Устройство для определения поправок к глубинам, измеренным эхолотом при съемке рельефа дна акватории
DEVICE FOR DETERMINING CORRECTIONS TO DEPTHS, MEASURED BY ECHO SOUNDER WHEN RECORDING TOPOGRAPHY OF BOTTOM OF WATER AREA

Изобретение относится к области использования навигационных и промерных эхолотов и может быть применено для их тарировки.
Известен способ тарировки навигационного эхолота (И.И. Федоров. Эхолоты и другие гидроакустические средства. Курс кораблевождения, т. 5, книга 4. - Л.: Управление начальника Гидрографической службы ВМФ, 1960. - 332 с. [1]), включающий контрольную доску, представляющую собой хорошо отражающую ультразвуковые колебания площадку шириной в несколько десятков сантиметров и достаточной длины для того, чтобы ее можно было расположить горизонтально и одновременно под вибратором-излучателем и под вибратором-приемником. Доска опускается под вибраторы на тросах, разбитых марками для отсчета глубин. Проверка производится при отсутствии хода судна и спокойном состоянии моря, желательно при отсутствии течения. Контрольная доска подводится под вибраторы, а затем постепенно через определенные интервалы глубины опускается до максимально возможной глубины. На каждой глубине производится определение общей поправки эхолота путем сопоставления фактической глубины погружения доски (которая отсчитывается по маркам на тросах) и показаний эхолота (с учетом углубления вибраторов). Общая поправка эхолота определяется по следующей формуле
д
где Н - глубина погружения контрольной доски;
вибр
Н - углубление вибраторов;
э
Н - глубина, измеренная эхолотом.
э
В свою очередь, точность измерения глубины эхолотом Н зависит от конструктивных его особенностей и может быть повышена за счет введения поправок в измеренную глубину. К таким поправкам относятся (Судовые эхолоты. / Хребтов А.А. и др. - Л.: Судостроение, 1982, с. 178-179 [2]):
- поправка на отклонение скорости ультразвука в морской воде от предусмотренной конструкцией эхолота;
- поправка на отклонение скорости вращения (числа оборотов) электродвигателя от предусмотренной конструкцией эхолота;
- поправка на базу или расстояние между излучателем и приемником эхолота;
- поправка на место нуля отсчета;
- поправка на угол α наклона дна в точке измерения глубин.
э
Эти поправки суммируются и вводятся в глубину Н, снимаемую с эхолота.
Контрольная доска обычно опускается на глубину не свыше 30 м, так как на больших глубинах затруднительно получить хорошо фиксированное положение контрольной доски под вибраторами, особенно при наличии течения или качки.
При определении общей поправки эхолота на контрольной доске автоматически учитываются погрешности разбивки шкалы, погрешность на базу и другие систематические погрешности.
Недостатком рассмотренного способа является то, что тарировка может производиться только до незначительных глубин и достаточно трудоемка.
Известен способ тарировки навигационного эхолота (И.И. Федоров. Эхолоты и другие гидроакустические средства. Курс кораблевождения, т. 5, книга 4. - Л.: Управление начальника Гидрографической службы ВМФ, 1960. - 333 с. [3]), включающий контрольный вибратор, который представляет собой вибратор-приемник в кардановом подвесе и опускаемый на тросе с борта судна так, чтобы его рабочая поверхность была бы обращена вверх и оставалась горизонтальной. Трос разбивается марками для отсчета глубины погружения вибратора; разбивка марок производится от рабочей поверхности вибратора-приемника. К контрольному вибратору-приемнику присоединяются провода, которыми он подключается на вход усилителя вместо штатного вибратора-приемника. В остальном эхолот работает по своей нормальной схеме. Горизонтальное расстояние между штатным вибратором-излучателем и тросом контрольного вибратора-приемника должно быть возможно меньшим.
Общая поправка эхолота при определении ее по контрольному вибратору определяется из выражения
ВП
где Н - глубина погружения контрольного вибратора-приемника;
ВИ
Н - углубление судового вибратора-излучателя;
1 - горизонтальное расстояние между судовым вибратором-излучателем и тросом контрольного вибратора-приемника.
