Гидролокатор с синтезированной апертурой

, полученные гидролокатором с синтезированной апертурой Снимки немецкой подводной лодки U-853 .

Гидролокатор с синтезированной апертурой ( SAS ) — это разновидность гидролокатора , в котором сложная постобработка гидролокационных данных используется способами, аналогичными радару с синтезированной апертурой .

Гидролокаторы с синтезированной апертурой объединяют несколько акустических импульсов для формирования изображения с гораздо более высоким разрешением вдоль пути, чем обычные гидролокаторы. Разрешение по маршруту может приближаться к половине длины одного элемента гидролокатора, но ограничено вниз 1/4 длины волны.

Принцип гидролокатора с синтетической апертурой заключается в перемещении гидролокатора при освещении одного и того же места на морском дне несколькими импульсами. При движении по прямой те пинги, положение изображения которых находится в пределах ширины луча, составляют синтетический массив. Путем последовательной реорганизации данных всех импульсов создается изображение с синтетической апертурой с улучшенным разрешением вдоль пути. В отличие от обычного гидролокатора бокового обзора (SSS), обработка SAS обеспечивает независимое от дальности разрешение по маршруту. На максимальной дальности разрешение может быть на порядок лучше, чем у гидролокаторов бокового обзора .

Технологический обзор 2013 года с примерами и будущими тенденциями также доступен. Для ученых статья в журнале IEEE Journal of Oceanic Engineering: Сонар с синтезированной апертурой, обзор текущего состояния. дает обзор истории и обширный список ссылок на достижения сообщества до 2009 года.

Длина синтетической апертуры равна

$L_{sa}\approx R\eta {\frac {\lambda }{d}}$

Где R — диапазон, $\lambda$ — длина волны на центральной частоте, а d — размер элемента вдоль пути в массиве. $\eta$ — это программируемый параметр, который управляет шириной луча процесса — фактически обрабатываемой шириной луча.

Проблемы

Система SAS опирается на стабильную сенсорную платформу, способную с высокой точностью определять, где находятся датчики на расстоянии нескольких метров - все полученные сигналы будут использоваться для формирования синтетической апертуры. Из-за течений, качки или раскачивания сенсорная платформа может испытывать боковое движение, известное как «краббинг», которое может серьезно повлиять на формирование изображения SAS. Массивы SAS, возможно, не лучший выбор в качестве сенсорной платформы на пересеченной местности или в районах, где можно ожидать боковых токов. Планирование миссии и выбор сенсорной платформы могут облегчить некоторые из этих проблем.

При работе системы SAS на мелководье множественные отражения могут возвращаться к датчику от морской поверхности, что влияет на качество данных. Это также зависит от условий морского дна, профиля скорости звука, а также от того, насколько неровной является морская поверхность. Один из способов решить эту проблему — слегка наклонить лучи вверх — чтобы уменьшить отражения от ближайшего дна.

Сравнение SSS и SAS

Традиционные гидролокаторы бокового обзора (SSS) имеют тесно связанную разрешающую способность вдоль пути, выборку вдоль пути и дальность действия. Это означает, что максимальная дальность и разрешение зависят в первую очередь от частоты передачи. Более высокая частота передачи дает увеличенное разрешение по маршруту, но уменьшает дальность действия. С другой стороны, гидролокаторы с синтезированной апертурой (SAS), ограниченные стоимостью и сложностью, позволяют свободно выбирать эти параметры, обеспечивая потенциал для большой дальности, а также высокого разрешения.

Разрешение вдоль пути

Разрешение по маршруту $\delta _{x}$ В традиционном гидролокаторе бокового обзора качество изображения в дальней зоне ухудшается с увеличением дальности, объект будет отображаться с более высоким разрешением, когда он ближе к датчику, и с меньшим, когда он находится дальше.

Разрешение по маршруту $\delta _{x}$ является постоянным на всех расстояниях для гидролокатора с синтетической апертурой, это означает, что объект должен быть одинаково виден на большинстве расстояний от датчика.

$\delta _{x}={\frac {R\lambda }{L}}$

Где $R$ это целевой диапазон, $L$ длина массива, а $\lambda$ — акустическая длина волны, функция частоты. Это означает, что традиционный гидролокатор бокового обзора с высоким разрешением по маршруту потребует очень большой длины антенной решетки для обнаружения удаленной цели. Затухание акустической энергии по мере увеличения частоты и, следовательно, уменьшения длины волны уменьшает эффективную дальность действия.

Гидролокатор с синтезированной апертурой создает синтетическую решетку большой длины, движущуюся предпочтительно по прямой линии, обеспечивая теоретическое разрешение вдоль пути в несколько сантиметров. На практике разрешение будет несколько хуже, но все же намного лучше, чем у традиционного гидролокатора бокового обзора аналогичного размера.

