Под площадной съемкой дна понимается способ его обзора: когда по одному галсу можно получить характеристики поверхности дна в полосе обзора. К таким характеристикам относятся акустическое изображение дна и его рельеф.

До недавнего времени при получении рельефа дна использовались однолучевые эхолоты, которые принципиально не могли дать  сплошного покрытия данными о глубинах исследуемого участка дна, а давали возможность получить только отдельные профили глубин. В зависимости от требуемого масштаба батиметрической карты выбирался определенный шаг между галсами и далее (по полученным профилям с использованием стандартных методик) строилась батиметрическая карта участка дна.

Этот способ, конечно, требовал очень много времени и не обеспечивал требуемой точности, но альтернативы ему не было, в течение долгого времени он оставался единственным.

Для устранения этих недостатков были предложены два гидролокатора:

• Многолучевой эхолот
• Интерферометр

Оба эти гидролокатора позволяют решить задачу получения батиметрических данных сразу в полосе обзора. Но они отличаются  принципом работы и способом получения данных о глубинах.

Многолучевой эхолот

Многолучевой эхолот представляет собой измерительную систему, в которой производится формирование целого веера узких лучей, направленных перпендикулярно к линии движения судна-носителя справа и слева от линии движения. Число лучей у разных производителей различно, но как правило, их более  ста.

Для формирования лучей используется довольно сложная антенная система, состоящая из отдельной передающей антенны и отдельной приемной антенны. У большинства производителей антенна крепится в корпусе судна стационарно, хотя в последнее время появились локаторы,  у которых крепление антенны производится к борту судна на штанге (это как результат борьбы за рынок, поскольку даже первые интерферометры были мобильными и могли переноситься с одного судна  на другое).

Передающая антенна располагается вдоль корпуса судна и озвучивает участок дна в виде узкой полосы, направленной поперек линии движения судна(диаграмма - типа ножа), а приемная антенна разбита на несколько антенн, которые позволяют за счет особой обработки сформировать целый веер узких лучей, но направленных вдоль линии движения судна. И приемная и передающая антенны размещаются в одном корпусе. За счет пересечения лучей, сформированных передающей и приемной антеннами,  образуются узкие лучи (порядка 1-2 градусов) или веер, направленные поперек линии движения судна.  Такая конструкция антенны  называется  крест Миллса. Применение креста Миллса вместо стандартной антенной решетки требует увеличения излучаемой мощности для компенсации потерь, возникающих при такой замене. Однако, с другой стороны, это позволило уменьшить массо-габаритные характеристики антенны.

Веер  лучей образует на поверхности дна овальные  участки, которые расположены друг за другом в поперечном направлении к линии движения судна.

Измерение глубины в многолучевых эхолотах производится следующим образом. По каждому лучу производится измерение расстояния до поверхности дна, а также измеряется угол наклона луча к вертикали или горизонтали. Зная расстояние и угол, путем несложных вычислений проводится расчет глубины по каждому лучу. Это очень прозрачный и понятный алгоритм вычисления глубины.

Поскольку все лучи, кроме центрального,  направлены под углом к вертикали, то и точность измерения по ним глубины оказывается хуже. Угловые ошибки возрастают примерно линейно с расстоянием, что ведет к возрастанию ошибки определения наклонной дальности. Порядок этой ошибки составляет примерно 1.5%. Ее можно уменьшить за счет усреднения измерений по  соседним лучам, но это приведет к резкому уменьшению числа лучей и детальности съемки.

При работе этой системы обязательно должна проводиться операция по устранению влияния качки – это килевая и бортовая качка.

Килевая качка устраняется в передающем тракте двумя способами:

- очередное излучение задерживается до того момента, когда угол дифферента станет равным нулю,

- вводом соответствующего сдвига фазы в колебания, подводимые от генератора к отдельным преобразователям антенны, т.е. электронным способом.

В приемном тракте каждый элемент приемной антенны имеет свой усилитель, сигналы с которого поступают на формирователь диаграммы направленности приемной антенны. Компенсация бортовой качки производится  по каждому приемному каналу электронным способом.

Кроме того, в систему поступает информация о координатах судна, его скорости, курсе. Вся эта информация архивируется для дальнейшей обработки, а в реальном времени строится грубая батиметрическая карта для контроля качества поступающей информации. Эта карта выводится либо на плоттер, либо на экран монитора.

При вторичной обработке обязательно учитываются данные о профиле скорости звука.

Во всех этих системах используется только короткая тональная посылка. Мощность излучения – единицы кВт.

Интерферометр

Работы по применению интерферометра для измерения глубин в мире начались существенно раньше, чем по многолучевому эхолоту. И даже были сделаны серийные образцы, принятые на вооружение, в частности во Франции. Однако из-за  большого объема информации в интерферометре требовались вычислители с очень большим быстродействием, чего на тот момент не было. Ввиду этого обработка занимала очень много времени и эти системы на тот момент не смогли конкурировать с многолучевыми эхолотами.

