Сонар с синтезированной апертурой

Форма гидролокатора с использованием постобработки данных гидролокатора

Синтетическая апертурная гидроакустическая съемка немецкой подводной лодки U-853

Сонар с синтезированной апертурой ( SAS ) — это разновидность сонара , в котором сложная постобработка данных сонара используется способами, очень похожими на те, что используются в радаре с синтезированной апертурой .

Синтетическая апертура сонаров объединяет несколько акустических пингов для формирования изображения с гораздо более высоким разрешением вдоль траектории, чем у обычных сонаров. Разрешение вдоль траектории может приближаться к половине длины одного элемента сонара, хотя и ограничено 1/4 длины волны. ^[1]

Принцип работы сонара с синтезированной апертурой заключается в перемещении сонара при освещении одного и того же места на морском дне несколькими импульсами. При движении по прямой линии те импульсы, которые имеют положение изображения в пределах ширины луча, составляют синтетический массив. За счет когерентной реорганизации данных от всех импульсов создается изображение с синтезированной апертурой с улучшенным разрешением вдоль траектории. В отличие от обычного гидролокатора бокового обзора (ГБО), обработка SAS обеспечивает разрешение вдоль траектории, независимое от дальности. На максимальной дальности разрешение может быть на несколько величин лучше, чем у гидролокаторов бокового обзора . ^[2]

Также доступен обзор технологий 2013 года ^{[3] с примерами и будущими тенденциями. Для ученых статья в журнале IEEE Journal of Oceanic Engineering:} Synthetic Aperture Sonar, A Review of Current Status ^[4] дает обзор истории и обширный список ссылок на достижения сообщества до 2009 года.

Длина синтетической апертуры составляет

${\displaystyle L_{sa}\approx R\eta {\frac {\lambda }{d}}}$

Где R — диапазон, — длина волны на центральной частоте, а d — размер элемента вдоль дорожки в решетке. — программируемый параметр, который управляет шириной луча процесса — шириной фактически обработанного луча. ^[1] ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \eta }$

Вызовы

Система SAS опирается на стабильную сенсорную платформу, способную с высокой точностью определять, где находятся сенсоры на расстоянии в несколько метров — все захваченные пинги будут использованы для формирования синтетической апертуры. Из-за течений, качки или качания сенсорная платформа может подвергаться боковому движению, известному как «краббинг», которое может сильно повлиять на формирование изображения SAS. Массивы SAS могут быть не лучшим выбором для сенсорной платформы на пересеченной местности или в областях, где можно ожидать течения с боков. Планирование миссии и выбор сенсорной платформы могут облегчить некоторые из этих проблем.

При работе системы SAS на мелководье множественные отражения могут возвращаться к датчику от поверхности моря, влияя на качество данных. Это также зависит от условий морского дна, профиля скорости звука, а также от того, насколько неровной является морская поверхность. Один из способов решения этой проблемы — слегка наклонить лучи вверх, чтобы уменьшить отражения от ближайшего дна.

Сравнение SSS и SAS

Традиционные гидролокаторы бокового обзора (ГБО) имеют разрешение вдоль траектории, выборку вдоль траектории и дальность, тесно связанные. Это означает, что максимальная дальность и разрешение зависят в первую очередь от частоты передачи. Более высокая частота передачи обеспечивает повышенное разрешение вдоль траектории, но меньшую дальность. С другой стороны, гидролокаторы с синтезированной апертурой (ССА), ограниченные стоимостью и сложностью, позволяют свободно выбирать эти параметры, обеспечивая потенциал для большой дальности, а также высокого разрешения. ^[5]

Разрешение вдоль пути

Разрешение по траектории в традиционном гидролокаторе бокового обзора ухудшается с увеличением расстояния в дальней зоне: объект будет отображаться с более высоким разрешением, если он находится ближе к датчику, и с меньшим разрешением, если он находится дальше. ${\displaystyle \delta _{x}}$

Разрешение вдоль траектории постоянно на всех дистанциях для гидролокационной системы с синтезированной апертурой, это означает, что объект должен быть одинаково виден на большинстве дистанций от датчика. ^[6] ${\displaystyle \delta _{x}}$

${\displaystyle \delta _{x}={\frac {R\lambda }{L}}}$

Где — дальность до цели, — длина массива, — акустическая длина волны, функция частоты. Это означает, что традиционный гидролокатор бокового обзора с высоким разрешением вдоль траектории потребует очень большой длины массива для удаленной цели. Затухание акустической энергии по мере увеличения частоты и уменьшения длины волны, таким образом, уменьшает эффективный диапазон. ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle \lambda }$

Синтетический апертурный сонар создает синтетический массив большой длины, предпочтительно движущийся по прямой линии, обеспечивая теоретическое разрешение вдоль траектории в несколько сантиметров. На практике разрешение будет несколько хуже, но все равно намного лучше, чем у традиционного сонара бокового обзора эквивалентного размера.

