Текущее состояние и направления развития многолучевых эхолотов

Введение

Многолучевые эхолоты, представленные сейчас на рынке, претерпевают постоянное эволюционное развитие по мере развития технологий, а так же, в результате исследований разработчиков в направлении новых способов обработки и использования полученной информации. В статье приводится срез текущих достижений и тенденций развития ведущих разработчиков в области исследовательских гидролокационных решений.

Направление 1 — Повышение разрешения

Основные усилия разработчиков направлены на преодоление физических ограничений в интересах получения более высокого разрешения.
В течение последних нескольких лет ведется борьба за звание лучшего многолучевого эхолота в классе МЛЭ средних глубин между образцами: Teledyne RESON SeaBat 7125, Kongsberg EM 2040/2040C и R2Sonic Sonic 2024. У каждого из образцов есть свои сильные стороны, преимущества и лояльные последователи. Все три образца — первоклассные гидролокаторы, имеющие разрешение около 0,5 × 1,0 градуса. К тому же эти модели гидролокаторов все еще развиваются, и становятся доступны новые опции.

Teledyne RESON 7125 — высококачественное сканирование гавани Плимута, сетка 25 см (данные обследования мелкой воды).

Сравнение результатов сканирования объекта в мелководном районе в Великобритании, Teledyne RESON 7125 слева и KONGSBERG 2040C справа.

R2Sonic только что выпустила свою модель 2026 Sonic, которая предлагает разрешение 0,5 × 0,5 градуса (то есть лучшее разрешение на линейке). Хотя еще не были представлены результаты данных с сонара, но это заявление безусловно является заслуживающим пристального внимания.
Для классе образов для работы на сверх малой дистанции есть несколько вариантов высокого разрешения. Стоит упомянуть о Teledyne BlueView BV5000, который представляет собой гидролокатор, работающий на более высоких частотах (1350-2250 кГц) по сравнению с обычными 400-700 кГц. BV5000 ориентирован на крупномасштабное сканирование (диапазон 10–20 метров) конструкций.

Сканирование гавани в NaviModel, полученного с помощью BlueView 1,35 МГц.

Направление 2 — Миниатюризация

Многие многолучевые эхолоты используются для оперативной съемки на мелководье в гаванях, на водных путях и т. д., где очень важна мобильность, и некоторые производители сосредоточили свои усилия именно в этом направлении — на миниатюризации оборудования, а также комплексировании «все в одном», включая модули навигации: приемники спутниковой системы навигации (GPS) и датчики перемещений.
NORBIT предлагает устройство WMBS/iWBMS, которое имеет исключительно малые габаритные размеры, но при этом реализует разрешение 0,9 × 1,9 градуса. WMBS доступен со встроенными высокопроизводительными приемниками спутниковой системы навигации и инерциальной навигационной системой ИНС (Applanix POS MV). Это устройство иллюстрирует быстрое развитие мобильности гидрографических устройств, рост миниатюризации, без ухудшения разрешения.
Эхолот Teledyne RESON SeaBat T20-P был представлен два года назад и был очень популярен в качестве портативного сонара. Недавно выпущенный эхолот SeaBat T50-P предлагает портативную упаковку со спецификациями (0,5 × 1 градуса), близкими к характеристикам SeaBat 7125. И SeaBat T20-P, и SeaBat T50-P также доступны со встроенными приемниками спутниковой системы навигации и инерциальной навигационной системой, что упрощает мобильность.
Производитель R2Sonic представил образец Sonic 2020 (с разрешением 2 × 2 градуса) — это очень миниатюрный гидролокатор, имеющий хорошие характеристики, а эхолот Sonic 2022 (с разрешением 1 × 1 градус) также позиционируется на рынке как портативный гидролокатор. Оба образца доступны со встроенной инерциальной навигационной системой.
Kongsberg M3 — это еще один многолучевой эхолот класса IHO S-44, зарекомендовавший на конференции Shallow Survey 2015 в Плимуте, Великобритания. M3 является одновременно визуализирующим сонаром и батиметрическим профилографом и предлагает 3-градусный луч для генерации облака точек.
Еще один высокопортативный гидролокатор, обладающий разрешением 2 × 2 градуса с опцией для встроенного ИНС и GPS — это гидрографический локатор Teledyne Odom Hydrographic MB2. Однако, данных с MB2 еще не представлено.