Способ измерения глубины в интерферометре принципиально отличается от способа измерения глубины в многолучевом эхолоте. Акустический сигнал излучается передающей антенной. Передающая антенна, так же как и в многолучевом эхолоте, расположена вдоль линии движения судна и имеет также  ножевую диаграмму направленности , ось которой направлена поперек линии движения судна – точно так же как в многолучевом эхолоте. Отраженный от элемента дна эхосигнал принимается на несколько приемных антенн( в нашем случае – их три), расположенных в одной плоскости с передающей антенной так же вдоль корпуса судна. Диаграмма направленности приемных антенн имеет форму ножа, а  оси диаграмм направленности этих антенн также направлены поперек линии движения судна. В результате такой компоновки приемо-передающих антенн интерферометра на дне высвечивается узкая полоска , причем она непрерывна в отличие от полоски в многолучевом эхолоте, состоящей из отдельных структур овальной формы.   Далее производится измерение разности фаз  эхосигналов, приходящих от каждого элемента дна, на выходах  разнесенных в пространстве приемных антенн, причем в этом случае число отсчетов разности фаз достигает нескольких тысяч на одну строку. Так, например,  у вашего гидролокатора при разрешении 4 см и дальности , положим 100м, число отсчетов составит 2500. Это означает, что в принципе получено 2500 отсчетов глубины в пределах одной строки, Избыточное число отсчетов можно использовать, и это так и делается, для повышения точности измерения глубины без каких-либо существенных  потерь для построения рельефа, поскольку рельеф, как правило, представляет собой довольно гладкую поверхность, а данных для построения все равно много.  Далее эта совокупность значений разности фаз  от элементов поверхности дна привязывается к определенным точно глубинам, в результате чего проводится построение рельефа дна.

Как видно из этого описания, процесс получения данных о глубине в интерферометре не так прозрачен и понятен, как в многолучевом эхолоте, тем не менее именно фазовые системы применяются, например, в радиолокации для того, чтобы более точно определить  местоположение объекта в пространстве.

В процессе съемки  для контроля качества данных в интерферометре выводятся интерференционные линии, хотя на сегодняшний день уже есть возможность вывода самого рельефа дна при прохождении по галсу.

В процессе вторичной обработки здесь также используются данные о местоположении судна-носителя, данные о курсе, крене-дифференте и данные о скорости звука, поскольку знание этих данных вытекает из самой задачи построения рельефа и необходимых точностей.

Сопоставление двух систем измерения рельефа дна

Во-первых, сопоставление двух систем можно начать с их аппаратных  частей.

• Как было сказано выше, приемный тракт многолучевого эхолота состоит из нескольких десятков приемных каналов, формирователя диаграммы направленности и коррекции качки, а приемный тракт интерферометра – всего из нескольких простых приемных каналов.
• Тракт излучения в многолучевом эхолоте также сложнее тракта излучения интерферометра. Все это в итоге приводит к тому, что аппаратная приемо-передающая часть интерферометра намного проще, нежели у многолучевого эхолота, а это означает не только меньшие массо-габаритные характеристики интерферометра, но и более высокую его надежность и конечно меньшую объективную стоимость.
• Антенная система интерферометра также существенно проще и не требует удовлетворения столь высоким требованиям, нежели  антенная система многолучевого эхолота. Все это приводит к более высокой надежности и  меньшей стоимости антенной системы интерферометра.

Во-вторых, полоса съемки интерферометра шире, чем у многолучевого эхолота. На практике полоса съемки интерферометра получается примерно в 2 раза шире, поскольку, как правило, у многолучевых эхолотов работают только первые 60 – 70 лучей. Кроме того, в нашем интерферометре специально для повышения дальности действия (а значит и полосы съемки) используется дополнительно в качестве зондирующего ЛЧМ сигнал.

В-третьих, в интерферометре есть возможность одновременно получать и высококачественное акустическое изображение и батиметрию. В многолучевых эхолотах сейчас так же вводят режим для получения акустического изображения, поняв наконец этот минус системы, но это все-таки только режим для получения акустического изображения, не дающий возможности одновременно получать и батиметрию и само изображение. Причем  у большинства эхолотов получаемое таким образом акустическое изображение очень плохого качества из-за особенностей построения системы.

При решении ваших задач последний аспект особенно важен, поскольку Вы решаете одновременно как задачу поиска объектов на дне, так и задачу построения рельефа дна.

И еще один небольшой штрих. Как следует из описания работы многолучевого эхолота, эта система не может работать без датчика крена – дифферента. Что же касается интерферометра, то при гладкой водной поверхности за счет специальной обработки он может проводить довольно точные измерения глубины.

Конечно, у интерферометра есть свои минусы и основной – это невозможность строить батиметрию для вертикальных стенок. Это является следствием принципа, заложенного в интерферометр. Хотя на сегодняшний день уже разработаны способы, которые устраняют этот недостаток интерферометра.

В последнее время в многолучевых эхолотах для повышения точности стали использовать тоже фазовую обработку (это еще один плюс в пользу интерферометра), но внутри пятна узкого луча. Это тоже пришло из понимания минуса этой системы, поскольку удается сформировать луч с углом раскрыва не менее 1 градуса, но даже и в этом случае размер освещаемого участка дна этим лучом оказываются достаточно большим (так на 100 метрах размер пятна превышает 1.5 метра) и оценка глубины берется за счет интегрирования сигнала с этой площади.

Что касается точности измерения глубины, то здесь системы примерно равны и этот факт был подтвержден многократным сравнением результатов их работы.

• Prev