Многолучевой эхолот — Multibeam echosounder

Многолучевой эхолот является типом гидролокатора , который используется для отображения на морской день. Как и другие гидролокаторы, многолучевые системы излучают акустические волны веерообразно под приемопередатчиком многолучевого эхолота. Время, за которое звуковые волны отражаются от морского дна и возвращаются в приемник, используется для расчета глубины воды. В отличие от других сонаров, многолучевые системы используют формирование луча для извлечения информации о направлении из возвращающихся звуковых волн, создавая ряд показаний глубины на основе одного сигнала.

СОДЕРЖАНИЕ

История и прогресс

Многолучевые гидролокаторные системы зондирования, также известные как swathe (британский английский) или swath (американский английский), изначально использовались в военных целях. Система зондирования гидролокатора (SASS) была разработана в начале 1960-х годов ВМС США совместно с General Instrument для картирования больших участков дна океана для помощи подводной навигации своих подводных сил. SASS был испытан на борту USS Compass Island (AG-153) . Последняя система антенных решеток, состоящая из шестидесяти одного луча на один градус с шириной полосы обзора, примерно в 1,15 раза превышающей глубину воды, была затем установлена ​​на USNS Bowditch (T-AGS-21) , USNS Dutton (T-AGS-22) и USNS. Михельсона (Т-АГС-23) .

Начиная с 1970-х годов такие компании, как General Instrument (ныне SeaBeam Instruments, часть L3 Klein ) в США , Krupp Atlas (ныне Atlas Hydrographic ) и Elac Nautik (теперь часть Wärtsilä Corporation) в Германии , Simrad (ныне Kongsberg) Maritime ) в Норвегии и RESON в настоящее время Teledyne RESON A / S в Дании разработали системы, которые могут быть установлены на корпусах больших кораблей , а также на небольших лодках (по мере совершенствования технологии многолучевые эхолоты стали более компактными и легкими, а рабочие частоты увеличились. ).

Первый коммерческий многолучевой прибор теперь известен как SeaBeam Classic и был введен в эксплуатацию в мае 1977 года на австралийском исследовательском судне HMAS Cook. Эта система производила до 16 лучей по дуге 45 градусов. Термин «SeaBeam Classic» ( ретроним ) был придуман после того, как производитель разработал новые системы, такие как SeaBeam 2000 и SeaBeam 2112, в конце 1980-х годов.

Вторая установка SeaBeam Classic была на французском исследовательском судне Jean Charcot. Массивы SB Classic на Charcot были повреждены при заземлении, и SeaBeam был заменен на EM120 в 1991 году. Хотя кажется, что первоначальная установка SeaBeam Classic использовалась мало, другие широко использовались, и последующие установки были выполнены на многих сосуды.

По мере совершенствования технологий в 1980-х и 1990-х годах были разработаны высокочастотные системы, которые обеспечивали картирование мелководья с более высоким разрешением, и сегодня такие системы широко используются для гидрографических съемок мелководья в поддержку навигационных карт . Многолучевые эхолоты также широко используются для геологических и океанографических исследований, а с 1990-х годов для морских разведок нефти и газа и прокладки кабеля на морском дне. В последнее время многолучевые эхолоты также используются в секторе возобновляемых источников энергии, например, на морских ветряных электростанциях.

В 1989 году компания Atlas Electronics (Бремен, Германия) установила глубоководный многолучевой прибор второго поколения Hydrosweep DS на немецкое исследовательское судно Meteor. Hydrosweep DS (HS-DS) создавал до 59 лучей в 90-градусной полосе захвата, что было значительным улучшением и изначально было усилено льдом. Ранние системы HS-DS были установлены на RV Meteor (1986) (Германия), RV Polarstern (Германия), RV Maurice Ewing (США) и ORV Sagar Kanya (Индия) в 1989 и 1990 годах, а затем на нескольких другие суда , в том числе Р. Томас Г. Томпсон (США) и RV Хакурей Maru (Япония).

