本發(fā)明屬于紅移測量領(lǐng)域，尤其涉及一種基于陳壽元效應(yīng)的水波紅移測量系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
：紅移在物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域，指物體的電磁輻射由于某種原因波長增加的現(xiàn)象，在可見光波段，表現(xiàn)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(yīng)。紅移的現(xiàn)象目前多用于天體的移動及規(guī)律的預(yù)測上。陳壽元效應(yīng)：即水波在傳播過程中，由于波能量損耗、擴(kuò)散等因素引起的波能強(qiáng)度降低，由于頻率是波能量一個(gè)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(shù)均是針對天體光譜進(jìn)行測量，未出現(xiàn)針對水波紅移進(jìn)行測量的方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于陳壽元效應(yīng)的水波紅移測量系統(tǒng)，其能夠準(zhǔn)確測量出水波紅移量。本發(fā)明的一種基于陳壽元效應(yīng)的水波紅移測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于水波傳輸媒質(zhì)無縱向運(yùn)動的條件，所述基于陳壽元效應(yīng)的水波紅移測量系統(tǒng)包括：幅值、傳播頻率及相位大小均預(yù)先設(shè)定的聲波源，其設(shè)置于選定水域中預(yù)設(shè)地理位置處；及至少兩個(gè)橫波探頭，所述橫波探頭分別設(shè)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(shè)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(jìn)行解析，得到各個(gè)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(jìn)而得到水波的紅移量。進(jìn)一步的，該系統(tǒng)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(shí)時(shí)顯示控制器輸出的水波紅移量。進(jìn)一步的，所述控制器還用于根據(jù)橫波探頭的唯一編碼對其采集的信息進(jìn)行存儲。進(jìn)一步的，所述控制器還通過云端服務(wù)器與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端相連。進(jìn)一步的，所述遠(yuǎn)程監(jiān)控終端為pc機(jī)或手機(jī)終端。進(jìn)一步的，所述橫波探頭通過電電纜與控制器相連。本發(fā)明還提供了一種基于陳壽元效應(yīng)的水波紅移測量系統(tǒng)的測量方法。本發(fā)明的基于陳壽元效應(yīng)的水波紅移測量系統(tǒng)的測量方法，在水波傳輸媒質(zhì)無縱向運(yùn)動的條件下，該方法包括：預(yù)先設(shè)定幅值、傳播頻率及相位大小的聲波源，并將其設(shè)置于選定水域中預(yù)設(shè)地理位置處；將橫波探頭分別設(shè)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(shè)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(jìn)行解析，得到各個(gè)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(jìn)而得到水波的紅移量。進(jìn)一步的，該方法還包括：利用顯示器來實(shí)時(shí)顯示控制器輸出的水波紅移量。進(jìn)一步的，控制器還根據(jù)橫波探頭的唯一編碼對其采集的信息進(jìn)行存儲。進(jìn)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(wù)器，由云端服務(wù)器傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控終端進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明在水波傳輸媒質(zhì)無縱向運(yùn)動的條件，首先預(yù)設(shè)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(yù)設(shè)地理位置，利用分別設(shè)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(jìn)行解析，得到各個(gè)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(jìn)而得到準(zhǔn)確地水波的紅移量。附圖說明構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，本申請的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。圖1是本發(fā)明的一種基于陳壽元效應(yīng)的水波紅移測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的一種基于陳壽元效應(yīng)的水波紅移測量系統(tǒng)的測量方法的流程圖。具體實(shí)施方式應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實(shí)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(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語―包含”和/或―包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。本發(fā)明所涉及的陳壽元效應(yīng)為：機(jī)械波(包括聲波、水波、通過介質(zhì)傳播的各種波)、電磁波(包括無線電波、雷達(dá)波、微波、各個(gè)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(kuò)散、色散、損耗，使得波能量損失，又導(dǎo)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(shù)；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(xiàn)因子。下面針對陳壽元效應(yīng)進(jìn)行理論分析：(1)波能損耗用能位函數(shù)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(gè)單位質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)，振動具有的振動能量，稱為振動能量位函數(shù)，簡稱振動能位函數(shù)。a處振動能位函數(shù)用表示，b處振動能位函數(shù)用表示，則有：(1)式中：e—能場強(qiáng)度，克服萬有阻力而做功。波動從a點(diǎn)傳遞到b點(diǎn)的必要條件：a點(diǎn)的能場強(qiáng)度ea：1.1、波源的振動能位函數(shù)能位函數(shù)：q能量荷(具有能量為q，不占用空間，為理想的點(diǎn)。在坐標(biāo)系r′，在場點(diǎn)r產(chǎn)生能位函數(shù)：式中：∈--媒質(zhì)的介能常數(shù)，∈0–真空介能常數(shù)。