一種基于陳壽元效應的水波紅移測量系統及方法與流程

本發明屬于紅移測量領域，尤其涉及一種基于陳壽元效應的水波紅移測量系統及方法。
背景技術：
：紅移在物理學和天文學領域，指物體的電磁輻射由于某種原因波長增加的現象，在可見光波段，表現為光譜的譜線朝紅端移動了一段距離，即波長變長。目前理論解釋為光源與觀測者之間的距離增加的多普勒效應。紅移的現象目前多用于天體的移動及規律的預測上。陳壽元效應：即水波在傳播過程中，由于波能量損耗、擴散等因素引起的波能強度降低，由于頻率是波能量一個因子，波能量的耗散，使頻率降低，波長增長。目前，紅移測量技術均是針對天體光譜進行測量，未出現針對水波紅移進行測量的方法。技術實現要素：為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種基于陳壽元效應的水波紅移測量系統，其能夠準確測量出水波紅移量。本發明的一種基于陳壽元效應的水波紅移測量系統，該系統適用于水波傳輸媒質無縱向運動的條件，所述基于陳壽元效應的水波紅移測量系統包括：幅值、傳播頻率及相位大小均預先設定的聲波源，其設置于選定水域中預設地理位置處；及至少兩個橫波探頭，所述橫波探頭分別設置于以聲波源為圓心的不同同心圓的圓周上；所述橫波探頭還按照其位置設置有唯一編碼；所述橫波探頭，用于采集傳輸至其所在位置的橫波信號及其編碼信息均一并傳送至控制器；所述控制器，用于對接收到的信號進行解析，得到各個橫波探頭采集到的橫波的幅值、傳播頻率及相位大小信息，進而得到水波的紅移量。進一步的，該系統還包括顯示器，所述顯示器與控制器相連，所述顯示器用于實時顯示控制器輸出的水波紅移量。進一步的，所述控制器還用于根據橫波探頭的唯一編碼對其采集的信息進行存儲。進一步的，所述控制器還通過云端服務器與遠程監控終端相連。進一步的，所述遠程監控終端為pc機或手機終端。進一步的，所述橫波探頭通過電電纜與控制器相連。本發明還提供了一種基于陳壽元效應的水波紅移測量系統的測量方法。本發明的基于陳壽元效應的水波紅移測量系統的測量方法，在水波傳輸媒質無縱向運動的條件下，該方法包括：預先設定幅值、傳播頻率及相位大小的聲波源，并將其設置于選定水域中預設地理位置處；將橫波探頭分別設置于以聲波源為圓心的不同同心圓的圓周上；將橫波探頭還按照其位置設置唯一編碼；利用橫波探頭采集傳輸至其所在位置的橫波信號及其編碼信息均一并傳送至控制器；控制器對接收到的信號進行解析，得到各個橫波探頭采集到的橫波的幅值、傳播頻率及相位大小信息，進而得到水波的紅移量。進一步的，該方法還包括：利用顯示器來實時顯示控制器輸出的水波紅移量。進一步的，控制器還根據橫波探頭的唯一編碼對其采集的信息進行存儲。進一步的，該方法還包括：控制器將其接收到的信號傳送至云端服務器，由云端服務器傳送至遠程監控終端進行實時遠程數據監控。與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明在水波傳輸媒質無縱向運動的條件，首先預設幅值、傳播頻率及相位大小的聲波源，以及其在選定水域中的預設地理位置，利用分別設置于以聲波源為圓心的不同同心圓的圓周上的橫波探頭，來采集傳輸至其所在位置的聲波信號及其編碼信息均一并傳送至控制器，最后利用控制器對接收到的信號進行解析，得到各個橫波探頭采集到的橫波的幅值、傳播頻率及相位大小信息，進而得到準確地水波的紅移量。附圖說明構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。圖1是本發明的一種基于陳壽元效應的水波紅移測量系統的結構示意圖。圖2是本發明的一種基于陳壽元效應的水波紅移測量系統的測量方法的流程圖。具體實施方式應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬
技術領域：
