Ako vaša loď pozná svoju rýchlosť: rozbaľte protokol rýchlosti Dopplera
Ako vaša loď pozná svoju rýchlosť: rozbaľte protokol rýchlosti Dopplera
Zaujímalo vás niekedy, ako masívne nákladné lode, agilné námorné plavidlá alebo sofistikované výskumné lode poznajú svoju presnú rýchlosť cez vodu, najmä ďaleko na mori, kde samotný GPS nestačí? Odpoveď často spočíva v pozoruhodnom kuse akustickej technológie nazývanej protokol rýchlosti Doppler (DSL). Poďme sa ponoriť do fyziky a inžinierstva, vďaka ktorým bude fungovať.
Základný princíp: Dopplerov efekt
Pamätáte si zvuk sanitky sirény? Keď sa k vám blíži, je ihrisko vyššia; Keď sa pohybuje preč, ihrisko klesne. Tento posun vo frekvencii v dôsledku relatívneho pohybu je Dopplerov efekt pomenovaný po fyzikom Christian Doppler. Protokol rýchlosti Doppler používa tento presný princíp, ale so zvukovými vlnami prechádzajúce vodou, nie vzduchom.
Ako dsl funguje: krok - pomocou - krok
1. Prenos pulzu: DSL má na lodnom trupe jeden alebo viac prevodníkov (špecializované podvodné reproduktory/mikrofóny). Vyjadruje krátky, vysoký - frekvenčný impulz zvukovej energie (zvyčajne v rozsahu 100 kHz až 1 MHz) do vody.
2. Ciele zasiahnutia zvuku: Tento zvukový impulz prechádza smerom von. Čo sa stane ďalej, závisí od typu DSL:
Voda - režim trate (najbežnejšie): Zvukový pulz rozptyľuje malé častice (planktón, bahno, vzduchové bubliny) zavesené vo vodnom stĺpci. Pomyslite na to, ako by som švihol baterku do hmly - lúč je viditeľný, pretože svetlo sa rozptyľuje od hmlových častíc.
Spodok - režim tracku: V plytšej vode môže zvukový impulz cestovať až dole, odrážať sa z morského dna a cestovať späť k lodi.
3. Dopplerova zmena sa stane: tu je kritická časť. Keď zvuková vlna zasiahne časticu (alebo morské dno) a táto častica sa pohybuje v porovnaní s loďou, frekvencia odrazenej zvukovej vlny sa zmení.
* Ak sa častica pohybuje smerom k lodi (pretože sa loď pohybuje smerom k nej), odrazená frekvencia je vyššia ako prenášaná frekvencia.
* Ak sa častica pohybuje od lode (pretože loď sa od nej pohybuje), odrazená frekvencia je nižšia ako prenášaná frekvencia.
4. Prijímanie ozveny: Prevodník DSL pôsobí ako mikrofón a počúva slabé ozveny (spätný rozptyl) vracajúci sa z častíc vody alebo z morského dna.
5. Meranie posunu: Sofistikovaná elektronika DSL porovnáva frekvenciu prenášaného impulzu s frekvenciou prijatej ozveny. Rozdiel medzi týmito frekvenciami sa nazýva Dopplerov posun (AF).
7 Vzorec odvodený z Dopplerovej rovnice je:
`Speed = (δf * c) / (2 * f_t * cos (θ))`
Kde:
* `Speed`=Rýchlosť lode vzhľadom na vodu (alebo morské dno).
* `Δf`=Nameraný Doppler Shift.
* `C`=Rýchlosť zvuku vo vode (približne . 1500 m/s sa líši v závislosti od teploty/slanosti).
* `f_t`=frekvencia prenášaného impulzu.
* `θ`=Uhol medzi zvukovým lúčom a vertikálnym (Tilt 'lúč).
7. Konfigurácia Janus - Zrušenie tónu a rolky: Jeden lúč mohol merať iba rýchlosť pozdĺž svojej vlastnej osi. Ak chcete získať pravú rýchlosť lode vpred/vzdialenosť a rýchlosť a športy (boky), DSL používajú konfiguráciu Janus (pomenované po dvoch -, ktoré čelia rímskemu Bohu).
Štyri lúče: Zvyčajne sa používajú štyri lúče: dva naklonené dopredu, dva uhlové zadné (alebo dva naklonené do prístavu, dva na pravobok na meranie atď.).
Priemerovanie: Porovnaním Dopplerovho posunu z predných a zadných lúčov (alebo portu a pravobok) systém môže:
Vypočítajte komponent rýchlosti vpred/vzad.
Vypočítajte komponent rýchlosti Atwartships.
Zrušte chyby spôsobené nadhadzovaním lode (naklonenie dopredu/späť) alebo valcovanie (sklonenie strany - na - strana). Chyby vyvolané vertikálnym pohybom ovplyvňujú protichodné lúče rovnako, ale opačným spôsobom, takže sa zrušujú, keď sú lúče spriemerované.
Voda - stopa vs. spodná - sledujte
Voda - Track (WT): Meria rýchlosť vzhľadom na vodnú hmotu niekoľko metrov až desiatky metrov pod trupom. Toto je skutočná rýchlosť cez vodu, ktorá je rozhodujúca pre navigáciu (najmä s prúdmi), výpočty palivovej účinnosti a dynamické polohovacie systémy. Funguje to v akejkoľvek hĺbke, pokiaľ sú rozptyly.
Bottom - track (BT): Meria rýchlosť vzhľadom na morské dno. To dáva rýchlosti lode nad zemou (SOG), podobne ako GPS, ale odvodené akusticky. Je to veľmi presné, ale funguje iba v hĺbkach menej ako zhruba 200-300 metrov (v závislosti od energie a frekvencie).
Výhody protokolov rýchlosti Doppler
Vysoká presnosť: najmä vo vode - režim, ktorý poskytuje skutočnú rýchlosť vodou, ktorá nie je ovplyvnená prúdmi.
Okamžité meranie: Poskytuje takmer reálne - údaje o rýchlosti časovej rýchlosti, na rozdiel od tradičných protokolov obežníky, ktoré môžu mať oneskorenie.
Multi - DimensionAl: Meria rýchlosťou vpred/Astern a Athwart.
Nezávislosť hĺbky (WT): Pracuje v hlbokom oceáne, kde spodná dráha a GPS - odvodené SOG (ktoré sa spoliehajú na opravy polohy) môžu byť menej spoľahlivé alebo nedostupné.
Žiadne pohyblivé časti: spoľahlivejšie a menej náchylné na znečistenie ako mechanické protokoly.
Protokol rýchlosti Doppler je akustický rýchlomer. Presne meraním Dopplerovho posunu v zvukových vlnách odrážaných z častíc vody alebo morského dna a šikovne pomocou viacerých šikmých lúčov vypočíta rýchlosť lode v porovnaní s vodou alebo zemou s pozoruhodnou presnosťou a spoľahlivosťou. Je to základný senzor na moderných plavidlách, ktorý ticho zaisťuje bezpečnú navigáciu, efektívne plánovanie plavby a presnú stanicu -. Keď nabudúce budete na veľkej lodi, nezabudnite, že pod vami je pravdepodobne orchester zvukových pulzov, ktoré neustále meria jeho rýchlosť cez obrovský oceán.