Направление 3 — Комплексирование

Поскольку гидролокатор бокового обзора (ГБО) и многолучевой эхолот базируются на различных технологиях, для действительно хороших результатов вам необходимо как хороший ГБО, так и хороший «многолучевик». Однако физически возможно одновременное получение батиметрии (глубины) и данных интенсивности (гидролокационного изображения). Над созданием совмещенного устройства работают как разработчики многолучевых эхолотов, так и разработчики гидролокаторов бокового обзора.
Разработчики многолучевых эхолотов называют дополнительную опцию «обратным рассеянием», и вы можете найти ее в большинстве продуктов Teledyne RESON, R2Sonic, NORBIT и Kongsberg, где он предлагался в течение нескольких лет вместе со связанной функцией, «фрагментами». Данные обратного рассеяния хотя и не имеют качества гидролокатора бокового обзора, но все же полезны, например, для классификации морского дна, по его типу (песок, камень и т. д.).
Новинки ведущих производителей гидролокаторов бокового обзора — Klein Marine Systems HydroChart 3500 и EdgeTech 6205 — это комбинированные продукты, которые предлагают великолепное изображение гидролокатора бокового обзора с полезным батиметрическим выводом данных. Это определенно интересные образцы из-за их очень высокой полосы (в 8–12 раз глубины) и, следовательно, имеют намного более широкий охват области съемки, чем обычный многолучевой эхолот. Это делает такие продукты идеальными для съемок в реках или просто для съемок на больших площадях — при условии, что вы не ожидаете, что данные о глубине будут сопоставимы с данными лучших многолучевых эхолотов.
GeoSwath и Bathyswath также предлагают образцы с очень большой шириной обзора до 12-кратной глубины. Они обычно используются для исследований рек/каналов.

Направление 4 — Мультиантенные системы

Гонка за более широкое покрытие полосы обзора подводит разработчиков к решениям, включающим работу в нескольких направлениях одновременно.
• Две антенны — Наличие двух антенн дает двойной обзор. Применяя наклон антенны, можно добиться как большей ширины обзора, так и более высокой плотности разрешения, например, для обследования трубопровода с обеих сторон одновременно.
• Три антенны — также применяются для работ по осмотру трубопроводов. При этом, две антенны используются для обследования морского дна по бокам трубы, а высокочастотный гидролокатор (или подводный лазер) используется для съемки центральной части с большой детализацией ,
• Четыре антенны — Уже опробованное ранее решение. Например, Kongsberg EM 2040C поставляется в конфигурации с четырьмя антеннами, где массивы TX и RX разделены для оптимальной производительности/размещения (так на самом деле, гидролокатор с двумя двойными антеннами).

