Реферат: Судовая гидроакустическая аппаратура
2) Гидролокаторы бокового обзора.
3) Эхолоты.
4) Профилографы морского дна.
5) Гидроакустические системы позиционирования.
Гидролокаторы кругового и секторного обзора
Гидролокаторы кругового и секторного обзора применяются для выполнения широкого ряда задач от гражданских до сугубо военных. Они предназначены для подводной навигации, поиска и допоиска подводных объектов, построения охранных зон и периметров. Интересно использование таких гидролокаторов в качестве подводного измерительного инструмента при обследовании различных подводных структур, когда, используя возможности ПО, можно измерить расстояния и углы между элементами отображаемого объекта. Гидролокаторы кругового и секторного обзора устанавливаются при входе в гавани и порты, на нефтяных платформах, кораблях, подводных лодках, обитаемых подводных аппаратах, телеуправляемых подводных аппаратах, применяются в переносном исполнении водолазами. Существуют специальные гидролокаторы, работающие с вертолёта при погружении ППА на кабель-тросе в воду.
Программное обеспечение в таких системах является ключевым элементом. С его помощью можно не только обрабатывать и выводить полученные с ППА данные, но и изменять сектор обзора гидролокатора, менять мощность излучаемых импульсов, изменять частоту работы ППА, определять дистанцию и пеленг до объекта, осуществлять функцию зуммирования и примерно определять материал облучаемого объекта.
Частота излучения ППА гидролокаторов кругового и секторного обзора лежит в пределах от 300 Кгц до 2 Мгц, а дальность работы от 300 до 10 метров соответственно. Диаграмма направленности гидролокаторов кругового и секторного обзора представляет собой луч с большим вертикальным углом (десятки градусов) и узким горизонтальным (1-3 градуса). По количеству таких лучей различают однолучевые и многолучевые гидролокаторы.
В однолучевых гидролокаторах ППА механически приводится во вращение электроприводом, который управляется с помощью программного обеспечения и может работать, как в режиме постоянного вращения, так и в секторном режиме. ППА в таких гидролокаторах работает в режиме: послал сигнал, принял сигнал - частота посылки зависит от выбранной оператором дальности работы гидролокатора. Основной недостаток однолучевых гидролокаторов низкая скорость сканирования (более 1 минуты для режима кругового обзора на дистанции 100м). Вывод информации на экран чем-то напоминает работу радиолокатора. Однако визуальная интерпретация объектов по изображению на мониторе требует от оператора навыков работы и определённой доли фантазии. Сравнительно низкая стоимость, надежность и простота в эксплуатации, делает эти системы наиболее распространёнными гидроакустическими системами в настоящее время. Широкий ряд гидролокаторов кругового и секторного обзора предлагают такие компании, как Tritech, Stenmar, Kongsberg.
Многолучевые гидролокаторы получают в последнее время всё большое и большое распространение, несмотря на высокую стоимость и необходимость наличия высококвалифицированного персонала для эксплуатации и технического обслуживания. Многолучевые гидролокаторы - это секторные. По своёй сути многолучевая°гидролокаторы, с углом обзора от 600 до 1200 . ППА это несколько десятков однолучевых ППА, объединённых в одном корпусе и синхронизированных по времени и частоте работы. При таком построении весь сектор обзора гидролокатора выдаётся в реальном масштабе времени с большим разрешением на мониторе оператора. Чем больше сектор обзора, тем выше степень интеграции элементов в ППА, соответственно стоимость и техническая возможность построения такого ППА. Благодаря этому, применение таких гидролокаторов в навигационных и поисковых целях ограничено функциями допоиска объектов или работой на специальном электроприводе, который перемещает ППА в нужное направление. В последние годы, в связи с резким повышением угрозы терроризма, широкое распространение получили системы охраны водных акваторий, построенные на базе многолучевых гидролокаторов. Обычно одна или несколько многолучевых ППА закреплены на морском дне и развёрнуты в направлении ожидаемого проникновения. Иногда вокруг охраняемых объектов с помощью однолучевых секторных гидролокаторов создаётся охранный периметр, а многолучевая ППА автоматически разворачивается в сторону нарушения периметра и осуществляет захват и сопровождение нарушителя.
Крупнейшими производителями многолучевых гидролокаторов являются компании Kongsberg и Reson. Наиболее интересны последние достижения компании Reson, которая создала уникальный и пока единственный в мире многолучевой гидролокатор с возможностью фокусировки лучей ППА на конкретном объекте, благодаря чему на порядок увеличивается качество изображения.
