Como seu navio conhece sua velocidade: desempacotar o log de velocidade doppler

Como seu navio conhece sua velocidade: desempacotar o log de velocidade doppler

Já se perguntou o quão enormes navios de carga, navios navais ágeis ou navios de pesquisa sofisticados conhecem sua velocidade precisa através da água, especialmente no mar, onde o GPS sozinho não é suficiente? A resposta geralmente está em uma peça notável de tecnologia acústica chamada DOPPLER Speed ​​Log (DSL). Vamos mergulhar na física e engenharia que o fazem funcionar.

O princípio principal: o efeito Doppler

Lembra do som de uma sirene de ambulância? À medida que se aproxima de você, o tom parece maior; À medida que se afasta, o arremesso cai. Essa mudança na frequência devido ao movimento relativo é o efeito Doppler, nomeado após o doppler cristão do físico. O registro de velocidade Doppler aplica esse princípio exato, mas com ondas sonoras viajando pela água, não ao ar.

Como um DSL funciona: Etapa - por - Etapa

1. Transmitir o pulso: o DSL possui um ou mais transdutores (alto -d'água/microfones especializados subaquáticos) montados no casco do navio. Emite um pulso de frequência curto e alto -} de energia sonora (normalmente na faixa de 100 kHz a 1 MHz) na água.

2. Alvos de som de som: esse pulso de som viaja para fora. O que acontece a seguir depende do tipo DSL:
Água - Modo de faixa (mais comum): o pulso de som dispersa partículas minúsculas (plâncton, lodo, bolhas de ar) suspensas na própria coluna de água. Pense nisso como brilhar uma lanterna no nevoeiro - o feixe é visível porque a luz se espalha pelas partículas de nevoeiro.
Bottom - Modo de trilha: Em água mais rasa, o pulso de som pode viajar até o fundo, refletir o fundo do mar e viajar de volta para o navio.

3. A mudança do Doppler acontece: aqui está a parte crítica. Quando a onda sonora atinge uma partícula (ou o fundo do mar) e essa partícula está se movendo em relação ao navio, a frequência da onda sonora refletida muda.
* Se a partícula estiver se movendo em direção ao navio (porque o navio está se movendo em direção a ele), a frequência refletida será maior que a frequência transmitida.
* Se a partícula estiver se afastando do navio (porque o navio está se afastando dela), a frequência refletida será menor que a frequência transmitida.

4. Recebendo o eco: o transdutor da DSL atua como um microfone, ouvindo os ecos fracos (retrodisce) retornando das partículas de água ou do fundo do mar.

5. Medindo a mudança: os eletrônicos sofisticados da DSL comparam a frequência do pulso transmitido com a frequência do eco recebido. A diferença entre essas frequências é chamada de mudança de doppler (ΔF).

6. Velocidade de cálculo: A mudança de doppler (ΔF) é diretamente proporcional à velocidade relativa entre o navio e as partículas de dispersão (ou fundo do mar). A fórmula derivada da equação doppler é:
`Speed ​​= (Δf * c) / (2 * f_t * cos (θ))`
Onde:
* `Speed`=velocidade do navio em relação à água (ou fundo do mar).
* `Δf`=Medida Doppler Shift.
* `C`=velocidade do som na água (aprox . 1500 m/s, varia com temp/salinidade).
* `f_t`=frequência do pulso transmitido.
* `θ`=o ângulo entre o feixe de som e a vertical (a" inclinação "do feixe).

7. A configuração de Janus - cancelando pitch and roll: um único feixe só poderia medir a velocidade ao longo de seu próprio eixo. Para obter a velocidade de velocidade e Athwarships do navio (lateralmente) do navio, as DSLs usam a configuração de Janus (em homenagem aos dois - face ao Deus romano).
Quatro vigas: normalmente, quatro vigas são usadas: dois angulares para a frente, dois Aft angulares (ou dois angulares para portar, dois para estibro para medição de athwartships).
Média: Ao comparar o Doppler muda das vigas avançadas e para trás (ou porta e estibordo), o sistema pode:
Calcule o componente de velocidade avançado/a verro.
Calcule o componente de velocidade da Athwartships.
Cancelar erros causados ​​pelo pitching do navio (inclinando para frente/para trás) ou rolando (lado inclinado - para - lado). Os erros induzidos pelo movimento vertical afetam as vigas opostas igualmente, mas de maneiras opostas, então cancelam quando as vigas são calculadas.

Água - rastrear vs. inferior - track

Água - Track (WT): mede a velocidade em relação à massa de água alguns metros a dezenas de metros abaixo do casco. Essa é a velocidade verdadeira através da água, crucial para a navegação (especialmente com correntes), cálculos de eficiência de combustível e sistemas de posicionamento dinâmico. Funciona em qualquer profundidade, desde que haja dispersores.
Bottom - Track (BT): mede a velocidade em relação ao fundo do mar. Isso dá a velocidade do navio sobre o solo (SOG), semelhante ao GPS, mas derivou acusticamente. É altamente preciso, mas funciona apenas em profundidades inferiores a cerca de 200 a 300 metros (dependendo da potência e da frequência).

Vantagens dos registros de velocidade do Doppler

Alta precisão: especialmente na água - Modo de rastreamento, fornecendo velocidade verdadeira através da água não afetada pelas correntes.
Medição instantânea: fornece dados de velocidade de tempo quase reais -, diferentemente dos logs tradicionais do impulsor que podem ter atraso.
Multi - dimensional: mede as velocidades de avanço/a aborda e asmidades.
Independência de profundidade (WT): funciona no Oceano Deep, onde a pista inferior e o GPS - derivado SOG (que depende das correções de posição) pode ser menos confiável ou indisponível.
Sem peças móveis: mais confiáveis ​​e menos propensas a incrustações do que toras mecânicas.

O log de velocidade Doppler é um velocímetro acústico. Ao medir com precisão a mudança de doppler nas ondas sonoras, ricocheteou nas partículas de água ou no fundo do mar e, inteligentemente, usando múltiplas vigas angulares, ele calcula a velocidade do navio em relação à água ou ao solo com notável precisão e confiabilidade. É um sensor fundamental nos navios modernos, garantindo silenciosamente navegação segura, planejamento eficiente de viagem e estação precisa - manutenção. Na próxima vez que você estiver em um navio grande, lembre -se de que provavelmente há uma orquestra de pulsos de som embaixo de você, medindo constantemente sua velocidade pelo vasto oceano.