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 антеннами 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.
Литература.
1. http://mirznanii.com/a/321997-2/sudovaya-gidroakusticheskaya-apparatura
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
3. http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/19119/06-Golod2.pdf?sequence=1