Навигационные и рыбопоисковые эхолоты, сонары и гидролокаторы, модули эхолотов

Категории эхолотов на примере Garmin Echo со сканирующим лучом Down Vu

Эхолоты имеют различное назначение, но принцип действия у всех одинаков. Звуковые импульсы прибора просвечивают толщу воды, достигая дна, а возвращаясь, рисуют на дисплее эхолота соответствующую картину. Таким образом, эхолот фиксирует все отраженные и переотраженные волны, отображая полученную информацию в удобной для восприятия форме.

Условно, эхолоты можно поделить на несколько категорий, в каждой из которых эхолоты имеют свои особенности применения. Строго разделить эхолоты достаточно сложно, потому что большинство из них окажется сразу в нескольких категориях, обладая достаточно широким спектром возможностей:

• Впередсмотрящие эхолоты
• Навигационные эхолоты
• Сонары и гидролокаторы
• Рыбопоисковые эхолоты
• Модули эхолотов для картплоттеров и МФД

Впередсмотрящие эхолоты или эхолоты переднего обзора предназначены для заблаговременной подачи информации о рельефе дна. Другими словами, эхолот в классическом понимании, а именно вертикально сканирующее устройство, отображающее пространство, находящееся исключительно под дном судна, не может предупредить об отмели или других препятствиях на пути плавсредства, поэтому возникла необходимость применять так называемое горизонтальное сканирование широким лучом, чтобы иметь информацию о подводных объектах как по курсу судна, так и справа и слева от него. Большинство эхолотов используют в своей работе несколько лучей разных диапазонов частот для наиболее полноценного отображения подводной ситуации.

Навигационные эхолоты могут быть в том числе и впередсмотрящими, их особенность, скорее, состоит в том, что они не предназначены для поиска рыбы, а являются частью систем безопасности судовождения и способны передавать информацию не только на дисплей для визуального контроля, но и специальные судовые приборы, применение которых регламентируется надзорными органами, например, на ЭКНИС или в регистратор данных рейса (РДР). Информация, полученная от навигационного эхолота, хранится в памяти и при необходимости может быть воспроизведена и проанализирована.

Сонары или гидролокаторы представляют собой главную деталь эхолота – устройство, непосредственно отправляющее и принимающее звуковые импульсы. Обычно используются активные сонары, то есть гидролокаторы, генерирующие звуковые импульсы, возвращающиеся затем к датчику в виде эха. Но существуют и пассивные гидролокаторы, применяемые для нахождения морских объектов, производящих собственные шумы.

Рыбопоисковые эхолоты – самая распространенная категория эхолотов среди не только профессионалов, но и любителей. Как и следует из названия, их основное назначение – поиск рыбы. При этом, хороший рыбопоисковый эхолот, конечно же, включает в себя сонар или гидролокатор, может одновременно быть и навигационным, и впередсмотрящим. Ниже, на примере популярных моделей эхолотов Garmin будут подробнее рассмотрены особенности применения рыбопоисковых эхолотов.

Модули эхолотов для картплоттеров и МФД (многофункциональных дисплеев) предназначены для профессионального использования и предполагают наличие серьезного судового оборудования, без которого – совершенно бесполезны. Модуль выполняется в виде специального блока, не имеющего никаких средств визуализации. Его назначение – исключительно сбор информации и последующая передача в бортовую сеть. В зависимости от используемого на борту оборудования применяется совместимый с ним модуль эхолота, интегрируемый в бортовую сеть. Информация от модуля эхолота визуализируется непосредственно на бортовых дисплеях. Такие приборы имеют, как правило, высочайшее качество и широкий спектр возможностей, в полной мере дополняющий функционал бортовой электроники.

Рассмотрим на примере простых рыбопоисковых эхолотов общие принципы работы данных приборов. Известный производитель навигационных и других электронных устройств выпустил одновременно четыре модели эхолотов: два монохромных — Garmin Echo 151DV и Echo 201DV, и два цветных – Garmin Echo 301DV и Echo 551DV, с соответствующими размерами дисплеев 5 и 4 дюйма. Индекс DV означает наличие дополнительного очень узкого луча 45°, за счет которого достигается великолепная прорисовка дна фотографического качества. Многие производители эхолотов снабжают свои модели уникальными техническими решениями, позволяющими выделить именно их эхолот из общего списка. В данном случае DV – инновационная находка Garmin.