При определении поправки эхолота с помощью контрольного вибратора не учитывается поправка на базу между судовым вибратором эхолота. Поэтому при измерении малых глубин к общей поправке эхолота, полученной по контрольному вибратору, в соответствии с формулой (2) должна быть еще добавлена поправка на базу между штатными вибраторами, которая может быть рассчитана по формуле (3)
где 1 - база между вибраторами.
Определение поправки эхолота с помощью контрольного вибратора практически может производиться при глубинах погружения этого вибратора до 150. Провода, идущие к контрольному вибратору-приемнику, должны быть хорошо экранированы во избежание помех.
Недостатком этого способа является сложность его реализации из-за необходимости подключения дополнительного вибратора-приемника, размещенного в кардановом подвесе, к усилителю эхо-сигналов взамен штатного приемника, а также осуществления тарировки без хода судна в районе без течений.
Известно также устройство для определения поправок к глубинам, измеренным эхолотом при съемке рельефа дна акватории, содержащее передатчик и измерительный приемный блок, подключенные соответственно к излучающей и приемной антеннам, регистратор и блок управления, соединенный с измерительным приемным блоком, базу с положительной и отрицательной плавучестью, с возможностью спуска ее на заданный горизонт тарирования и подъема до поверхности воды в вертикальном положении, на верхнем конце которой закреплены воспринимающие контакты реле, исполняющие контакты которого соединены с блоком управления, совместно с излучающей антенной, приемной антенной и датчиками гидростатического давления и температуры на нижнем конце базы и датчиками гидростатического давления и температуры на верхнем конце базы, выходы которых через блок управления соединены с входом блока определения поправок к глубинам, с возможностью излучения гидроакустического сигнала до поверхности по вертикали и приема отраженного от нее сигнала блоком определения поправок к глубинам, измеренным эхолотом, вход которого через блок управления соединен с выходом приемоизмерительного блока, а выход соединен с входом регистратора - на верхнем конце базы установлена антенна приемника спутниковой радионавигационной системы, на нижнем конце базы размещены излучающая и приемная антенны с излучением гидроакустических сигналов по нескольким лучам до поверхности дна акватории по вертикали и приема отраженных от нее сигналов по центральному и наклонным лучам, датчики горизонтальных и вертикальных перемещений удерживаемой базы и датчик измерения скорости звука, измеритель относительной скорости, магнитный компас и гироазимутгоризонткомпас, установленные в карданом подвесе, каналы спутниковой радионавигационной и гидроакустической связи, подключенные к блоку управления, а отрицательная плавучесть выполнена в виде бетонного секционного балласта, который сочленен с вертикальной базой по ее радиусу посредством ступенчатых строп с электрохимическими размыкателями (патент RU №2461021 С2, 10.09.2012 [4], аналогами которого являются патенты RU №2292062 С2, 20.01.2007 [5], RU №2272303 С1, 20.03.2006 [6], RU №2340916 С1, 10.12.2008 [7], RU №2326408 С1, 10.06.2008 [8], JP №10325871 А, 08.12.1998 [9], JP №4372890 А, 25.12.1992 [10]), RU 43981 U1, 10.02.2005 [11], RU 2434246 С1, 20.11.2011 [12], RU 2236691 С1, 20.09.2004 [13], С.В. Егерев и др. Оптоакустическое преобразование в мелком море: анализ высокочастотной донной реверберации. Акустический журнал, 1995, том 41, №2, с. 245-248 [14]).
В известных способах и устройствах для определения поправки эхолота [5-13], связанной с пространственной неоднородностью скорости звука в воде на глубинах до 30 м (согласно нормативным документам по съемке рельефа дна), необходимо производить сложное и трудоемкое действие - тарирование эхолота специальным тарирующим устройством. Причем данная операция должна осуществляться не менее двух раз в сутки (в начале и в конце съемки) с целью определения поправки эхолота. На акваториях с глубинами свыше 30 м должно осуществляться измерение на гидрологических станциях температуры, солености и давления воды или скорости распространения звука в воде специальным измерителем для определения поправки на отклонение действительной скорости звука в воде от расчетной и на рефракцию акустического луча эхолота.
