در اینجا لازم به ذکر است ما ابتدا بر آن بودیم تا شتاب سنجی را طراحی کرده و با انتگرال گیری از شتاب و محاسبات لازم عمل سرعت سنجی را انجام دهیم اما به دلیل مشکلات ذکر شده این طرح رد شد.

1-2-2سرعت سنجی با استفاده از اثر داپلرSONAR (Sound Navigation and Ranging)

سیستم اندازه گیری سرعت  به روش  داپلر بر گرفته از همان تئوری شیفت فرکانس است که توسط  Christian Doppler  در اوایل قرن ۱۹ عنوان شد و امروزه بطور گسترده در الکترونیک دریایی برای اندازه گیری سرعت شناور ها استفاده میشود. در نظر بگیرید که کشتی ای با سرعت V به طرف یک صفحه  انعکاس دهنده ثابت ، درحال حرکت است و از دماغه خود یک پرتو از انرژی صوتی با فرکانس f را به سوی صفحه منعکس کننده ارسال می­کند. در اینصورت فرکانس برگشتی از انعکاس صفحه یک شیفت فرکانسی نسبت به فرکانس ارسالی نشان می­دهد. این شیفت فرکانس همان Doppler Shift است و متناسب با سرعت کشتی می­باشد.

اگر سرعت کشتی را صفر در نظر بگیریم طول موج در نقطهء انعکاس برابر است با:

که   = طول موج (متر)       C = سرعت امواج صوتی در آب (۱۵۰۰ متر بر ثانیه)   و  f =فرکانس (هرتز)

و با در نظر گرفتن اینکه کشتی با  سرعت V به سطح انعکاس دهنده نزدیک میشود ،طول موج در آب دریا برابر است با :

و در نتیجه فرکانس بالا تری در نقطه انعکاس داریم. این انرژی در فرکانس بالا  دوباره به طرف منبع فرستنده انعکاس داده می­شود و اینبار طول موج آن  برابر است با:

با جایگذاری دو فرمول بالا خواهیم داشت :

=>

شکل1-3: تغییر فرکانس صوت متاثر از حرکت

شکل1-4:محاسبه سرعت توسط فرکانس دریافتی

در شرایط واقعی میدانیم که سطح انعکاسی وجود ندارد، آنچه بعنوان منعکس کننده باید عمل کند بستر دریاست ،پس پرتوی انرژی میبایست با زاویه مناسب به بستر دریا فرستاده شود. با توجه به زاویه موجود بین بردار سرعت و ارسال موج اکنون سرعت V به صورت زیر محاسبه میشود.[7]

شکل1-5: نحوه عملکرد سرعت سنج داپلر در کشتی

فرمول بالا از بست فرمول اولیه بدست آمده ،ترم اول فرمول که خطی است و مورد استفاده  در اندازه گیری سرعت قرار می­گیرد ،ترم سوم به بعد نیز که به جهت بزرگ بودن مخرج قابل چشم پوشی هستند ، مشکل ترم دوم است که باید به گونه ای جبران یا حذف شود. بدین منظور و همچنین به جهت حذف کردن اثر بالا و پایین شدن سر کشتی در دریای مواج از انتشار پرتوی دیگری با همین زاویه در جهت عقب استفاده می­کنند. در بعضی از سیستمها ۴ پرتو انرژی صوتی با زاویه مساوی

در اینجا لازم به ذکر است ما ابتدا بر آن بودیم تا شتاب سنجی را طراحی کرده و با انتگرال گیری از شتاب و محاسبات لازم عمل سرعت سنجی را انجام دهیم اما به دلیل مشکلات ذکر شده این طرح رد شد.

