Эхолоты

Технические характеристики эхолотов

Самыми распространенными и достаточно простыми гидроакустическими приборами , используемыми для съемки дна, являются одночастотные однолучевые эхолоты . Наряду с развитием однолучевых эхолотов в настоящее время разработан новый класс приборов — многолучевые эхолоты, которые позволяют получать значение глубин не только под килем судна, но и сбоку от него в полосе до 3-4 глубин. Эти эхолоты находят широкое применение при построении карт глубин для решения таких задач, как обеспечение безопасности плавания, выбора трасс прокладки кабелей связи, трубопроводов, при проведении изыскательских работ при строительстве портовых сооружений и т. д. В этих акустических системах с помощью специальной конструкции приемо-передающей антенны и дальнейшей обработки эхо-сигналов получается много (более сотни) узких лучей, расположенных веером по направлению вбок от линии движения носителя антенн (как правило, это само судно).

Для определения планового положения излучателя в момент съемки (т. е. для привязки точек съемки) часто используют спутниковую аппаратуру, которая может работать в режимах DGPS RTCM или RTK. Для высокоточных измерений используют режим RTK, который позволяет также учитывать в реальном времени изменения уровня воды. Как уже отмечалось, в большинстве случаев для выполнения съемок используют одночастотный однолучевой эхолот, который портативен и быстро развертывается в рабочее положение. Более высокую производительность обеспечивают многолучевые и сканирующие эхолоты, которые более продуктивны и позволяют охватывать широкую полосу вдоль определяемого профиля. Сетка съемочных профилей создается для обеспечения полного покрытия снимаемого участка, так как морское дно не видно невооруженным глазом.

При съемке эхолотом измерение глубины осуществляется относительно уровня водной поверхности, отметка которой для внутренних водоемов меняется в зависимости от осадков. При работе в акватории моря, вследствие отливов и приливов, отметка уровня водной поверхности может изменяться на 10 м в течение 12 часов. Поэтому текущий уровень воды определяют относительно марки водомерного поста либо используют способ повторной съемки дна, то есть повторяют съемку через некоторое время, строят еще одну цифровую модель местности (ЦММ) и сравнивают ее с предыдущей ЦММ, построенной относительно того же исходного уровня. При работе спутниковой системы, установленной непосредственно на судне, в качестве основной системы навигации в режиме RTK автоматически учитываются изменения текущего уровня воды. При этом отпадает необходимость в установке берегового уровенного поста. Карты участка дна и другая информация, полученная при съемке, используется при работах по углублению дна, монтаже инженерных конструкций, строительстве трубопроводов, резервуаров и др. инженерных сооружений, исследованиях окружающей среды, мониторинга состояния подводных трубопроводов, для безопасной навигации и т. д. По результатам съемки заказчик может получить информацию в виде файла с трехмерными координатами (XYZ), карты глубин с нанесенными изобатами и в виде пространственного ЗD-изображения участка дна.

Для этих работ обычно используют эхолоты SonarLite ( рис. 5.69 ).

Рис. 5.69. Эхолот SonarLite, выпускаемый фирмой Ohmex Instruments (Англия)

Этот однолучевой эхолот предназначен для выполнения прибрежной съемки рек и водоемов совместно с использованием тахеометров и GPS-приемников. Эхолот SonarLite разрабатывался для совместного использования с электронными тахеометрами и GPS оборудованием. Данные промеров интегрируются с топографическими данными. SonarLite имеет в комплекте внутренние аккумуляторные батареи, зарядное устройство, кабели передачи данных, внутреннее программное обеспечение для записи данных и программное обеспечение для последующей обработки данных съемки. Прибор может быть использован в качестве традиционного эхолота с выводом данных на встроенный серийный порт (RS232C) или как самостоятельная система с маркировкой данных по времени и сохранением результатов во внутренней памяти для последующей обработки. Эхолот обладает малыми потерями сигнала и обеспечивает получение высокоточного цифрового контура рельефа дна. Графический жидкокристаллический дисплей непрерывно отображает изменения данных совместно с текстовой информацией. Масштаб изображения на дисплее может быть увеличен или уменьшен простым нажатием клавиш на передней панели инструмента. В комплект эхолота входит водонепроницаемый транспортировочный кейс.