При тарировании эхолота необходимо прекращать съемку и переходить на участок акватории съемки с наибольшими глубинами, где при нахождении судна на якоре или в дрейфе осуществлять погружение (подъем) с борта судна контрольной доски (диска) или приемного вибратора тарирующего устройства в рабочую зону излучающего вибратора эхолота на 10 фиксированных горизонтах тарирования. Погрешность определения поправок эхолота данным методом вследствие неучета изгиба троса под воздействием на погружаемый вибратор или тарирующую доску (диск) течения и дрейфа судна и глазомерного определения глубины горизонта тарирования по меткам на тросе может составлять 1-4% (Волков А.Е., Галошин А.И. и др. Руководство по использованию гидроакустических навигационных систем для определения места судна и подводных технических средств при выполнении морских геологоразведочных работ // СГФУ НПП по морским геологоразведочным работам. СПб, 1998 [15]).
Для определения с требуемой точностью поправок на изменения осадки судна на мелководье (на проседание судна) необходимо выполнить сравнительно большое число пробегов судна-носителя эхолота на разных глубинах, при различных скоростях и при различной осадке судна с целью получения данных для составления таблиц или номограмм.
Кроме того, необходимо определить группу инструментальных поправок к измеренным эхолотом расстояниям до дна, определение которых также характеризуется большой сложностью и трудоемкостью. Тарирование измеренных эхолотом наклонных расстояний выполняют путем сравнения значений глубин, измеренных центральным и боковыми лучами эхолота в идентичных точках в зоне полос обследования пересекающихся галсов (Дадашев А.А. Тарирование многолучевого эхолота на пересекающихся галсах // Записки по гидрографии. - 2000. - №251, с. 42-46 [16]).
Так как расстояния, измеренные центральным зондирующим лучом, содержат большинство из перечисленных погрешностей, а точное совпадение точек отражения на дне, до которых измерены расстояния центральным и боковыми лучами, практически невозможно, то не обеспечивается достижение требуемого уровня точности съемки рельефа дна.
На глубинах акватории свыше 30 м поправка эхолота вычисляется как сумма частных поправок, получаемых в результате учета отдельных погрешностей: поправки на отклонение действительной скорости звука в воде от расчетной, поправки на рефракцию, поправки на отклонение частоты вращения электродвигателя от номинальной, поправки на место нуля эхолота, поправки на углубление вибраторов, поправки на наклон дна.
В устройстве для определения поправок к глубинам, измеренным эхолотом при съемке рельефа дна акватории [4], техническим результатом изобретения является повышение достоверности определения поправок, что достигается тем, что известное устройство содержит многолучевой эхолот, регистратор, блок управления, блок определения поправок, измерительный приемный блок с антенной, передатчик с антенной, датчики измерения скорости звука, измерительный приемный блок с антенной, передатчик с антенной, датчики температуры воды, датчики гидростатического давления, реле, канал связи спутниковой радионавигационной системы, датчики горизонтальных и вертикальных перемещений, магнитный компас, гироазимутгоризонткомпас, гидроакустический канал связи, измеритель относительной скорости, что выгодно отличает его от аналогов.
Сущность работы известного устройства заключается в следующем.
Перед съемкой рельефа дна на акватории выбирают места для выполнения тарирования эхолота, в которых судно устанавливают на якорь или оставляют в дрейфе.
