stringtranslate.com

Многолучевой эхолот

Многолучевой сонар используется для картирования дна океана

Многолучевой эхолот ( MBES ) — это тип сонара , который используется для картирования морского дна . Он испускает акустические волны в форме веера под своим трансивером . Время , необходимое звуковым волнам для отражения от морского дна и возвращения к приемнику, используется для расчета глубины воды. В отличие от других сонаров и эхолотов , MBES использует формирование луча для извлечения направленной информации из возвращающихся звуковых волн, создавая полосу глубинных зондирований из одного импульса.

История и развитие

Многолучевое изображение затонувшего корабля USS Susan B. Anthony (AP-72) у берегов Франции.

Многолучевые гидролокационные системы зондирования, также известные как swathe (британский английский) или swath (американский английский) [ требуется цитата ] , возникли для военных целей. Концепция возникла в радиолокационной системе, которая предназначалась для разведывательного самолета Lockheed U-2 , но проект был сорван, когда самолет, которым управлял Гэри Пауэрс, был сбит советской ракетой в мае 1960 года. Предложение об использовании метода формирования луча «Mills Cross», адаптированного для использования с гидролокатором для картирования дна, было сделано ВМС США. Данные с каждого импульса гидролокатора автоматически обрабатывались, внося поправки на движение судна и глубину преобразователя, скорость звука и эффекты рефракции, но в то время не было достаточной емкости для хранения цифровых данных, поэтому данные преобразовывались в карту контурной полосы глубины и сохранялись на непрерывной пленке. [1] Система зондирования сонарной антенной решеткой (SASS) была разработана в начале 1960-х годов ВМС США совместно с General Instrument для картирования больших участков дна океана с целью содействия подводной навигации подводных сил. [1] [2] SASS была испытана на борту USS Compass Island (AG-153) . Окончательная система антенной решетки, состоящая из шестидесяти одного градусного луча с шириной полосы примерно в 1,15 раза больше глубины воды, была затем установлена ​​на USNS Bowditch (T-AGS-21) , USNS Dutton (T-AGS-22) и USNS Michelson (T-AGS-23) . ​​[1]

В то же время, узколучевой эхолот (NBES), использующий 16 узких лучей, был также разработан компанией Harris ASW и установлен на судах Surveyor , Discoverer и Researcher . Эта технология в конечном итоге стала Sea Beam. Во время операций по обследованию регистрировались только данные вертикального центрального луча. [1]

Начиная с 1970-х годов такие компании, как General Instrument (теперь SeaBeam Instruments, часть L3 Klein) в США , Krupp Atlas (теперь Atlas Hydrographic ) и Elac Nautik (теперь часть Wärtsilä Corporation) в Германии , Simrad (теперь Kongsberg Maritime ) в Норвегии и RESON (теперь Teledyne RESON A/S) в Дании, разработали системы, которые можно было устанавливать на корпусе больших судов , а также на небольших судах (по мере совершенствования технологий многолучевые эхолоты становились все компактнее и легче, а рабочие частоты увеличивались).

Первая коммерческая многолучевая система теперь известна как SeaBeam Classic и была введена в эксплуатацию в мае 1977 года [3] на австралийском исследовательском судне HMAS Cook. Эта система производила до 16 лучей по дуге в 45 градусов. Термин ( ретроним ) «SeaBeam Classic» был придуман после того, как производитель разработал более новые системы, такие как SeaBeam 2000 и SeaBeam 2112 в конце 1980-х годов.

Вторая установка SeaBeam Classic была на французском исследовательском судне Jean Charcot. Массивы SB Classic на Charcot были повреждены при посадке на мель, и SeaBeam был заменен на EM120 в 1991 году. Хотя кажется, что первоначальная установка SeaBeam Classic не использовалась часто, другие широко использовались, и последующие установки были сделаны на многих судах.

Системы SeaBeam Classic впоследствии были установлены на американских научно- исследовательских судах USNS  Thomas Washington  (T-AGOR-10) ( Институт океанографии Скриппса , Калифорнийский университет ), USNS  Robert D. Conrad ( Обсерватория Земли Ламонта-Доэрти Колумбийского университета ) и RV  Atlantis II ( Океанографический институт Вудс-Хоул ).

С развитием технологий в 1980-х и 1990-х годах были разработаны более высокочастотные системы, обеспечивающие более высокое разрешение картографирования на мелководье, и сегодня такие системы широко используются для мелководной гидрографической съемки в поддержку навигационного картирования . Многолучевые эхолоты также широко используются для геологических и океанографических исследований, а с 1990-х годов — для разведки шельфовых месторождений нефти и газа и прокладки кабелей по морскому дну. В последнее время многолучевые эхолоты также используются в секторе возобновляемой энергии, например, в морских ветровых электростанциях.

