Эхолоты

Технические характеристики эхолотов

Для определения планового положения излучателя в момент съемки (т. е. для привязки точек съемки) часто используют спутниковую аппаратуру, которая может работать в режимах DGPS RTCM или RTK. Для высокоточных измерений используют режим RTK, который позволяет также учитывать в реальном времени изменения уровня воды. Как уже отмечалось, в большинстве случаев для выполнения съемок используют одночастотный однолучевой эхолот, который портативен и быстро развертывается в рабочее положение. Более высокую производительность обеспечивают многолучевые и сканирующие эхолоты, которые более продуктивны и позволяют охватывать широкую полосу вдоль определяемого профиля. Сетка съемочных профилей создается для обеспечения полного покрытия снимаемого участка, так как морское дно не видно невооруженным глазом.

При съемке эхолотом измерение глубины осуществляется относительно уровня водной поверхности, отметка которой для внутренних водоемов меняется в зависимости от осадков. При работе в акватории моря, вследствие отливов и приливов, отметка уровня водной поверхности может изменяться на 10 м в течение 12 часов. Поэтому текущий уровень воды определяют относительно марки водомерного поста либо используют способ повторной съемки дна, то есть повторяют съемку через некоторое время, строят еще одну цифровую модель местности (ЦММ) и сравнивают ее с предыдущей ЦММ, построенной относительно того же исходного уровня. При работе спутниковой системы, установленной непосредственно на судне, в качестве основной системы навигации в режиме RTK автоматически учитываются изменения текущего уровня воды. При этом отпадает необходимость в установке берегового уровенного поста. Карты участка дна и другая информация, полученная при съемке, используется при работах по углублению дна, монтаже инженерных конструкций, строительстве трубопроводов, резервуаров и др. инженерных сооружений, исследованиях окружающей среды, мониторинга состояния подводных трубопроводов, для безопасной навигации и т. д. По результатам съемки заказчик может получить информацию в виде файла с трехмерными координатами (XYZ), карты глубин с нанесенными изобатами и в виде пространственного ЗD-изображения участка дна.

Для этих работ обычно используют эхолоты SonarLite ( рис. 5.69 ).

Рис. 5.69. Эхолот SonarLite, выпускаемый фирмой Ohmex Instruments (Англия)

Этот однолучевой эхолот предназначен для выполнения прибрежной съемки рек и водоемов совместно с использованием тахеометров и GPS-приемников. Эхолот SonarLite разрабатывался для совместного использования с электронными тахеометрами и GPS оборудованием. Данные промеров интегрируются с топографическими данными. SonarLite имеет в комплекте внутренние аккумуляторные батареи, зарядное устройство, кабели передачи данных, внутреннее программное обеспечение для записи данных и программное обеспечение для последующей обработки данных съемки. Прибор может быть использован в качестве традиционного эхолота с выводом данных на встроенный серийный порт (RS232C) или как самостоятельная система с маркировкой данных по времени и сохранением результатов во внутренней памяти для последующей обработки. Эхолот обладает малыми потерями сигнала и обеспечивает получение высокоточного цифрового контура рельефа дна. Графический жидкокристаллический дисплей непрерывно отображает изменения данных совместно с текстовой информацией. Масштаб изображения на дисплее может быть увеличен или уменьшен простым нажатием клавиш на передней панели инструмента. В комплект эхолота входит водонепроницаемый транспортировочный кейс.

Этот прибор комбинирует в себе функции эхолота и накопителя. В дополнение к электронике брызгозащитный по стандарту IP65 кейс содержит аккумуляторные батареи, достаточные для работы в течение нескольких дней, и монохромный ЖК-дисплей. Излучатель объединяет в себе генератор звуковых импульсов, приемный усилитель и процессор цифровых сигналов (ПЦС). Он заключен в небольшой обтекаемый пластиковый корпус длиной менее 100 мм. При работе устройство потребляет около 0,35 Ватт от внутренних перезаряжаемых батарей или внешней 12 В батареи. Погрешность измерения глубины характеризуется средней квадратической ошибкой порядка 2 см. Данные измерений выводятся с интервалом раз в секунду.

