Глава 1. Основные концепции многолучевой батиметрии

1.1. Общая характеристика многолучевых гидроакустических систем .

С тех пор, как в 1977 году один из первых промышленных многолучевых эхолотов был установлен на французском НИС «Жан Шарко», существенно увеличилась роль многолучевых гидроакустических систем (МГС) в морских исследованиях. Парадоксально, что в первую очередь этими новыми средствами воспользовались не гидрографы, выполняющие съемку с целью создания морских навигационных карт, а морские геологи и нефтянники. Применение МГС позволяет радикально повысить производительность съемки подводного рельефа, повысить качество (точность и надежность) получаемой батиметрической информации. Фактически появляется возможность обеспечить площадную съемку поверхности морского дна, гарантирующую не только установление характерных форм рельефа, что является обязательным условием при проведении гидрографических работ, но и особенностей микрорельефа, обеспечивающих общенаучное познание морского дна в первую очередь для целей морской геологии, а также последующей эксплуатации морских месторождений.

Общим для всех МГС является зондирование дна океана акустическими импульсами в спектре звуковых и ультразвуковых частот заполнения. При этом характеристика диаграммы направленности излучения, как правило, «ножевидная» - широкая (до 120º и более) в плоскости мидельшпангоута судна-носителя МГС и узкая (от 3 до 0.5º) в диаметральной плоскости.

Частота следования импульсов зависит от глубины моря и определяется необходимым для прохождения зондирующим импульсом расстояния от излучающей антенны до дна и обратно к приемной антенне

Обычно периодичность излучения лежит в пределах от десятых долей до 15-20 с. При реальных скоростях съемка от единиц до 10-15 углов получается практически непрерывное покрытие полосы съемки (ширина составляет до нескольких глубин) зондирующими импульсами. Это обстоятельства и позволяет резко повысить как производи-тельность так и качество съемки по сравнению со съемкой однолучевым эхолотом.

Частота заполнения, форма и структура зондирующих импульсов выбирают с расчетом оптимизации для разных условий работы. Общим принципом является выбор более высоких частот для малых глубин и более низких для больших глубин, что обеспечивает высокое разрешение глубин при съемке на мелководье и малые потери энергии из-за поглощения и рассеивания в водной среде на больших глубинах. Первоначально в МГС использовались монохромные одиночные, близкие к прямоугольным зондирующие импульсы. Затем с целью улучшения помехозащищенности начали применять многочастотные импульсы (например: SeaBeam2100), сложенные из нескольких последовательных импульсов в одной посылке и даже модулированные по частоте импульсы. Это позволяет повысить эффективность зондирования в сложных гидрологических и акустических условиях. Таким образом, в тракте излучения выявилось несколько принципов его построения.

Для получения информации о рельефе дна, как пространственно упорядоченной совокупности глубин в полосе зондирования, необходимо выделить в этой полосе ряд точек (в пределе сливающихся в непрерывный профиль), в которых должны быть определены (рассчитаны) глубины и плановые координаты.

. В МГС это достигается измерением эхолакационным методом наклонных дальностей и соответствующих им углов между направление на эти точки от антенны МГС до вертикали антенны. В многолучавых эхолотах для этой цели используются разделенные Т-образные антенны, которые в англоязычной литературе часто называют «крест Милла» (Mills Cross). Причем передающая (излучающая) антенна устанавливается строго в доль диаметриальной полскости судна (ДП), а приемная анетанна- под углом 90º, строго в плоскости параллельной плоскости мидель-шпангоута (миделя). У глубоковдны ЭМЛ, имеющих частоту излучения акустического сигнала в пределах 15 кГЦ, передающих антенн может быть несколько, тогда плоскость одной из них (центальной) фиксируется паралльель-но плоскости главной палубы, а две другие антенны устанавливаются по бортам с определенным наклоном. Передающие и принимающая антенна глубоководных ЭМЛ имеют длинну 2-3 м. и представляют собой серию приемо-излучателей, смонтированных на плоской раме. Антенны ЭМЛ часто называют антенные решетки (array).

Антенны мелководных ЭМЛ, имеющих частоты излучения акустических сигналов 200 кГц и более, значительно более компактны. При этом передающая и приемная антенны, как правило, объединены в единой конструкции, но с сохранение Т-образного взаимного расположения. Иногда применяется U-образная конструкция передающей антенны, облегчающая управление лучами.