的普通技術人員通常理解的相同含義。需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語―包含”和/或―包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。本發明所涉及的陳壽元效應為：機械波(包括聲波、水波、通過介質傳播的各種波)、電磁波(包括無線電波、雷達波、微波、各個波段的光波)、引力波等，由于波在傳播過程中，自然存在波能量的擴散、色散、損耗，使得波能量損失，又導致波的振幅降低、頻率衰減，引起波長增加，形成所謂的宇宙紅移。紅移量，波長相對變化量z：其中，x—波的傳播距離，α—損耗系數；λ0---入射端的波長；λ---波傳播到x處的波長。c—光速；ω(0)---入射端波的角速度；k—波損耗過程中，頻率衰減的對波能量損耗的貢獻因子。下面針對陳壽元效應進行理論分析：(1)波能損耗用能位函數表示波動從a處傳送到b處，也要受到萬有阻力的作用，損失振動能量。假定：1個單位質量的質點，振動具有的振動能量，稱為振動能量位函數，簡稱振動能位函數。a處振動能位函數用表示，b處振動能位函數用表示，則有：(1)式中：e—能場強度，克服萬有阻力而做功。波動從a點傳遞到b點的必要條件：a點的能場強度ea：1.1、波源的振動能位函數能位函數：q能量荷(具有能量為q，不占用空間，為理想的點。在坐標系r′，在場點r產生能位函數：式中：∈--媒質的介能常數，∈0–真空介能常數。e—能場強度：可用能位函數的負梯度來表示：1.1.1、質點的無阻尼自由振動如果能荷q由質點的無阻尼自有振動產生，沿y軸方向振動，符合余弦方式：y＝acos(ωt+θ)(5)式中：a–為振幅；ω—振動角速度。質點振動的速度：質點振動的加速度：質點的振動能：單位質點的振動能稱為振動能位函數：(8)和(9)式表明質點的振動能ek、振動能位函數與振動的頻率平方成正比。1.1.2、交流發電機產生的功率發電機一旦制作完成，它的轉子尺寸，轉子的面積s是固定值，發電機內部磁場的磁感應強度b基本上是固定值。即通過轉子的最大磁通量就是一個固定值：轉子轉動時，通過它的磁通量是按余弦變化：根據法拉第電磁感應定律：感應電動勢(12)式表明感應電動勢與發電機的轉速平方成正比發電機提供的瞬時實功率：(13)式發電機提供的功率與發電機的轉速(頻率)的平方成正比。1.1.3、振蕩電偶極子產生的電磁波能振蕩電偶極矩：p＝gl＝glcosωt(14)在遠處產生的電場、磁場：(15)、(16)式表明，振蕩電偶極子在遠處產生電場、磁場強度與振蕩頻率平方成正比。能流密度：坡印廷矢量s：(17)式表明電偶極子輻射電磁波的能流密度與偶極子振蕩頻率四次方成正比。1.2波動的能位函數波動是振動狀態的傳播，相位傳播。振源的能量以波速向外傳遞。假定介質中每個質量元彼此通過彈性力相聯系，沿y軸方向振動，沿x軸向傳播。波函數的一般表達式：y(x，t)＝a(x)cos(ω(x)t-kx)(18)(18)式中：a(x)--波的振幅，通常隨傳播距離而衰減,是x的函數。ω(x)角速度，目前認為它不隨傳播距離變化，是不變量。但是前面的分析，振源能量與頻率平方成正比。能量是要消耗，散開。能量在空間上的散開，表現占用更大面積或更大的體積空間,使波長變長。在時域上，能量散開意味著占用更多的時間段,使振動的周期有延長的趨勢。波函數中每個質點沿y方向振動的速度：波動函數的能位函數(20)式表明波動的能位函數與波動的頻率平方成正比。在一個波長范圍內對取均值，因為a(x)，ω(x)在一個波長范圍內變化很小，認為是暫穩態值。均值只是對sin2(ω(x)t--kx)進行，波動能位函數的均值為：假定波函數在信道媒質內傳播的功率與能位函數成正比。在一般的條件下，功率p隨距離x變化，可用下式表示式中，α是損耗系數，p(0)為信道入射端x＝0處，入射功率，p(x)為信道x處輸出功率。根據上面的假定，波函數在信道里傳輸，其能位函數受損耗的影響而衰減，設長度為x信道媒質，入射端x0振動能位函數根據式(22)式，輸出端x振動能位函數把(21)式帶入(23)式，得：a2(x)ω2(x)＝a2(0)ω2(0)e-αx(24)對(24)式兩邊開方，得：對(25)式進行討論：若信號傳輸過程中，頻率不變，即：ω(x)＝ω(0)則有：波函數：y(x，t)＝a(x)cos(ω(x)t-kx)的振幅a(x)隨距離x按(26)式衰減。