1-2-2سرعت سنجی با استفاده از اثر داپلرSONAR (Sound Navigation and Ranging)

سیستم اندازه گیری سرعت  به روش  داپلر بر گرفته از همان تئوری شیفت فرکانس است که توسط  Christian Doppler  در اوایل قرن ۱۹ عنوان شد و امروزه بطور گسترده در الکترونیک دریایی برای اندازه گیری سرعت شناور ها استفاده میشود. در نظر بگیرید که کشتی ای با سرعت V به طرف یک صفحه  انعکاس دهنده ثابت ، درحال حرکت است و از دماغه خود یک پرتو از انرژی صوتی با فرکانس f را به سوی صفحه منعکس کننده ارسال می­کند. در اینصورت فرکانس برگشتی از انعکاس صفحه یک شیفت فرکانسی نسبت به فرکانس ارسالی نشان می­دهد. این شیفت فرکانس همان Doppler Shift است و متناسب با سرعت کشتی می­باشد.

اگر سرعت کشتی را صفر در نظر بگیریم طول موج در نقطهء انعکاس برابر است با:

که   = طول موج (متر)       C = سرعت امواج صوتی در آب (۱۵۰۰ متر بر ثانیه)   و  f =فرکانس (هرتز)

و با در نظر گرفتن اینکه کشتی با  سرعت V به سطح انعکاس دهنده نزدیک میشود ،طول موج در آب دریا برابر است با :

و در نتیجه فرکانس بالا تری در نقطه انعکاس داریم. این انرژی در فرکانس بالا  دوباره به طرف منبع فرستنده انعکاس داده می­شود و اینبار طول موج آن  برابر است با:

با جایگذاری دو فرمول بالا خواهیم داشت :

=>

شکل1-3: تغییر فرکانس صوت متاثر از حرکت

شکل1-4:محاسبه سرعت توسط فرکانس دریافتی

در شرایط واقعی میدانیم که سطح انعکاسی وجود ندارد، آنچه بعنوان منعکس کننده باید عمل کند بستر دریاست ،پس پرتوی انرژی میبایست با زاویه مناسب به بستر دریا فرستاده شود. با توجه به زاویه موجود بین بردار سرعت و ارسال موج اکنون سرعت V به صورت زیر محاسبه میشود.[7]

شکل1-5: نحوه عملکرد سرعت سنج داپلر در کشتی

فرمول بالا از بست فرمول اولیه بدست آمده ،ترم اول فرمول که خطی است و مورد استفاده  در اندازه گیری سرعت قرار می­گیرد ،ترم سوم به بعد نیز که به جهت بزرگ بودن مخرج قابل چشم پوشی هستند ، مشکل ترم دوم است که باید به گونه ای جبران یا حذف شود. بدین منظور و همچنین به جهت حذف کردن اثر بالا و پایین شدن سر کشتی در دریای مواج از انتشار پرتوی دیگری با همین زاویه در جهت عقب استفاده می­کنند. در بعضی از سیستمها ۴ پرتو انرژی صوتی با زاویه مساوی از فرستنده ارسال می­شود تا تمام تکانهای کشتی(Pitching and Rolling)   را جبران کنند و سرعت دقیقتری بدست آورند. البته در سرعت بدست آمده فاکتورهای دیگری هم لحاظ می­شوند تا اثرات دما و شوری آب که در نقاط مختلف دنیا متغیر است را جبران کنند ، سپس این سرعت در دستگاه های ناوبری دیگر مورد استفاده قرار می­گیرد.

شکل1-6:بلوک دیاگرام کلی سرعت سنج داپلر در کشتی

نکته اصلی در مورد این سیستم تغییر ارتفاع بستر دریا است. این تغییر باعث کاهش دقت اندازه گیری سرعت در این سیستم می­شود همچنین این روش به انرژی بالایی برای ایجاد امواج صوتی نیاز دارد و امکان ساخت آن به صورت میکرو سنسور وجود ندارد. از طرف دیگر اخلالگر هایی برای این نوع سیستم ها موجود است که در شرایط خاص می­تواند عملکرد آنها را به کلی مختل کند.[8]

1-2-3-سرعت سنج همبستگی آماری (Correlation Velocity Log)