Разрешение по всей дорожке

Разрешение по дальности (ширине) SAS с широкополосным FM-сигналом определяется по формуле: ${\displaystyle \delta _{y}}$

${\displaystyle \delta _{y}={\frac {C}{2B}}}$

Где - скорость звука в воде, - ширина полосы пропускания передаваемого импульса. ${\displaystyle C\approx 1500ms^{-1}}$ ${\displaystyle B}$

Диапазон

Диапазон сонаров с синтезированной апертурой зависит от потерь при передаче акустического пинга, а также от количества элементов в массиве и скорости сенсорной платформы. Частота передачи является одним из основных факторов, а максимальные диапазоны визуализации обычно составляют от 100 метров (220-280 кГц) для HiSAS 2040[2] до и более 300 метров (60-120 кГц) для HiSAS 1030[3][4] в коммерчески доступных сонарах, в зависимости от конфигурации. Гидролокаторы с синтезированной апертурой, установленные на автономном подводном аппарате или буксируемом сонаре, обычно имеют зазор Надира , как и в случае традиционных сонаров бокового обзора, где данные отсутствуют. Размер этого зазора зависит от нижнего угла луча. В очень мелких водах многолучевое распространение является еще одним ограничивающим фактором для диапазона как SSS, так и SAS; Этот эффект можно уменьшить, тщательно формируя диаграмму направленности луча, чтобы избежать отражений от поверхности.

При достаточно низкой частоте, позволяющей осуществлять прием на максимальном расстоянии, дальность действия на земле определяется длиной приемной решетки и скоростью платформы v:

${\displaystyle R={\frac {cD\cos {\varphi }}{4v\alpha }}}$

Где — коэффициент перекрытия, выбранный для обеспечения взаимной корреляции между сигналами, — угол наклона на максимальном расстоянии. ^[7] ${\displaystyle \alpha \geq 1}$ ${\displaystyle \varphi }$

Постобработка

Традиционный гидролокатор бокового обзора обычно доступен сразу после захвата без какой-либо дополнительной обработки, в то время как гидролокаторы с синтезированной апертурой зависят от сложной постобработки, выполняемой на мощных компьютерах, что увеличивает время от захвата данных до анализа. Некоторые системы позволяют выполнять обработку в реальном времени с пониженным разрешением, что позволяет обновлять миссию на месте на основе наблюдений, а также предоставляет платформу машинного обучения для классификации объектов. Это также означает, что скорости хранения данных, необходимые для SAS, являются значительными, от 60 до 90 ГБ в час необработанных данных является обычным явлением.

Зона покрытия

Зона покрытия является одним из важнейших факторов в коммерческих приложениях гидроакустики. Для систем SSS и SAS мгновенная зона покрытия для двухсторонней системы (т.е. датчиков как левого, так и правого борта) составляет: ${\displaystyle IACR}$

${\displaystyle IACR=2(R-r)v}$

Где — максимальная дальность по земле, — кратчайшая дальность по земле до надирного зазора, — скорость сонара. Фактическая площадь покрытия несколько меньше этой. ^[7] ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle v}$

Зона покрытия традиционным гидролокатором бокового обзора зависит от дальности и от того, на какой дальности разрешение становится слишком низким для целевой цели сканирования. Зона покрытия гидролокатором с синтезированной апертурой, с разрешением по траектории, которое постоянно на всем протяжении до конца диапазона, практически ближе к мгновенному зоне покрытия.

Военные применения

Сонар с синтезированной апертурой, используемый с автономных подводных аппаратов , оказался полезным для обнаружения неразорвавшихся боеприпасов ^{[8] [9]} , а также морских мин . ^[10]

Гражданские применения

Синтетический апертурный сонар, развернутый с автономных подводных аппаратов, использовался для поиска затонувших кораблей и мусора. Он был одним из нескольких типов датчиков, используемых при поиске рейса 370 Malaysia Airlines .

Этот тип сонара также начинает использоваться в исследовании океана. NOAA, Kraken Robotics и ThayerMahan провели совместную демонстрацию технологий в 2019 году ^[11] , где одной из продемонстрированных технологий был сонар с синтезированной апертурой.