Направление 5 — Повышение возможности обнаружения объектов

Все разработчики ищут новые способы применения оборудования, и используют при этом новые термины.
• Толща воды: многолучевые эхолоты для батиметрических исследований заинтересованы в наиболее интенсивном обратном рассеивании (т.е. эхосигнале от морского дна), поэтому традиционно эхосигналы, образованные в толще воды рассматриваются как шум. Во многих случаях это так и есть, но для некоторых приложений это могут быть полезные данные. Например — струи газа и косяки рыбы (рыболовные гидролокаторы — это, в основном, гидролокаторы водной толщи). Массивы данных из толщи воды имеют внушительные размеры, поэтому их не сохраняют без необходимости в каждом цикле обзора. Обработка записей данных толщи воды также является непростой задачей. Для обнаружения утечки газа, при работе с подвижного носителя необходимо осуществить стационаризацию положения носителя. Данные, полученные в толще воды обычно не используются при работе с подводными аппаратами, так как они позволяют работать непостредственно вблизи обследуемого объекта.
• Множественное обнаружение: возможность получить более одной метки обнаружителя в одном цикле обзора полезна, в случае обследовании района, богатого рыбой в толще воды, когда необходимо получать эхосигнал от морского дна, в случае обследовании затонувшего судна, с выступающими мачтами, где возможно нахождение нескольких отражающих объектов вдоль направления локации.
• Обнаружение/сопровождение трубопровода: возможность обнаружения трубопровода непосредственно в гидролокаторе и возврата аппарата на траекторию вдоль его расположения. Данная опция возможна только когда труба открыта, над поверхностью дна.

Направление 6 — Снижение стоимости

Общая тенденция такова: «Вы получаете то, за что платите», и, говоря о многолучевых эхолотах, вы не пожалеете, что потратили лишние деньги, если позволят бюджеты.
В этой перспективе стоит упомянуть ряд производителей:
• NORBIT — есть серия продуктов среднего класса, которые отличаются от нормы.
• Imagenex — долгое время был на рынке гидролокаторов среднего класса, и у него есть целый ряд систем для специальных целей.
• Tritech — только что анонсировали гидролокатор Gemini 620p (1 × 1 градус) 620 кГц.
• WASSP — производит огромное количество недорогих сонаров для яхтинга / рыбалки и запустил свой новый 224-лучевой сонар, соответствующий стандарту IHO 1a, по очень доступной цене. Начинают поступать первые первые данные от этого эхолота (см. рисунок).

Применение WASSP для картографирования Aliwal Shoal у Дурбана, Южная Африка (точечная сетка 50 см, представленная в NaviModel).

Направление 7 — Использование неакустических технологий: лидар и лазер

Хотя это и не гидролокационная технология, но она находит все большее распространение в телеуправляемых аппаратах при обследовании трубопроводов, фундаментов буровых установок и т. д., И применение подводного лазера/лидара все больше получает популярность.
Такие продукты, как подводные лазерные сканеры 2G Robotics или Cathx Ocean, могут использоваться для тех же целей, что и многолучевые эхолоты, хотя и использую другие физические принципы. Оба продукта создадут набор меток (в координатах дистанция / пеленг) в сверхвысоком (миллиметровом) разрешении — намного выше, чем у любого акустического образца. Проблема заключается в дальности и условиях — подводные лидары/лазеры требуют хорошей прозрачности воды — если вы можете видеть это, вы можете сканировать его. Так что использование лазер имеет физические ограничения, например, при дноуглубительных работах или сканирования мутной реки/гавани. Однако в чистой воде (глубокая, тропическая или северная зима и т. д.), результаты будут просто фантастические.

Многолучевой эхолот высокого разрешения SeaBat-T20P

Заказчик: Пермский Государственный Национальный Исследовательский Университет (ПГНИУ)

Компания ООО «Центр Инновационных Технологий» в рамках данного проекта осуществила поставку многолучевого эхолота высокого разрешения SeaBat-T20P, произведенного компанией Teledyne Reson.

Эхолот Teledyne Reson T20-P предназначен для выполнения гидроакустических научно-исследовательских работ, в т.ч. аудита вертикальных подпорных стенок плотин и дамб.

SeaBat T20-P это многолучевой гидроакустический комплекс с высокой разрешающей способностью, измеряющий относительную глубину воды с полосой обзора более 140° или 165° перпендикулярно движению судна. Многочастотная система способна обеспечить высокую разрешающую способность с максимальной частотой 400кГц, а также большую дальность с минимальной частотой 200кГц.

Благодаря компактному и водостойкому переносному гидролокационному процессору и легкой переносной мокрой части устройство SeaBat T20-P предназначено для частой мобилизации и отлично подходит для использования на самых малых исследовательских судах.

