Làm thế nào con tàu của bạn biết tốc độ của nó: Giải nén nhật ký tốc độ Doppler
Làm thế nào con tàu của bạn biết tốc độ của nó: Giải nén nhật ký tốc độ Doppler
Bạn đã bao giờ tự hỏi làm thế nào các tàu chở hàng khổng lồ, các tàu hải quân nhanh nhẹn hoặc các tàu nghiên cứu tinh vi biết tốc độ chính xác của họ qua nước, đặc biệt là xa trên biển mà một mình GPS không đủ? Câu trả lời thường nằm trong một phần đáng chú ý của công nghệ âm thanh gọi là nhật ký tốc độ Doppler (DSL). Hãy đi sâu vào vật lý và kỹ thuật làm cho nó hoạt động.
Nguyên tắc cốt lõi: Hiệu ứng Doppler
Bạn có nhớ âm thanh của còi báo động không? Khi nó đến gần bạn, sân có vẻ cao hơn; Khi nó di chuyển đi, sân rơi xuống. Sự thay đổi tần số này do chuyển động tương đối là hiệu ứng Doppler, được đặt theo tên của nhà vật lý Christian Doppler. Nhật ký tốc độ Doppler áp dụng nguyên tắc chính xác này, nhưng với sóng âm đi qua nước, không phải không khí.
Cách thức hoạt động của DSL: Bước - bởi - bước
1. Truyền xung: DSL có một hoặc nhiều đầu dò (loa/micrô dưới nước chuyên dụng) được gắn trên thân tàu. Nó phát ra một xung tần số ngắn,- của năng lượng âm thanh (thường là trong phạm vi 100 kHz đến 1 MHz) xuống nước.
2. Các mục tiêu đánh âm thanh: Âm thanh âm thanh này đi ra ngoài. Điều gì xảy ra tiếp theo phụ thuộc vào loại DSL:
Nước - Chế độ theo dõi (phổ biến nhất): xung âm thanh phân tán các hạt nhỏ (sinh vật phù sa, silt, bong bóng không khí) lơ lửng trong cột nước. Hãy nghĩ về nó giống như chiếu đèn pin vào sương mù - chùm tia có thể nhìn thấy vì ánh sáng phân tán ra khỏi các hạt sương mù.
Dưới cùng - Chế độ theo dõi: Trong nước nông hơn, xung âm thanh có thể di chuyển suốt quãng đường xuống, phản xạ ra khỏi đáy biển và đi lại lên tàu.
3. Sự thay đổi Doppler xảy ra: Đây là phần quan trọng. Khi sóng âm chạm vào một hạt (hoặc đáy biển) và hạt đó đang di chuyển so với con tàu, tần số của sóng âm phản xạ thay đổi.
* Nếu hạt đang di chuyển về phía con tàu (vì con tàu đang di chuyển về phía nó), tần số phản xạ cao hơn tần số truyền.
* Nếu hạt đang di chuyển ra khỏi con tàu (vì con tàu đang di chuyển ra khỏi nó), tần số phản xạ thấp hơn tần số truyền.
4. Nhận Echo: Bộ chuyển đổi của DSL hoạt động như một micro, lắng nghe tiếng vang mờ (tán xạ ngược) trở về từ các hạt nước hoặc đáy biển.
5 Sự khác biệt giữa các tần số này được gọi là dịch chuyển Doppler (ΔF).
6. Tốc độ tính toán: Sự dịch chuyển Doppler (ΔF) tỷ lệ thuận với tốc độ tương đối giữa tàu và các hạt tán xạ (hoặc đáy biển). Công thức có nguồn gốc từ phương trình Doppler là:
`Speed = (Δf * c) / (2 * f_t * cos (θ))`
Ở đâu:
* `Speed`=Tốc độ của tàu so với nước (hoặc đáy biển).
* `Δf`=đã đo dịch vụ doppler.
* `C`=Tốc độ âm thanh trong nước (xấp xỉ . 1500 m/s, thay đổi theo nhiệt độ/độ mặn).
