Przegląd technik sonarowych pomocnych w nawigacji morskiej - Posługiwanie się echosondami wielowiązkowymi 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

Posługiwanie się echosondami wielowiązkowymi

Pionowa echosonda wielowiązkowa 2D

Wykonując pomiary batymetryczne (profilowanie dna), echosonda MBES generuje wachlarz wiązek jak pokazano na rysunku 2. Wiązki patrzą w dół poprzecznie do ruchu statku tworząc zestaw dwuwymiarowy (2D). Każdy ping sonarowy określa głębokość na przekroju dna poprzez obrys śladu na dnie (różowy). Całkowita długość tego przekroju zwykle wynosi 2 - 3 razy średniej głębokości.

echosonda_2D

Poruszając się w przód, pomierzone głębokości są składane po każdym pingu w mozaikę budując pas mapy dna. Po angielsku ten pas jest zwykle zwany "swath" (pokos). Do mozaikowania potrzebna jest dokładna znajomość pozycji statku i sonaru w odniesieniu do Ziemi. Stąd w uzupełnieniu do sonaru wymagany jest GPS oraz czujnik ruchu kołysań bocznych, wzdłużnych i pionowych statku.

Statek pomiarowy porusza się wzdłuż tras pomiarowych (tam i z powrotem), aby pokryć pasami całą mierzoną powierzchnię dna. Im szerszy pas, tym mogą być większe odległości pomiędzy trasami pomiarowymi (transektami) i mniej czasu trzeba poświęcić na pomiary danego obszaru dna. Dla klienta oznacza to, że im szerszy jest pas pokrycia pojedynczego pingu, tym tańsze będą pomiary. Należy zwrócić uwagę, że końcowa mapa dna będzie trójwymiarowa (3D), ale budowana jest z plastrów dwuwymiarowych.

Echosonda 2D pionowo patrząca w przód

Jeśli wachlarz wiązek zostanie ustawiony wzdłuż osi statku i jednocześnie zwrócony w przód, echosonda będzie rysować pionowy przekrój dna przed statkiem jak na rysunku 3. Jest to obraz dwuwymiarowy przekroju dna wzdłuż kursu statku. Zestaw wiązek jest pochylony w kierunku dna. Górna wiązka niemal ślizga się po powierzchni akwenu (w poziomie), a pozostałe bardziej zwracają się kolejno w kierunku dna. Jeśli wszystkie wiązki mają tę samą szerokość, wówczas im większy dystans, tym większy będzie ślad wiązki akustycznej.

echosonda_2D_przod

Rysunek 4 wyjaśnia jak będzie wyglądać echogram: intensywność echa akustycznego w stosunku do odległości i kąta w pionie po skompensowaniu strat wynikających z tłumienia. 

zasieg

Kolor ciemno-niebieski oznacza słabe echa, kolor czerwony oznacza głośne echo. Dno nie wygląda jak linia ciągła, ponieważ niektóre powierzchnie dna dobrze odbijają sygnał akustyczny a inne słabiej. W odległości mniejszej niż 10 - 12 głębokości wody pod statkiem głębokość dna przed statkiem może być zmierzona. W większej odległości trudno jest określić głębokość akwenu. Możliwe jest jedynie przypuszczenie, że jasny wyskok na ekranie w większej odległości stanowi silny reflektor, którym może być przeszkoda nawigacyjna lub wystająca z dna, niezbyt wysoka w porównaniu do otaczającego dna skała.

Można zadać pytanie: czy taki rezultat może zapewnić bezpieczną nawigację?

Jeśli byłaby możliwość zmniejszenia szybkości lub zatrzymani statku, odpowiedź byłaby „tak”.

Jeśli jednak chcielibyśmy zobaczyć, co jest po lewej lub po prawej stronie tego pionowego przekroju i znaleźć drogę dla manewru w celu uniknięcia kolizji, odpowiedź byłaby „nie”. Do tego potrzebny byłby obraz trójwymiarowy.

