Как вашият кораб знае скоростта му: разопаковане на доплеровия дневник на скоростта
Как вашият кораб знае скоростта му: разопаковане на доплеровия дневник на скоростта
Някога се чудихте как масивни товарни кораби, пъргави военноморски кораби или сложни изследователски кораби знаят прецизната си скорост през водата, особено далеч в морето, където само GPS не е достатъчен? Отговорът често се крие в забележително парче от акустична технология, наречено Doppler Speed Log (DSL). Нека се потопим във физиката и инженерството, които я карат да работи.
Основният принцип: Доплеровият ефект
Спомняте ли си звука на сирена за линейка? Когато се приближава до вас, теренът изглежда по -висок; Докато се отдалечава, терена пада. Това изместване на честотата поради относително движение е ефектът на доплеровия, кръстен на физика Християнски доплер. Доплеровият дневник на скоростта прилага този точен принцип, но при звукови вълни, пътуващи през вода, а не въздух.
Как работи DSL: Стъпка - от - стъпка
1. Предаване на импулса: DSL има един или повече преобразуватели (специализирани подводни високоговорители/микрофони), монтирани на корпуса на кораба. Той излъчва кратък, висок - честотен импулс на звукова енергия (обикновено в обхвата от 100 kHz до 1 MHz) надолу във водата.
2. Цели за удряне на звук: Този звуков импулс пътува навън. Какво се случва след това зависи от типа DSL:
Вода - режим на проследяване (най -често): Звуковият импулс се разпръсква от малки частици (планктон, тиня, въздушни мехурчета), окачени в самия воден стълб. Помислете за това като да светете фенерче в мъгла - гредата е видима, защото светлината се разпръсква от частиците за мъгла.
Отдолу - режим на проследяване: В по -плитка вода звуковият импулс може да пътува докрай надолу, да отразява морското дъно и да пътува обратно до кораба.
3. Доплеровата смяна се случва: Ето критичната част. Когато звуковата вълна удари частица (или морското дъно) и тази частица се движи спрямо кораба, честотата на отразената звукова вълна се променя.
* Ако частицата се движи към кораба (тъй като корабът се движи към него), отразената честота е по -висока от предаваната честота.
* Ако частицата се отдалечава от кораба (тъй като корабът се отдалечава от него), отразената честота е по -ниска от предаваната честота.
4. Получаване на ехото: Преобразувателят на DSL действа като микрофон, слушайки слабите ехо (заден ход), връщащи се от водата на водата или морското дъно.
5. Измерване на смяната: Сложната електроника на DSL сравнява честотата на предавания импулс с честотата на полученото ехо. Разликата между тези честоти се нарича доплерово изместване (ΔF).
6. Изчисляване на скоростта: Доплеровото изместване (ΔF) е пряко пропорционално на относителната скорост между кораба и разсейващите частици (или морското дъно). Формулата, получена от уравнението на доплера, е:
`Скорост=(Δf * c) / (2 * f_t * cos (θ))`
Къде:
* `SPEED`=Скоростта на кораба спрямо водата (или морското дъно).
* `Δf`=Измерва смяна на доплер.
* `C`=Скоростта на звука във вода (приблизително . 1500 m/s, варира в зависимост от темп/соленост).
* `f_t`=Честота на предавания импулс.
* `θ`=ъгълът между звуковия лъч и вертикала (" наклона "на лъча).
7. Конфигурацията на Janus - Анулиране на стъпка и ролка: Единичният лъч може да измерва само скоростта по собствената си ос. За да постигне истинската скорост на кораба напред/в източници и скорости на спора (странично), DSLS използва конфигурацията на Janus (кръстена на двете -, изправена пред римския бог).
Четири лъча: Обикновено се използват четири лъча: два ъгъла напред, два ъглови задници (или два ъглови до порт, два до десния борд за измерване на спортни работи).
Средно: Сравняване на доплеровите измествания от предните и задните лъчи (или порта и десния борд), системата може:
Изчислете компонента на скоростта напред/Astern.
Изчислете компонента за скорост на скоростта на Athwartship.
Отменете грешки, причинени от корабоплаването (накланяне напред/назад) или търкаляне (накланяща страна - до - страна). Грешките, предизвикани от вертикално движение, влияят върху противоположните лъчи еднакво, но по противоположни начини, така че те се отменят, когато гредите са осреднени.
Вода - Track vs. Bottom - Track
Вода - писта (WT): Измерва скоростта спрямо водната маса на няколко метра до десетки метра под корпуса. Това е истинската скорост през водата, от решаващо значение за навигацията (особено при токове), изчисленията на горивната ефективност и динамичните системи за позициониране. Работи на всяка дълбочина, стига да има разсейвачи.
Bottom - Track (BT): Измерва скоростта спрямо морското дъно. Това дава скоростта на кораба над земята (SOG), подобно на GPS, но произлиза акустично. Той е много точен, но работи само на дълбочина по-малко от около 200-300 метра (в зависимост от мощността и честотата).
Предимства на доплеровите трупи за скорост
Висока точност: Особено във вода - режим на проследяване, осигуряващ истинска скорост чрез вода, незасегната от токове.
Моментално измерване: Осигурява почти реални данни за скоростта на времето, за разлика от традиционните дневници на колело, които могат да се забавят.
Multi - Размер: Измерва както скоростта на напред/Astern, така и Athwartship.
Независимост на дълбочината (WT): Работи в дълбок океан, където долната пътека и GPS - производен SOG (който разчита на позиционни корекции) може да бъде по -малко надежден или недостъпно.
Без движещи се части: по -надеждни и по -малко предразположени към замърсяване от механичните трупи.
Доплеровият дневник на скоростта е акустичен скоростомер. Чрез прецизно измерване на доплеровото изместване на звуковите вълни отскочи от водните частици или морското дъно и умело използвайки множество ъглови греди, той изчислява скоростта на кораба спрямо водата или земята със забележителна точност и надеждност. Това е основен сензор за съвременните кораби, като мълчаливо гарантира безопасна навигация, ефективно планиране на пътешествия и прецизна станция - запазване. Следващия път, когато сте на голям кораб, не забравяйте, че има вероятност от звук от звук под вас, постоянно измервайки скоростта му през огромния океан.
