Parametryczna echosonda typu SES-96 Drukuj Email
Artykuły - Publikacje
Piątek, 21 Wrzesień 2007 10:32

Firmy pogłębiające akweny są zainteresowane dokładnymi informacjami dotyczącymi warunków materiałowych w rejonie prowadzonych prac takich jak struktura osadów, typ osadów oraz objętość osadów. Nowe technologie znacznie zwiększają efektywność pozyskiwania potrzebnych informacji oraz danych.

Często trudne jest uzyskanie pomiarów o dużej dokładności w czasie pogłębiania akwenu spowodowane bądź to niskim stosunkiem sygnał / szum, bądź utrzymującą się zawiesiną mułu bezpośrednio po procesie pogłębiania.

Jaki jest właściwie poziom pogłębienia? Gdzie skały są odkryte? Jaka jest grubość zasypania rurociągu? Jak gruba jest warstwa nanosu? Jak gruba jest warstwa materiału do usunięcia? Czy np. w rejonie pozyskiwania piasku jest dostateczna ilość do jego wykorzystania? To są tylko niektóre pytania, na które padnie odpowiedź podczas badania akwenu za pomocą echosondy SES-96 w wersji standardowej lub lekkiej.

Efekt parametryczny

Echosondy typu SES-96 produkcji firmy Innomar pracują w oparciu o efekt parametryczny. W porównaniu do echosond dwuczęstotliwościowych czy liniowych penetrujących w dno, echosondy parametryczne posiadają szereg korzyści.

 

Rys. 1: Opis efektu parametrycznego

Transmisji fal dźwiękowych pod wysokim ciśnieniem powoduje powstanie nieliniowości w propagacji dźwięku. Jeśli transmitowane są dwie mało różniące się częstotliwości, w wodzie następuje ich wzajemne oddziaływanie. Powstają fale będące sumą i różnicą tych częstotliwości. Fale wysokiej częstotliwości hf mogą być wykorzystane do określenia głębokości akwenu. Generowana fala o częstotliwości różnicowej lf jest zdolna do penetracji dna i podawania informacji o strukturze dna.

Generowanie fali o częstotliwości różnicowej jest ograniczone właściwościami przetwornika oraz efektywnością efektu parametrycznego. Efektywność wzrasta ze wzrostem różnicy transmitowanych sygnałów pierwotnych. Jednakże ograniczone pasmo przetwornika zmniejsza efektywność systemu. Tak więc w tej dziedzinie wymagany jest kompromis.

Zalety echosond SES-96

Generowanie częstotliwości różnicowej z wykorzystaniem efektu parametrycznego ma kilka zalet w porównaniu do bezpośredniego transmitowania częstotliwości lf
Właściwości sygnałów takie jak apertura czy szerokość pasma są także ważne dla sygnałów lf

 

Wykorzystując w systemie SES-96 częstotliwość pierwotną około 100kHz uzyskuje się wiązkę odpowiadającą spadkowi mocy o połowę o szerokości +/-1,8° dla wszystkich generowanych częstotliwości lf = 4, 5, 6, 8, 10 lub 12kHz. Ta wiązka daję na dnie jednakowej szerokości ślad dla wszystkich częstotliwości. Przy głębokości 5m ślad wiązki ma powierzchnię 0,31m x 0,31m.

 

Rys. 2: Szerokość wiązki

Dodatkowo wiązka nie posiada listków bocznych więc badanie małych akwenów, takich jak baseny portowe, staje się możliwe bez wnoszenia zakłóceń powodowanych echami bocznymi.

Wymiary przetwornika systemu SES-96 wynoszą tylko 0,2 x 0, 2m2. System jest mobilny. Aby przy spadku mocy o połowę uzyskać tę samą szerokość wiązki w przypadku echosondy liniowej na 6 kHz wymiary przetwornika wyniosłyby 3,3 x 3,3m2. Uzyskanie wąskiej wiązki jest ważne, ponieważ umożliwia większą rozdzielczość w pionie i poziomie. Szczególnie rewerberacje od powierzchni dna wzrastają przy większej szerokości wiązki i wówczas nie można uzyskać użytecznych danych dotyczących struktury jednego do dwóch metrów poniżej powierzchni dna. Przy wąskiej wiązce obraz struktur poziomów oraz obraz obiektów pod powierzchnią dna jest bardziej realistyczny.

Co więcej, wąska wiązka przy niskiej częstotliwości jest bardzo użyteczna podczas badania obszaru pogłębianego w którym utrzymuje się zawiesina mułu. Czasami w typowych echosondach pomiar rzeczywistej głębokości jest niemożliwy nawet przy niskich częstotliwościach ponieważ na drobinach piasku następuje rozproszenie dźwięku i wzrasta tłumienie w takiej wodzie.