Посредством судового спускоподъемного устройства вертикальную базу опускают за борт в воду с учетом того, чтобы приемопередающая антенна спутникового радионавигационного канала связи оставалась над поверхностью воды. По сигналам с судового измерительного комплекса запускают в работу блок управления и канал связи спутниковой радионавигационной системы, по которой определяют начальные координаты вертикальной базы. После этого продолжают спуск вертикальной базы и в момент соприкосновения с водой воспринимающих контактов реле исполнительные контакты реле замыкают в блоке управления электрические цепи формирования импульсов запуска передатчиков и многолучевого эхолота. Одновременно по сигналам с судового измерительного комплекса по гидроакустическому каналу связи подаются сигналы на блок управления для запуска в работу остальных средств измерения. Посредством механизмов судового спускоподъемного устройства вертикальную базу опускают на заранее установленные глубины и выполняют измерения регистрацию сигналов на 3-5 горизонтах по глубине. Затем освобождают вертикальную базу от удерживающего ее. троса, и она под действием отрицательной плавучести начинает погружаться в сторону дна. В процессе погружения вертикальной базы производится измерение скорости распространения звука, расстояний до дна и поверхности акватории, относительной скорости и угла дрейфа при погружении и всплытии вертикальной базы, курса, крена и дифферента, линейных и угловых скоростей и ускорений, температуры воды и давления. Измеренные величины по каналу гидроакустической связи транслируются в судовой измерительный комплекс, с которого при достижении дна вертикальной базой на блок управления подается сигнал на всплытие. При этом с блока управления подается сигнал на электрохимические размыкатели. При этом на размыкатели подается электрический сигнал, под действием которого электрохимические размыкатели растворяются в морской воде, освобождая при этом стропы, которые, в свою очередь, освобождают пластины. Пластины освобождаются от строп постепенно, что позволяет замедлить всплытие вертикальной базы. При всплытии вертикальной базы на поверхность посредством спутниковой радионавигационной системы определяют ее координаты. В процессе всплытия также осуществляются измерения.
По полученным массивам измерений, выполненных при погружении вертикальной базы до дна, при нахождении ее на дне и при ее всплытии на поверхность определяют поправки тарирования.
0n
0n
0b
0b
Посредством приемника спутниковой радионавигационной системы типа GPS или "Глонасс" в моменты погружения и всплытия вертикальной базы определяют геодезические координаты x, y и x, y соответственно. При обработке сигналов, полученных посредством гироазимутгоризонткомпаса, магнитного компаса, измерителя относительной скорости, датчиков линейных и угловых скоростей и ускорений, определяют текущие геодезические счислимые координаты, крен, дифферент, азимут направления полосы зондирования гидроакустических сигналов до поверхности акватории приемоизлучающей антенной многолучевого эхолота, скорость распространения звука в воде в районе распространения данной антенны. Определяют на i горизонте по каждому j лучу глубину погружения приемоизлучающей антенны и его геодезические координаты, акустическим путем, а затем вычисляются искомые значения поправок к глубинам и к их геодезическим координатам для i-x горизонтов в полосе зондирования многолучевого эхолота по формулам.
Известное устройство для определения поправок к глубинам, измеренным эхолотом при съемке рельефа дна акватории [4], наряду с его достоинствами обладает и существенным недостатками, заключающимися в повышенных трудозатратах при проведении тарировки эхолота, выполнении многочисленных вычислений, а также ограничениями, обусловленными гидрологическими условиями и длиной кабель - троса.
Задачей также известного технического решения является повышение точности тарирования эхолотов и снижение трудозатрат на ее проведение (патент RU №2529626 С2, 27.09.2014 [17]).
При этом поставленная задача достигается тем, что для тарировки эхолота предлагается использовать лазерное тарирующее устройство (ЛТУ), работающее в сине-зеленом диапазоне частотного спектра излучения. Лазерный импульс в этом диапазоне способен проникать сквозь водную среду и, отразившись от дна, приниматься фотоприемным устройством. Зная скорость прохождения лазерного излучения через воду и время прохождения прямого и отраженного сигнала, представляется возможным определить глубину места под судном с более высокой точностью, чем навигационным эхолотом.
При этом достоинствами известного устройства для определения поправок к глубинам, измеренным эхолотом при съемке рельефа дна акватории являются:
- скорость света в воде более чем в 150000 раз выше скорости звука и по этой причине на ее распространение практически не влияют течения и различия в водных слоях по глубине в районе тарировки;
- нет необходимости использования тарировочного устройства или вибратора-приемника в кардановом подвесе, глубина погружения которых определяется достаточно приближенно;
- диаграмма направленности лазерного излучения (1-2 угл. с) во много раз уже диаграммы направленности эхолота (20-40 град) и по этой причине поправка на наклон дна в месте излучения может не учитываться, что существенно повышает точность измерения глубины ЛТУ. В этом случае ЛТУ является эталоном.
ЛТУ может быть установлено в днище судна или вынесено с помощью внешней штанги за борт судна. Лазерное тарирующее устройство, состоящее из источника лазерного излучения и приемника, должно находиться под водой на уровне вибраторов эхолота. В этом случае гарантировано отсутствие преломления лазерного луча при переходе из одной среды его распространения в другую. Лазерный импульс направляется перпендикулярно водной поверхности, как и эхо-импульс эхолота.