Этот прибор комбинирует в себе функции эхолота и накопителя. В дополнение к электронике брызгозащитный по стандарту IP65 кейс содержит аккумуляторные батареи, достаточные для работы в течение нескольких дней, и монохромный ЖК-дисплей. Излучатель объединяет в себе генератор звуковых импульсов, приемный усилитель и процессор цифровых сигналов (ПЦС). Он заключен в небольшой обтекаемый пластиковый корпус длиной менее 100 мм. При работе устройство потребляет около 0,35 Ватт от внутренних перезаряжаемых батарей или внешней 12 В батареи. Погрешность измерения глубины характеризуется средней квадратической ошибкой порядка 2 см. Данные измерений выводятся с интервалом раз в секунду.

Технические характеристики эхолота SonarLite

Частота	235 кГц
Угловая расходимость зондирующего сигнала	8-10°
Диапазон глубин	от 0,30 м до 75 м 0,025 м
Средняя квадратическая ошибка	2,5 см
Внутренняя память	512 Кб/20000 точек
Скорость вывода измерений	1 Гц
Дисплей	240×128 пикселей (110×70 мм) монохромный жидкокристаллический
Питание	12 В × 2 Ач
Потребляемая мощность	70 миллиампер — 120 ма
Продолжительность работы батарей	от 4 до 8 часов беспрерывной работы
Габариты	140 мм × 220 мм × 100 мм
Вес	2,5 кг

Эхолот SonarLite может импортировать данные о местоположении, собранные автоматическими и полуавтоматическими электронными тахеометрами, которые могут отслеживать призму, обычно закрепленную на лодке вертикально над излучателем. Эти данные содержат временные метки тахеометров, получаемые при регистрации. Временные метки используются совместно с временным интервалом SonarLite для объединения данных промеров глубин и местоположения. Так как отслеживается трехмерное положение призмы, то нет необходимости применять приливные или гидравлические градиентные поправки к данным. Система работает и с DGPS системами: эхолот может быть напрямую подключен к GPS-приемнику и сохранять данные в формате NМЕА в своей памяти вместе с глубинами. В приливных областях система DGPS обычно используется совместно с ручными или с уровнемерными измерениями прилива, а значения высот по GPS игнорируются. К тому же из-за малой скорости лодок задержка дифференциальной поправки на больших расстояниях имеет малое влияние на допуски к общей точности определения координат.

Программное обеспечение Sonar2000 поставляется как составная часть комплекта SonarLite и предназначено для использования на ПК под ОС Windows 95/98, NT, 2000 или ХР (только не для Win3.1x). Программное обеспечение позволяет импортировать широкий диапазон форматов файлов и выгружать данные из SonarLite. Файл может содержать следующие типы данных с временными метками:

• глубины — от низа излучателя до дна плюс заглубление излучателя;
• координаты — или координаты XYZ, или широта/долгота;
• временные метки — метки в данных, когда кнопка события была нажата;
• данные о приливе — высоту прилива по уровнемерным данным.

Каждый элемент данных хранится с упорядочиванием по времени с точностью до миллисекунды. Пропущенные данные линейно интерполируются по соседним элементам пропорционально времени. Программное обеспечение Sonar2000 позволяет пользователю графически редактировать и удалять данные точек любого типа, используя выделение мышью в любом из видов: план «Position» или профиль «Time Series» всего набора данных. Программа позволяет пользователю прямо преобразовывать данные из GPS в прямоугольные координаты, используя фиксированное UTM преобразование или определенное пользователем. Пользователь также может задать время и величины смещений любого из трех главных типов данных, позволяя компенсировать разность часов или смещений между эхолотом и, например, электронным тахеометром.

