Многолучевой эхолот

Многолучевой эхолот ( MBES ) – это тип гидролокатора , который используется для картографирования морского дна . Он излучает акустические волны в форме веера под приемопередатчиком . Время , необходимое звуковым волнам для отражения от морского дна и возвращения в приемник, используется для расчета глубины воды. В отличие от других гидролокаторов и эхолотов , MBES использует формирование луча для извлечения информации о направлении из возвращающихся звуковых волн, создавая серию измерений глубины из одного импульса.

История и прогресс

Многолучевые гидроакустические системы зондирования, также известные как полоса (британский английский) или полоса (американский английский) ^{[ нужна ссылка ]}, созданный для военного применения. Идея возникла на основе радиолокационной системы, которая предназначалась для высотного самолета-разведчика Lockheed U-2 , но проект был сорван, когда самолет, которым пилотировал Гэри Пауэрс, был сбит советской ракетой в мае 1960 года. Технология формирования луча «Миллс Кросс», адаптированная для использования с гидролокатором для картографирования дна, была разработана для ВМС США. Данные каждого сигнала гидролокатора будут автоматически обрабатываться с поправками на движение корабля, глубину датчика, скорость звука и эффекты преломления, но в то время не было достаточной емкости для хранения цифровых данных, поэтому данные были преобразованы в полосовую карту контуров глубины. и хранится на непрерывной пленке. ^{[ 1 ]} Система гидроакустического зондирования (SASS) была разработана в начале 1960-х годов ВМС США совместно с компанией General Instrument для картирования больших участков дна океана в целях содействия подводной навигации подводных сил. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} SASS была испытана на борту авианосца USS Compass Island (AG-153) . Последняя система антенных решеток, состоящая из шестидесяти одного градусного луча с шириной полосы примерно в 1,15 раза больше глубины воды, была затем установлена на USNS Bowditch (T-AGS-21) , USNS Dutton (T-AGS-22) и USNS. Михельсона (Т-АГС-23) . ^{[ 1 ]}

узколучевой эхолот (NBES), использующий 16 узких лучей В то же время компанией Harris ASW был также разработан и установлен на исследовательских кораблях Surveyor , Discoverer и Researcher . Эта технология в конечном итоге стала Sea Beam. Во время геодезических операций записывались только данные вертикального центрального луча. ^{[ 1 ]}

Начиная с 1970-х годов, такие компании, как General Instrument (ныне SeaBeam Instruments, часть L3 Klein ) в США , Krupp Atlas (ныне Atlas Hydrographic ) и Elac Nautik (ныне часть Wärtsilä Corporation) в Германии , Simrad (ныне Kongsberg) Maritime ) в Норвегии и теперь компания RESON Teledyne RESON A/S в Дании разработала системы, которые можно монтировать на корпусах больших кораблей . а также на малых судах (по мере совершенствования техники многолучевые эхолоты становились компактнее и легче, увеличивались рабочие частоты).

Первый коммерческий многолучевой луч теперь известен как SeaBeam Classic и был введен в эксплуатацию в мае 1977 года. ^{[ 3 ]} на австралийском исследовательском судне HMAS Cook. Эта система производила до 16 лучей по дуге 45 градусов. Термин ( ретроним ) «SeaBeam Classic» был придуман после того, как в конце 1980-х годов производитель разработал новые системы, такие как SeaBeam 2000 и SeaBeam 2112.

Вторая установка SeaBeam Classic была установлена на французском исследовательском судне «Жан Шарко». Массивы SB Classic на судне Charcot были повреждены при заземлении, и SeaBeam был заменен на EM120 в 1991 году. Хотя кажется, что первоначальная установка SeaBeam Classic не использовалась часто, другие широко использовались, и последующие установки были выполнены на многих сосуды.

Системы SeaBeam Classic были впоследствии установлены на американских академических исследовательских судах USNS Thomas Washington (T-AGOR-10) ( Океанографический институт Скриппса , Калифорнийский университет ), университета) и USNS USNS Robert D. Conrad ( Robert D. Conrad ( Земная обсерватория Ламонта-Доэрти Земная обсерватория Ламонта-Доэрти Колумбийского Колумбийского университета ) и НИС « Атлантис II» ( Океанографический институт Вудс-Хоул ).

По мере совершенствования технологий в 1980-х и 1990-х годах были разработаны высокочастотные системы, обеспечивающие картирование мелководья с более высоким разрешением, и сегодня такие системы широко используются для гидрографических съемок на мелководье в поддержку навигационных карт . Многолучевые эхолоты также широко используются для геологических и океанографических исследований, а с 1990-х годов для морской разведки нефти и газа и прокладки кабелей по морскому дну. В последнее время многолучевые эхолоты также используются в секторе возобновляемых источников энергии, например, на морских ветряных электростанциях.