Однако, наряду с преимуществами известного устройства [17], известное устройство имеет ограничения как при его использовании по глубине не более 100 м, так по показателям прозрачности воды, ввиду того, что затухания излучения лазеров в морской воде в значительной степени зависят от ее состава и наличия в ней взвешенных частиц, а также от длины волны лазерного излучения λ.
Задачей предлагаемого технического решения является устранение указанных недостатков для получения достоверных измерений при проведении тарировки эхолотов.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для определения поправок к глубинам, измеренным эхолотом при съемке рельефа дна акватории, содержащим передатчик и измерительный приемный блок, подключенные соответственно к излучающей и приемной антеннам, регистратор и блок управления, соединенный с измерительным приемным блоком, базу с датчиками гидростатического давления и температуры, выходы которых через блок управления соединены с входом блока определения поправок к глубинам, измеренным эхолотом, вход которого, через блок управления соединен с выходом приемоизмерительного блока, а выход соединен с входом регистратора, датчики горизонтальных и вертикальных перемещений, датчик измерения скорости распространения звука в воде, измеритель относительной скорости, магнитный компас и гироазимутгоризонткомпас, приемоиндикатор спутниковой навигационной системы, приемопередающий блок, установленный на базе, выполнен в виде лазерного излучателя и оптического приемника, в отличие от прототипа [17], база выполнена в виде самоходного глубоководного аппарата, оснащенного планировщиком, модемом гидроакустической связи, отражательным элементом, профилографом для определения ровной поверхности грунта, классификатором грунта, датчиком определения прозрачности воды, блока пересчета измеренных глубин с учетом прозрачности воды, измеренной по крайней мере на трех горизонтах по глубине. Как и в прототипе [17], устройство для определения поправок к глубинам, измеренным эхолотом при съемке рельефа дна акватории, содержит передатчик и измерительный приемный блок, подключенные соответственно к излучающей и приемной антеннам, регистратор и блок управления, соединенный с измерительным приемным блоком, базу с датчиками гидростатического давления и температуры, выходы которых через блок управления соединены с входом блока определения поправок к глубинам, измеренным эхолотом, вход которого через блок управления соединен с выходом приемоизмерительного блока, а выход соединен с входом регистратора, датчики горизонтальных и вертикальных перемещений, датчик измерения скорости распространения звука в воде, измеритель относительной скорости, магнитный компас и гироазимутгоризонткомпас, приемоиндикатор спутниковой навигационной системы, приемопередающий блок, установленный на базе, выполнен в виде лазерного излучателя и оптического приемника и их принцип действия аналогичны устройствам прототипа.
В отличие от прототипа [17], база выполнена в виде самоходного глубоководного аппарата, на котором установлены отражатель. профилограф для определения ровной поверхности грунта, датчик определения прозрачности воды, блок пересчета измеренных глубин с учетом прозрачности воды, показатели которой измеряются по крайней мере на трех горизонтах по глубине. База выполненная в виде самоходного глубоководного аппарата, оснащенного отражателем, планировщиком, модемом гидроакустической связи, профилографом и классификатором грунта для определения ровной поверхности грунта, датчиком определения прозрачности воды, блоком пересчета измеренных глубин с учетом прозрачности воды, измеренной по крайней мере на трех горизонтах по глубине.
Лазерный излучатель и приемник устанавливают стационарно на судне рядом с приемо-передающим вибратором эхолота. Отражатель стационарно установлен на базе, которая выполнена в виде самоходного глубоководного аппарата, управляемого по командам с судна. лаз На самоходном глубоководном аппарате также установлены профилограф для определения ровной поверхности грунта, датчик определения прозрачности воды, блок пересчета измеренных глубин с учетом прозрачности воды, показатели которой измеряются по крайней мере на трех горизонтах по глубине.