Передающая антенная решетка (transmit array), представленная на рис.1.1.»а», объединяет набор излучателей, установленных параллельно диаметральной плоскости (ДП) судна. Передающая антенна имеет очень широкую (120º и более) диаграмму направленности излучения в плоскости, паралльельной плоскости мидель шпангоута (в дальнейшем будем называть ее «плоскость миделя»), и узкую диаграмму (0.5-3º) в ДП судна. Обязательным требованием является, чтобы передающая антенная решетка была установлена на судне таким образом, чтобы ее продольная ось совпадала с направление ДП судна, а вертикальная ось была бы паралльельна вертикальной оси датчика пространственной ориентации (гировертикали). . Ширина диаграммы направленности передающей антенны в плоскости миделя определяет ширину зоны облучения акустической энергией на морском дне и ,таким образом, формирует возможную полосу зондирования ЭМЛ.

Приемная антенная решетка ЭМЛ (reciever array), представленная на рис.1.1.»б», объединяет набор прием-ников, установленных перпендикулярно ДП. Приемная антенна формирует диаграмму направленности приема в виде серии узких лучей, вытянутых вдоль ДП (шириной до 20º), при этом ширина лучей в плоскости миделя составляет 0.5-3º. Формирование диаграммы направленности на прием с шириной до 20º вдоль ДП вызвано необходимостью противодействовать пропаданию эхосигналов в результате воздействия килевой качки судна.

Для реализации фиксированных точек измерений в полосе облучения на приеме фиксируются многолепестковые диаграммы направленности антенны с характеристиками шириной до 20º в плоскости, параллельной продольной оси судна (диаметральной плоскости) и 0.5-3º - в поперечной плоскости (плоскость мидельшпангоута). При этом формируется результирующая диаграмма направленности шириной 1-2º как в продольном, так и в поперечном направлении и образуются так называемые «лучи» многолучевого эхолота (рис.1.1.»а»).

На рис. 1. 1. «в» представлен вариант ЭМЛ с плоскими излучающей и приемной. антеннами, формирующими 15 лучей. Ширина диаграммы направленности в продольной плоскости невелика, а в поперечной плоскости (плоскость параллельная плоскости мидельшпангоута) значительно больше и определяет ширину полосы обзоры (полосу зондирования дна) ЭМЛ. Ширина вертикального луча ЭМЛ по направлению миделя и по ДП одинаковы.

Вертикальный луч ЭМЛ представляет собой сферический конус в результате пересечения которого с дном образуется «след» в виде окружности, линейные размеры которой завися от глубины моря. След, возникающий в результате соприкосновения луча ЭМЛ с поверхность морского дна будем в дальнейшем наименовать «пятно облучения» или «пятно луча на морском дне» (foot print). Вертикальный луч имеет «пятно» в форме окружности, площадь которой будет меньше, чем «следы» всех других наклонных лучей. Чем больший наклон к вертикали имеет ось луча, тем больше форма «пятна» становится похожа на эллипс, большая полуось которого вытянута в направлении ДПсудна. Понятие «пятна облучения» и его линейные размеры имеют фундаментальное значение в многолучевой батиметрии, ввиду того, что позволяют оценивать возможность обнаружения с помощью ЭМЛ, имеющего заданные технические характеристики, объектов с определенными линейными размерами, которые находятся на морском дне при определенной глубине моря.

На рис.1.1.»в» показано, что «пятна облучения» соприкасаются, образуя непрерывную полосу на дне. В действительности между пятнами облучения могут иметься некоторые промежутки.

В первых образцах ЭМЛ указанным выше способом формировалось обычно 15-16 лучей шириной 3-4º. При этом

ширина диагнаммы направленности ЭМЛ составляла до 60º. С развитием технических возможностей в ЭМЛ стали использовать лучи с шириной 2º, а количество лучей увеличилось до 45 (SeaBeam -1985) ??? Ширина диаграммы направленности увеличилась до 90º, при этом ширина полосы зондирования приблизилась к двум глубинам.

В конце 80-х годов начали создаваться мелководные ЭМЛ и возникла необходимость достижения наибольшей ширины полосы зондирования. В результате, по мере расширения диаграммы направленности ЭМЛ и сужения ширины луча, стали формировать 50-64 луча с шириной 1-2º, при этом полоса зондирования увеличилась до 3 глубин В современных мелководных ЭМЛ количество лучей доходит до 128 при ширине 0.5º.

Рис. 1.1. Формирование «лучей» в многолучевом эхолоте

Отраженная от дна акустическая энергия принимается приемником приемной антенны, соответствующим определенному лучу. ЭМЛ измеряет время распространения акустического сигнала (Т) от передающей антенны до дна и принятого по определенному лучу . Угол, под которым принят сигнал, фиксируется в момент приема.

На рис.1.2. изображены лучи ЭМЛ. Каждый луч характеризуется углом отклонения от вертикали, измеряемый от

осевой линии луча до вертикали приемной антенны. Углы лучей не являются постоянными. Наименьший сферический угол луча имеет вертикальный луч. У боковые лучей сферические углы постепенно увеличиваются.