Гидролокаторы бокового обзора
Гидролокаторы бокового обзора (ГБО) в основном применяются для поиска объектов, находящихся на морском дне и исследования рельефа дна для прокладки и обслуживания кабелей связи и трубопроводов. В настоящее время стало актуальным построение на основе ГБО и телеуправляемого подводного аппарата систем поиска утопленников на внутренних водоёмах и реках. Такие системы давно используются спасательными службами на озёрах США и Канады, планируется использование таких систем и в России.
"Классический" ГБО выполняется в виде буксируемого подводного аппарата в форме торпеды с двумя ППА по правой и левой стороне и буксируется на расстоянии 30-50 метров от дна со скоростью до 5 узлов. При угле обзора каждого ППА 45º, полоса сканирования дна достигает 100 метров. В некоторых случаях, особенно при прокладке трубопроводов и кабелей связи, целесообразна установка ГБО на телеуправляемый подводный аппарат или обитаемый подводный аппарат. При этом возможно прохождение аппарата на минимальной высоте от дна, и получении максимально полной картины рельефа морского дна в месте планируемой укладки. Работа ГБО непосредственно с судна - носителя возможна, но ограничена из-за сильной чувствительности ППА к посторонним шумам от двигателя судна и воды, а также сильного влияния качки на точность получаемого сигнала. Оператор ГБО по полученной картинке может судить о наличие и примерных размерах объектов находящихся на дне, причём разрешение некоторых систем настолько велико, что позволяет различать объекты в 10 сантиметров. ГБО различаются по допустимой глубине использования, частоте работы, разрешающей способности. Для глубин до 150 метров широко распространены ГБО шотландских компаний Tritech, Stenmar, а также американской компании Marine Sonic Technology. Применение этих надёжных и недорогих систем для больших глубин ограничено мощностью сигналов, передающихся по кабелю. Для глубоководных исследований применяют ГБО, установленные на автономных необитаемых подводных аппаратах (AUV), которые программируются на исследование определённого подводного района, сохранение полученных данных и возвращение к судну-носителю.
Хотелось бы поподробнее рассмотреть применение ГБО в системах поиска тел утопленников. Основываясь на опыте спасателей США и Канады можно отметить, что наиболее оптимальной для применения является система: буксируемый ГБО - малогабаритный телеуправляемый подводный аппарат (ROV). С помощью таких систем становится возможным отыскивать и поднимать тела на глубинах недоступных водолазам, осуществлять поиск независимо от времени года и времени суток, существенно снизить время поиска за счет широкой полосы сканирования ГБО, например при буксировке ГБО на высоте 30 метров от дна ширина полосы сканирования составляет до 60 метров. Кроме того, высокая частота ППА гидролокатора бокового обзора (600 Кгц и выше) позволяет сравнительно легко и быстро классифицировать объект поиска на фоне остальных элементов дна.
Эхолоты
Эхолоты являются измерительными приборами, предназначенными для промера глубин, отображения профиля и примерной структуры дна, поиска и классификации различных объектов на дне и в толще воды, а также для выполнения различных навигационных задач. Независимо от сферы использования и типа все эхолоты имеют примерно одинаковую конфигурацию: ППА, блок обработки сигналов и надводный блок отображения информации. ППА эхолота имеет коническую вертикальную диаграмму направленности с углом обзора от 10 до 30º. При этом эхолот, как бы “освещает" полосу дна непосредственно под килем судна.
Первичными данными, получаемыми от ППА, является параметры огибающей линии морского дна. В зависимости от типа, технического насыщения эхолота и программного обеспечения эхолот только формирует эти данные в графическом виде на экране монитора или термопринтере, или, используя информацию с других информационных систем и устройств, а также электронную карту районов работ, может создавать трехмерные карты морского дна с привязкой к географическим координатам. В настоящее время практически все эхолоты способны передавать и сохранять, полученные данные на персональный компьютер. Что позволяет в дальнейшим обрабатывать их с помощью мощных вычислительных систем. Включение эхолота в навигационный комплекс корабля позволяет использовать эхолот в режиме "авторулевой", когда рулевому достаточно держать курс корабля в пределах "зелёной зоны" на экране монитора эхолота. Кроме того, эхолот может осуществлять привязку глубин к географическим координатам, при подключении сигналов GPS, с точностью до нескольких метров.