* `f_t`=tần số của xung truyền.
* `θ`=góc giữa chùm âm thanh và dọc (" độ nghiêng "của chùm tia).
7. Cấu hình Janus - Hủy bỏ và cuộn: Một chùm tia duy nhất chỉ có thể đo tốc độ dọc theo trục của chính nó. Để có được tốc độ chuyển tiếp/Astern thực sự của con tàu và tốc độ Athwartships (Sideways), DSL sử dụng cấu hình Janus (được đặt theo tên của hai - đối mặt với vị thần La Mã).
Bốn dầm: Thông thường, bốn chùm tia được sử dụng: hai góc phía trước, hai góc phía sau (hoặc hai góc cạnh đến cổng, hai đến mạn phải để đo Athwartships).
Tính trung bình: Bằng cách so sánh các dịch chuyển Doppler từ dầm tiến và phía sau (hoặc cổng và mạn phải), hệ thống có thể:
Tính thành phần tốc độ chuyển tiếp/astern.
Tính toán thành phần tốc độ Athwartships.
Hủy bỏ các lỗi do ném tàu (nghiêng về phía trước/ngược) hoặc lăn (bên nghiêng - với - bên). Các lỗi gây ra bởi chuyển động dọc ảnh hưởng đến các chùm đối lập như nhau nhưng theo những cách ngược lại, vì vậy chúng hủy bỏ khi các chùm được tính trung bình.
Water - Track so với dưới cùng - track
Nước - Track (WT): Các biện pháp tốc độ so với khối lượng nước vài mét đến hàng chục mét dưới thân tàu. Đây là tốc độ thực sự qua nước, rất quan trọng để điều hướng (đặc biệt là với dòng điện), tính toán hiệu quả nhiên liệu và hệ thống định vị động. Nó hoạt động ở bất kỳ độ sâu nào miễn là có bộ phân tán.
Bottom - Track (BT): Các biện pháp tốc độ so với đáy biển. Điều này mang lại cho con tàu tốc độ trên mặt đất (SOG), tương tự như GPS nhưng có nguồn gốc từ âm thanh. Nó rất chính xác nhưng chỉ hoạt động ở độ sâu dưới 200-300 mét (tùy thuộc vào công suất và tần số).
Ưu điểm của nhật ký tốc độ Doppler
Độ chính xác cao: đặc biệt là trong nước - Chế độ theo dõi, cung cấp tốc độ thực sự qua nước không bị ảnh hưởng bởi dòng điện.
Đo lường tức thời: Cung cấp gần thực - Dữ liệu tốc độ thời gian, không giống như nhật ký bánh công tác truyền thống có thể có độ trễ.
MULTI - chiều: đo cả tốc độ về phía trước/astern và athwartships.
Độc lập độ sâu (WT): Hoạt động ở Deep Ocean, nơi theo dõi đáy và GPS - SOG có nguồn gốc (dựa trên các sửa chữa vị trí) có thể kém đáng tin cậy hoặc không có sẵn.
Không có bộ phận chuyển động: Đáng tin cậy hơn và ít bị tắc nghẽn hơn so với nhật ký cơ học.
Nhật ký tốc độ Doppler là một đồng hồ tốc độ âm thanh. Bằng cách đo chính xác sự dịch chuyển Doppler trong các sóng âm thanh bật ra khỏi các hạt nước hoặc đáy biển, và sử dụng khéo léo nhiều dầm góc, nó tính toán tốc độ của con tàu so với nước hoặc mặt đất với độ chính xác và độ tin cậy đáng chú ý. Đó là một cảm biến cơ bản trên các tàu hiện đại, âm thầm đảm bảo điều hướng an toàn, lập kế hoạch hành trình hiệu quả và trạm chính xác - giữ. Lần tới khi bạn ở trên một con tàu lớn, hãy nhớ rằng có khả năng một dàn nhạc âm thanh bên dưới bạn, liên tục đo tốc độ của nó qua đại dương rộng lớn.