В 1989 году компания Atlas Electronics (Бремен, Германия) установила глубоководный многолучевой комплекс второго поколения под названием Hydrosweep DS на немецкое исследовательское судно Meteor. Hydrosweep DS (HS-DS) производил до 59 лучей по полосе обзора 90 градусов, что было огромным улучшением и по своей сути было усилено ледяной защитой. Ранние системы HS-DS были установлены на НИС «Метеор» (1986 г.) (Германия), НИС «Поларштерн» (Германия), НИС «Морис Юинг» (США) и ORV «Сагар Канья» (Индия) в 1989 и 1990 гг., а затем на ряде другие суда, включая теплоход «Томас Дж. Томпсон» (США) и теплоход «Хакурей Мару» (Япония).

Поскольку многолучевые акустические частоты увеличились, а стоимость компонентов снизилась, количество эксплуатируемых многолучевых систем валков во всем мире значительно возросло. Требуемый физический размер акустического преобразователя, используемого для формирования нескольких лучей высокого разрешения, уменьшается по мере увеличения многолучевой акустической частоты. Следовательно, увеличение рабочих частот многолучевых гидролокаторов привело к существенному снижению их массогабаритных и объемных характеристик. В более старых и более крупных низкочастотных многолучевых гидроакустических системах, установка которых на корпус корабля требовала значительного времени и усилий, использовались обычные преобразовательные элементы типа тонпилц , которые обеспечивали полезную полосу пропускания примерно 1/3 октавы. Более новые и меньшие по размеру высокочастотные многолучевые гидролокационные системы можно легко прикрепить к исследовательскому катеру или к тендерному судну. Многолучевые эхолоты для мелкой воды, такие как Teledyne Odom, R2Sonic и Norbit, которые могут включать в себя датчики для измерения движения преобразователя и скорости звука, локально прилегающие к преобразователю, позволяют многим небольшим гидрографическим компаниям переходить от традиционных однолучевых эхолотов к многолучевым эхолотам. Небольшие многолучевые системы валков малой мощности теперь также подходят для установки на автономный подводный аппарат (АНПА) и автономное надводное судно (АСВ).

Данные многолучевого эхолота могут включать данные батиметрии, обратного акустического рассеяния и данные о толще воды. (Газовые шлейфы, которые сейчас обычно обнаруживаются в многолучевых данных в средней воде, называются вспышками.)

Элементы пьезокомпозитного преобразователя типа 1-3, ^{[ 4 ]} используются в многоспектральных многолучевых эхолотах, чтобы обеспечить полезную полосу пропускания, превышающую 3 октавы. Следовательно, многоспектральные многолучевые эхолотные исследования возможны с использованием одной гидролокационной системы, которая в течение каждого цикла опроса собирает мультиспектральные данные батиметрии, мультиспектральные данные обратного рассеяния и мультиспектральные данные о водном столбе в каждой полосе. ^{[ 5 ]}

Теория работы

Многолучевой эхолот — это устройство, обычно используемое гидрографами для определения глубины воды и характера морского дна. Большинство современных систем работают путем передачи широкого акустического веерообразного импульса от специально разработанного преобразователя по всей полосе обзора поперек пути с узким вдоль пути, а затем формируют несколько приемных лучей ( формирование луча ), которые намного уже поперек пути (около 1 градус в зависимости от системы). . Из этого узкого луча затем устанавливается двустороннее время распространения акустического импульса с использованием алгоритма обнаружения дна. Если скорость звука в воде известна для всего профиля водного столба, глубину и положение отраженного сигнала можно определить по углу приема и времени распространения в обе стороны.

Чтобы определить угол передачи и приема каждого луча, многолучевой эхолот требует точного измерения движения гидролокатора относительно декартовой системы координат. Измеренными значениями обычно являются качка, тангаж, крен, рыскание и курс.

Для компенсации потерь сигнала из-за расширения и поглощения изменяемого во времени усиления в приемнике предусмотрена схема .