Skanowanie mechaniczne

Jest możliwe wykorzystanie skanowania mechanicznego wiązkami akustycznymi i budowania obrazu trójwymiarowego 3D. Ale to oznacza, że na każdy oddzielny przekrój trzeba przeznaczyć pewien czas. Przykładowo, 30 przekroi o zasięgu 450 m każdy wymagałoby czasu 20 sekund aby zbudować z nich obraz 3D.

Ponadto przekroje pionowe nie będą zgrane, ponieważ statek się porusza. W związku z tym potrzebny byłby dodatkowy czas na obróbkę danych.

Biorąc pod uwagę, że w ciągu 20 sekund statek płynący z szybkością 10 węzłów pokona dystans 100m, takie rozwiązanie byłoby praktycznie nie do zaakceptowania dla nawigatorów dużych lub średniej wielkości statków. Byłoby może akceptowane jedynie przez jednostki rekreacyjne.

Echosonda 2D poziomo patrząca w przód

Załóżmy, że wiązka jest ustawiona w pozycji poziomej i jest pochylana w pionie. Załóżmy też, że wiązki są wystarczająco wąskie i są pochylone w kierunku dna tak, aby zapewnić wystarczająco mały ślad wiązki. Rezultat jest widoczny na rysunku 5. To jest podobne do echosondy wielowiązkowej patrzącej w dół. Można pomierzyć głębokość pasa dna pokrytego śladami wiązek.

widok_2D_wprzod

Jeśli statek porusza się prosto do przodu to wyniki z ostatniego pingu oraz z pingu przedostatniego mogą tworzyć mozaikę dna 3D (wymagane są czujniki pozycji statku oraz sonaru). Jeśli zostanie wykonany ostry skręt, to całe dno przed statkiem staje się nowym dnem, które wcześniej nie było sondowane i dlatego mozaikowanie musi rozpoczynać się od początku. Dodatkowo w tym podejściu można dostatecznie szerokimi pionowymi wiązkami pochylać w dość płytkim kącie tak, aby uzyskiwać szeroki pas dna przed statkiem podczas pojedynczego pingu.

widok_2D_wprzod_poziomo

Rysunek 7 przedstawia znormalizowany rozkład intensywności ech w zależności od kąta w poziomie oraz od odległości przy skompensowanych stratach wynikających z propagacji dla tego typu sonaru.

echo

Nie ma możliwości pomiaru głębokości dla każdego punktu dna w dużej odległości, ponieważ ślad wiązki jest zbyt duży, ale taka prezentacja (styl radarowy) jest użyteczna dla alarmowania o potencjalnych przeszkodach. Nawet bez szacowania głębokości użytkownik ma świadomość, że duży jasny wyskok na ekranie jest spowodowany silnym odbiciem od prawdopodobnej przeszkody. Trzecim możliwym przybliżeniem jest skanowanie pionowe wąską wiązką ponad omówionym zobrazowaniem 2D i w ten sposób utworzenie zobrazowania dna w 3D. Jednak ponownie, skanowanie (mechaniczne albo elektroniczne) zabiera dodatkowy czas.  

Kombinacja skanowania pojedynczą wiązką w pionie i w poziomie

Takie skanowanie zastosowała firma Interphase w swoich sonarach Twinscope. Przetworniki w tych sonarach składają się z dwóch rzędów przetworników. Jeden rząd skanuje pionowo wąską wiązką odwzorowując pionowy przekrój dna bezpośrednio przed statkiem, podczas gdy drugi rząd przetworników skanuje poziomo wąską wiązką odwzorowując poziomy obraz dna przed statkiem.

Ponieważ oba procesy skanowania zajmują czas, użytkownik często postępuje tak, że włącza tryb skanowania pionowego, ustawia alarm głębokości i płynie do momentu aż zadziała alarm głębokości. Wówczas przełącza w tryb skanowania poziomego i poszukuje drogi ominięcia przeszkody.