雷同于調幅廣播。若信號傳輸過程中，振幅保持不變，即：a(x)＝a(0)則有：波函數：y(x，t)＝a(x)cos(ω(x)t-kx)的頻率ω(x)隨距離x按(27)式衰減。雷同于調頻廣播信號傳輸。頻率降低，波長變長，形成信道紅移。a(x)，ω(x)共同分擔信號的衰減量：若信號振幅按(30)式快速衰減，信號的能量積累到頻率上。則有ω(x)＞ω(0)若信號頻率按(31)式快速衰減，信號的能量積累到振幅上。則有a(x)＞a(0)更一般情況，a(x)、ω(x)衰減速率：從之間變化。1.3信道紅移表1各種通信技術對電磁波頻率的應用頻率范圍傳輸媒質典型應用3hz～30khz電纜、長波無線電長波電臺30khz～300khz電纜、長波無線電電話、長波電臺300khz～3mhz同軸電纜、中波無線電調幅廣播電臺3mhz～30mhz同軸電纜、短波無線電有線電視用戶線路30mhz～300mhz同軸電纜、米波無線電調頻廣播電臺300mhz～3ghz分米波無線電公共移動通信3ghz～30ghz厘米波無線電微波、衛星通信30ghz～300ghz毫米波無線電衛星通信、超寬帶通信105ghz～107ghz光纖、可見光、紅外光光纖通信、短距紅外通信信道容量的香農公式：(32)式：c---信道容量；w---頻帶寬度；---信號與噪聲的比值。由表1和公式(3.1)說明：載波頻率越高，信道容量越大，攜帶信號的能力越強。假定電磁波傳播方向沿著z軸，電場僅沿x軸向振動，磁場強度僅沿y軸方向振動。其平面電磁波的電場、磁場表達式：hy(z，t)＝h(z)cos(ωt-kz)(33)ex(z，t)＝e(z)cos(ωt-kz)(34)法拉第電磁感應定律：總的感應電動勢用表示，單位面積感應電動勢用表示。旋度代表單位面積的環量，電場強度的旋度就是單位面積的感應電動勢把(34)式代入到(36)中，則有：(37)式表明，當z的磁場變化時，在該點感應產生的感應電動勢。單位面積感應電動勢產生的電功率p(z,t)：(38)式中，r—波阻抗的實數部分。電功率p(z,t)的均值p(z):在一般的條件下，功率p隨距離z變化，可用下式表示式中，α是損耗系數，p(0)為信道入射端z＝0處，入射功率，p(z)為信道z處輸出功率。把(39)式帶入(40)式，得：對(41)式兩邊開方，得：對(42)式進行討論(1)若電磁波傳輸過程中，頻率不變，即：ω(x)＝ω(0)則有：其平面電磁波變化為振幅衰減:(44)、(45)式與目前理論一致。雷同于調幅廣播。若電磁波傳輸過程中，振幅保持不變，即：h(z)＝h(0)；e(z)＝e(0)(46)電磁波損失的電磁能，只有頻率降低，振動能減少。則有：電磁波的電場強度、磁場強度衰減表達式：k—波數。把(50)代入(48)、(49)，得：波長的變化：(53)式，當電磁波振幅不變，能量損耗僅有振動頻率提供，電磁波在傳播過程中，波長變長，頻率變低，出現信道紅移現象。(54)式λ0—發射端波長，λ—輸出端、接收端的波長。天文學上習慣用紅移z來表示波長的變化：實施例一圖1是本發明的一種基于陳壽元效應的水波紅移測量系統的結構示意圖。如圖1所示，本發明的一種基于陳壽元效應的水波紅移測量系統，該系統適用于水波傳輸媒質無縱向運動的條件，所述基于陳壽元效應的水波紅移測量系統包括：幅值、傳播頻率及相位大小均預先設定的聲波源，其設置于選定水域中預設地理位置處；及至少兩個橫波探頭，所述橫波探頭分別設置于以聲波源為圓心的不同同心圓的圓周上；所述橫波探頭還按照其位置設置有唯一編碼；所述橫波探頭，用于采集傳輸至其所在位置的橫波信號及其編碼信息均一并傳送至控制器；所述控制器，用于對接收到的信號進行解析，得到各個橫波探頭采集到的橫波的幅值、傳播頻率及相位大小信息，進而得到水波的紅移量。其中，橫波探頭為現有結構，此處將不再累述。具體地，控制器還用于根據橫波探頭的唯一編碼對其采集的信息進行存儲。在另一實施例中，該系統還包括顯示器，所述顯示器與控制器相連，所述顯示器用于實時顯示控制器輸出的水波紅移量。