Duża szerokość pasma systemu pozwala na generowanie bardzo krótkich sygnałów. Możliwe jest transmitowanie sygnału nawet o jednej długości fali na częstotliwości 12 kHz bez zjawiska tzw. dzwonienia. Tak więc nawet przy badaniu płytkich akwenów możliwe staje się uzyskanie dużej rozdzielczości.

Systemy SES-96, lekki oraz standardowy składają się z układu elektroniki w solidnej, przenośnej 19 calowej obudowie (waga: lekki 33kg, standard:45kg), przetwornika z kablem (waga: 32kg) i kolorowej drukarki.

System SES-96 wykorzystuje dwie pierwotne częstotliwości około 100kHz do generowania częstotliwości różnicowych. Możliwość wysyłanie bardzo krótkiego impulsu bez efektu dzwonienia, np. impulsu o długości jednej sinusoidy przy częstotliwości 12 kHz daje bardzo dobrą rozdzielczość poziomów i obiektów już od 5 centymetrowej grubości. W zależności od potrzeb do badań można dobrać najbardziej efektywną częstotliwość różnicową.

 

 

Rys.3: SES-96 „lekki” podczas prac w Holandii Rys.4: SES-96 „standard” podczas prac w Libanie

 

 

Rys.5:Przetwornik systemu SES-96, wersja lekka i standardowa
Rys.6:Przetwornik zamontowany na łodzi badawczej

Dokładność pomiaru głębokości dna mierzona na najmniejszym zakresie przy częstotliwości 100 kHz wynosi 0,02 m +0,02% głębokości.
W standardowym systemie SES-96 możliwe jest elektroniczne sterowanie pochyleniem wiązki. Jest to stosowane do korekcji wzdłużnych i poprzecznych przechyłów statku w zakresie +/-5 stopni. System z opcjonalnym przetwornikiem może kompensować przechyły poprzeczne w zakresie +/- 16 stopni. Faktyczne przechyły łącznie z wahaniami pionowymi statku są mierzone czujnikiem ruchu. Możliwe są dostawy czujników produkcji firm: Seatex, TSS lub Octans. Korekcja przechyłów wzdłużnych i poprzecznych odbywa się w trybie on-line, natomiast wahań pionowych w trybie on-line lub off-line.

Dane o pozycji

Stosowane mogą być dowolne, dostępne na rynku systemy nawigacyjne, które posiadają interfejs NMEA kodu ASCII. Zapamiętywane są dane cyfrowe dotyczące wysokiej i niskiej częstotliwości. Dodatkowo zapamiętywane są informacje z GPS oraz z czujników ruchu jak również parametry systemu.

Dane zapamiętywane / echogramy

Wszystkie dane (sygnał Lf, sygnał Hf, dane o pozycji z odbiornika GPS, jeśli podłączony jest czujnik ruchu także dane o wahaniach bocznych, wzdłużnych i pionowych) są zapamiętywane cyfrowo w celu odtwarzania lub postprocesingu wykorzystując oprogramowanie ISE.
Echogramy mogą być generowane w trybach on-line oraz off-line.

Częstość impulsowania

Typowo w SES-96 częstość impulsowania wynosi do 30 impulsów na sekundę, jest to podstawą dla dobrej detekcji obiektu.

Większa częstość impulsowania zwiększa szansę na wielokrotne "uderzenie" zasypanego obiektu i jego identyfikację.

Rys.7: Częstość impulsowania podczas szukania obiektu

Tabela podaje ilość uderzeń w zależności od częstości impulsowania przy szybkości statku 2m/s i 5-metrowej głębokości. Średnica powierzchni identyfikowanego obiektu: 0.2m:

Częstość impulsowania (impuls /sekundę) 5 10 20 30
Liczba uderzeń 1 2 4 6

Po obróbce sygnału (np. po zarejestrowaniu w pamięci), pozostanie zapamiętanych tylko kilka sygnałów odbitych od obiektu. Aby zidentyfikować obiekt o średnicy 0.2m, statek powinien płynąć wolniej niż 1 m/s. Przy prędkości 2m/s i częstości impulsowania 30/s wykrywane będą pojedyncze obiekty o średnicy powyżej 0.4m.
Przy krótkich impulsach częstość impulsowania można zwiększyć do 60 impulsów na sekundę. Ma to sens przy szukaniu obiektów na płytkich wodach.

Rezultaty badań dla zastosowań pogłębiarskich

W czasie ostatnich miesięcy realizowano sporo projektów badawczych dla firm pogłębiających akweny. Najważniejsze z nich realizowano w Holandii, w Niemczech, w Indiach, w Libanie oraz w Hong Kongu.