Особенностью режима DV является отображение рыб в реальном размере, пропорциональном глубине. В узком луче такая картинка представляет собой более детализированное изображение толщи воды, позволяющее более качественно интерпретировать схематичную картинку от широкого луча. В стандартных режимах рыбы обозначаются значками или так называемыми дугами, что более наглядно, но в то же время, весьма условно.

Трехлучевой рыбопоисковый эхолот Garmin Echo 551DV имеет два обычных луча – широкий 120° и узкий 60°, сканирующий луч DownVu 45°, мощность 500 Вт, пиковую мощность до 4 кВт, максимальную глубину промера до 700 м, пятидюймовый дисплей с разрешением 480х640 пикселей, 256 цветов. В комплекте с эхолотом поставляются крепление с фиксирующей скобой, датчик с креплением на транец. Остальные аксессуары можно приобретать по необходимости: например, защитный кофр, датчик скорости, переносной кейс с аккумулятором, зарядкой и дополнительными креплениями, в частности, присоской, что очень удобно для гребной или резиновой лодки, когда невозможно использовать струбцину.

Правильная установка датчика – важный момент при использовании рыбопоискового эхолота, поэтому в данной модели крепеж имеет диапазон регулировки вверх-вниз. Когда датчик расположен по уровню днища, на его работе не отразятся помехи, связанные с конвекционными потоками воды, возникающими при движении лодки.

Меню эхолота выполнено таким образом, чтобы было сразу понятно, как им пользоваться. При включении эхолота запрашивается язык меню и единицы измерения (обычно метрические). Затем открывается главная страница меню эхолота. Страниц всего шесть, переключение между ними осуществляется джойстиком вправо-влево. Каждая страница настраивается кнопкой меню.

При настройке можно выставлять различные режимы использования лучей, комбинировать их одновременное использование, менять масштаб изображения, а также регулировать глубины, чувствительность и прочие параметры. Для поиска единичных крупных придонных рыб лучше использовать луч 200 кГц, для косяков рыбы в толще воды – луч 77 кГц. Полезно будет выставить линию глубины, чтобы померить глубину любого предмета, а также для ориентира – линию хода воблера. При помощи прокрутки сонара влево-вправо можно просмотреть историю маршрута.

Модель Garmin Echo 201DV более проста, чем описанная Echo 551DV и снабжена монохромным дисплеем, благодаря чему значительно дешевле. Разрешение экрана будет чуть хуже, чем у старшей модели, но необходимо отметить, что в черно-белом варианте картинка может оказаться более информативной, чем изобилующая цветами. В условиях постоянной работы, при ярком солнце или ночью, такая модель может оказаться очень кстати, поскольку при хорошей рыбной ловле на первый план выходит лаконичность информации, а нее визуальная привлекательность.

В целом, можно отметить, что эхолоты Garmin Echo – очень качественная техника, обладающая незаурядными характеристиками чувствительности, отличной наглядностью предоставляемой информации и простотой настроек. Ниже предлагаем познакомиться с несколькими статьями, позволяющими еще раз взглянуть на эхолоты под другим углом.

Общая характеристика навигационных эхолотов

Навигационные эхолоты предназначены для измерения глубины под килем суд-на. Выпускаются разнообразные модели рассматриваемых приборов, рассчитанных на измерение различных глубин и предназначенных для использования на судах, различного типа.

Несмотря на относительно большое разнообразие образцов приборов, их работа основана на одном принципе — измерении времени t прохождения сигнала гидроаку-стической посылки до дна и обратно.

Посылка, как правило, представляет собой короткий импульс, промодулирован-ный сигналом несущей частоты.