Обработанные данные хранятся совместно с любыми использованными поправками и смещениями как окончательные координаты, глубины и уровень воды при съемке. Эти данные могут быть экспортированы в различные форматы, включая ASCII и DXF для импорта в другие программные продукты. Полная эхограмма может быть распечатана на том количестве страниц, которое требуется для используемого системного принтера под Windows. Также доступна клиентская версия ПО, которая позволяет просматривать сырые данные и выводить их на печать как необходимо, но неспособная редактировать или изменять их каким-либо образом.

Автоматизация гидрографии и гидрологии на небольших водоёмах

Беспилотные дроны APACHE измеряют глубину и параметры воды, создают 3D модель водоёма c минимальным участием человека

Прибрежные участки моря

Работать на воде становится проще и выгоднее

с технологией APACHE

Транспортировка

Дрон небольшой — помещается в багажнике автомобиля. Теперь не нужно возить громоздкие катера.

Безопасность

Не нужно исхитряться и заходить в воду. Глубина, состав воды и характер дна теперь не проблема.

Человеческий ресурс

Перенести дрон может 1 человек. При большой нагрузке можно вдвоём. Теперь не нужно собирать команду.

Время

На открытых участках воды дрон может собирать данные самостоятельно, вы экономите своё время.

Беспилотный дрон решает задачи разных типов и масштабов

Примеры из разных сфер

Мониторинг подводной части опор моста Гонконг-Чжухай-Макао (длина 55 км)

Задача состояла в съёмке дна в гавани и прилегающих областях. Это необходимо для мониторинга воздействия вод на грунт в районе опор и оценки состояния опор.

Площадь работ 7.2 км². Средняя глубина – 2-3 метра, местами 0.5 м.
Территория опасна для проведения съёмки традиционным способом. Обычные суда в зону проведения работ не допускаются.

Для съёмки использовался Apache 6 с многолучевым эхолотом. В результате построена трёхмерная модель подводной части опор моста и рельефа дна.
Это позволяет оценить актуальное состояние опор моста и создать карту подмыва грунта.

Водоспуск резервуара дамбы

Дамба используется для решения задач ирригации и противопаводковой защиты, средний годовой сток — 830 млн м³.

Задача состояла в определении глубины водоспуска и построении модели рельефа дна.
Длина водоспуска – 5,2 км, ширина – 1,2 км.
Задача осложнялась необходимостью подходить близко к краям дамбы и потерей слежения за спутниками. При этом, требуются высокоточные результаты отображения контуров.

Использовался гидрографический бот Apache 6 с многолучевым эхолотом. Основную площадь съёмки выполнили в автоматическом режиме, для съёмки вблизи подпорных стенок оператор переводил дрон на ручное управление. В результате съёмки построена трёхмерная карта рельефа дна и подпорных стенок плотины.

Мониторинг подводного трубопровода в Канаде

Глубины от 20 до 110 метров . Протяжённый объект, требующий высокой степени детализации данных.

Для съёмки с бота APACHE использовался многолучевой эхолот. Режим проверки в WBMS использовался над конвейером, создавая подробное сканирование.

Для определения местоположения использовался режим съёмки с широкой полосой обзора. Для высокой детализации критических мест МЛЭ переключался в режим детальной съёмки.

В процессе пост-обработки данные , полученные из двух режимов съёмки, объединены в одну трёхмерную модель рельефа дна и трубопровода.

Оценка параметров воды в водоёме в провинции Чжэцзян, Китай

Задача экологического мониторинга состояла в измерении основных физико-химических параметров воды в канале
Осложняющим фактором стал а уз ость канал а — использовать обычный катер или лодку не представлялось возможн ым .
Для съёмки использовался гидрографический бот Apache 3 с многопараметрическим зондом и однолучевым эхолотом. В результате съёмки построены карты физико-химических параметров воды для оцен ки экологическо го состояни я водных ресурсов в канале.

Гидрографическая съёмка озера Синхай

Озеро имеет площадь 20 км 2 , через акватори ю проходит ж/д ветка Баотоу-Иньчуань .