Sonar 3D patrzący do przodu

Wyobraźmy sobie sonar, który wytwarza zestaw wiązek 3D jak pokazano na rysunku 8. Taki sonar w wyniku pojedynczego pingu może tworzyć rzeczywisty, trójwymiarowy obraz dna przed statkiem bez potrzeby pochłaniania czasu na oddzielne skanowania.

sonar_3D_wprzod

Jest to najszybszy, ale jednocześnie bardzo złożony sposób patrzenia w przód. Przykładem sonaru patrzącego w przód, dającego rzeczywiste zobrazowanie 3D jest sonar firmy FarSounder FS-3DT.

sonar_3D_wprzod_widok

Rysunek 9 przedstawia zrzut z ekranu takiego sonaru uzyskiwany przy pomocy pojedynczego pingu. Widoczny jest wrak statku „Black Bart” w pobliżu miasta Panama City na Florydzie. Ogólna głębokość dna wynosi 22 metry.

Wykryty wrak statku jest prezentowany przy pomocy kul w kolorach odpowiadających intensywności echa (wyraźnie widoczny mostek statku wystający około 10 m ponad dno).   Wrak jest dużym obiektem w odległości 165m. Mały obiekt w żółtym kolorze w odległości 83m jest małą skałą. Biała siatka “druciana” pokazuje kąt w poziomie, odległości w poziomie i przekrój głębokości w dół do 50 m.

Jak poprzednio, można tworzyć mozaikę obrazów. Ale w tym systemie mozaika jest tworzona natychmiast „bezszwowo” nawet, gdy statek skręca.

Ogólnie to, czego użytkownik może się spodziewać od sonaru patrzącego do przodu można wyrazić następująco:

 

  • Zasięg wykrywania typowych nawigacyjnych przeszkód (bez oszacowania głębokości):
    Zasięg mógłby być dostatecznie duży, ale jest ograniczony rozmiarami miejsca do instalowania przetwornika. Jeśli byłoby miejsce do zainstalowania przetwornika o rozmiarach 0.5 m, można osiągnąć zasięg ponad 1000m.
  • Zasięg horyzontalny, w ramach którego można oszacować głębokość dna:
    Z reguły jest ograniczony do odległości równej około 10 krotnej ogólnej głębokości dna
  • Dokładność pomiaru głębokości dna oraz rozdzielczość dna
    Dokładność może być dostatecznie wysoka (bliska dokładności echosond hydrograficznych), w zakresie odległości w poziomie równej dwukrotnej głębokości ponieważ ślad wiązki jest w tym rejonie dostatecznie mały. Ale praktyczna wysokość tej dokładności nie jest tak istotna gdyż taka odległość nie stanowi krytycznego obszaru z punktu widzenia bezpieczeństwa, ponieważ byłoby za późno, aby uniknąć przeszkody w tak małej odległości.
    Dokładność maleje w miarę wzrostu odległości w poziomie.
  • Częstość aktualizacji
    W sonarach FLS o rzeczywistym zobrazowaniu 3D aktualizacja jest najszybsza z możliwych, ale nie może odbywać się częściej niż czas dwukrotnego przelotu impulsu, który dla zasięgu 1000m wynosi 1.7 sekundy.
    W sonarach skanujących FLS aktualizacja jest przynajmniej kilka razy wolniejsza (przy pracy na tym samym zakresie).
  •  Graficzny interfejs użytkownika
    To jest istotna właściwość, ponieważ łącznie z alarmem, jest tym, co motywuje użytkownika do rozpoczęcia manewru ominięcia przeszkody. Takie typowe okno graficzne zawiera:
    a) Długi zasięg (ponad 10 krotną głębokość) sektora widzenia, zobrazowanie w stylu radarowym z automatycznym wykrywaniem celów (potencjalnych przeszkód).
    b) Widok dna w zobrazowaniu 3D aż do 10-12 krotnej głębokości wody, z automatycznym ostrzeganiem o głębokości niebezpiecznej.

 

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