Технические характеристики эхолота SonarLite

Частота	235 кГц
Угловая расходимость зондирующего сигнала	8-10°
Диапазон глубин	от 0,30 м до 75 м 0,025 м
Средняя квадратическая ошибка	2,5 см
Внутренняя память	512 Кб/20000 точек
Скорость вывода измерений	1 Гц
Дисплей	240×128 пикселей (110×70 мм) монохромный жидкокристаллический
Питание	12 В × 2 Ач
Потребляемая мощность	70 миллиампер — 120 ма
Продолжительность работы батарей	от 4 до 8 часов беспрерывной работы
Габариты	140 мм × 220 мм × 100 мм
Вес	2,5 кг

Эхолот SonarLite может импортировать данные о местоположении, собранные автоматическими и полуавтоматическими электронными тахеометрами, которые могут отслеживать призму, обычно закрепленную на лодке вертикально над излучателем. Эти данные содержат временные метки тахеометров, получаемые при регистрации. Временные метки используются совместно с временным интервалом SonarLite для объединения данных промеров глубин и местоположения. Так как отслеживается трехмерное положение призмы, то нет необходимости применять приливные или гидравлические градиентные поправки к данным. Система работает и с DGPS системами: эхолот может быть напрямую подключен к GPS-приемнику и сохранять данные в формате NМЕА в своей памяти вместе с глубинами. В приливных областях система DGPS обычно используется совместно с ручными или с уровнемерными измерениями прилива, а значения высот по GPS игнорируются. К тому же из-за малой скорости лодок задержка дифференциальной поправки на больших расстояниях имеет малое влияние на допуски к общей точности определения координат.

Программное обеспечение Sonar2000 поставляется как составная часть комплекта SonarLite и предназначено для использования на ПК под ОС Windows 95/98, NT, 2000 или ХР (только не для Win3.1x). Программное обеспечение позволяет импортировать широкий диапазон форматов файлов и выгружать данные из SonarLite. Файл может содержать следующие типы данных с временными метками:

Каждый элемент данных хранится с упорядочиванием по времени с точностью до миллисекунды. Пропущенные данные линейно интерполируются по соседним элементам пропорционально времени. Программное обеспечение Sonar2000 позволяет пользователю графически редактировать и удалять данные точек любого типа, используя выделение мышью в любом из видов: план «Position» или профиль «Time Series» всего набора данных. Программа позволяет пользователю прямо преобразовывать данные из GPS в прямоугольные координаты, используя фиксированное UTM преобразование или определенное пользователем. Пользователь также может задать время и величины смещений любого из трех главных типов данных, позволяя компенсировать разность часов или смещений между эхолотом и, например, электронным тахеометром.

Обработанные данные хранятся совместно с любыми использованными поправками и смещениями как окончательные координаты, глубины и уровень воды при съемке. Эти данные могут быть экспортированы в различные форматы, включая ASCII и DXF для импорта в другие программные продукты. Полная эхограмма может быть распечатана на том количестве страниц, которое требуется для используемого системного принтера под Windows. Также доступна клиентская версия ПО, которая позволяет просматривать сырые данные и выводить их на печать как необходимо, но неспособная редактировать или изменять их каким-либо образом.

Источник

Текущее состояние и направления развития многолучевых эхолотов

Введение

Многолучевые эхолоты, представленные сейчас на рынке, претерпевают постоянное эволюционное развитие по мере развития технологий, а так же, в результате исследований разработчиков в направлении новых способов обработки и использования полученной информации. В статье приводится срез текущих достижений и тенденций развития ведущих разработчиков в области исследовательских гидролокационных решений.

Направление 1 — Повышение разрешения

Основные усилия разработчиков направлены на преодоление физических ограничений в интересах получения более высокого разрешения.
В течение последних нескольких лет ведется борьба за звание лучшего многолучевого эхолота в классе МЛЭ средних глубин между образцами: Teledyne RESON SeaBat 7125, Kongsberg EM 2040/2040C и R2Sonic Sonic 2024. У каждого из образцов есть свои сильные стороны, преимущества и лояльные последователи. Все три образца — первоклассные гидролокаторы, имеющие разрешение около 0,5 × 1,0 градуса. К тому же эти модели гидролокаторов все еще развиваются, и становятся доступны новые опции.

Teledyne RESON 7125 — высококачественное сканирование гавани Плимута, сетка 25 см (данные обследования мелкой воды).