Для глубоководных систем требуется управляемый передающий луч для компенсации тангажа. Этого также можно добиться с помощью формирования луча.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Альберт Э. Теберг-младший и Норман З. Черкис (22 мая 2013 г.). «Заметка о пятидесяти годах многолучевой системы» . Гидро Интернешнл. Архивировано из оригинала 14 июля 2014 года . Проверено 30 июня 2014 г.
^ Лаборатория военно-морских исследований США/Отдел морской физики (код 7420). «ПРОЕКТ ГЛОБАЛЬНОГО КАРТИРОВАНИЯ ОКЕАНА GOMaP» . Лаборатория военно-морских исследований США. Архивировано из оригинала 2 июля 2014 года . Проверено 30 июня 2014 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ Гарольд Фарр, Морская геодезия, том 4, выпуск 2, 1980 г., страницы 77–93.
^ Учино, К., (редактор), (2016), Усовершенствованные пьезоэлектрические материалы: наука и технологии, 2-е издание, ISBN 9780081014851
^ Браун, К.Дж., Бриссетт, М., и Газзола, В. (2019), Многоспектральное многолучевое обратное рассеяние эхолота как инструмент для улучшения характеристики морского дна., Geosciences, 9 (3).

Дальнейшее чтение

Луай М.А. Джаллул и Сэм. П. Алекс, «Методология оценки и производительность системы IEEE 802.16e», представлено Обществу IEEE по коммуникациям и обработке сигналов, Объединенному отделению округа Ориндж (ComSig), 7 декабря 2006 г. Доступно по адресу: https://web.archive .org/web/20110414143801/http://chapters.comsoc.org/comsig/meet.html
БДВ Вин и К.М. Бакли. Формирование луча: универсальный подход к пространственной фильтрации . Журнал IEEE ASSP, страницы 4–24, апрель 1988 г.
Х.Л. Ван Трис, Оптимальная обработка массивов, Уайли, Нью-Йорк, 2002.
«Букварь по цифровому формированию луча» , Тоби Хейнс, 26 марта 1998 г.
«Что такое формирование луча?» Грег Аллен.
«Два десятилетия исследований в области обработки сигналов массивов», Хамид Крим и Матс Виберг, в журнале IEEE Signal Processing Magazine , июль 1996 г.

Внешние ссылки

Заметка о пятидесяти годах многолучевой технологии
От зондирующего столба до морского луча (история NOAA)
Программное обеспечение с открытым исходным кодом MB-System для обработки многолучевых данных
Новости и статьи о применении многолучевого оборудования на Hydro International
Мемориальный веб-сайт USNS Bowditch, USNS Dutton и USNS Michelson {Первое применение Multibeam}

[50yrs-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Альберт Э. Теберг-младший и Норман З. Черкис (22 мая 2013 г.). «Заметка о пятидесяти годах многолучевой системы» . Гидро Интернешнл. Архивировано из оригинала 14 июля 2014 года . Проверено 30 июня 2014 г.

[2] Лаборатория военно-морских исследований США/Отдел морской физики (код 7420). «ПРОЕКТ ГЛОБАЛЬНОГО КАРТИРОВАНИЯ ОКЕАНА GOMaP» . Лаборатория военно-морских исследований США. Архивировано из оригинала 2 июля 2014 года . Проверено 30 июня 2014 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[3] Гарольд Фарр, Морская геодезия, том 4, выпуск 2, 1980 г., страницы 77–93.

[4] Учино, К., (редактор), (2016), Усовершенствованные пьезоэлектрические материалы: наука и технологии, 2-е издание, ISBN 9780081014851

[5] Браун, К.Дж., Бриссетт, М., и Газзола, В. (2019), Многоспектральное многолучевое обратное рассеяние эхолота как инструмент для улучшения характеристики морского дна., Geosciences, 9 (3).

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

v т и Гидроакустика
Сонар	Активная акустика Перегородки (подводная лодка) Бистатический гидролокатор Эхо зондирование Осциллятор Фессендена Гидролокатор бокового обзора GLORY Многолучевой эхолот Пассивная акустика Научный эхолот Гидролокатор бокового обзора Формирование луча сонара Гидроакустический буй Система датчиков буксируемой антенной решетки наблюдения Гидролокатор с синтезированной апертурой Гидролокатор с буксируемой решеткой Сонар, смотрящий вверх
Акустика океана	Акустическая сеть Акустический релиз Акустический доплеровский профилировщик тока Акустическая классификация морского дна Акустическая океанография гидрофон Система акустического позиционирования с длинной базой Акустическая томография океана Система акустического позиционирования с короткой базовой линией Диван-бомба Канал ГНФАР Градиент скорости звука Датчик скорости звука Система акустического позиционирования со сверхкороткой базовой линией Подводная акустика Подводная акустическая связь Система подводного акустического позиционирования
Акустическая экология	Акустическая съемка на рыбалке Акустическая метка Эхолокация животных Выброшенный на берег кит Глубокий рассеивающий слой Рыболокатор Рыболовная акустика Диапазон слуха морских млекопитающих Морские млекопитающие и гидролокатор Песня кита
Связанные темы	Акустическая подпись Биоакустика Биофония Геофизический МАСИНТ Гидрографические исследования Карта шума Звуковой ландшафт