Кіріспе
Сонар деректерін кейіннен өңдеуді пайдаланатын сонар түрі Синтетикалық апертуралы сонар (SAS) – сонар деректерін кейіннен өңдеудің күрделі әдісі, синтетикалық апертуралы радарға ұқсас принциптермен қолданылады. Синтетикалық апертуралы сонарлар бірнеше акустикалық импульстарды біріктіріп, дәстүрлі сонарларға қарағанда жол бойымен әлдеқайда жоғары ажыратымдылыққа ие кескінді құрайды. Жол бойындағы ажыратымдылық бір сонар элементінің ұзындығының жартысына жуық болуы мүмкін, бірақ толқын ұзындығының 1/4 бөлігімен шектеледі. Синтетикалық апертуралы сонардың принципі – сонарды қозғалысқа келтіріп, теңіз түбіндегі бір нүктені бірнеше импульспен сәулелендіру. Тіке сызық бойымен қозғалғанда, сәуле ені ішінде кескінді құрайтын импульстар синтетикалық массивті құрайды. Барлық импульстардан алынған деректерді байланыстырып қайта ұйымдастыру арқылы жол бойымен жақсартылған ажыратымдылыққа ие синтетикалық апертуралы кескін жасалады. Дәстүрлі жақтан қарап сканерлейтін сонардан (SSS) айырмашылығы, SAS өңдеуі жол бойындағы қашықтықтан тәуелсіз ажыратымдылықты қамтамасыз етеді. Ең үлкен қашықтықтағы ажыратымдылық жақтан қарап сканерлейтін сонардан еселеп артық болуы мүмкін. 2013 жылғы технологиялық шолу, мысалдарымен және болашақ тенденцияларымен бірге қолжетімді. Академиктер үшін IEEE Journal of Oceanic Engineering журналындағы «Синтетикалық апертуралы сонар, қазіргі жағдайға шолу» мақаласы тарихқа шолу жасап, 2009 жылға дейінгі қоғамдық жетістіктердің кең тізімін ұсынады. Синтетикалық апертураның ұзындығы:
Synthetic aperture sonar (SAS) is a form of sonar in which sophisticated post processing of sonar data is used in ways closely analogous to synthetic aperture radar. Synthetic aperture sonars combine a number of acoustic pings to form an image with much higher along track resolution than conventional sonars. The along track resolution can approach half the length of one sonar element, though is downward limited by 1/4 wavelength. The principle of synthetic aperture sonar is to move the sonar while illuminating the same spot on the sea floor with several pings. When moving along a straight line, those pings that have the image position within the beamwidth constitute the synthetic array. By coherent reorganization of the data from all the pings, a synthetic aperture image is produced with improved along track resolution. In contrast to conventional side scan sonar (SSS), SAS processing provides range independent along track resolution. At maximum range the resolution can be magnitudes better than that of side scan sonars. A 2013 technology review with examples and future trends is also available. For academics, the IEEE Journal of Oceanic Engineering article: Synthetic Aperture Sonar, A Review of Current Status gives an overview of the history and an extensive list of references for the community achievements up to 2009. The length of the synthetic aperture is
Where R is the range, is the wavelength at center frequency and d is the along track element size in the array. is a programmable parameter which controls the process beamwidth the beamwidth actually processed.
Мұнда R – қашықтық, d – массивтегі жол бойындағы элементінің мөлшері, ал – орталық жиіліктегі толқын ұзындығы. – процестік сәуле енін (нақты өңделген сәуле енін) басқаратын бағдарламаланатын параметр.
Synthetic aperture sonar (SAS) is a form of sonar in which sophisticated post processing of sonar data is used in ways closely analogous to synthetic aperture radar. Synthetic aperture sonars combine a number of acoustic pings to form an image with much higher along track resolution than conventional sonars. The along track resolution can approach half the length of one sonar element, though is downward limited by 1/4 wavelength. The principle of synthetic aperture sonar is to move the sonar while illuminating the same spot on the sea floor with several pings. When moving along a straight line, those pings that have the image position within the beamwidth constitute the synthetic array. By coherent reorganization of the data from all the pings, a synthetic aperture image is produced with improved along track resolution. In contrast to conventional side scan sonar (SSS), SAS processing provides range independent along track resolution. At maximum range the resolution can be magnitudes better than that of side scan sonars. A 2013 technology review with examples and future trends is also available. For academics, the IEEE Journal of Oceanic Engineering article: Synthetic Aperture Sonar, A Review of Current Status gives an overview of the history and an extensive list of references for the community achievements up to 2009. The length of the synthetic aperture is
Where R is the range, is the wavelength at center frequency and d is the along track element size in the array. is a programmable parameter which controls the process beamwidth the beamwidth actually processed.
