Эхолот
Первым гидролокатором, который был разработан для применения в гражданской сфере деятельности человека, является однолучевой эхолот или просто эхолот (далее Эл). На сегодня это самый распространенный гидролокатор в мире. Этим гидролокатором в настоящее время оснащены почти все гражданские и военные суда.
Эл решает одну из актуальнейших задач в морской геологии, геофизике и проведении инженерных изысканий - дистанционное измерение глубины, то есть расстояние от антенны Эл до дна. Но наиболее широкое его применение связано с обеспечением безопасности плавания.
Эл является активным гидролокатором. Структурная схема Эл приведена на рисунке 1.
В состав эхолота входят:
- Усилитель мощности (УМ)
- Приемный тракт
- Задающий генератор (ЗГ)
- Регистратор
- Приемо-передающая антенна
Измерение глубины проводится следующим образом. ЗГ формирует зондирующий сигнал, который усиливается в УМ и излучается антенной вертикально вниз. Сигнал, распространяясь в толще воды, достигает поверхности дна. Часть сигнала, отразившись от дна, возвращается обратно в антенну. Мощность возвращенного в антенну сигнала определяется в основном типом грунта дна. Этот факт, при желании, может быть использован при решении обратной задачи - определения по амплитуде отраженного эхосигнала типа грунта дна.
Далее сигнал усиливается в приемном тракте и поступает на регистратор эхосигналов. Поскольку при распространении акустического сигнала в толще воды происходит его затухание, в приемном тракте для компенсации этого затухания производится временная регулировка его усиления – ВАРУ.
Измерение глубины производится по следующей формуле:
H = c*t/2 (1)
где:
H - глубина (м)
t- время распространения эхосигнала до дна и обратно (с)
c - скорость звука в воде (м/c)
Время распространения (t) акустического колебания от излучающей антенны до дна и обратно до приемной антенны определяется как интервал времени от начала излучения зондирующего сигнала до момента прихода эхосигнала обратно в антенну.
В качестве зондирующего сигнала в Эл в основном используется короткая тональная посылка, длительность которой для точного определения глубины выбирается малой. Сложные зондирующие сигналы в настоящее время используются лишь в некоторых Эл, предназначенных для определения глубины в глубоководных районах морей, в частности, в процессе инженерных изысканий или научных исследований в океане.
В первых Эл в качестве регистратора эхосигналов использовались самописцы с электрохимической бумагой (кстати, в некоторых гидролокаторах она используется и сегодня – это специальные плоттеры).
В этих самописцах бумага двигалась сверху вниз, а пишущее перо - слева направо. При использовании самописцев запуск зондирующего импульса производился в начале строки. Именно от этого момента производился отсчет времени распространения эхосигнала. Для этого использовалась специальная шкала, нанесенная в верхней части самописца, а скорость движения пера специально рассчитывалась для каждого диапазона работы Эл.
Под воздействием напряжения, которое подводилось к перу, (это напряжение пропорционально амплитуде отраженного от дна эхосигнала) менялась степень «черноты» бумаги – чем больше амплитуда эхосигнала, тем чернее бумага.
Применение в таких Эл механики не позволяло получать достаточно точные значения глубины.
Сегодня широкое применение в качестве регистраторов нашли жидкокристаллические мониторы (монохромные и цветные). Эти мониторы могут использоваться как отдельно в виде панелей, так и в составе компьютера. В современных Эл вычисление времени распространения эхосигнала производится в специальном вычислителе, входящем в состав приемного тракта.
В Эл, для большей компактности, используется одна антенна -для излучения акустического сигнала и для приема отраженного эхосигнала. Антенна располагается или в днище судна (для штатных Эл больших судов), или на штанге, которая крепится к борту судна - этот способ используется, как правило, на небольших судах (катера, моторные лодки и т.д.).
Диаграмма направленности антенны Эл, как правило, имеет коническую форму, эскизно показанную на рисунке 2.
Угол диаграммы направленности (ДН) антенны эхолота (A) - это угол при вершине конуса, показанного на рисунке 2.
Рабочая частота Эл определяется в первую очередь диапазоном измерения глубин. В настоящее время принято при измерении глубин на шельфе, где глубина составляет до 200 метров, используют как правило рабочие частоты (75-120) кГц, а на глубинах менее 50 метров используются более высокие частоты - (150-200) кГц. Значение рабочей частоты Эл определяется исходя из величины ее затухания в воде в процессе распространения.
Размер озвученного на дне пятна - D. Угол (А) диаграммы направленности (ДН) антенны эхолота определяется физическим размером антенны (S) и длиной волны акустического колебания.
A = λ/S (2)
где:
λ - длина волны
Для более точного измерения глубины, как видно из рис. 2, необходимо, чтобы размер озвученного на дне пятна был как можно меньше. Однако реализация этого условия имеет свои ограничения. Во первых, измерение глубины проводится, как правило, с поверхности воды, поскольку приемо-передающая антенна Эл в большинстве случаев расположена на судне. А поскольку поверхность моря имеет волнение, то это приводит к тому, что отраженный сигнал от дна может не попасть в диаграмму направленности антенны Эл в случае применения узкой диаграммы направленности. Поэтому величина угла ДН антенны эхолота является результатом компромисса.
Размер озвученного на дне пятна особенно важен при проведении измерений на больших глубинах – более 1000м. В общем случае диаметр D озвученного пятна на дне, как видно из рис. 2, равен:
D ~ A* H (3)
где H – расстояние до дна (глубина).
Диаметр озвученного пятна при значении угла А = (4-6) градусов может составлять в сотни метров. В этом случае о высокой точности измерения говорить трудно.
Для решения этой задачи, а именно одновременно получить узкую ДН антенны, порядка (1-2) градусов, и компенсировать качку судна, используют специальные узколучевые эхолоты, в которых используются раздельные приемная и передающая антенны, построенные по принципу креста Миллса. При этом компенсация качки производится электронным способом.
Более широкие ДН (более 10 град) используются в навигационных Эл. Эти Эл наиболее распространены в виду их малогабаритности, обусловленной, как видно из формулы (2), малыми размерами антенны и соответственно, малой стоимостью. Однако применение этих Эл не позволяет получать значения глубин, удовлетворяющих промерным требованиям. Так, при наличии уклона дна за счет больших размеров озвученного пятна на дне значение глубины будет меньше действительного со всеми вытекающими последствиями.
Как видно из формулы (1), значение глубины пропорционально времени распространения сигнала до дна и обратно (t), и скорости звука акустического колебания в воде (c). Значение скорости звука в воде не является постоянным и зависит от ряда параметров – температуры воды, солености воды и глубины (средним значением скорости звука считается значение 1480 м/с). Значение скорости звука меняется как в пространстве, так и во времени: в одном и том же месте значение скорости звука может меняться как со временем суток, так со временем года.
Поэтому при проведении промерных работ, в которых производится измерение глубины, особенно важно знать как можно точнее профиль скорости звука – распределение скорости звука (c) по глубине.