在另一實施例中，控制器還通過云端服務器與遠程監控終端相連。具體地，遠程監控終端為pc機或手機終端。具體地，所述橫波探頭通過光纖與控制器相連。實施例二圖2是本發明的一種基于陳壽元效應的水波紅移測量系統的測量方法的流程圖。如圖2所示，本發明的基于陳壽元效應的水波紅移測量系統的測量方法，在水波傳輸媒質無縱向運動的條件下，該方法包括：預先設定幅值、傳播頻率及相位大小的聲波源，并將其設置于選定水域中預設地理位置處；將橫波探頭分別設置于以聲波源為圓心的不同同心圓的圓周上；將橫波探頭還按照其位置設置唯一編碼；利用橫波探頭采集傳輸至其所在位置的橫波信號及其編碼信息均一并傳送至控制器；控制器對接收到的信號進行解析，得到各個橫波探頭采集到的橫波的幅值、傳播頻率及相位大小信息，進而得到水波的紅移量。其中，控制器還根據橫波探頭的唯一編碼對其采集的信息進行存儲。在另一實施例中，該方法還包括：利用顯示器來實時顯示控制器輸出的水波紅移量。在另一實施例中，該方法還包括：控制器將其接收到的信號傳送至云端服務器，由云端服務器傳送至遠程監控終端進行實時遠程數據監控。本發明在水波傳輸媒質無縱向運動的條件，首先預設幅值、傳播頻率及相位大小的聲波源，以及其在選定水域中的預設地理位置，利用分別設置于以聲波源為圓心的不同同心圓的圓周上的橫波探頭，來采集傳輸至其所在位置的聲波信號及其編碼信息均一并傳送至控制器，最后利用控制器對接收到的信號進行解析，得到各個橫波探頭采集到的橫波的幅值、傳播頻率及相位大小信息，進而得到準確地水波的紅移量。實施例三基于陳壽元效應的水中聲波紅移測距方法，該方法根據水中聲波紅移較小時，它與距離有近似線性關系，或測量到返回水中聲波的紅移量，來換算出的實際距離。紅移量較大時，紅移量與距離成指數關系，根據該關系，由水中聲波紅移量測算出目標物的距離。該測量方法用水中聲波隨傳播距離，波長變化(紅移)關系式測量距離，用波源功率對水中聲波紅移傳播的關系式、波源頻率對水中聲波紅移關聯式對測量結果進行修正。該水中聲波紅移基于陳壽元效應：即水中聲波頻率是聲波能量，水中聲波在大洋、大海、湖泊中傳播，也要耗散聲波頻率能量。致使頻率降低，波長變長。波長變長的相對變化量，被稱為聲波紅移。水中聲波源位置、測量點位置、及它們之間距離不變是傳輸效應屬于陳壽元效應。信號產生的波長變化不是信號源移動、或觀測點移動、或它們之間距離變化所致(排除多普勒效應)。移動物體的實際距離的測量要計入波源、目標物移動的多普勒效應。媒質沒有移動，信號傳輸后產生的紅移效應不是媒質運動所致。(排除賽克尼克效應)。水體流動是經常發生，物體的距離測量要考慮媒質移動的賽克尼克效應。信號傳輸后產生的紅移效應，考慮其它因如媒體的溫度、形狀、渦流、水中聲波散射、折射、繞射所致影響。完成水中聲波隨傳播距離，波長變化(紅移)的測量數值，由紅移與頻率的關系，紅移與功率的關系進行距離修正。完成水中聲波隨傳播距離，波長變化(紅移)的測量數值，由紅移與頻率的關系，紅移與功率的關系進行距離修正。由目標物的反射波產生的紅移，可以確定目標物的距離。用不同頻率，不同功率得到的紅移，判定出目標物的距離。測量目標物的距離大，精度高。其中，本實施例可以采用小波源，極大減小被發現概率。現在理論認為水中聲波頻率或波長微小變化由波源與觀測者之間的距離變化引起的(為多普勒效應)。本發明提供的水中聲波頻率衰減的原因是水中聲波在傳播過程，由于波能損耗及擴散、色散等，是能量強度降低。波能量的兩個因子振幅和頻率，在信號強，振幅衰減為主，頻率衰減為輔。信號很弱時，振幅、頻率都快速衰減。水中聲波，并水中聲波信號經過長距離媒質傳輸后，測量其頻率衰減量，轉換成波長變化，即波長相對變化量—紅移量。首先保證測量效應，考慮(1)多普勒效應---水中聲波源位置、測量點位置、及它們的相對距離固定不變。(2)讓傳輸媒質運動。媒質運動引起波長變化—賽克尼克效應；(3)所有的傳輸通道空間漂移。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。當前第1頁12