По команде с судна запускается профилограф, посредством которого выбирается ровная площадка, расположенная под днищем судна. Самоходный глубоководный аппарат посредством планировщика, под действием управляющих сигналов х и у формирует на своих выходах управляющие сигналы, такие как траекторная скорость, матрицы квадратичных форм от внешних координат, диагональные матрицы постоянных коэффициентов размерностью равной числу измеренных координат, которые поступают на вычислитель планировщика, где формируется матрица сигнала управления скоростью по известным алгоритмам (В.Х. Пшихопов. Аналитический синтез синергетических регуляторов для позиционно - траекторных систем управления мобильными роботами. Материалы X1 научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». Под научной редакцией проф. Е.И. Юревича - СПб.: СПбГТУ. 2006) опускается на выбранную площадку. При этом во время спуска выполняются измерения датчиками гидростатического давления и температуры, датчиком измерения скорости распространения звука в воде, датчиком определения прозрачности воды, которые по каналу гидроакустической связи транслируются на судовой блок управления. Ориентация самоходного глубоководного аппарата контролируется по измерениям датчиков горизонтальных и вертикальных перемещений, измерителя относительной скорости, магнитного компаса и гироазимутгоризонткомпаса, а также при нахождении аппарата на водной поверхности по информации приемоиндикатора спутниковой навигационной системы.
При достижении ровной площадки на дне самоходным глубоководным аппаратом производится замер глубины под килем судна навигационным эхолотом. Затем производится замер глубины под килем судна с помощью ЛТУ. Этот процесс происходит следующим образом. ЛТУ-1, установленное на судне, излучает в направлении дна (ровной площадки) лазерный импульс, который достигнув отражателя, установленного на самоходном глубоководным аппаратом переизлучает лазерный сигнал в обратном направлении. Переизлученный сигнал попадает на фотоприемное устройство ЛТУ-1 на судне и происходит замер глубины. Далее производят расчеты, связанные с тарировкой навигационного эхолота.
При этом переотраженные импульсы регистрируются для последующего усиления в усилителях, их обработки и интерпретации возможных помех в принимаемых лазерных сигналах. После обработки лазерные сигналы поступают на вход процессора блока определения поправок к глубинам, измеренным эхолотом, где происходит их дальнейшая обработка и расчет измеренной глубины. Расстояние от ЛТУ до дна вычисляется по измеренному времени между моментами прихода переотраженных импульсов и известной скорости света в воде с учетом задержек сигналов в электронных цепях, от степени прозрачности воды и рассеяния света на взвешенных частицах вещества в водной толще.
Предложенное устройство позволяет увеличить глубину тарировки навигационных эхолотов до 100-150 м.
Более того, изменяя глубину погружения самоходного глубоководного аппарата представляется возможным производить тарировку эхолота на различных глубинах в зависимости от глубины погружения самоходного глубоководного аппарата в диапазоне глубин от 10 до 150 м. Средства гидроакустической связи позволяют осуществлять передачу телеметрической информации на расстояние до 8 км.
При упрощенном методе расчета достижения глубин 100-150 м принимаются следующие предположения:
- расходимость зондирующего сигнала не превышает десятков угловых минут (в этом случае при Z ≤ 1000 м можно считать, что снижение энергии сигнала из-за рассеяния учитывается в бугеровском показателе ослабления ε);
- вертикальное распределение показателя ослабления принимается однородным;
- дно моря (водоросли (при h<150 м), песок, валуны, ил, глина и т.п.) считается диффузноотражающим, без блестящих точек (от валунов, бетона, металлического мусора) и без придонного замутнения, например, от воздействия на ил движения лодки, подводных взрывов и т.п.).
1
При этих предположениях оценка совокупной энергии элементарных излучателей (отражателей) на площади S составит:
где: ρ - средний спектральный коэффициент отражения;
изл
Е - энергия излученного импульса;
ε - показатель ослабления в воде;
- коэффициент пропускания оптического устройства передатчика.
1
1
Можно считать, что излучение источника S равномерно в пределах полусферы. В предположении, что вся излучающая площадь S находится в поле зрения приемного объектива на ЛТУ, энергия отраженного излучения, перехваченная объективом ЛТУ, составит:
об
Здесь: S - эффективная площадь приемного объектива (зеркала),
S1
1
E - совокупная энергия элементарных излучателей на площади S.
