Przegląd technik sonarowych pomocnych w nawigacji morskiej - Określenia techniczne w sonarach Drukuj Email
Artykuły - Publikacje
Wtorek, 07 Czerwiec 2011 13:01
Spis treści
Przegląd technik sonarowych pomocnych w nawigacji morskiej
Określenia techniczne w sonarach
Posługiwanie się echosondami wielowiązkowymi
Wymagania użytkownika
Wnioski
Wszystkie strony

Określenia techniczne w sonarach

Sonar

Zasada działania sonaru jest podobna do działania radaru, jednak sonar wykorzystuje sygnały akustyczne a nie fale radiowe. Sonar wysyła krótkie impulsy akustyczne o pewnej częstotliwości, a następnie nasłuchuje na powrót ech tych impulsów odbitych od celów podwodnych.

Cel

Cel jest definiowany jako dowolny podwodny obiekt fizyczny, który odbija impulsy akustyczne powracające do sonaru jako echa. Jeśli obiekt jest stosunkowo mały i mocno oddalony od sonaru, można go traktować jako pojedynczy punkt stanowiący mały cel. Jeśli obiekt jest tak duży jak część dna morskiego np. o powierzchni 100m x 100m, można traktować każdą taką powierzchnię jako oddzielny pojedynczy cel. Wówczas całe dno morskie może być traktowane jako obiekt zbudowany z takich pojedynczych powierzchni (celów). Takie rozważanie prowadzi do pytania:

- Co dla sonaru znaczy "mały cel" lub "duży cel". Jaka cecha sonaru umożliwia rozróżnianie wielkość celu?

Rozdzielczość

Rozdzielczość sonaru to zdolność do rozróżniania dwóch blisko siebie leżących celów. Parametrem charakteryzującym rozdzielczość jest minimalny rozmiar powierzchni celu, jaką sonar jest w stanie odróżnić od otaczających go innych celów podwodnych.

Użytkowników często interesuje czy mogą zobaczyć rzeczywisty obiekt jako pojedynczą wykrytą powierzchnię, lub czy obiekt będzie reprezentowany w formie obrazu składającego się z wielu pojedynczych powierzchni. Im mniejsza pojedyncza powierzchnia celu może być wykryta, tym rozdzielczość jest lepsza a obraz złożony z tych wykrytych elementarnych powierzchni będzie bardziej realistyczny. Technicznie rozmiar takiej elementarnej powierzchni jest definiowany dwoma parametrami: 1) rozdzielczość poprzeczna (wiązka akustyczna) oraz 2) rozdzielczość wzdłużna.

wiazka_akustyczna

Wiązka akustyczna

Wiązka jest ograniczoną kątowo przestrzenią, w której skoncentrowana jest energia akustyczna. Przetwornik sonaru wysyła wąską wiązkę akustyczną w danym kierunku podobnie jak latarka wysyłająca stożek światła. Szerokość kątowa takiego stożka jest nazywana „szerokością wiązki". Rys.1 przedstawia naturę wiązki. Wiązka akustyczna dotykając celu stanowiącego część Dna morskiego, "udźwiękawia" go na powierzchni ograniczonej w przybliżeniu przekrojem poprzecznym wiązki w stosunku do jej kierunku. Ten przekrój jest często zwany „śladem wiązki". Rozmiar tego przekroju jest „rozdzielczością poprzeczną". Oczywiście im dalej od sonaru, tym większy jest "ślad wiązki" i rozdzielczość poprzeczna jest gorsza.

Rozdzielczość wzdłużna

Drugą rzeczą, która definiuje rozdzielczość sonaru w przestrzeni trójwymiarowej jest rozdzielczość wzdłużna tj. rozdzielczość wzdłuż kierunku wiązki. Rozdzielczość w tym kierunku zależy od struktury impulsu akustycznego oraz od pasma częstotliwości.

Struktura impulsu akustycznego

Na strukturę impulsu składają się: długość impulsu (w milisekundach), częstotliwość środkowa (w kHz) oraz jeśli impuls nie stanowi jednego czystego tonu także szerokość pasma (w kHz). Impuls udźwiękawia przestrzeń wzdłuż osi jego rozchodzenia się na fizycznej długości odpowiadającej iloczynowi: „długość impulsu” x „prędkość dźwięku”. Ogólnie mówiąc, im krótszy impuls tym lepiej rozróżnia się cele o mniejszych wymiarach leżące wzdłuż kierunku rozchodzenia się impulsu. Jednakże impuls nie może być krótszy niż kilka okresów częstotliwości środkowej. W przeciwnym razie jego częstotliwość nie byłaby wyraźnie zaakcentowana w wodzie. Można się więc spodziewać, że im wyższa częstotliwość, tym lepsza rozdzielczość wzdłużna gdyż można zastosować krótszy impuls.