По мере увеличения частот многолучевых акустических систем и снижения стоимости компонентов во всем мире значительно увеличилось количество эксплуатируемых многолучевых систем захвата полосы частот. Требуемый физический размер акустического преобразователя, используемого для создания нескольких лучей с высоким разрешением, уменьшается по мере увеличения частоты многолучевого звука. Следовательно, увеличение рабочих частот многолучевых сонаров привело к значительному снижению их веса, размеров и характеристик объема. Более старые и более крупные низкочастотные многолучевые гидролокаторы, которые требовали значительного времени и усилий для установки их на корпус корабля, использовали обычные элементы преобразователя типа «тонплиз», которые обеспечивали полезную полосу пропускания приблизительно 1/3 октавы. Более новые и компактные высокочастотные многолучевые гидролокаторы могут быть легко прикреплены к исследовательскому пуску или к тендерному судну. Многолучевые эхолоты для мелководья, такие как компании Teledyne Odom, R2Sonic и Norbit, которые могут включать датчики для измерения движения датчика и скорости звука, локальные для датчика, позволяют многим небольшим компаниям, занимающимся гидрографической съемкой, перейти от традиционных однолучевых эхолотов к многолучевым эхолотам. Маломощные многолучевые системы валков теперь также подходят для установки на автономном подводном аппарате (AUV) и на автономном надводном судне (ASV).

Данные многолучевого эхолота могут включать в себя батиметрию, обратное акустическое рассеяние и данные о толщине воды. (Газовые шлейфы, которые в настоящее время обычно идентифицируются в данных многолучевых исследований в разгар воды, называются факелами.)

Пьезокомпозитные преобразовательные элементы типа 1-3 используются в многоспектральном многолучевом эхолоте для обеспечения полезной полосы пропускания, превышающей 3 октавы. Следовательно, многоспектральные съемки с многолучевым эхолотом возможны с одной системой сонара, которая во время каждого цикла эхолота собирает многоспектральные данные батиметрии полосы, данные многоспектрального обратного рассеяния и данные многоспектральной толщи воды.

Теория Операции

Многолучевой эхолот — это устройство, которое обычно используется гидрографами для определения глубины воды и характера морского дна. Большинство современных систем работают путем передачи широкого акустического веерообразного импульса от специально разработанного преобразователя по всей полосе поперечной полосы с узкой полосой вдоль дорожки с последующим формированием нескольких приемных лучей ( формирование луча ), которые намного более узкие в поперечной полосе (около 1 градуса в зависимости от системы). . Затем из этого узкого луча устанавливается время прохождения акустического импульса в двух направлениях с использованием алгоритма обнаружения дна. Если скорость звука в воде известна для полного профиля водяного столба, глубину и положение отраженного сигнала можно определить по углу приема и времени прохождения в двух направлениях.

Для определения угла передачи и приема каждого луча многолучевому эхолоту требуется точное измерение движения гидролокатора относительно декартовой системы координат. Измеряемые значения обычно представляют собой вертикальную крену, тангаж, крен, рыскание и курс.

Для компенсации потерь сигнала из-за расширения и поглощения в приемник встроена схема переменного усиления .

Для глубоководных систем требуется управляемый передающий луч для компенсации тангажа. Этого также можно добиться с помощью формирования луча.

Виды гидрографической аппаратуры

Основные типы гидрографической аппаратуры

Основными типами гидрографической аппаратуры являются:

• Гидролокаторы бокового обзора (ГБО)
• Гидроакустические лаги и эхолоты
• Многолучевые эхолоты
• Профилографы морского дна
• Гидроакустические системы позиционирования

Гидролокаторы бокового обзора

Гидролокаторы бокового обзора (ГБО) в основном применяются для поиска объектов, находящихся на морском дне и исследования рельефа дна для прокладки и обслуживания кабелей связи и трубопроводов. В настоящее время стало актуальным построение на основе ГБО и телеуправляемого подводного аппарата систем поиска утопленников на внутренних водоёмах и реках. Такие системы давно используются спасательными службами на озёрах США и Канады, планируется использование таких систем и в России.