e—能場強(qiáng)度：可用能位函數(shù)的負(fù)梯度來表示：1.1.1、質(zhì)點(diǎn)的無阻尼自由振動如果能荷q由質(zhì)點(diǎn)的無阻尼自有振動產(chǎn)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(zhì)點(diǎn)振動的速度：質(zhì)點(diǎn)振動的加速度：質(zhì)點(diǎn)的振動能：單位質(zhì)點(diǎn)的振動能稱為振動能位函數(shù)：(8)和(9)式表明質(zhì)點(diǎn)的振動能ek、振動能位函數(shù)與振動的頻率平方成正比。1.1.2、交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率發(fā)電機(jī)一旦制作完成，它的轉(zhuǎn)子尺寸，轉(zhuǎn)子的面積s是固定值，發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度b基本上是固定值。即通過轉(zhuǎn)子的最大磁通量就是一個(gè)固定值：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時(shí)，通過它的磁通量是按余弦變化：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：感應(yīng)電動勢(12)式表明感應(yīng)電動勢與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速平方成正比發(fā)電機(jī)提供的瞬時(shí)實(shí)功率：(13)式發(fā)電機(jī)提供的功率與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速(頻率)的平方成正比。1.1.3、振蕩電偶極子產(chǎn)生的電磁波能振蕩電偶極矩：p＝gl＝glcosωt(14)在遠(yuǎn)處產(chǎn)生的電場、磁場：(15)、(16)式表明，振蕩電偶極子在遠(yuǎn)處產(chǎn)生電場、磁場強(qiáng)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(shù)波動是振動狀態(tài)的傳播，相位傳播。振源的能量以波速向外傳遞。假定介質(zhì)中每個(gè)質(zhì)量元彼此通過彈性力相聯(lián)系，沿y軸方向振動，沿x軸向傳播。波函數(shù)的一般表達(dá)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(shù)。ω(x)角速度，目前認(rèn)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(xiàn)占用更大面積或更大的體積空間,使波長變長。在時(shí)域上，能量散開意味著占用更多的時(shí)間段,使振動的周期有延長的趨勢。波函數(shù)中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)沿y方向振動的速度：波動函數(shù)的能位函數(shù)(20)式表明波動的能位函數(shù)與波動的頻率平方成正比。在一個(gè)波長范圍內(nèi)對取均值，因?yàn)閍(x)，ω(x)在一個(gè)波長范圍內(nèi)變化很小，認(rèn)為是暫穩(wěn)態(tài)值。均值只是對sin2(ω(x)t--kx)進(jìn)行，波動能位函數(shù)的均值為：假定波函數(shù)在信道媒質(zhì)內(nèi)傳播的功率與能位函數(shù)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(shù)，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(jù)上面的假定，波函數(shù)在信道里傳輸，其能位函數(shù)受損耗的影響而衰減，設(shè)長度為x信道媒質(zhì)，入射端x0振動能位函數(shù)根據(jù)式(22)式，輸出端x振動能位函數(shù)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(jìn)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(shù)：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(diào)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(shù)：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(diào)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(dān)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(shù)對電磁波頻率的應(yīng)用頻率范圍傳輸媒質(zhì)典型應(yīng)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(diào)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(diào)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(wèi)星通信30ghz～300ghz毫米波無線電衛(wèi)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(nóng)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(qiáng)。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(qiáng)度僅沿y軸方向振動。其平面電磁波的電場、磁場表達(dá)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(yīng)定律：總的感應(yīng)電動勢用表示，單位面積感應(yīng)電動勢用表示。旋度代表單位面積的環(huán)量，電場強(qiáng)度的旋度就是單位面積的感應(yīng)電動勢把(34)式代入到(36)中，則有：(37)式表明，當(dāng)z的磁場變化時(shí)，在該點(diǎn)感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢。單位面積感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的電功率p(z,t)：(38)式中，r—波阻抗的實(shí)數(shù)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(shù)，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(jìn)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(diào)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(qiáng)度、磁場強(qiáng)度衰減表達(dá)式：k—波數(shù)。把(50)代入(48)、(49)，得：波長的變化：(53)式，當(dāng)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(xiàn)信道紅移現(xiàn)象。(54)式λ0—發(fā)射端波長，λ—輸出端、接收端的波長。