ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ
имени адмирала С.О.Макарова
Кафедра «Гидрография моря»
Ю.Г. Фирсов
МНОГОЛУЧЕВЫЕ ЭХОЛОТЫ В ГИДРОГРАФИИ
Конспект лекций
Санкт-Петербург
2004 г.
Конспект лекций по курсу «Гидрография»по теме :«Многолучевые эхолоты в гидрографии», разработано кандидатом технических наук, доцентом Фирсовым Ю.Г. на основе лекций, читаемых для курсантов старших курсов на Арктическом факультете ГМА имени адмирала. С. О. Макарова.
Конспект лекций может быть использовано курсантами и студентами заочного факультета гидрографической специальности, а также инженерами гидрографами, желающими самостоятельно изучить основные принципы многолучевой батиметрии и использования многолучевых эхолотов в современной гидрографии.
Оглавление
Введение
Глава 1.
Основные концепции многолучевой батиметрии
Глава 2.
Исследования и калибровка современных ЭМЛ
Глава 3.
Гидрографический комплекс на базе многолучевого эхолота
ЕМ-3000 фирмы «Simrad»
Ведение.
Многолучевые эхолоты (ЭМЛ) впервые появились во 60-х годах 20 века как средство для батиметрической съемки глубоководных районов Мирового океана. Первый ЭМЛ для гражданского использования «SeaBeam» был создан в 1973 году и установлен на американском
научно-исследовательском судне (НИС) «Vema». Одно из первых рейсов с ЭМЛ сразу привел к открытия мирового значения – были обнаружены рифторые зона- океанические разломы земной коры, тянущиеся узкой полосой внутри подводных горных хребтов. В 1977 году «SeaBeam» был установлен на французском НИС «Жан Шарко», а в 1980 –82 г.г.– на германских НИС «Сонне» и научно- исследовательском ледоколе «Поларштерн». С этого времени технические и програм-мные средства многолучевой батиметрии стали интенсивно развиваться во всем мире.
В Европе разработки и создание ЭМЛ начались с 1984 года. Норвежская фирма «Симрад»
разработала первый ЭМЛ для малых глубин - ЕМ-100, а также глубоководный ЕМ-12. В этот же период германская фирма «Круп Атлас-Электроник» создала ЭМЛ «Hydrosweep», которым стала оснащаться новые НИС Германии («Метеор»-1986 г.). В последующие годы практически все новые НИС оснащаются ЭМЛ. В России многолучевые эхолоты серийно не выпускаются,
однако импортные ЭМЛ установлены на некоторых отечественных НИС (например, ЕМ-100 на Г\С «Петр Котцов» в 1991 году;. ЕМ-12 на НИС «Геленджик» в 1996 году).
Интересно отметить, что несмотря на длительный период развития многолучевой батиметрии гидрографические службы не спешили внедрять ЭМЛ для производства съмок морского дна в целях обеспечения безопасности мореплавания. Несмотря на очевидные преимущества много-лучевой батиметрии, обеспечивающей практически 100% «акустическое освещение» полосы моского дна (100% bottome search). До недавнего времени ЭМЛ считался недостаточно точным
инструментом для применения в гидрографии именно потому, что многочисленные системати-ческие ошибки, свойственные многолучевой батиметрии не могли быть достаточно точно скомпенсированы, особенно при проведении мелководных съемкок.
Эта ситуация в значительной степени изменилась с вводом новой четвертой редакции Стандарта на Гидрографические съемки (специальная публикация «S-44» Международной Гидрографической организации) в 1998 году. В данной публикации регламентировалсь съемка «особой» категории, предусматривающая 100% акстическое освещение морского дна. Кроме того, к этому времени ведущие фирмы призводители по своей инициативе выполнили всесторон-ние морские испытания мелководных ЭМЛ, на практике показавшие соответствие точности результатов съемки подводного релъефа требованиям нового стандарта.
За последние десятилетие технические и программные средства ЭМЛ претерпели значи- тельные изменения. Взамен громоздкой и дорогостоящей аппаратуры, не всегда надежной и сложной в эксплуатации благодаря присудствию в ее составе нескольких компьютеров, сейчас появились достаточно компактные и надежные системы, которые могут быть установлены даже на небольших катерах. Значительно усовершенствовалось и программно-метематическое обес-печение, позволяющее надежно компенсировать систематические ошибки и значительно повысить точность вычисления глубин, особенно на крайних лучах.