Szerokość pasma częstotliwości

Szerokość pasma częstotliwości impulsu jest właściwością bardziej złożoną. Nie zwracając uwagi na szczegóły techniczne związane z rozszerzaniem pasma częstotliwości impulsu (modulacji częstotliwości) można powiedzieć, że proces ten związany jest z kształtowaniem impulsu w celu poprawienia rozdzielczości tak, aby była lepsza niż w przypadku naturalnej długości impulsu jednoczęstotliwościowego.

Ciekawe, że w naturze występują dobrze znane przypadki wykorzystywania sonaru przez delfiny oraz nietoperze. Te dwa gatunki zwierząt w celu poprawy rozdzielczości wzdłużnej wykorzystują całkowicie różne zasady sonaru. Impuls delfina jest bardzo krótki. Impuls nietoperza jest stosunkowo długi, ale zawierający ekstremalnie szerokie pasmo częstotliwości (impulsy o wyspecjalizowanej modulacji częstotliwości).

Wracając do problemu podwyższania rozdzielczości poprzecznej (tworzenia węższej wiązki akustycznej) oraz uzyskiwania wielu wiązek (skierowanych w różne kierunki) z przetwornika sonarowego. Uzyskuje się to w wyniku specjalnych konstrukcji przetworników.

Pojedynczy przetwornik

Przetwornik stosowany w echosondach jednowiązkowych (SBES) jest w istocie kawałkiem materiału piezoceramicznego. Może on wytwarzać tylko jedną wiązkę akustyczną. Szerokość wiązki zależy od fizycznych rozmiarów przetwornika oraz od jego częstotliwości. Im wyższa częstotliwość, tym węższa wiązka dla danych rozmiarów przetwornika.

Jeśli chce się patrzeć w różnych kierunkach aby widzieć szerszy obszar, jedynym sposobem jest mechaniczne obracanie takim przetwornikiem (skanowanie). Jest to zasada pracy radaru morskiego oraz tańszych sonarów skanujących. Nie można skanować zbyt szybko ponieważ trzeba czekać na powrót echa sygnału.

To nie ma znaczenia w przypadku radarów morskich ponieważ szybkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych wynosi 300,000 km/s, podczas gdy szybkość rozchodzenia się fal akustycznych w wodzie wynosi około 1,500 m/s. Dlatego aby uzyskać echo od celu oddalonego o 100m trzeba czekać 0.2 sek. (0.1 sek. na przelot impulsu do celu oraz 0.1 sek. na powrót echa)

Nasuwa się pytanie: czy to jest długo?

Odpowiedź zależy od zastosowania. Wyobraźmy sobie, że chcemy oglądać obraz z odległości rzędu 150 m ze 100 różnych kierunków. Czas skanowania wyniósłby więc około 20 sekund. Jeśli łódź porusza się z prędkością 3 węzłów (1.5 m/s) i nie próbujemy dokładniej oglądać obiektu o wymiarze kilku metrów „w locie”, to skanowanie mechaniczne może nie stanowić problemu. Jednakże, jeśli łódź porusza się z prędkością 20 węzłów, pozycja łodzi w czasie 20 sek. skanowania zmieni się o 200 m. Więc zawsze musi być wybór kompromisowy pomiędzy czasem skanowania (częstością aktualizacji danych sonarowych), rozdzielczością i obszarem pokrycia.