по мере увеличения угла отклонения луча от вертикали (θ). Угол скольжения (Ω) представляет собой угол между осью луча и горизонтальной поверхность в точке касания дна. При этом имеет место очевидная зависимость:

θ = 90º - Ω ; (1.1)

В первом приближении положение точки пересечения оси луча с поверхностью морского дна в судовой системе координат может быть записана в виде:

d = 0.5 * c * T * cos (θ+ Δθ) * cos (Λ )

y = 0.5 * c * T * sin (θ+ Δθ) (1.2)

x= 0.5 * c * T * sin (Λ )

где с – скорость распространения звука в воде

Т – время распространения акустического сигнала;

θ – угол отклонения оси акустического луча от вертикали в плоскости миделя;

Δθ- угол крена приемной антенны ЭМЛ;

Λ - угол отклонения оси акустического луча от вертикали в диаметральной плоскости (дифферент антенны);

d - вычисленная глубина в середине пятная облучения

y - горизонтальное траверзное расстоние центра пятна облучения от центра приемной антенны.

Для расчета вероятнейшего значения времени Т используются специальные алгоритмы. Для лучей близких к вертикальным наилучшим аглоритмом, используемым в большинстве ЭМЛ является амплитудный метод.

Рис.1.2. Акустические лучи многолучевого эхолота

Амплитудный метод (amplitude detection), заключающийся в измерении интервала времени до переднего фронта огибающей принятого акустического сигнала. У лучей близких к вертикальным, передний фронт сигнала выражен отчетливо (см.рис.1.2.). Таким образом, обеспечивается однозначность и высокая точность измерений. точность

С уменьшением угла скольщения луч его пятно облучения приобретает форму вытянутого эллипса, а его площадь значительно. Передний фронт огибающей акустического сигнала, принятого по боковому лучу, приобретает неопределенную форму (см.рис.1.2..) Амплитудный метод теряет точность и становится неприемлемым. В этом

случае на помощь приходит так называемый фазовый или «интерферометрический» метод, унаследованный от гидролокаторов бокового обзора.

Фазовый метод (interferometric principle) заключается в формировании внутри одного луча двух акустичес-ких посылок с последующим измерение разностей фаз принятых сигналов. При этом вероятнейшей измеренной наклонной дальноти соответствует сигнал с таким интервал времени распространения у которого измерена нулевая разность фаз.

На практике у современных ЭМЛ у каждого луча посылки реализованы оба метода: амплитудный и фазовый. Однако, лучей близких к вертикальным для определения времени хода луча в первую очередь исполь-зуется амплитудный метод , а на всех других лучах выполняется анализ и из двух возможных методов выбирается тот, которой обеспечивает наибольшую точность определения. На самых крайних лучах – это, как правило, фазовый метод.

Рис.1.3. Графическое представление преобразования судовых координат вычисленной глубины (X,Y) в

географичеких координат (B,L) при условии отсутствии угла дифферента.

После получения параметров «y» и «х» (м), в соответствии с формулой (1.2.), расчет географичеких координат B и L (рад) глубины «d» может быть выполнен по формулам ( 1.3.):

B = Bo + { y * cos Ψ + x * sin Ψ } / M (1.3)

L = Lo + { y * sin Ψ + x * cos Ψ } / (N* cos B)

Здесь Ψ – истинный курс судна (направление ДП в географической системе координат);

Bo и Lo – географические координаты приемной антенны ЭМЛ (рад), рассчитанные по данным

навигационной системы (приведенные от антенны GPS);

N – радиус кривизна первого вертакала эллисоида (м.), а M–радиус кривизны меридиана эллипсоида (м.)

На самом деле, результаты расчета величин «x»,»y» и «h» с помощью уровнения (1.2) представляют собой очень «грубую» модель многолучевой батиметрии. Реальная физическая картина гораздо более сложная. Водная толща, в которой распространяются акустические сигналы ЭМЛ, предсталяет собой слоисто неоднородную среду в которой акустическая волна претерпевая акустическую рефракцию на границах слоев с разной температурой, соленостью, а значит и с разной скоростью звука. Двухмерная картина распространения акустической волны в слоисто неоднородной среде, представленна на рис.1.3. При этом реальная траектория звукового луча может значительно отличатся от идеально прямолинейной при том же времени распространения Т.

Рис. 1.3. Картина распространения звуковой волны в слоисто неоднородной среде

Для обеспечения возможности использования результатов акустичеких измерений, получаемых в ЭМЛ,

необходимо использовать математическую модель распространения акустических сигналов наклонных лучей в водной толщи, а также информацию о вертикальном распределении скорости звука с глубиной, получаемую по результатам гидрологических измерений. Наиболеее простой метод– использовать прибор, выполняющий непосредственные измерения скорости звука в морской воде на разных глубинах –зонд-скоростемер (sound velocity probe). Именно возможность создания адекватной цифровой модели распространения наклонных лучей в водной среды и ее программная реализация, явлились одним из основных условий успешного практического применения ЭМЛ для гидрографических целей в мелководных районах моря.