Типовой состав эхолота включает в себя:

устройство, формирующее сигнал посылки (передающее устройство); приемное устройство;
командное устройство, управляющее работой эхолота; устройства отображения и регистрации информации;
устройство для переключения антенны с приема на передачу в случае эхолота, использующего одну приемно-передающую антенну.
В общем случае эхолот может иметь или одну приемо-передающую антенну или две антенны – приемную и передающую. Преимущественное распространение в на-вигационных эхолотах нашли антенны типа “сплошной вибратор”. Причем в по-следнее время, как это уже отмечалось выше, чаще всего применяются пьезокера-мические вибраторы.

Существенное влияние на качество работы эхолота оказывают параметры диа-граммы направленности антенны, поскольку они в значительной степени определя-ют надежность приема отраженного сигнала и его уровень. Как правило, на практи-ке ширина диаграммы направленности выбирается такой, чтобы при наличии качки судна был обеспечен устойчивый прием отраженного от дна сигнала при макси-мально возможной измеряемой глубине. Это достаточно хорошо обеспечивается в случае равенства половины угла раствора диаграммы направленности максималь-ному значению угла отклонения судна от вертикали. При выполнении указанного условия даже при слабой рассеивающей способности поверхности дна часть энергии гарантированно отразится в направлении антенн. В связи с тем, что максимальные значения углов крена и дифферента судна в процессе его качки не совпадают, зна-

чения ширины диаграмм направленности антенны в диаметральной плоскости судна и в плоскости, перпендикулярной диаметральной, также могут отличаться. В этом случае излучающая поверхность может иметь прямоугольную форму.

Существенное влияние на качество работы эхолота оказывают место и способ установки антенн. Как правило, они устанавливаются в донной части судна таким образом, чтобы обеспечивался непосредственный контакт излучателя с морской во-дой. Конструктивные варианты корпуса антенны и приемника, в который она уста-навливается, могут быть самыми разнообразными. C некоторыми их образцами можно познакомиться в работе [12].

В отдельных случаях, когда условия плавания не позволяют использовать ука-занные варианты установки антенны в виду опасности ее разрушения, она монтиру-ется без прорези днища судна в танке, который заполняется касторовым маслом или другой химически неактивной жидкостью, имеющей такое же акустическое сопро-тивление как и у морской воды. Акустическое сопротивление обшивки судна зна-чительно отличается от акустического сопротивления жидкостей поэтому в про-странстве между излучающей антенной и днищем судна образуется стоячая звуко-вая волна. Такая же волна возникает в обшивке судна. Специальной настройкой до-биваются наличия пучности колебательной скорости в этой части обшивки, что обеспечивает передачу звука практически без потерь.

Нередко антенны устанавливаются в клинкетах, что позволяет производить их обслуживание и замену без постановки судна в док.

Подавляющее большинство эхолотов используют импульсное излучение, позво-ляющее достаточно просто избавиться от помехи, обусловленной сигналом объем-ной реверберации.

Существуют два способа формирования импульса: ударный и тональный. Пер-вый способ [15] применяется для возбуждения магнитострикционных вибраторов, входное сопротивление которых носит явно выраженный индуктивный характер.

Однако ударным способом практически невозможно получить приемлемые по па-раметрам импульсы с часто используемыми несущими частотами, превышающими 60 – 70 кГц. Это обстоятельство практически исключило возможность его примене-ния в серийных моделях современных эхолотов.

Тональный способ формирования посылочного импульса позволяет формиро-вать импульсы прямоугольной формы, заполненный любой желаемой несущей час-тотой, равной или близкой к собственной частоте антенны. При этом могут исполь-зоваться как магнитострикционные, так и пьезокерамические вибраторы [15].

Приемные устройства осуществляют выделение полезного сигнала из сопутст-вующих ему помех, усиление выделенного сигнала и преобразование его к виду, не-обходимому для отображения, регистрации и использования другими информаци-онными или управляющими системами. В соответствие с этим, общую схему при-емного устройства можно разбить на три основных участка:

входные цепи и цепи предварительного усиления, основной усилитель сигнала,
цепи преобразования сигнала.