Диапазон частот ППА лежит в пределах от 12 до 500 Кгц. Дальность излучения и приёма отражённого сигнала изменяется в зависимости от частоты и мощности излучения ППА и лежит в пределах от 1 до 3000м. Существуют специальные модели эхолотов с практически не ограниченной дальностью работы, однако обычно они проектируются и изготавливаются под специальный заказ.
Так же как и другие гидроакустические системы различают эхолоты с многолучевой и однолучевой ППА. Применение многолучевых ППА увеличивает ширину полосы сканирования в десятки раз и улучшает качество полученных данных.
Современные однолучевые эхолоты поддерживают одновременное подключение нескольких ППА. Обычно одновременно используется высокочастотный (200Кгц и выше) и низкочастотный (менее 50кГц) ППА для увеличения точности полученных данных. Физически чем выше рабочая частота, тем меньше угол обзора ППА. Например, угол обзора ППА с частотой 200Кгц. Одной из°, в то время как с частотой 30Кгц - 20°составляет 9 особенностей использование антенны с низкой рабочей частотой является большая проникающая способность низкочастотных звуковых волн в донный грунт, поэтому использование таких ППА позволяет делать ориентировочные выводы о составе грунта морского дна. Однако для целей исследования донного грунта и поиска в нём различных предметов целесообразнее использовать донные профилографы.
По способу установки на судно-носитель различают портативные и стационарные эхолоты. Портативные эхолоты обычно состоят из переносных блоков управления и ППА на специальных штангах, для крепления на борту катера или небольшого судна. В стационарном исполнении блок управления монтируется в закрытом помещении, а ППА устанавливается на выдвижной штанге в корпусе судна-носителя. Кроме того, любая ППА эхолота может быть установлена на подводном обитаемом или необитаемом аппарате, что позволяет максимально приблизиться к интересующей области водного пространства и получить наиболее достоверные данные о рельефе дна.
Существует множество фирм-изготовителей эхолотов. Одной из ведущих является датская компания "Reson", которая производит полный спектр эхолотов от переносных однолучевых серии "Navisound" до многолучевых серии "SeaBat". Эхолоты компании Reson широко применяются по всему миру, в том числе и в России.
Профилографы морского дна
Профилографы дна предназначены для поиска заглубленных на дне объектов, например трубопроводов или кабелей, нахождения заиленных подводных объектов, исследования и классификации состава грунта дна, например при планировании строительства подводных объектов или прокладки трубопроводов, разведки полезных ископаемых и экологического мониторинга.
По своей сути донные профилографы представляют собой практически тот же эхолот, но с очень низкой частотой излучаемого сигнала ППА, менее 12 Кгц. За счет физических особенностей проникновения низкочастотных звуковых волн в твёрдых средах и большой мощности сигналов акустический сигнал проникает в донный грунт на глубину более 100 метров, чем меньше частота сигнала, тем больше проникающая способность.
По способу размещения ППА различают буксируемые и стационарные профилографы. Очень часто в одном буксируемом аппарате совмещается гидролокатор бокового обзора и профилограф дна.
Наибольшую популярность на сегодняшний день имеют многолучевые профилографы компаний Innomar, SeaBeam.
Гидроакустические системы позиционирования
Гидроакустические системы позиционирования (ГСП). ГСП предназначены для определения точных координат подводных объектов, а также для отслеживания траектории движения и текущей глубины нахождения подводных аппаратов и водолазов в реальном масштабе времени. ГСП представляют собой один или несколько стационарных передающих гидроакустических маяков, установленных на морском дне или судне носителе, маяк-ответчик на перемещающемся или стационарном объекте, ППА или гидрофон на судне-носителе и систему обработки и выдачи информации на борту судна-носителя. ГСП по своей сути является относительной системой координат с судном-носителем в центре отсчёта, при использовании системы GPS возможно позиционирования в абсолютных географических координатах.
В основе определения координат маяка-ответчика под водой лежат геометрические законы нахождения координат какой-либо точки по известным координатам трёх других точек, так называемых базисных точек. Расстояние между двумя точками базиса называется базисной линией. Длина базисной линии определяет алгоритм подсчёта координат и тип ГСП.
При практическом применении оказывается, что, чем меньше базисная линия, тем сильнее физическое воздействие качки и крена судна-носителя на точность определения координат, поэтому для каждого типа ГСП существуют свои ограничения и рекомендуемые варианты использования. Ниже приводятся основные типы ГСП, и кратко поясняются основные принципы их работы.
Различают следующие типы ГСП:
1) ГСП с длинной базисной линией (LBL системы).