Поперечное разрешение

Разрешение поперек пути (диапазона) $\delta _{y}$ SAS с широкополосным FM-сигналом определяется следующим образом:

$\delta _{y}={\frac {C}{2B}}$

Где $C\approx 1500ms^{-1}$ скорость звука в воде и $B$ – полоса пропускания передаваемого импульса.

Диапазон

Дальность действия гидролокатора с синтезированной апертурой зависит от потерь при передаче акустического сигнала, а также от количества элементов в решетке и скорости сенсорной платформы. Частота передачи является одним из основных факторов, а максимальная дальность визуализации обычно составляет от 100 метров (220–280 кГц) для HiSAS 2040 [2] до 300 метров (60–120 кГц) и выше для HiSAS 1030 [3] [4] ] в имеющихся в продаже гидролокаторах, в зависимости от конфигурации. Гидролокаторы с синтезированной апертурой, установленные на автономном подводном аппарате или гидролокаторе с буксируемой решеткой, обычно имеют зазор надира , как и в случае традиционных гидролокаторов бокового обзора, для которых данные отсутствуют. Размер этого зазора зависит от угла нижнего луча. На очень мелководье многолучевое распространение является еще одним ограничивающим фактором для дальности действия как SSS, так и SAS; этот эффект можно уменьшить, тщательно формируя диаграмму направленности передающего луча, чтобы избежать отражения от поверхности.

При достаточно низкой частоте, чтобы обеспечить прием на максимальном расстоянии, радиус действия на земле определяется длиной антенной решетки приемников и скоростью платформы v:

$R={\frac {cD\cos {\varphi }}{4v\alpha }}$

Где $\alpha \geq 1$ коэффициент перекрытия, выбранный для обеспечения взаимной корреляции между пингами, $\varphi$ - угол склонения на максимальной дальности.

Постобработка

Традиционный гидролокатор бокового обзора обычно доступен сразу после съемки без необходимости какой-либо дальнейшей обработки, в то время как гидролокаторы с синтетической апертурой зависят от сложной постобработки, выполняемой на мощных компьютерах, что увеличивает время от сбора данных до анализа. Некоторые системы допускают обработку в реальном времени с уменьшенным разрешением, что позволяет обновлять данные миссии на месте на основе наблюдений, а также предоставляет платформу машинного обучения для классификации объектов. Это также означает, что скорость хранения данных, необходимая для SAS, очень высока: обычно от 60 до 90 ГБ в час необработанных данных.

Зона покрытия

Покрытие территории является одним из наиболее важных факторов коммерческого применения гидроакустики. Для систем SSS и SAS мгновенное покрытие зоны $IACR$ для двусторонней системы (т.е. датчик левого и правого борта) составляет:

$IACR=2(R-r)v$

Где $R$ - это максимальная дальность полета по земле и $r$ - это кратчайшая наземная дальность до промежутка в Надире , и $v$ это скорость сонара. Реальный охват территории несколько меньше этого.

Покрытие территории традиционным гидролокатором бокового обзора зависит от дальности и того, на каком расстоянии разрешение становится слишком низким для целевой цели сканирования. Покрытие территории с помощью гидролокатора с синтезированной апертурой с постоянным разрешением поперек пути до конца диапазона практически ближе к мгновенному покрытию территории.

Военное

Гидролокатор с синтезированной апертурой, развернутый с автономных подводных аппаратов, оказался полезным для обнаружения неразорвавшихся боеприпасов. а также морские мины .

Гражданские приложения

Гидролокатор с синтезированной апертурой, развернутый с автономных подводных аппаратов, использовался для поиска затонувших кораблей и обломков. Это был один из нескольких типов датчиков, использованных при поиске рейса 370 Malaysia Airlines .

Этот тип гидролокатора также начинает использоваться в исследованиях океана. NOAA, Kraken Robotics и ThayerMahan провели совместную демонстрацию технологий в 2019 году. где одной из продемонстрированных технологий был гидролокатор с синтезированной апертурой.

обнаружения просачивания углекислого газа с использованием гидролокатора с синтезированной апертурой в сочетании с усовершенствованной обработкой сигналов, и это постоянная тема исследований. Доказана возможность

Поиск потерянных рыболовных снастей, ловушек и сетей проводился с использованием гидролокатора с синтетической апертурой на АНПА в Норвегии.

См. также

• Формирование луча
• Фазированная решетка

Внешние ссылки

• Инструменты для исследования: гидролокатор с синтезированной апертурой: Управление исследования и исследования океана NOAA.