Задача состояла в построении батиметрической карты дна озера. Съ ё мка дна необходима для предпроектных изысканий и дальнейшего строительства железной дороги.
С помощью гидрографическ ого бот в Apache 3 с однолучевым эхолотом выполнили съёмку дна вдоль ветки: полосу длиной 100 м вдоль каждой стороны железной дороги.
В результате съёмки построена трёхмерная модель рельефа дна, а также поперечные профили полосы отвода.

Благодаря возможности Apache следовать по одному и тому же маршруту, удалось выполнить повторные измерения для мониторинг а состояния дна озера до начала строительства, в процессе, и после его окончания.

Работы по предотвращению наводнения в провинции Шаньси, Китай

Необходимость провести измерения скорости потока на различных глубинах.

Для съёмки использовался гидрографический бот Apache 4, оснащённый доплеровским профилографом скорости течения ADCP.

В результате съёмки построена карта и профили течений, позволяющая оценить скорость течения и места вероятного подтопления .

Поиск гидробионтов в водоёме в Шанхае, Китай

Задача состояла в измерении параметров кислотности, температуры воды, а также параметров течения в акватории.

Для съёмки использовался многопараметрический датчик AP2000 и профилограф ADCP.

В результате изысканий построена трёхмерная карта течений, а также определены физико-химические параметры воды на различных участках акватории. Эти данные помогают рыбохозяйству эффективно управлять посадкой гидробионтов.

Оценка параметров воды на рыбохозяйстве в Бразилии

Задача состояла в измерении параметров кислотности, температуры воды, а также параметров течения в акватории.

Для съёмки использовался многопараметрический датчик AP2000 и профилограф ADCP.

В результате изысканий построена трёхмерная карта течений, а также определены физико-химические параметры воды на различных участках акватории. Эти данные помогают рыбохозяйству эффективно управлять посадкой гидробионтов.

Мониторинг дна канала ГЭС в Непале

ГЭС расположена в Гималаях и используется для электропитания столицы Непала — Катманду. Задача состояла в съёмке рельефа дна канала ГЭС.

Из-за большой площади мелководья, сложного рельефа дна и высокой скорости течения невозможно использовать обычный катер или лодку.

Для съёмки использовался гидрографический бот Apache 5 с однолучевым эхолотом. Благодаря технологии поддержания курса, съёмка производилась строго по запланированным галсам даже в условиях быстрого течения.

В результате съёмки построена трёхмерная модель рельефа дна канала.

Съёмка дна резервуара ГОКа в Гуанчжоу, Китай

Задача состояла в съёмке и построении трёхмерной карты дна водоёма.
Из-за особенностей водоёма невозможно использовать обычный катер или лодку.
Для съёмки использовался гидрографический бот Apache 6 с многолучевым эхолотом. Съёмка бортов водоёма выполнена благодаря широкой развёртке полосы обзора многолучевого эхолота.

В результате съёмки построена трёхмерная карта рельефа дна и бортов, что позволило с высокой точностью вычислить объём воды в водоеме.

Съёмка дна и портовых сооружений в Мальдивской Республике

Задача состояла в съёмке и построении трёхмерной модели дна водоёма и портовых сооружений.

Для съёмки использовался многолучевой эхолот Norbit и сканер iLidar . Съёмка бортов водоёма выполнена благодаря широкой развёртке полосы обзора многолучевого эхолота, съёмка наземных строений выполнена с использованием лазерного сканера. В результате съёмки построена трёхмерная модель рельефа дна и портовых сооружений с высокой детальностью и плотностью.

Два типа беспилотных дронов

APACHE 3

Можно установить датчики:

Однолучевой эхолот, Датчик оценки качества воды

Габариты: 100 x 65 x 30 см

Защита от ила и водорослей

Инерциальная система IMU

Самый быстрый, лёгкий и компактный. Решает минимальный набор задач

APACHE 6

Можно установить датчики:

Многолучевой эхолот, ГБО, ADCP, Сканер, Донный профилограф

Габариты: 180 х 55 х 25 см

Защита от ила и водорослей

Инерциальная система IMU

Самый оснащённый. Может нести тяжёлое оборудование. Подходит для детальной съёмки подводного и надводного пространства, построения вертикальных профилей дна.