این نوع از سرعت سنج های بسیار گران قیمت برای مواقعی که نیاز به سرعت سنجی دقیق وجود دارد استفاده می­شوند. ساختار عملکرد آنها شبیه به سرعت سنج اثر داپلر است و مانند آن از یک دسته از حسگر های بسیار حساس به همراه یک فرستنده صوت بهره می­گیرد ولی عملکرد آن با سرعت سنج داپلر کاملا متفاوت است به اینصورت که صوت منعکس شده از کف آب توسط حسگر‌ها دریافت می­شود ولی اینبار به جای بررسی فقط فرکانس دریافتی، یک تحلیل دقیق و کامل از سیگنال های دریافتی در زمان های مختلف توسط حس گرهای مختلف انجام می­شود و با بررسی همبستگی آنها (Correlation) سرعت محاسبه می­شود.[9]

1-3-سرعت سنجی نسبت به آب

1-3-1-گره دریایی  و Chip Log

یکی از قدیمی ترین روش های اندازه گیری سرعت شناور نسبت به آب روشی به نام گره دریایی یا Chip Log است که در آن  یک قطعه چوب را که طنابی به آن متصل است از پشت کشتی به آب می‌اندازند. تکه چوب نسبت به آب ثابت می‌ماند و طناب با سرعت برابر با سرعت کشتی نسبت به آب از دستان ملوانی که سرعت را اندازه می‌گیرد خارج می­شود. روی طناب گره‌هایی در فواصل مشخص

 از فرستنده ارسال می­شود تا تمام تکانهای کشتی(Pitching and Rolling)   را جبران کنند و سرعت دقیقتری بدست آورند. البته در سرعت بدست آمده فاکتورهای دیگری هم لحاظ می­شوند تا اثرات دما و شوری آب که در نقاط مختلف دنیا متغیر است را جبران کنند ، سپس این سرعت در دستگاه های ناوبری دیگر مورد استفاده قرار می­گیرد.

شکل1-6:بلوک دیاگرام کلی سرعت سنج داپلر در کشتی

نکته اصلی در مورد این سیستم تغییر ارتفاع بستر دریا است. این تغییر باعث کاهش دقت اندازه گیری سرعت در این سیستم می­شود همچنین این روش به انرژی بالایی برای ایجاد امواج صوتی نیاز دارد و امکان ساخت آن به صورت میکرو سنسور وجود ندارد. از طرف دیگر اخلالگر هایی برای این نوع سیستم ها موجود است که در شرایط خاص می­تواند عملکرد آنها را به کلی مختل کند.

این مطلب را هم بخوانید :

این مطلب را هم بخوانید :

[8]

1-2-3-سرعت سنج همبستگی آماری (Correlation Velocity Log)

این نوع از سرعت سنج های بسیار گران قیمت برای مواقعی که نیاز به سرعت سنجی دقیق وجود دارد استفاده می­شوند. ساختار عملکرد آنها شبیه به سرعت سنج اثر داپلر است و مانند آن از یک دسته از حسگر های بسیار حساس به همراه یک فرستنده صوت بهره می­گیرد ولی عملکرد آن با سرعت سنج داپلر کاملا متفاوت است به اینصورت که صوت منعکس شده از کف آب توسط حسگر‌ها دریافت می­شود ولی اینبار به جای بررسی فقط فرکانس دریافتی، یک تحلیل دقیق و کامل از سیگنال های دریافتی در زمان های مختلف توسط حس گرهای مختلف انجام می­شود و با بررسی همبستگی آنها (Correlation) سرعت محاسبه می­شود.[9]

1-3-سرعت سنجی نسبت به آب

1-3-1-گره دریایی  و Chip Log

یکی از قدیمی ترین روش های اندازه گیری سرعت شناور نسبت به آب روشی به نام گره دریایی یا Chip Log است که در آن  یک قطعه چوب را که طنابی به آن متصل است از پشت کشتی به آب می‌اندازند. تکه چوب نسبت به آب ثابت می‌ماند و طناب با سرعت برابر با سرعت کشتی نسبت به آب از دستان ملوانی که سرعت را اندازه می‌گیرد خارج می­شود. روی طناب گره‌هایی در فواصل مشخص