«Классический» ГБО выполняется в виде буксируемого подводного аппарата в форме торпеды с двумя гидроакустическими ант е ннами по правой и левой стороне и буксируется на расстоянии 30-50 метров от дна со скоростью до 5 узлов. При угле обзора каждой антенны 45º, полоса сканирования дна достигает 100 метров. В некоторых случаях, особенно при прокладке трубопроводов и кабелей связи, целесообразна установка ГБО на телеуправляемый подводный аппарат или обитаемый подводный аппарат. При этом возможно прохождение аппарата на минимальной высоте от дна, и получении максимально полной картины рельефа морского дна в месте планируемой укладки. Работа ГБО непосредственно с судна — носителя возможна, но ограничена из-за сильной чувствительности приемной системы ГБО к посторонним шумам от двигателя судна и воды, а также сильного влияния качки на точность получаемого сигнала. Оператор ГБО по полученной картинке может судить о наличие и примерных размерах объектов находящихся на дне, причём разрешение некоторых систем настолько велико, что позволяет различать объекты в 10 сантиметров. ГБО различаются по допустимой глубине использования, частоте работы, разрешающей способности. Для глубин до 150 метров широко распространены ГБО шотландских компаний Tritech, Stenmar, а также американской компании Marine Sonic Technology. Применение этих надёжных и недорогих систем для больших глубин ограничено мощностью сигналов, передающихся по кабелю. Для глубоководных исследований применяют ГБО, установленные на автономных необитаемых подводных аппаратах (AUV), которые программируются на исследование определённого подводного района, сохранение полученных данных и возвращение к судну-носителю.

Хотелось бы поподробнее рассмотреть применение ГБО в системах поиска тел утопленников. Основываясь на опыте спасателей США и Канады можно отметить, что наиболее оптимальной для применения является система: буксируемый ГБО — малогабаритный телеуправляемый подводный аппарат (ROV). С помощью таких систем становится возможным отыскивать и поднимать тела на глубинах недоступных водолазам, осуществлять поиск независимо от времени года и времени суток, существенно снизить время поиска за счет широкой полосы сканирования ГБО, например при буксировке ГБО на высоте 30 метров от дна ширина полосы сканирования составляет до 60 метров. Кроме того, высокая частота ППА гидролокатора бокового обзора (600 Кгц и выше) позволяет сравнительно легко и быстро классифицировать объект поиска на фоне остальных элементов дна.

Гидроакустические лаги и эхолоты

Гидроакустический лаг — прибор, предназначенный для измерения скорости движения своего носителя посредством гидролокации морского дна. Различают абсолютные гидроакустический лаг, измеряющие скорость судна относительно грунта. Разработанные в настоящее время абсолютные лаги являются гидроакустическими и делятся на доплеровские и корреляционные.

Эхолоты являются измерительными приборами, предназначенными для промера глубин, отображения профиля и примерной структуры дна, поиска и классификации различных объектов на дне и в толще воды, а также для выполнения различных навигационных задач. Независимо от сферы использования и типа все эхолоты имеют примерно одинаковую конфигурацию: гидроакустическая приемо-передающая антенна, блок обработки сигналов и надводный блок отображения информации. Гидроакустическая антенна эхолота имеет коническую вертикальную диаграмму направленности с углом обзора от 10 до 30º. При этом эхолот, как бы “освещает» полосу дна непосредственно под килем судна.

Первичными данными, получаемыми от приемной аппаратуры, является параметры огибающей линии морского дна. В зависимости от типа, технического насыщения эхолота и программного обеспечения эхолот только формирует эти данные в графическом виде на экране монитора или, используя информацию с других информационных систем и устройств, а также электронную карту районов работ, может создавать трехмерные карты морского дна с привязкой к географическим координатам. В настоящее время практически все эхолоты способны передавать и сохранять, полученные данные на персональный компьютер. Что позволяет в дальнейшим обрабатывать их с помощью мощных вычислительных систем. Включение эхолота в навигационный комплекс корабля позволяет использовать эхолот в режиме «авторулевой», когда рулевому достаточно держать курс корабля в пределах «зелёной зоны» на экране монитора эхолота. Кроме того, эхолот может осуществлять привязку глубин к географическим координатам, при подключении сигналов GPS, с точностью до нескольких метров.

Диапазон частот работы эхолотов лежит в пределах от 12 до 500 кГц. Дальность излучения и приёма отражённого сигнала изменяется в зависимости от частоты и мощности излучения и лежит в пределах от 1 до 3000м. Существуют специальные модели эхолотов с практически не ограниченной дальностью работы, однако обычно они проектируются и изготавливаются под специальный заказ.