Датчики, которые можно установить на беспилотники

Новости о технологии

Промерные работы с использованием БЭС Apache в Крыму

В октябре в Симферопольском районе Крыма выполнены промерные работы с использованием БПВА Apache 3.
Цель проведения работ — определение объёма воды в водоёме, используемом для орошения.
Измерения на водоёме, общей площадью около 4,5 Га, выполнены в течение получаса.
По просьбе заказчика были проведены испытания Apache 3 в прибрежном районе полуострова. Измерения проводились при высоте волн 2-3 балла по шкале Бофорта.
Беспилотник показал хорошее следование по курсу в автоматическом режиме, даже навстречу сильным волнам.
В результате измерений построена цифровая модель прибрежного участка дна Чёрного моря.

Испытания БЭС Apache 3 на территории Ковдорского ГОКа

В середине сентября проведены испытания БПВА Apache 3 на территории Ковдорского ГОКа в Мурманской области.
Измерения проводились на хвостохранилище комбината с целью определения слоя пульпы вблизи пляжа намыва.
Возможности встроенной навигационной системы позволяют использовать различные каналы приёма поправок. Работа в RTK выполнялась с использованием УКВ-канала от базовой станции, установленной на одном из пунктов опорной геодезической сети ГОКа.
В результате работ выполнены промеры глубин в районе пляжа намыва и насосной станции.

Испытания APACHE3 на Москва-реке

В сентябре были проведены испытания БЭС Apache3 оснащённого однолучевым эхолотом в акватории действующего гидроузла на Москва-реке.
В целях инженерных изысканий требовалась детальная съёмка дна камеры гидроузла.
В соответствии с техникой безопасности запрещается выполнять работы во время шлюзования судов, поэтому работы в камере необходимо выполнить до захода очередного судна.
Кроме этого, требовалось измерить глубины вблизи подпорных стенок.
Компактный размер и маневренность гидробота Apache позволили выполнить промерные работы в шлюзовой камере всего за 30 минут.
Режим ручного управления при помощи пульта позволил подводить БЭС вблизи бортов камеры для промеров глубин.
В результате работ построена трёхмерная модель рельефа дна камеры гидроузла и прилегающего
участка реки.

Испытания Apache 3 в Санкт-Петербурге

В августе были проведены испытания БЭС Apache 3, оснащённого однолучевым эхолотом.
Испытания проводились в акватории Лахтинской гавани в Санкт-Петербурге и на водоёме в Ленинградской области.
В результате съёмки были построены карты рельефа дна водоёмов.
Проведено сравнение измерений выполненных с помощью БПВА и измерений с применением Однолучевого эхолота, установленного на обычной лодке.
Испытания показали, что Apache3 позволяет выполнить съёмку за меньший промежуток времени и избежать нахождения людей на открытой воде.
Apache3 позволяет получить детальную цифровую модель рельефа дна благодаря строгому следованию по галсам в автоматическом режиме с постоянным интервалом.

В Китае боты APACHE использованы для оценки масштабов оползней

В 2020-м году город Эньши пострадал из-за оползней и наводнений. Понадобилось проводить инженерно-гидрографические и инженерно-геодезические изыскания.

Применение APACHE 6 с многолучевым эхолотом помогло быстро рассчитать объём воды и построить трёхмерную модель рельефа завального озера.

«Кузбассразрезуголь» обзавелась флотом APACHE

«Кузбассразрезуголь» теперь обладает не только воздушным флотом беспилотников — компания приобрела гидрографический комплекс для измерения рельефа дна.

Инновационное оборудование позволяет обеспечить безопасность проведения маркшейдерских работ на промышленных гидротехнических сооружениях.