На рис.1 представлен прогресс технических средств в гидрографии Акустический метод измерения глубин, примененный в однолучевом эхолоте был реализован только в 1913 году.
До 1922 года в Атлантическом океане было произведено тольео около 3000 измерений глубин.
Не секрет, что до второй мировой войны в мелководных районах измерения глубин производи-лись в основном ручным лотом, а в более глубоководных районах –рыболотом. В послевоенный период однолучевые эхолоты с аналоговой записью глубин на самописец начали использоваться в нашей стране только с конца 50-х годов. При этом однолучевой эхолот позволял «высветить» только узкую полосу и записать профиль глубин вдоль траекории перемещения судна. В между-гасловых промежутках глубины и характер морского дна оставались практически неизвестными.
С появлением многолучевой батиметрии ситуация коренным образом изменилась. ЭМЛ формарует «веер лучей» (beams) в плоскости мидельшпангоута и «освещает» полосу морского дна под судном с помощью узких акустических лучей, только один из которых будет вертикальным.
Рис. 1. Технический прогресс в гидрографии
Угловое расстояние между крайними лучами определяет ширину полосы обзора для заданной глубине моря. Выбором междугалсового расстояния для средней глубины моря можно добится совмещения или небольшого перекрытия смежных промерных полос и, таким образом, добится так еазываемой, «площадной» съемки рельефа дна, т.е. непрерывного акустического освещения всего морского дна по мере перемещения съемочного судна по запланированной системе промер-ных галсов. В этом и заключается задача современной гидрографии. На практике ситуация осложняется нестабильностью поля глубин на обследуемой акватории. В районах с меньшими глубинами ширина полосы промера будет сужаться. Кроме того, точность измерений дистанций на крайних лучах, имеющих большой наклон относительно вертикали, значительно снижается благодаря рефракции звуковых волн, наличию неровностей дна и изменению его отражающей способности. В результате этого точность расчета глубин по крайним лучам часто бывает недостаточна для гидрографического использования. В этом случае вводится понятие «гидро-графической полосы промера» - т.е. полосы обзора впределах которой расчитанные глубины обладают необходимой «гидрографической» точностью. ЭМЛ измеряет не глубины, а дистанции от дна до приемной антенны и угловое отклонение оси каждого луча от вертикали. На основе этой информации и вычисляется глубина по каждому луча. Кроме того, современные ЭМЛ способны измерять еще и интенсивность отраженного сигнала по каждому лучу и на основе этой информа-ции создавать геометрически правильную «сонограмму» морского дна в полосе обзора.
Это сонограмма, похожая на сонограмму гидролокатора бокового обзора, является координатно- привязанным непрерывным растровым изображением дна, обеспечивающим возможность отображения различных естественных (эндогенных) и искусттвеных (экзогенных) объектов. После выполнения исправления вычисленных глубин и расчета их вероятнейших координат, на основе трехмерного поля глубин программное обеспечение ЭМЛ оперативно формирует цифровую модель дна на основе нерегулярной триангуляционной сети (TIN). Одни из вариантов представ-ления цафровой модели является изображение рельефа дна изобатами (горизонталями). Результатом такого представления может быть цифровая карта в формате .dxf (digital exchenge formate). Оперативное совмещение векторной цифровой карты в формате dxf с растровым изображением сонограммы (в одном из растровых форматов, например: tif) обеспечивет возможность получения дополнительной информации как о самом рельефе, так и об объектах, которые могут находится на его поверхности.
В заключении упомянем о потенциальной возможности использования ЭМЛ для получения информации характере и структуре донного грунта, или о характере биоресурсов, прикрепленных к дну. Последнее приложение в настоящее время является чрезвычайно актуальным направлением применения ЭМЛ и делает его поистине неоценимым средством пространственного изучения морских билогических объектов.
В последующих главах мы более подробно рассмотрим вопросы технической реализации
Современных ЭМЛ, состав их программно-математического обеспечения, точности расчета глубин и их координат, процесс исследования и калибровки ЭМЛ, а также методику применения
ЭМЛ для гидрографических исследований.
Добро пожаловать в захватывающий мир многолучевой батиметрии – основного
инструментария современной гидрографии, океанографии и морской геологии.