• 
• 
• 
• 
• 
• 

Ключевые особенности оборудования:

• Разрешение: Динамическое, сфокусированное формирование лучей поддерживает ультравысокое разрешение, даже на малой дальности.Частота выборки приемника в 34кГц обеспечивает небывалое разрешение по дальности и дополняет узкий луч, предоставляя пользователю максимальное качество данных и разрешение.
• Быстрое обновление: Вся полоса обзора 140° (или 165°) освещается за одно прохождение при частоте обновления до 50Гц (зависит от выбора дальности), обеспечивая 100% охват дна даже при высокой скорости.
• Вывод данных: Переносные гидроакустические комплексы SeaBat серии T позволяют экспортировать стандартные гидрографические данные батиметрии, бокового сканирования и фрагменты, а также данные водяной толщи и другие данные для других научных прикладных систем.
• Обнаружение дна: Особый алгоритм обнаружения дна использует сочетание алгоритмов центра энергии и пересечения нуля-фазы для обнаружения дна каждым отдельным лучом с максимальной точностью.
• Многоканальность: Обеспечивая до пяти обнаружений в рамках каждого луча, включая всю толщу воды, это свойство позволяет исследователю уловить больше деталей из одной линии наблюдения сложного объекта даже в условиях высокого уровня помех.
• Наклон головы: Эта особенность позволяет выполнять повороты головы гидролокатора для гибкого и специального использования переносного гидроакустического комплекса SeaBat серии T.
• Выбор режима работы оператором: Пять различных режимов лучей позволяют оператору выбрать оптимально пригодный для конкретной цели, оптимизируя работу прибора. Равноугольный режим выдает полосу обзора 165º, а четыре других режима – 140º.
• Распределение луча: Переносной комплекс SeaBat серии T обеспечивает выбор между равноугольным, промежуточным и равноудаленным расстоянием. Вдобавок, опциональный режим FlexMode предусматривает настройки для альтернативного распределения луча. Все опции обеспечивают динамическую фокусировку.
• Выявление и отслеживание труб в реальном времени: Это свойство автоматически обнаруживает трубы в рамках многолучевой полосы обзора, отображает их пользователю в реальном времени исследования и отсылает данные о положении труб в ПО для сбора данных. Это возможно благодаря надежности режима FlexMode для создания профиля трубы с высокой плотностью. Алгоритм обнаружения отправляет большую часть лучей в центр обнаруженной трубы для отслеживания независимо от ее положения на клине.
• X-Range: X-Range это программное и аппаратное средство, использующее частотно-модулированные (FM) зондирующие импульсы, которое обеспечивает расширение диапазона (по всем частотам), а также значительно улучшает невосприимчивость системы к внешним помехам.
• Full rate dual head: Функция FRDH использует X-range (FM) для работы двух голов с удвоенным охватом полосы обзора и частотой звукового
• импульса. Благодаря FRDH выполняется синхронизация и одновременный высокоскоростной обмен систем импульсами.
• Смена частоты на лету: Переносные многочастотные комплексы SeaBat серии T могут работать во всем диапазоне частот, не прерывая сбора данных.
• Синхронизирующий импульс: Импульс TTL (синхронный с зондирующим импульсом) обеспечивается гидролокационным процессором.
• Работа с импульсом 1PPS и присвоение времени: Присвоение времени обмена данными ссылается на входящий 1PPS и временное сообщение.
• Внешний триггер: Для запуска системы можно использовать стандартную дистанционную команду программного обеспечения 7k Center или входящий пусковой импульс TTL.
• Адаптивный селектор: Для процесса обнаружения дна доступно три различных настройки селектора: без селектора, абсолютный селектор и адаптивный селектор.
• Встроенная контрольная среда (BITE): BITE это составляющая часть переносных гидроакустических систем SeaBat серии T, которая следит за состоянием внутренних подсистем и мокрых частей устройства.