Сравнение результатов сканирования объекта в мелководном районе в Великобритании, Teledyne RESON 7125 слева и KONGSBERG 2040C справа.

R2Sonic только что выпустила свою модель 2026 Sonic, которая предлагает разрешение 0,5 × 0,5 градуса (то есть лучшее разрешение на линейке). Хотя еще не были представлены результаты данных с сонара, но это заявление безусловно является заслуживающим пристального внимания.
Для классе образов для работы на сверх малой дистанции есть несколько вариантов высокого разрешения. Стоит упомянуть о Teledyne BlueView BV5000, который представляет собой гидролокатор, работающий на более высоких частотах (1350-2250 кГц) по сравнению с обычными 400-700 кГц. BV5000 ориентирован на крупномасштабное сканирование (диапазон 10–20 метров) конструкций.

Сканирование гавани в NaviModel, полученного с помощью BlueView 1,35 МГц.

Направление 2 — Миниатюризация

Многие многолучевые эхолоты используются для оперативной съемки на мелководье в гаванях, на водных путях и т. д., где очень важна мобильность, и некоторые производители сосредоточили свои усилия именно в этом направлении — на миниатюризации оборудования, а также комплексировании «все в одном», включая модули навигации: приемники спутниковой системы навигации (GPS) и датчики перемещений.
NORBIT предлагает устройство WMBS/iWBMS, которое имеет исключительно малые габаритные размеры, но при этом реализует разрешение 0,9 × 1,9 градуса. WMBS доступен со встроенными высокопроизводительными приемниками спутниковой системы навигации и инерциальной навигационной системой ИНС (Applanix POS MV). Это устройство иллюстрирует быстрое развитие мобильности гидрографических устройств, рост миниатюризации, без ухудшения разрешения.
Эхолот Teledyne RESON SeaBat T20-P был представлен два года назад и был очень популярен в качестве портативного сонара. Недавно выпущенный эхолот SeaBat T50-P предлагает портативную упаковку со спецификациями (0,5 × 1 градуса), близкими к характеристикам SeaBat 7125. И SeaBat T20-P, и SeaBat T50-P также доступны со встроенными приемниками спутниковой системы навигации и инерциальной навигационной системой, что упрощает мобильность.
Производитель R2Sonic представил образец Sonic 2020 (с разрешением 2 × 2 градуса) — это очень миниатюрный гидролокатор, имеющий хорошие характеристики, а эхолот Sonic 2022 (с разрешением 1 × 1 градус) также позиционируется на рынке как портативный гидролокатор. Оба образца доступны со встроенной инерциальной навигационной системой.
Kongsberg M3 — это еще один многолучевой эхолот класса IHO S-44, зарекомендовавший на конференции Shallow Survey 2015 в Плимуте, Великобритания. M3 является одновременно визуализирующим сонаром и батиметрическим профилографом и предлагает 3-градусный луч для генерации облака точек.
Еще один высокопортативный гидролокатор, обладающий разрешением 2 × 2 градуса с опцией для встроенного ИНС и GPS — это гидрографический локатор Teledyne Odom Hydrographic MB2. Однако, данных с MB2 еще не представлено.

Направление 3 — Комплексирование

Поскольку гидролокатор бокового обзора (ГБО) и многолучевой эхолот базируются на различных технологиях, для действительно хороших результатов вам необходимо как хороший ГБО, так и хороший «многолучевик». Однако физически возможно одновременное получение батиметрии (глубины) и данных интенсивности (гидролокационного изображения). Над созданием совмещенного устройства работают как разработчики многолучевых эхолотов, так и разработчики гидролокаторов бокового обзора.
Разработчики многолучевых эхолотов называют дополнительную опцию «обратным рассеянием», и вы можете найти ее в большинстве продуктов Teledyne RESON, R2Sonic, NORBIT и Kongsberg, где он предлагался в течение нескольких лет вместе со связанной функцией, «фрагментами». Данные обратного рассеяния хотя и не имеют качества гидролокатора бокового обзора, но все же полезны, например, для классификации морского дна, по его типу (песок, камень и т. д.).
Новинки ведущих производителей гидролокаторов бокового обзора — Klein Marine Systems HydroChart 3500 и EdgeTech 6205 — это комбинированные продукты, которые предлагают великолепное изображение гидролокатора бокового обзора с полезным батиметрическим выводом данных. Это определенно интересные образцы из-за их очень высокой полосы (в 8–12 раз глубины) и, следовательно, имеют намного более широкий охват области съемки, чем обычный многолучевой эхолот. Это делает такие продукты идеальными для съемок в реках или просто для съемок на больших площадях — при условии, что вы не ожидаете, что данные о глубине будут сопоставимы с данными лучших многолучевых эхолотов.
GeoSwath и Bathyswath также предлагают образцы с очень большой шириной обзора до 12-кратной глубины. Они обычно используются для исследований рек/каналов.