Złożona antena akustyczna

Drogą wyjścia z tego cząstkowego składania obrazu sonarowego jest złożona antena akustyczna. Złożoną antenę akustyczną stanowi zestaw wielu przetworników. Wykorzystując szereg przetworników sonar może wytwarzać jednocześnie wiele wiązek akustycznych bez potrzeby mechanicznego skanowania. Tak pracuje echosonda wielowiązkowa (MBES), sonar wielowiązkowy oraz system 3D FLS.
Porównując do radaru, podobnie pracują wojskowe radary dalekiego zasięgu oraz inteligentne systemy radiowe. Nowoczesne ultradźwiękowe systemy medyczne także oparte są na sonarach wielowiązkowych oraz złożonych antenach akustycznych. Systemy ze złożonymi antenami akustycznymi wytwarzają jednocześnie, równolegle wiele wiązek lub też szybko wiązka po wiązce (znane jako skanowanie elektroniczne).
Skanowanie elektroniczne zajmuje dodatkowy czas tak jak skanowanie mechaniczne, ale nie ma ruchomych części, co powoduje, że przetworniki są bardziej niezawodne.
Istnieje szczególny system elektronicznego skanowania, niemalże tak szybki jak system jednoczesnego równoległego formowania wielu wiązek akustycznych, stosowany w kamerach akustycznych. Jednak jest to system wymagający przetworników o bardzo szerokim paśmie, pracujących na wysokich częstotliwościach i może osiągać tylko bardzo małe odległości.
Oczywiście złożona antena akustyczna jest znacznie droższa niż pojedynczy przetwornik. Oprócz kosztu elementów ceramicznych należy wziąć pod uwagę także koszt odpowiedniej, wielokanałowej elektroniki.
Jednak rozważając sonar wielowiązkowy ze złożoną anteną akustyczną trzeba mieć świadomość, że jest to najbardziej precyzyjny i najszybszy w działaniu sprzęt.
W związku z tym należy zadać sobie pytanie, czy rzeczywiście potrzebujemy takiego urządzenia.
Odpowiedź znajdziemy w dalszej części rozważań.

Załóżmy, że po rozpoznaniu różnych systemów została podjęta decyzja co do podstawowych wymagań, tzn. akceptujemy wymiary przetwornika, wymaganą rozdzielczość (co jednocześnie oznacza wybór częstotliwości pracy systemu) oraz typ sonaru.
Nasuwa się następne pytanie: na jak dużą odległość system może skutecznie pracować?
Odpowiedź zależy od tego, o jakiej odległości myślimy. Czy myślimy o bezpiecznych odległościach, ale dotyczących głębokości pod kadłubem (jak w echosondzie pionowej), czy o zapewnieniu bezpiecznego dystansu z przodu przed statkiem (jak w sonarach FSL).
Zasięg (odległość) związany jest z propagacją fali dźwiękowej w wodzie. Fala dźwiękowa w wodzie morskiej podlega tłumieniu i rozchodzi się wielotorowo.

Tłumienie

Tłumienie jest to utrata energii akustycznej w wodzie. Im dłuższa jest droga propagacji, tym utrata energii jest większa. Także im wyższa częstotliwość, tym straty są większe. Jeśli potrzebujemy dużej rozdzielczości (wymagana wąska wiązka akustyczna) oraz jednocześnie dużego zasięgu, trzeba wykorzystywać niską częstotliwość oraz duży przetwornik, aby wytwarzał wąską wiązkę na tej częstotliwości. Przykładem takiego systemu jest echosonda wielowiązkowa EM120 firmy Kongsberg Marine. Może ona mapować dno na największej głębokości oceaniczne (11 km Rów Mariański). Częstotliwość 12 kHz, rozmiar anteny akustycznej 7 metrów.

Propagacja wielotorowa

Na płytkiej wodzie dźwięk odbija się zarówno od dna jak i od powierzchni wody. Rozchodząc się w poziomie dźwięk częściej uderza o granice różnych warstw wody niż o dno. Na długiej drodze dźwięk odbija się wiele razy w różnych kierunkach generując na różnych warstwach wody “promienie akustyczne”. W miejscu anteny odbiorczej sonaru te wszystkie promienie mieszają się, więc trudno jest określić głębokość celu analizując taki sygnał. (Jest to analogia do sytuacji gdy próbujemy przy pomocy latarki patrzeć przez długą, wąską szczelinę). Konstruktorzy sonarów często określają maksymalną odległość, jaką można osiągnąć w poziomie na 10 – 12 krotnej głębokości akwenu.

To nie jest dokładne ograniczenie, ponieważ zasięg zależy także od twardości dna (zdolność do odbijania), jak szorstka jest powierzchnia oraz jak zaawansowana technologicznie jest obróbka sygnału. Ale z pewnością trudno jest uzyskiwać profil dna poza zakresem odpowiadającym 10-krotnej głębokości. Na taką odległość zwykle można tylko wykryć coś i powiedzieć, że na tym kierunku jest coś, co odbija sygnał. Nie można powiedzieć dokładnie na jakiej głębokości jest cel.



 

Zasady dotyczące cookies W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia Państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. To find out more about the cookies we use and how to delete them, see our privacy policy.

I accept cookies from this site.

EU Cookie Directive Module Information