Жол бойындағы ажырату
Дәстүрлі жақты сканерлеу сонарында трасса бойынша ажыратымдылық қашықтық артқан сайын нашарлайды, нысана сенсорға жақын болғанда жоғары ажыратымдылықпен бейнеленеді, ал алыс болғанда ажыратымдылығы төмендейді. Синтетикалық апертуралы сонар жүйесінде трасса бойынша ажыратымдылық барлық қашықтықтарда тұрақты болады, яғни нысана сенсордан көптеген қашықтықтарда бірдей көрінуі керек. Мұндағы – нысанаға дейінгі қашықтық, – массивтің ұзындығы, ал – жиіліктің функциясы – акустикалық толқын ұзындығы. Бұл, қашықтағы нысана үшін жоғары трассалық ажыратымдылықты қамтамасыз ету үшін дәстүрлі жақты сканерлеу сонарына өте ұзын массив ұзындығы қажет екенін білдіреді. Жиілік жоғарылағанда акустикалық энергияның әлсіреуі және толқын ұзындығының азаюы тиімді қашықтықты қысқартады. Синтетикалық апертуралы сонар ұзын синтетикалық массив құрайды, мүмкіндігінше түзу сызықта қозғалады, теориялық түрде бірнеше сантиметрлік трассалық ажыратымдылықты қамтамасыз етеді. Іс жүзінде ажыратымдылық біршама нашарлауы мүмкін, бірақ бәрібір дәл сол өлшемдегі дәстүрлі жақты сканерлеу сонарынан әлдеқайда жақсы.
Кейінгі өңдеу
Дәстүрлі сайдскан сонарлары көбінесе қосымша өңдеуді қажет етпей, деректерді түсіргеннен кейін дереу қолжетімді болады, ал синтетикалық апертуралық сонарлар қуатты компьютерлерде жүргізілетін күрделі пост-өңдеуге тәуелді, бұл деректерді түсіруден талдауға дейінгі уақытты ұзартады. Кейбір жүйелер төмендеген ажыратымдылықта нақты уақыт өңдеуді ұсынады, бұл бақылаулар негізінде миссияны өзгертуге және объектілерді жіктеу үшін машиналық оқыту платформасын пайдалануға мүмкіндік береді. Сондай-ақ, бұл SAS үшін қажетті деректерді сақтау көлемі өте үлкен екенін көрсетеді – сағатына 60-ден 90 ГБ-қа дейін шикі деректер жиі кездеседі.
Аумақтық қамту
Аумақты қамту гидроакустиканың коммерциялық қолданылымындағы ең маңызды факторлардың бірі болып табылады. SSS және SAS жүйелері үшін екі жақты жүйеде (яғни, оң және сол жақ сенсорлары бар жүйеде) бір мезгілде қамтылатын аумақ:
мұнда – максималды жер бетіне дейінгі қашықтық, – Надир аралығына дейінгі ең қысқа қашықтық, ал – сонардың жылдамдығы. Нақты қамтылған аумақ бұл көрсеткіштен сәл кем болады, сондай-ақ теңіз миналары да осыған қатысты.
Азаматтық қолдану
Су астындағы автономды аппараттардан орнатылған синтетикалық апертуралы сонар суға батқан кемелер мен қиындықтарды табу үшін қолданылды. Бұл, Малайзия әуе компаниясының 370-ші рейсін іздеу кезінде пайдаланылған бірнеше сенсор түрлерінің бірі болды. Осы типтегі сонар қазір мұхитты зерттеуде де қолданыла бастады. NOAA, Kraken Robotics және ThayerMahan 2019 жылы бірлескен технологиялық демонстрация өткізді, онда синтетикалық апертуралы сонар көрсетілген технологиялардың бірі еді. Көмірқышқыл газының шығуы синтетикалық апертуралы сонар және жетілдірілген сигналды өңдеудің бірлескен қолданылуы арқылы анықталуы мүмкін екені дәлелденді және бұл мәселе бойынша зерттеулер жалғастырылуда. Норвегияда синтетикалық апертуралы сонарды қолдана отырып, жоғалған балық аулау құралдарын, қаптарды және торларды іздеу жұмыстары жүргізілді.