Обнаружение утечек углекислого газа с помощью гидролокатора с синтезированной апертурой в сочетании с передовой обработкой сигнала доказало свою возможность и является продолжающейся темой исследований. ^[12]

Поиск потерянных рыболовных снастей, ловушек и сетей проводился с использованием гидролокатора с синтезированной апертурой на АНПА в Норвегии. ^[13]

Смотрите также

• Формирование луча
• Фазированная решетка

Ссылки

1. Эдгар, Рой (2011-09-12), Колев, Николай (ред.), "Введение в гидролокатор с синтезированной апертурой", Sonar Systems , InTech, doi : 10.5772/23122 , ISBN 978-953-307-345-3, получено 2024-01-23
2. "Инструменты исследования: Сонар с синтезированной апертурой: Управление по исследованию океана NOAA". oceanexplorer.noaa.gov . Получено 23.01.2024 .
3. RE Hansen, Обзор технологии сонаров с синтезированной апертурой , Журнал общества морских технологий, том 47, номер 5, сентябрь/октябрь 2013 г., стр. 117-127 [1]
4. MP Hayes и PT Gough, Synthetic Aperture Sonar: A Review of Current Status , IEEE J. Ocean. Eng., т. 34, № 3, стр. 207-224, июль 2009 г. Аннотация доступа.
5. Хаген, Пер Эспен; Хансен, Рой Эдгар (октябрь 2009 г.). «Надежная работа гидролокатора с синтезированной апертурой для АНПА». Океаны 2009 г. IEEE: 1–6. doi :10.23919/oceans.2009.5422342. ISBN 978-1-4244-4960-6. S2CID  19698810.
6. Диллон, Джереми; Чаррон, Ричард (октябрь 2019 г.). Измерение разрешения для сонара с синтезированной апертурой. IEEE. стр. 1–6. doi :10.23919/OCEANS40490.2019.8962823. ISBN 978-0-578-57618-3. S2CID  209454899.
7. Hagen, Per Espen; Hansen, Roy Edgar (июнь 2007 г.). "Скорость покрытия области сонаров с синтезированной апертурой". OCEANS 2007 - Европа . IEEE. стр. 1–5. doi :10.1109/oceanse.2007.4302382. ISBN 978-1-4244-0634-0. S2CID  10724314.
8. Saebo, Torstein Olsmo; Hansen, Roy Edgar; Lorentzen, Ole Jacob (октябрь 2015 г.). «Использование интерферометрического гидролокатора с синтезированной апертурой для проверки места захоронения химических боеприпасов времен Второй мировой войны в Скагерраке». OCEANS 2015 — MTS/IEEE Washington . IEEE: 1–10. doi :10.23919/oceans.2015.7401927. ISBN 978-0-9339-5743-5. S2CID  28576855.
9. Хансен, Р.; Гейлхуфе, Марк; Баккен, Э.; Саэбо, TO (28 ноября 2019 г.). «Сравнение гидролокационных изображений с синтезированной апертурой и оптических изображений неразорвавшихся боеприпасов со склада химических боеприпасов в Скагерраке». S2CID  222226105. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
10. Хаген, Пер Эспен; Стеркерсен, Нильс; Мартинсен, Бьёрн-Эрик; Стен, Гейр; Вестгард, Карштайн (январь 2008 г.). «Быстрая экологическая оценка с помощью автономных подводных аппаратов — примеры операций HUGIN». Журнал морских систем . 69 (1–2): 137–145. Бибкод : 2008JMS....69..137H. doi : 10.1016/j.jmarsys.2007.02.011. ISSN  0924-7963.
11. Министерство торговли США, Национальное управление океанических и атмосферных исследований. "Демонстрация технологий 2019 года: Управление по исследованию океана и океанологии NOAA". oceanexplorer.noaa.gov . Получено 23.01.2024 .
12. Бломберг, Энн Элизабет Олбрайт; Саебо, Торстейн Олсмо; Хансен, Рой Эдгар; Педерсен, Рольф Биргер; Остенг, Андреас (июль 2017 г.). «Автоматическое обнаружение морских газовых просачиваний с использованием интерферометрического гидролокатора бокового обзора». IEEE Journal of Oceanic Engineering . 42 (3): 590–602. Bibcode :2017IJOE...42..590B. doi :10.1109/JOE.2016.2592559. ISSN  0364-9059. S2CID  26080347.
13. Моланд, Эвен; Фернандес-Чакон, Альберт; Сёрдален, Тонье Кнутсен; Вильегас-Риос, Давид; Торбьёрнсен, Сюзанна Хунейде; Халворсен, Ким Таллаксен; Хузербротен, Матс; Олсен, Эсбен Моланд; Ниллос Кляйвен, Порша Джой; Кляйвен, Альф Ринг; Кнутсен, Халвор; Эспеланд, Сигурд Хейберг; Фрейтас, Карла; Кнутсен, Ян Атле (8 июля 2021 г.). «Восстановление численности и динамики прибрежной рыбы и омаров на северных морских охраняемых территориях за два десятилетия». Границы морской науки . 8 . дои : 10.3389/fmars.2021.674756 . hdl : 10261/254615 . ISSN  2296-7745.

Внешние ссылки

• Инструменты для исследования: Синтетический апертурный сонар: Управление по исследованию и разведке океана NOAA