Современные однолучевые эхолоты поддерживают одновременное подключение нескольких антенн. Обычно одновременно используется высокочастотную (200Кгц и выше) и низкочастотную (менее 50кГц) гидроакустическую антенну для увеличения точности полученных данных.

По способу установки на судно-носитель различают портативные и стационарные эхолоты. Портативные эхолоты обычно состоят из переносных блоков управления и антенн на специальных штангах, для крепления на борту катера или небольшого судна. В стационарном исполнении блок управления монтируется в закрытом помещении, а антенна устанавливается на выдвижной штанге в корпусе судна-носителя. Кроме того, любая антенна эхолота может быть установлена на подводном обитаемом или необитаемом аппарате, что позволяет максимально приблизиться к интересующей области водного пространства и получить наиболее достоверные данные о рельефе дна.

Существует множество фирм-изготовителей эхолотов. Одной из ведущих является датская компания «Reson», которая производит полный спектр эхолотов от переносных однолучевых серии «Navisound» до многолучевых серии «SeaBat». Эхолоты компании Reson широко применяются по всему миру, в том числе и в России.

Многолучевые эхолоты

Многолучевые эхолоты позволяют получать информацию о глубине сразу в некоторой полосе обзора, формируя веер узких акустических лучей в поперечной плоскости судна, измерять глубину в пределах пучка узконаправленных лучей, и, следовательно, получать топографический вид морского дна, строить цифровую модель рельефа дна или же его псевдообъёмное изображение [2]. Кроме того, многолучевые системы могут использоваться для классификации донных осадков.

Профилографы морского дна

Профилографы дна предназначены для поиска заглубленных на дне объектов, например трубопроводов или кабелей, нахождения заиленных подводных объектов, исследования и классификации состава грунта дна, например при планировании строительства подводных объектов или прокладки трубопроводов, разведки полезных ископаемых и экологического мониторинга.

По своей сути донные профилографы представляют собой практически тот же эхолот, но с очень низкой частотой излучаемого сигнала, менее 12 Кгц. За счет физических особенностей проникновения низкочастотных звуковых волн в твёрдых средах и большой мощности сигналов акустический сигнал проникает в донный грунт на глубину более 100 метров, чем меньше частота сигнала, тем больше проникающая способность.

По способу размещения гидроакустической антенны различают буксируемые и стационарные профилографы. Очень часто в одном буксируемом аппарате совмещается гидролокатор бокового обзора и профилограф дна.

Наибольшую популярность на сегодняшний день имеют многолучевые профилографы компаний Innomar, SeaBeam.

Гидроакустические системы позиционирования

Гидроакустические системы позиционирования (ГСП). ГСП предназначены для определения точных координат подводных объектов, а также для отслеживания траектории движения и текущей глубины нахождения подводных аппаратов и водолазов в реальном масштабе времени. ГСП представляют собой один или несколько стационарных передающих гидроакустических маяков, установленных на морском дне или судне носителе, маяк-ответчик на перемещающемся или стационарном объекте, гидроакустическую антенну или гидрофон на судне-носителе и систему обработки и выдачи информации на борту судна-носителя. ГСП по своей сути является относительной системой координат с судном-носителем в центре отсчёта, при использовании системы GPS возможно позиционирования в абсолютных географических координатах.

В основе определения координат маяка-ответчика под водой лежат геометрические законы нахождения координат какой-либо точки по известным координатам трёх других точек, так называемых базисных точек. Расстояние между двумя точками базиса называется базисной линией. Длина базисной линии определяет алгоритм подсчёта координат и тип ГСП.

При практическом применении оказывается, что, чем меньше базисная линия, тем сильнее физическое воздействие качки и крена судна-носителя на точность определения координат, поэтому для каждого типа ГСП существуют свои ограничения и рекомендуемые варианты использования. Ниже приводятся основные типы ГСП, и кратко поясняются основные принципы их работы.

2. Чуркин О.Ф., Старожицкий В.В. Современное состояние технических средств съемки рельефа и грунта дна, пути их развития до 2010г. // Труды международной конференции «Современное состояние, проблемы навигации и океанографии» (НО-2001). – Том 2. – СПб. – 2001. — с. 95-98