天文學(xué)上習(xí)慣用紅移z來表示波長的變化：實(shí)施例一圖1是本發(fā)明的一種基于陳壽元效應(yīng)的水波紅移測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的一種基于陳壽元效應(yīng)的水波紅移測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于水波傳輸媒質(zhì)無縱向運(yùn)動的條件，所述基于陳壽元效應(yīng)的水波紅移測量系統(tǒng)包括：幅值、傳播頻率及相位大小均預(yù)先設(shè)定的聲波源，其設(shè)置于選定水域中預(yù)設(shè)地理位置處；及至少兩個(gè)橫波探頭，所述橫波探頭分別設(shè)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(shè)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(jìn)行解析，得到各個(gè)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(jìn)而得到水波的紅移量。其中，橫波探頭為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，此處將不再累述。具體地，控制器還用于根據(jù)橫波探頭的唯一編碼對其采集的信息進(jìn)行存儲。在另一實(shí)施例中，該系統(tǒng)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(shí)時(shí)顯示控制器輸出的水波紅移量。在另一實(shí)施例中，控制器還通過云端服務(wù)器與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端相連。具體地，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端為pc機(jī)或手機(jī)終端。具體地，所述橫波探頭通過光纖與控制器相連。實(shí)施例二圖2是本發(fā)明的一種基于陳壽元效應(yīng)的水波紅移測量系統(tǒng)的測量方法的流程圖。如圖2所示，本發(fā)明的基于陳壽元效應(yīng)的水波紅移測量系統(tǒng)的測量方法，在水波傳輸媒質(zhì)無縱向運(yùn)動的條件下，該方法包括：預(yù)先設(shè)定幅值、傳播頻率及相位大小的聲波源，并將其設(shè)置于選定水域中預(yù)設(shè)地理位置處；將橫波探頭分別設(shè)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(shè)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(jìn)行解析，得到各個(gè)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(jìn)而得到水波的紅移量。其中，控制器還根據(jù)橫波探頭的唯一編碼對其采集的信息進(jìn)行存儲。在另一實(shí)施例中，該方法還包括：利用顯示器來實(shí)時(shí)顯示控制器輸出的水波紅移量。在另一實(shí)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(wù)器，由云端服務(wù)器傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控終端進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控。本發(fā)明在水波傳輸媒質(zhì)無縱向運(yùn)動的條件，首先預(yù)設(shè)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(yù)設(shè)地理位置，利用分別設(shè)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(jìn)行解析，得到各個(gè)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(jìn)而得到準(zhǔn)確地水波的紅移量。實(shí)施例三基于陳壽元效應(yīng)的水中聲波紅移測距方法，該方法根據(jù)水中聲波紅移較小時(shí)，它與距離有近似線性關(guān)系，或測量到返回水中聲波的紅移量，來換算出的實(shí)際距離。紅移量較大時(shí)，紅移量與距離成指數(shù)關(guān)系，根據(jù)該關(guān)系，由水中聲波紅移量測算出目標(biāo)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(guān)系式測量距離，用波源功率對水中聲波紅移傳播的關(guān)系式、波源頻率對水中聲波紅移關(guān)聯(lián)式對測量結(jié)果進(jìn)行修正。該水中聲波紅移基于陳壽元效應(yīng)：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(diǎn)位置、及它們之間距離不變是傳輸效應(yīng)屬于陳壽元效應(yīng)。信號產(chǎn)生的波長變化不是信號源移動、或觀測點(diǎn)移動、或它們之間距離變化所致(排除多普勒效應(yīng))。移動物體的實(shí)際距離的測量要計(jì)入波源、目標(biāo)物移動的多普勒效應(yīng)。媒質(zhì)沒有移動，信號傳輸后產(chǎn)生的紅移效應(yīng)不是媒質(zhì)運(yùn)動所致。(排除賽克尼克效應(yīng))。水體流動是經(jīng)常發(fā)生，物體的距離測量要考慮媒質(zhì)移動的賽克尼克效應(yīng)。信號傳輸后產(chǎn)生的紅移效應(yīng)，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(shù)值，由紅移與頻率的關(guān)系，紅移與功率的關(guān)系進(jìn)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(shù)值，由紅移與頻率的關(guān)系，紅移與功率的關(guān)系進(jìn)行距離修正。由目標(biāo)物的反射波產(chǎn)生的紅移，可以確定目標(biāo)物的距離。用不同頻率，不同功率得到的紅移，判定出目標(biāo)物的距離。測量目標(biāo)物的距離大，精度高。其中，本實(shí)施例可以采用小波源，極大減小被發(fā)現(xiàn)概率?，F(xiàn)在理論認(rèn)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(yīng))。本發(fā)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(kuò)散、色散等，是能量強(qiáng)度降低。波能量的兩個(gè)因子振幅和頻率，在信號強(qiáng)，振幅衰減為主，頻率衰減為輔。信號很弱時(shí)，振幅、頻率都快速衰減。水中聲波，并水中聲波信號經(jīng)過長距離媒質(zhì)傳輸后，測量其頻率衰減量，轉(zhuǎn)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(yīng)，考慮(1)多普勒效應(yīng)---水中聲波源位置、測量點(diǎn)位置、及它們的相對距離固定不變。(2)讓傳輸媒質(zhì)運(yùn)動。媒質(zhì)運(yùn)動引起波長變化—賽克尼克效應(yīng)；(3)所有的傳輸通道空間漂移。上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。當(dāng)前第1頁12