В 1989 году компания Atlas Electronics (Бремен, Германия) установила на немецком исследовательском судне Meteor глубоководную многолучевую систему второго поколения Hydrosweep DS. Hydrosweep DS (HS-DS) производила до 59 лучей в полосе обзора 90 градусов, что было огромным улучшением и изначально было усилено ледовыми условиями. Ранние системы HS-DS были установлены на RV  Meteor (1986) (Германия), RV  Polarstern (Германия), RV  Maurice Ewing (США) и ORV  Sagar Kanya (Индия) в 1989 и 1990 годах, а затем на ряде других судов, включая RV  Thomas G. Thompson (США) и RV Hakurei Maru (Япония).

Поскольку многолучевые акустические частоты увеличились, а стоимость компонентов снизилась, во всем мире значительно возросло число многолучевых систем захвата, находящихся в эксплуатации. Требуемый физический размер акустического преобразователя, используемого для создания нескольких лучей высокого разрешения, уменьшается по мере увеличения многолучевой акустической частоты. Следовательно, увеличение рабочих частот многолучевых гидролокаторов привело к значительному уменьшению их веса, размера и объемных характеристик. Более старые и более крупные, низкочастотные многолучевые гидролокационные системы, требовавшие значительного времени и усилий для их установки на корпус судна, использовали обычные элементы преобразователя типа tonpilz , которые обеспечивали полезную полосу пропускания приблизительно в 1/3 октавы. Более новые и меньшие, высокочастотные многолучевые гидролокационные системы можно легко прикрепить к исследовательскому катеру или к тендерному судну. Многолучевые эхолоты для мелководья, такие как от Teledyne Odom, R2Sonic и Norbit, которые могут включать датчики для измерения движения преобразователя и скорости звука, локальной для преобразователя, позволяют многим небольшим компаниям, занимающимся гидрографическими исследованиями, перейти от традиционных однолучевых эхолотов к многолучевым эхолотам. Небольшие маломощные многолучевые системы swathe теперь также подходят для установки на автономный подводный аппарат (AUV) и на автономный надводный корабль (ASV).

Данные многолучевого эхолота могут включать батиметрию, акустическое обратное рассеяние и данные о толще воды. (Газовые шлейфы, которые теперь обычно определяются в данных многолучевого эхолота в разреженной воде, называются факелами.)

Пьезо-композитные преобразовательные элементы типа 1-3 [4] используются в многоспектральном многолучевом эхолоте для обеспечения полезной полосы пропускания, превышающей 3 октавы. Следовательно, многоспектральные многолучевые эхолотные исследования возможны с одной системой сонара, которая в течение каждого цикла пинга собирает многоспектральные данные батиметрии, многоспектральные данные обратного рассеяния и многоспектральные данные водной толщи в каждой полосе. [5]

Многолучевой эхолот, показывающий передающую решетку (больший черный прямоугольник) и приемную решетку (узкий прямоугольник) - Odom MB1

Теория работы

Многолучевой эхолот — это устройство, которое обычно используют гидрографы для определения глубины воды и характера морского дна. Большинство современных систем работают, передавая широкий акустический веерообразный импульс от специально разработанного преобразователя по всей полосе поперек пути с узким продольным путем, а затем формируя несколько приемных лучей ( формирование луча ), которые намного уже поперек пути (около 1 градуса в зависимости от системы). Из этого узкого луча затем устанавливается двухстороннее время прохождения акустического импульса с использованием алгоритма обнаружения дна. Если известна скорость звука в воде для полного профиля водной толщи, глубину и положение отраженного сигнала можно определить по углу приема и двухстороннему времени прохождения.

Для определения угла передачи и приема каждого луча многолучевой эхолот требует точного измерения движения сонара относительно декартовой системы координат. Измеряемые значения обычно включают вертикальную качку, тангаж, крен, рыскание и направление.

Для компенсации потерь сигнала из-за распространения и поглощения в приемнике предусмотрена схема усиления, изменяющаяся во времени .

Для глубоководных систем требуется управляемый передающий луч для компенсации тангажа. Это также может быть достигнуто с помощью формирования луча.

Ссылки

  1. ^ abcd Альберт Э. Теберж-младший и Норман З. Черкис (22 мая 2013 г.). «Заметка о пятидесяти годах многолучевой энергетики». Hydro International. Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Получено 30 июня 2014 г.
  2. ^ US Naval Research Laboratory/Marine Physics Branch (код 7420). "GOMaP GLOBAL OCEAN MAPPING PROJECT". US Naval Research Laboratory. Архивировано из оригинала 2 июля 2014 года . Получено 30 июня 2014 года .{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
  3. ↑ Гарольд Фарр, Морская геодезия, том 4, выпуск 2 1980, страницы 77–93
  4. ^ Учино, К., (редактор), (2016), Современные пьезоэлектрические материалы: Наука и технологии, 2-е издание, ISBN 9780081014851 
  5. ^ Браун, К.Дж., Бриссетт, М. и Гаццола, В., (2019), Многоспектральный многолучевой эхолот с обратным рассеянием как инструмент для улучшенной характеристики морского дна., Науки о Земле, 9(3).

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки