Измерение глубины воды с помощью звуковых волн (Использование эхолокации)

Введение

Измерение глубины воды путем передачи звуковых волн в воду и фиксации времени возврата.

Эхолокация или глубинное зондирование – это использование гидролокатора для определения расстояния, как правило, для измерения глубины воды (батиметрии). Метод заключается в передаче акустических волн в воду и регистрации интервала времени между излучением и возвратом импульса; полученное время распространения, в сочетании со знанием скорости звука в воде, позволяет определить расстояние между гидролокатором и объектом. Эта информация обычно используется для навигации или для получения данных о глубинах для картографических целей. Эхолокация также может применяться для определения местоположения других объектов, таких как косяки рыб. Для оценки биомассы рыб и их пространственного распределения традиционно используются мобильные исследования с лодок. В то же время, методы фиксированного расположения используют стационарные преобразователи для мониторинга проплывающих рыб. Термин "зондирование" применяется ко всем видам измерений глубины, включая те, которые не используют звук, и не связан по происхождению со словом "звук" в значении шума или тона. Эхолокация – более быстрый метод измерения глубины, чем предыдущий способ опускания лотлиня до касания дна.

История

Немецкому изобретателю Александру Бему был выдан немецкий патент No. 282009 за изобретение эхозвучания (устройства для измерения глубины моря, расстояний и направлений судов или препятствий с помощью отраженных звуковых волн) 22 июля 1913 года. Между тем, во Франции физик Поль Ланжевен (связанный с Марией Кюри), более известный своими исследованиями в области ядерной физики, был привлечен к работе во французских военно-морских лабораториях в начале Второй мировой войны и проводил (тогда секретные) исследования активных гидролокаторов для борьбы с подводными лодками (с использованием пьезоэлектрического передатчика). Его работа была развита и реализована другими учеными и техниками, такими как Чиловски, Флориссон и Пьер Марти. Хотя полностью работоспособный гидролокатор (сонар) не был готов к использованию в военное время, успешные испытания прошли как у Тулона, так и в Ла-Манше (Канале) уже в 1920 году, и были получены французские патенты для гражданского использования. Океанографические суда и французские суда помощи дальнего плавания были оснащены записывающими гидролокаторами Langevin Florisson и Langevin Marti уже в середине/конце 20-х годов. Одним из первых коммерческих эхозвуковых устройств был фатометр Фессендена, который использовал осциллятор Фессендена для генерации звуковых волн. Впервые он был установлен компанией Submarine Signal Company в 1924 году на лайнере M&M S. S. Berkshire.

Техника

Расстояние измеряется умножением половины времени между отправлением и возвращением сигнала на скорость звука в воде, которая составляет приблизительно 1,5 километра в секунду [T÷2×(4700 футов в секунду или 1,5 км в секунду)]. Для точного применения эхолокации, такого как гидрография, скорость звука также необходимо измерять, обычно с помощью зонда для измерения скорости звука, опускаемого в воду. Эхолокация – это, по сути, специализированное применение гидролокатора, используемое для определения глубины до дна. Поскольку традиционной единицей измерения глубины воды до введения системы СИ была сажень, прибор для измерения глубины воды иногда называют лотметром. На большинстве морских карт используются средние или стандартные значения скорости звука. В тех случаях, когда требуется более высокая точность, для отдельных морских районов могут применяться средние и даже сезонные стандарты. Для получения высокоточных измерений глубины, обычно используемых в специальных или научных исследованиях, может быть опущен датчик для измерения температуры, давления и солености. Эти параметры используются для расчета фактической скорости звука в местном водном столбе. Этот метод регулярно используется Управлением береговой геодезии США для навигационных съемок прибрежных вод США.

Односторонний луч

Однолучевой эхолот – один из самых простых и фундаментальных типов подводного гидролокатора. Они широко распространены в мире судов и используются на различных морских роботизированных аппаратах. Принцип его работы заключается в излучении импульса через воду с помощью преобразователя и последующем приеме отраженного сигнала (эхо). На основе этих данных эхолот определяет расстояние до объекта, отразившего самый сильный сигнал – это может быть дно, бетонная конструкция или другое крупное препятствие. Рыбоискатель – это эхолот, используемый как любителями, так и профессиональными рыбаками.

Обычное использование

Помимо использования в качестве средства навигации (большинство крупных судов оснащены хотя бы простым эхолотом), эхолотирование широко применяется в рыболовстве. Изменения рельефа дна часто указывают на места скопления рыбы. Также на эхолоте будут отображаться косяки рыб.

Гидрография

В районах, где требуется детальная батиметрия, для выполнения гидрографических работ может использоваться прецизионный эхолот. При оценке такой системы следует учитывать множество факторов, включая вертикальную точность, разрешение, ширину акустического луча передатчика/приемника и частоту акустического излучателя. Большинство гидрографических эхолотов являются двухчастотными, то есть низкочастотный импульс (обычно около 24 кГц) может передаваться одновременно с высокочастотным импульсом (обычно около 200 кГц). Поскольку эти две частоты различны, два возвращаемых сигнала обычно не создают помех друг другу. Двухчастотное эхолотирование имеет много преимуществ, в том числе возможность идентификации слоя растительности или слоя мягких отложений поверх скального основания. Для большинства гидрографических операций используется излучатель частотой 200 кГц, который подходит для прибрежных работ на глубине до 100 метров. Для больших глубин требуется излучатель с более низкой частотой, поскольку акустический сигнал на низких частотах менее подвержен затуханию в толще воды. Обычно используемые частоты для глубоководного зондирования – 33 кГц и 24 кГц. Ширина луча излучателя также является важным параметром для гидрографа, поскольку для достижения наилучшего разрешения собранных данных предпочтительна узкая ширина луча. Чем выше рабочая частота, тем уже ширина луча. Поэтому это особенно важно при зондировании на больших глубинах, так как в результате отпечаток акустического импульса может быть очень большим, когда он достигнет удаленного морского дна. Многоспектральный многолучевой эхолот является развитием двухчастотного вертикального эхолота, поскольку он, помимо измерения двух промеров непосредственно под сонаром на двух разных частотах, измеряет множество промеров на множестве частот, под разными углами скоса и в разных точках на морском дне. Эти системы описаны более подробно в разделе, посвященном многолучевым эхолотам. Эхолоты используются в лабораторных условиях для мониторинга переноса осадочных пород, размыва и эрозии в масштабных моделях (гидравлические модели, проточные каналы и т.п.). Они также могут использоваться для создания графиков трехмерных контуров.

In areas where detailed bathymetry is required, a precise echo sounder may be used for the work of hydrography. There are many considerations when evaluating such a system, not limited to the vertical accuracy, resolution, acoustic beamwidth of the transmit/receive beam and the acoustic frequency of the transducer. The majority of hydrographic echosounders are dual frequency, meaning that a low frequency pulse (typically around 24 kHz) can be transmitted at the same time as a high frequency pulse (typically around 200 kHz). As the two frequencies are discrete, the two return signals do not typically interfere with each other. There are many advantages of dual frequency echosounding, including the ability to identify a vegetation layer or a layer of soft mud on top of a layer of rock. Most hydrographic operations use a 200 kHz transducer, which is suitable for inshore work up to 100 metres in depth. Deeper water requires a lower frequency transducer as the acoustic signal of lower frequencies is less susceptible to attenuation in the water column. Commonly used frequencies for deep water sounding are 33 kHz and 24 kHz. The beamwidth of the transducer is also a consideration for the hydrographer, as to obtain the best resolution of the data gathered a narrow beamwidth is preferable. The higher the operating frequency, the narrower the beamwidth. Therefore, it is especially important when sounding in deep water, as the resulting footprint of the acoustic pulse can be very large once it reaches a distant sea floor. A multispectral multibeam echosounder is an extension of a dual frequency vertical beam echosounder in that, as well as measuring two soundings directly below the sonar at two different frequencies; it measures multiple soundings at multiple frequencies, at multiple different grazing angles, and multiple different locations on the seabed. These systems are detailed further in the section called multibeam echosounder. Echo sounders are used in laboratory applications to monitor sediment transport, scour and erosion processes in scale models (hydraulic models, flumes etc.). These can also be used to create plots of 3D contours.

Нормы гидрографического эхозондирования

Требуемая точность и аккуратность гидрографического эхолота определяются требованиями Международной гидрографической организации (МГО) к исследованиям, которые должны проводиться в соответствии со стандартами МГО. Эти значения содержатся в публикации МГО S-44. Для соответствия этим стандартам, гидрограф должен учитывать не только вертикальную и горизонтальную точность эхолота и преобразователя, но и всю измерительную систему в целом. Для компенсации движения судна на поверхности воды может использоваться датчик движения, в частности, компонент вертикальных колебаний (при однолучевом эхолотировании). После определения всех неопределенностей каждого датчика, гидрограф составит бюджет неопределенностей, чтобы установить, соответствует ли измерительная система требованиям, установленным МГО. Различные гидрографические организации имеют собственные наборы полевых процедур и руководств для обеспечения соответствия своих специалистов требуемым стандартам. Примерами являются публикация Инженерного корпуса армии США EM110-2-1003 и "Руководство по полевым работам" NOAA.