Входные цепи, как правило, представляют собой предварительный резонансный усилитель, настроенный на частоту излучаемого сигнала. В дополнение к частотной селекции сигнала используются различного рода регулировки усиления. Так, для снижения общего высокого уровня принятого сигнала, содержащего интенсивную помеху, предусматривают возможность изменения порога чувствительности вход-ного тракта. Для устранения помехи от объемной реверберации вводят временную регулировку усиления. Как правило, в каждом эхолоте имеется возможность ручной регулировки усиления приемного тракта. Наряду с этим, для отображения информа-ции нередко используется не весь рабочий диапазон глубин, а только небольшая его область, что исключает наблюдение помех, лежащих вне этой области, и увеличива-ет масштаб изображения. В целом, указанные приемы позволяет успешно бороться с помехами.

Если в эхолоте используется одна антенна, то рассматриваемые цепи включают в себя схему переключения антенны с приема на передачу.

Основной усилитель сигнала может быть построен как по схеме прямого уси-ления, так и по супергетеродинной схеме. Первый вариант применяется тогда, когда в эхолоте используются одна или две несущие частоты зондирующего сигнала. Если количество используемых несущих частот больше, становится целесообразным ис-пользование второго варианта.

Схемы прямого усиления также имеют свои разновидности, две из которых пока-заны на рис. 2.7 [15]. Простейшая схема приемного тракта прямого усиления пред-ставлена на рис. 2.7 а. В данной схеме усиление эхо-сигналов, поступающих с ан-тенны А через коммутатор прием – передача КПП на предварительный усилитель ПУ и усилитель напряжения УН, до величины, достаточной для срабатывания око-нечных устройств (усилителя мощности), производится на частоте эхо-сигнала. Ко-эффициент усиления подобных усилителей на рабочей частоте составляет (1—3)106. Несмотря на то, что подобные усилители имеют относительно узкую полосу про-пускания не превышающую 3— 5 кГц, обеспечение их устойчивой работы с высоким качеством связано с большими трудностями. Эти устройства применяются главным образом в эхолотах с ключевым выходом.

Требуемая устойчивость работы и неискаженная передача на запись формы от-раженного от дна сигнала обеспечиваются приемным трактом, схема которого при-ведена на рис. 2.7 б. Это достигается благодаря тому, что выделенная детектором огибающая эхо-сигнала в модуляторе М заполняется сигналами синусоидальной или прямоугольной формы с частотой, отличной от рабочей частоты эхолота. Указанные сигналы вырабатываются генератором Г. Одновременно импульсы с выхода детек-тора поступают в преобразователь АЦП аналогового сигнала в цифровой с целью дальнейшей цифровой обработки информации.
Супергетеродинный прием применяют для повышения устойчивости работы схемы при необходимости обеспечить значительное усиление сигнала до детектора. Однако ввиду их большей сложности и в силу того, что эхолоты работают, как пра-вило, на фиксированных частотах, количество которых не превышает двух, такие приемники используются редко.
Цепи преобразования сигнала эхолота придают ему вид, необходимый для отобра-жения информации в устройствах индикации, для регистрации информации в раз-личных записывающих устройствах, для передачи информации в другие изделия.
Для отображения информации в эхолотах используются:

аналоговые, цифровые и цифроаналоговые индикаторы,

устройства для регистрации закона изменения глубины под килем судна в процессе его плавания (самописцы),
устройства для сигнализации о выходе судна на заданную глубину.

Отображение информации аналоговыми индикаторами может быть организовано с помощью сборок раз-личных точечных индикатор-ных элементов, чаще всего светодиодных, или с использованием жидкокристалличеcrих дисплеев. Упрощенная функциональная схема такого указателя представлена на

Генератор Г счетных импульсов вырабатывает короткие импульсы, следующие с частотой f nc2hm ,где n – число разрядов индикатора И, с – скорость звука, hm – максимальная глубина, измеряемая эхолотом по шкале минимальных глубин. Эти импульсы поступают на делитель частоты Д, который уменьшает частоту их следо-вания до величины, соответствующей рабочему диапазону глубин. Требуемый ко-эффициент деления k выбирается таким, чтобы на максимальной глубине рабочего диапазона количество счетных импульсов соответствовало количеству ячеек матри-цы индикатора. Его значение может быть определено из следующего равенства:

где h1m – максимальная глубина, измеряемая на рабочем диапазоне.