Фактически сам ЭМЛ представляет собой устройство, измеряющее временя распространения акустических сигналов в водной среде и углов (относительно мгновенной вертикали), под которыми приняты акустические сигналы, отраденные от морского дна. Получение плановых координат точек морского дна и соответствующих им глубин выполняется методом вычислений. Таким образом, исключительно важную роль играет программно-математического обеспечение, реализующее современные методы обработки эхосигналов, их фильтрации, учет

угловой ориентации передающей и приемной антенн, а также учет модели гидрологии в районе съемки.

Анализ формул (1.2) и (1.3) показывает, что для расчета географических координат точек глубин на дне (Bo, Lo) необходимо иметь оперативную информацию о углах: крена (Δθ), дифферента (Λ), а также курса судна (Ψ). При этом предполагается, что ось передающей антенной решетки ЭМЛ установлены строго параллельно ДП, а ось приемной антенной решетки – строго параллельно плоскости миделя. Морское судно, несущее антенны ЭМЛ, является динамическим объектом и в результате воздействия морского волнения постоянное испытывает угловые перемещения (крен, дифферент, рыскание), а также вертикальное перемещение. Для возможности измерения угловых перемещений требуется устройство, непрерывно следящее за вертикалью места, для фиксации осей судовой системы координат. Такой прибор, основанный на гироскопических принципах, в отечественной технической литературе получил название «гировертикаль» или «датчик качки», а в англоязычной технической документации – MRU (moution reference unit).

Зарубежные датчики качки, как правило, измеряют мгновенные значения углов крена, дифферента и вертикальное перемещение. При этом величину угла рыскания (уклонение текущено и заданного курса), получают от судового гирокомпаса. В последнии время за рубежом появились усовершенствованные модели – MRU, которые способны измерять все четыре параметра пространственной ориентации антенн ЭМЛ.

Географические координаты антенны необходимо расчитывать строго в момент излучения зондирующего импульса, одновременно фиксируя в этот момент мгновенные значения углов качки, истинного курса, вертикаль-ного перемещения судна. Мгновенные значения углов бортовой и килевой качки необходимо фиксировать также на момент приема отраженных от дна эхосигналов по каждому лучу. При этом точность этих параметров должна соответствовать точности измерения дальностей, иначе не будет реализован высокий точностной потенциал ЭМЛ.

Рис.1.4. Оси судовой системы координат при наличии смещений при установки антенн ЭМЛ

При установке передающих и приемных антенных решеток ЭМЛ и датчика качки на судне всегда добиваются, чтобы соответствующие оси были бы параллельны. Однако, практически всегда по разным причинам возникают небольшие угловые смещения, имеющие, как правило, постоянные величины. При этом измерения, выдаваемые датчиком качки, не будут характеризовать реальные угловые положения антенн ЭМЛ и, следовательно, в расчи-танные глубины и их координаты будут внесены дополнительные погрешности систематического характера.

На рис. 1.4. .представлены оси судовой системы координат (X,Y,Z), соответствующие данным, выдаваемым датчиком качки, и аналогичные оси (x,y,z), в которых установлены антенны ЭМЛ. Возникающие при этом систематическая ошибки углового положения обозначаются следующим образом:

по углу крена - α (alfa)

по углу дифферента - β (beta)

по углу рыскания - γ (gamma)

Для определения поправок, компенсирующих данные систематические ошибки выполняются специальные исследования ЭМЛ, называемые «калибровкой ». Полученные в результате калибровки поправки ( α', β', γ' ) суммируются с данными измерений, выдаваемых датчиком качки, для получения исправленных значений, свободных от система-тических ошибок ( Δθ + β', Λ + α' , Ψ+γ' ). Очевидно, что поправки не могут быть определены совсем безошибочно, что необходимо учитывать при оценке точности. Калибровку проводят в определенной последовательности и, как правило, неоднократно. Подробные сведения по калибровки ЭМЛ приводятся в главе 4.

На основе всего изложенного видно, что отдельно взятый ЭМЛ (датчик времени паспространения сигнала и углов приема лучей), не способен выработать конечный продукт – батиметрическую карту и файл точек координат и глубин. ЭМЛ может быть реализован только в составе навигационно-батиметрического комплекса, способного измерять и регистрировать первичную информацию об углах качки (крен,дифферент), курса, вертикальные перемещениях, мгновенных значения географических координат антенн, а также данные гидрологии.

Данное обстоятельство в принципе отличает однолучевой и многолучевой эхолоты.