Направление 4 — Мультиантенные системы

Направление 5 — Повышение возможности обнаружения объектов

Все разработчики ищут новые способы применения оборудования, и используют при этом новые термины.
• Толща воды: многолучевые эхолоты для батиметрических исследований заинтересованы в наиболее интенсивном обратном рассеивании (т.е. эхосигнале от морского дна), поэтому традиционно эхосигналы, образованные в толще воды рассматриваются как шум. Во многих случаях это так и есть, но для некоторых приложений это могут быть полезные данные. Например — струи газа и косяки рыбы (рыболовные гидролокаторы — это, в основном, гидролокаторы водной толщи). Массивы данных из толщи воды имеют внушительные размеры, поэтому их не сохраняют без необходимости в каждом цикле обзора. Обработка записей данных толщи воды также является непростой задачей. Для обнаружения утечки газа, при работе с подвижного носителя необходимо осуществить стационаризацию положения носителя. Данные, полученные в толще воды обычно не используются при работе с подводными аппаратами, так как они позволяют работать непостредственно вблизи обследуемого объекта.
• Множественное обнаружение: возможность получить более одной метки обнаружителя в одном цикле обзора полезна, в случае обследовании района, богатого рыбой в толще воды, когда необходимо получать эхосигнал от морского дна, в случае обследовании затонувшего судна, с выступающими мачтами, где возможно нахождение нескольких отражающих объектов вдоль направления локации.
• Обнаружение/сопровождение трубопровода: возможность обнаружения трубопровода непосредственно в гидролокаторе и возврата аппарата на траекторию вдоль его расположения. Данная опция возможна только когда труба открыта, над поверхностью дна.

Направление 6 — Снижение стоимости

Общая тенденция такова: «Вы получаете то, за что платите», и, говоря о многолучевых эхолотах, вы не пожалеете, что потратили лишние деньги, если позволят бюджеты.
В этой перспективе стоит упомянуть ряд производителей:
• NORBIT — есть серия продуктов среднего класса, которые отличаются от нормы.
• Imagenex — долгое время был на рынке гидролокаторов среднего класса, и у него есть целый ряд систем для специальных целей.
• Tritech — только что анонсировали гидролокатор Gemini 620p (1 × 1 градус) 620 кГц.
• WASSP — производит огромное количество недорогих сонаров для яхтинга / рыбалки и запустил свой новый 224-лучевой сонар, соответствующий стандарту IHO 1a, по очень доступной цене. Начинают поступать первые первые данные от этого эхолота (см. рисунок).

Применение WASSP для картографирования Aliwal Shoal у Дурбана, Южная Африка (точечная сетка 50 см, представленная в NaviModel).

Направление 7 — Использование неакустических технологий: лидар и лазер

Хотя это и не гидролокационная технология, но она находит все большее распространение в телеуправляемых аппаратах при обследовании трубопроводов, фундаментов буровых установок и т. д., И применение подводного лазера/лидара все больше получает популярность.
Такие продукты, как подводные лазерные сканеры 2G Robotics или Cathx Ocean, могут использоваться для тех же целей, что и многолучевые эхолоты, хотя и использую другие физические принципы. Оба продукта создадут набор меток (в координатах дистанция / пеленг) в сверхвысоком (миллиметровом) разрешении — намного выше, чем у любого акустического образца. Проблема заключается в дальности и условиях — подводные лидары/лазеры требуют хорошей прозрачности воды — если вы можете видеть это, вы можете сканировать его. Так что использование лазер имеет физические ограничения, например, при дноуглубительных работах или сканирования мутной реки/гавани. Однако в чистой воде (глубокая, тропическая или северная зима и т. д.), результаты будут просто фантастические.

Источник