С делителя частоты импульсы поступают в схему совпадения СС, на второй вход которой подаются импульсы длительностью , сформированные блоком управления БУ. Длительность этих импульсов соответствует промежуткам времени между мо-ментами поступления с приемного тракта эхолота сигналов “0”, определяющих мо-менты излучения, и сигналов “Эхо”, определяющих моменты приема посылок, от-раженных от дна. Таким образом, значение будет зависеть от глубины под килем судна. Поскольку схема совпадения пропускает на счетчик СЧ импульсы делителя только в течение времени , количество импульсов, подсчитанных счетчиком, также будет соответствовать текущей глубине. Дешифратор ДШ, опрашивая счетчик, включает столько ячеек индикатора И сколько импульсов было им подсчитано. Ячейки индикатора могут быть сформированы в виде окружности, прямой линии или в любом другом виде и снабжены шкалами глубины.

Если указатель имеет блок памяти, в который в течение определенного времени записываются текущие глубины, индикаторе может отображаться и закон изменения

глубины под килем судна в течение указанного промежутка времени, как это имеет место, например, в эхолоте НЭЛ – 20К. В рассматриваемом случае в качестве инди-катора, как правило, используется жидкокристаллический дисплей. Аналогичные схемы могут использоваться и для построения цифровых указателей глубин.

Цифроаналоговые указатели глубин могут отображать информацию различ-ными способами. В качестве примера на рис. 2.9 показаны некоторые варианты ото-бражения информации в эхолоте EN 200 фирмы Simrad. Как правило, для индика-
Б ции используются жидкокристалличе-ские индикаторы. На рис. 2.9-1 изобра-

жен режим чисто цифровой индикации, который указывает рабочий диапазон и текущую глубину, на втором – цифроа-налоговый, на третьем – цифроанало-говый с ограничением области отобра-жения эхосигнала диапазоном 230-250 метров.
Другие примеры отображения ин-формации в цифровом виде можно

найти в работе [12].

Самописцы осуществляют запись

Рис.2.9 закона изменения глубины под килем судна в течение плавания. Как правило, эта запись производится на специальную электротермическую бумажную ленту. Было разработано достаточно много конст-руктивных вариантов самописцев, все они имеют пишущий узел, устройства управ-ления работой эхолота и контрольно – сигнальные устройства.

Электротермическая бумага, на которой производится запись глубин, имеет верхний слой, разрушающийся при прохождении через него электрического тока. Под ним расположен окрашенный, чаще в черный цвет, слой. Степень разрушения верхнего слоя и, как следствие, яркость и размеры отметки глубины зависят от тока, протекающего сквозь бумагу.

В последнее время на смену самописцам, рассмотренного типа, приходят прин-теры, связанные с процессором эхолота. Они позволяют распечатывать не только эхограмму, но и любую другую информацию, вводимую в них со стороны. Кроме этого, они могут отображать цветовую селекцию принятых эхолотом сигналов по их мощности, что облегчает расшифровку эхограммы.

На рис. 2.10 приведен пример эхограммы, отпечатанной с помощью принтера. Вертикальные линии эхограммы соответствуют отметкам событий, вводимым судоводителем, которые обычно называют оперативными отметками. Они имеют свой номер, проставляющийся автоматически при нажатии кнопки, вводящей отметку. При желании у линии оперативной отметки могут быть отпечатаны текущие коор-динаты судна и различные заметки судоводителя к отмечаемому событию. На ри-сунке также отмечены нулевая линия и линии глубин в диапазоне от нуля до ста метров. Все указанное выше делает эхограмму, отпечатанную на принтере, сущест-венно более информативной, чем ее аналог, записанный самописцем.

Приборы сигнализации о выходе судна на заданную глубину (ПСГ) могут быть выполнены в виде отдельного изделия или встраиваться в другие приборы комплекта эхолота.

Принцип действия ПСГ заключается в сравнении промежутка времени от мо-мента излучения до приема отраженного от дна сигнала с заданным интервалом вре-мени, соответствующим глубине, установленной оператором на приборе.