Głównymi celami realizowanych badań były:
? Określenie głębokości z dużą dokładnością.
? Określenie wymaganych poziomów pogłębienia przy budowie falochronów.
? Oszacowanie objętości urobku.
? Kontrola obszarów zamulonych, określenie grubości warstwy nanosu.
? Określenie grubości warstwy błota.
? Kontrola pokrycia podwodnych rurociągów.

Przykłady prezentujące rezultaty stosowania systemu SES-96. We wszystkich przypadkach instalację systemu SES-96 na burcie wykonano w ciągu kilku godzin.

 

Rys.8: Instalacje przetworników podczas badań w Indiach i Hong Kongu.

Przeprowadzono testy różnych profili aby ustalić najlepsze nastawy systemu np. w celu ustalenia optymalnej niskiej częstotliwości. Głębokość penetracji w głąb zależy od materiału dna. Generalnie na niższej częstotliwości głębokość penetracji jest większa niż na wyższej częstotliwości. Zdolność rozdzielcza jednak jest przeciwieństwem do tej reguły, jest większa przy wyższych częstotliwościach i mniejsza przy niższych.
Aby uzyskać dużą rozdzielczość poziomów, długość impulsu powinna być jak najmniejsza. Jednak podczas prowadzenia prac pogłębiarskich, gdy stosunek sygnał /szum jest niewystarczający, impuls musi zostać wydłużony w celu poprawy tego stosunku.

Głębokości mierzone echosondami są związane z uprzednio pomierzoną prędkością dźwięku w kolumnie wody. Do jej pomiaru stosowano czujniki pomiaru prędkości dźwięku. Zaawansowana technika obróbki sygnału w oprogramowaniu SES pod Windows generuje obrazy o dużej rozdzielczości już podczas prowadzenia badań. Możliwe jest adoptowanie rezultatów badań do istniejących warunków. Wartości głębokości dla obu kanałów, niskiej i wysokiej częstotliwości, są automatycznie kalkulowane i na bieżąco podawane na wyjściu w kodzie ASCII. W celu cyfrowego zapisu poziomu osadu dennego skorygowanego o dane o oddzielnie zarejestrowane informacje o pływach i wyprowadzania tego zapisu w formacie kompatybilnym do kodu ASCII użyto postprocesingowego oprogramowania narzędziowego Innomar ISE 2.5.

Badania w Indiach (Morze Arabskie)

Poniższy rysunek pokazuje echogram z badań w Indiach gdzie zasadniczym zadaniem było określenie poziomu skalnego znajdującego się poniżej warstwy materiału miękkiego. Każdy kolor na echogramie jest rezultatem odebranego echa fali dźwiękowej. Zmiana w materiale impedancji akustycznej (parametr wiążący gęstość i prędkość dźwięku) powoduje częściowe odbicie fali dźwiękowej. Upraszczając, każda granica dwóch różnych materiałów objawia się linią na echogramie. Dodatkowymi wpływami są szumy, efekty rewerberacji, dźwięki pochodzące od statków, odbicia od obiektów w wodzie i na dnie itp. Sygnał jest obrabiany w systemie SES-96, rezultatem tej obróbki są kolory generowanych echogramów wyróżniające zmianę siły sygnału a nie jego amplitudę jak w innych echosondach.

Od lewej do prawej miększy materiał zmienia się z bardziej piaszczystego, na bardziej gliniasty. Szczególnie w rejonach gliniastych można z dużą rozdzielczością wyróżnić wiele poziomów. Głębokość w tych rejonach wynosiła od 6 do 15 metrów. Osiągalna penetracja dochodziła do 10m. Klient pobrał kilka próbek z odwiertów w tym rejonie. Porównano klasyfikację materiału z próbek oraz informacje z danych pochodzących z echosondy. Skorygowano różnice prędkości dźwięku w wodzie oraz w osadach dennych. Wyniki porównania próbek pochodzących z odwiertów z echogramami uzyskanymi w wyniku obróbki postprocesingowej sygnału okazały się zbieżne. Końcowym rezultatem było utworzenie mapy określającej głębokość poziomu skalnego.

Rys. 9: Echogram z różnymi poziomami piasku i gliny oraz odkrytych skał

Innym celem badań było znalezienie obszarów pozyskiwania piasku. Przebadano otaczające obszary. Rezultatem badań jednej z zatok było oszacowanie zasobów piasku. Za pomocą oprogramowania ISE 2.5 wyznaczono cyfrowo górną i dolną granicę poziomów zalegania piasku. Te dwie granice są widoczne na mapach konturowych. W ciągu dwóch dni łącznie z badaniami i obróbką postprocesingową możliwe było określenie granic poziomów piasku w badanej zatoce.

