dá)的先進(jìn)水平。它有18種工作方式，可對(duì)空中、地面和海上目標(biāo)邊搜索邊跟蹤，抗干擾性能好，當(dāng)飛機(jī)在低空飛行時(shí)，還可引導(dǎo)飛機(jī)跟蹤地形起伏，以避免與地面相撞。這種雷達(dá)體積小，重量輕，可靠性高。

機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、伺服系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理機(jī)、雷達(dá)數(shù)據(jù)處理機(jī)和數(shù)據(jù)總線等組成。機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)通常采用相干體制，有著極高的載頻穩(wěn)定度和頻譜純度以及極低的天線旁瓣，并采取先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。脈沖多普勒雷達(dá)通常采用較高以及多種的重復(fù)頻率和多種發(fā)射信號(hào)形式，以在數(shù)據(jù)處理機(jī)中利用代數(shù)方法，并可應(yīng)用濾波理論在數(shù)據(jù)處理機(jī)中對(duì)目標(biāo)坐標(biāo)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步濾波或預(yù)測(cè)。

研究意義多普勒計(jì)程儀已成功應(yīng)用于多種載體的導(dǎo)航，而其最大作用距離對(duì)于設(shè)計(jì)和使用都具有重要的意義。根據(jù)聲納方程各項(xiàng)的定義并根據(jù)多普勒計(jì)程儀工作時(shí)的特點(diǎn)，推導(dǎo)出不同條件下聲納方程中各項(xiàng)的計(jì)算公式，從而對(duì)多普勒計(jì)程儀的最大作用距離進(jìn)行估計(jì)，最后將某型多普勒計(jì)程儀的相關(guān)參數(shù)代入推導(dǎo)的公式中，并進(jìn)行計(jì)算得到理論計(jì)算值。同時(shí)還計(jì)算了多普勒計(jì)程儀在不同條件下的作用距離。2

新型計(jì)程儀此外，還有一種利用“聲相關(guān)”原理來(lái)測(cè)量艦船相對(duì)于海底速度的新型計(jì)程儀。在船底沿船長(zhǎng)的適當(dāng)位置分別裝設(shè)三聲納換能器，一個(gè)發(fā)射，兩個(gè)接收。向海底某定點(diǎn)發(fā)射波束，使波束經(jīng)同樣長(zhǎng)度的途徑先后為二接收器接收，因而分別獲得振幅、相位相同的反射信號(hào)。在這一時(shí)間間隔內(nèi)，船剛好走過(guò)二接收器之間距離的一半。這樣就可以計(jì)算出船的航行速度。它可以測(cè)得三個(gè)自由度的對(duì)地速度，并提供深度信息，與多普勒聲納計(jì)程儀相比大大提高了工作深度，也就是說(shuō)，在深海中也可以測(cè)得艦船對(duì)海底的速度。因而，它的出現(xiàn)引起人們的重視。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

趙陽(yáng)國(guó) - 副教授 - 中國(guó)海洋大學(xué)