 

 

Rys. 10: Mapy konturowe określające odkryte rejony pozyskiwania piasku.

Badania w Hong Kongu

Na wstępie dokonano optymalizacji konfiguracji sygnału sondującego w celu poprawy tego stosunku sygnał / szum. W związku z dużą zawartością drobin w wodzie wywoływaną częstym ruchem statków, zakłóceniami od silników okrętowych oraz silnym zapowietrzeniem wody, stosunek sygnał /szum często był niedostateczny. Innym źródłem zakłóceń była praca pogłębiarek czerpakowych nasiębiernych. Porównując środowisko akustyczne podczas badań w Indiach oraz w Hong Kongu, stosunek sygnał / szum w tym ostatnim był dwudziestokrotnie gorszy Powodem były prowadzone prace pogłębiarskie oraz nanosy osadów.

Nanosy powodują duże tłumienie dźwięku w wodzie. Objawia się to utratą informacji o głębokości dna szczególnie przy wysokich częstotliwościach. Unikając tego zjawiska uzyskano w systemie SES-96 bardzo dobre rezultaty przy częstotliwości 10 kHz.

Głównym zadaniem było wykorzystanie parametrycznej echosondy SES-96 do monitorowania nanosu. Zarówno duże obszary nanosu, jak i poziomy jego różnej gęstości mogły być wykrywane oraz podawane w postaci cyfrowej. Grubość nanosu czasami dochodziła do 6 metrów. W tych warunkach systemem SES-96 możliwa także była detekcja czystej linii dna poniżej nanosu - jako osiągnięty poziom pogłębienia. Różne kolory na rysunku 12 w obszarach nanosu (niemal płaskie części osadu) oznaczają różną impedancję akustyczną ( a więc różną gęstość i /lub prędkość dźwięku w materiale osadowym). Duża dynamika systemu SES-96 oraz wąska charakterystyka pozwalają na pomiar różnic w impedancji akustycznej w granicach jednego procenta. Zmiana impedancji akustycznej w prawej części echogramu jest mniejsza niż w lewej części i oznacza bardziej miękki nanos (prawdopodobnie nie tak stary jak po lewej stronie). Penetracje po lewej i po prawej stronie rysunku pokazują poziomy dużo głębsze niż poziom dna oszacowany sygnałem wysokiej częstotliwości. Podczas obróbki poziom dna był dygitalizowany w oparciu o kanał HF (czerwona linia na rys.11). Dodatkowo dygitalizowany był poziom pogłębienia, także poniżej nanosu (czarna linia na rys. 12)

Cały obszar zawiera dużo wysokich występów ( patrz rys. 11) których wysokość czasem przekracza 5 metrów. Te występy są rezultatem pogłębiania. Na echogramach standardowych echosond o częstotliwości 15 kHz takie występy często nie są widoczne ze względu na strome zbocza występów. Spowodowane jest to też złą dygitalizacją ponieważ te występy mogą być przeskakiwane. Kalkulacja objętości też jest wówczas błędna. W systemie SES-96 także na niskiej częstotliwości takie występy są wykrywane. Lepsza prezentacja wynika głównie z wąskiej charakterystyki i mniejszego śladu kroku.

W odróżnieniu od echogramu na rys. 9, echogram z rys. 12 prezentuje amplitudę sygnału pochodzącego od odbieranych ech. Spowodowane jest to tym, że przy niskim stosunku sygnał /szum analiza zróżniczkowanych amplitud sygnału jest utrudniona.

Po dygitalizacji głębokości dna oraz poziomu pogłębiania zostały wykonane mapy z kalkulowanym poziomem różnicy. W porównaniu do rezultatów z echosond liniowych, system parametryczny dostarcza kalkulacji znacznie bardziej zbliżonej do rzeczywistych objętości wynikających z pogłębienia.

Rys. 11: Echogram HF głębokości dna (czerwona linia)

Rys. 12: Echogram LF sygnału 10 kHz z nałożonym sygnałem HF uzyskanym po dygitalizacji dna oraz poziomem pogłębienia po jego dygitalizacji.

W ciągu ostatnich miesięcy zrealizowano wiele projektów badawczych. We wszystkich przypadkach rezultaty były znacznie efektywniejsze niżby to było możliwe do osiągnięcia w oparciu o technikę dotychczasową. Szczególnie rezultaty dotyczące kalkulacji objętości czy masy były znacznie dokładniejsze. Tak więc wykorzystanie echosondy parametrycznej SES-96 stwarza możliwości do osiągania oszczędności w procesie pogłębiania poprzez bardziej efektywne badanie obszarów pogłębianych.

 

 

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