Предельная энергия, которую можно использовать для обнаружения сигнала, составит:
m
где: Z - максимальная дальность:
об
η - коэффициент пропускания света приемной оптической системой (для системы с узкополосным оптическим фильтром η≤0,7);
ФП
ФП
ФП
η - квантовая эффективность фотоприемника (для японского ФЭУ Н 7422 40 η≈40%; для Si ФЭУ ФГУП НИИ «Пульсар» η=38-39% в диапазоне длин волн Δλ=0,5-0,55 мкм);
об
S - эффективная площадь приемного объектива (или зеркала).
m
Эксперименты по батиметрии показали, что ρ (λ=0,53 мкм) примерно одинаков для темно-зеленых водорослей и белого песка (см., например, - Прикладная оптика океана / Труды Института океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР // М. «Наука» 1983. 235), поэтому для оценки энергетических характеристик лазерного импульсного локатора можно считать ρ=(0,3-0,45). Для расчета предельной дальности Z можно принять следующие предельные значения, реализуемые при современном уровне техники:
изл
пр
об
18
2
Е/Е=10; S≈0,2 м;
Подставляя эти значения в соотношение (2.3.1) и выполняя очевидные преобразования, получим:
-1
-1
В экспериментах по лазерной батиметрии для большей части океанских вод ε (λ=0,53 мкм) = 0,06-0,09 м. С ростом глубины эта величина уменьшалась до 0,025 м (см. книгу «Прикладная оптика …»).
g
Для поверхностных вод большинства морей и океанов значения прозрачности воды определяются погружением на предельную глубину (Z) до пропадания видимости диска, называемого в западной литературе именем патера Секки (на самом деле, этот способ визуального наблюдения прозрачности морской воды изначально был придуман русским мореплавателем Отто Евстафьевичем Коцебу еще в первой половине XIX века). В настоящее время практически для всех морей и океанов выполнены измерения с помощью стандартного белого диска диаметром 30 см. Эти измерения можно использовать для определения 6 в водных поверхностях, частью многих океанографических и гидрографических исследований.
В зеленом диапазоне волн используют расчетное соотношение, соответствующее доверительному интервалу 95%:
g
g
ε(Z)=3,35/Z - 0,002. (См. «Разработка лазерной космической навигационной системы / НТО по НИЭР «Полюс-3», часть III: Военно-технический эксперимент // ФГУП «НИИПП» М. 2002 г.).
-1
Для оценки диапазона рабочих глубин обнаружения лазерного импульса можно принять ε=(0,06-0,11) м.
m
В этом случае из формулы (2.) следует, что Z=(150-200) м.
-1
m
m
При этом предельная глубина океана при ε≤0,025 м и h≥(Z+100) м может достигать величины: sup Z≈500 м.
Расчет чувствительности лазерной системы, как правило, связан с проведением сложного исследования, включающего решение задачи проверки гипотез в интересах расчета основных характеристик обнаружения (вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги), расчета и измерения энергии фоновых засветок при заданных значениях поля зрения приемника и длительности строба, анализ и экспериментальные измерения собственных шумов аппаратуры и т.п.
min
имп
min
-18
Но при упрощенной методике расчета целесообразно исходить из практического опыта. Как правило, в известных импульсных лазерных системах зеленого диапазона, работающих по распределенным целям (т.е. в высотомерах, батимерах) уровень принимаемого сигнала соответствует мощности P=(1-10) нВт, при длительности импульса, лежащей в пределах τ=(2-15) нс (с учетом уширения импульса при отражении от распределенной цели и при распространении в рассеивающих неоднородных средах). В нашем случае целесообразно принять E≥2,5⋅10 Дж (это менее шести сигнальных фотонов на входном зрачке, т.е. зеркале или объективе приемника). Этого достаточно, чтобы выделить сигнал в стробе на фоне собственных шумов приемника, т.е. в темное время суток и/или при глубинах погружения более 100 м.
пер
п
min
пер
18
В этом случае для обеспечения расчетных дальностей требуется лазерный передатчик с энергией излучения в импульсе (или сигнальной пачке импульсов): Е/η=E⋅10, Е≈3 Дж. Такая энергия может быть реализована в твердотельных лазерах, в частности, на алюмоиттриевом гранате (с примесью неодима, иттербия и др.).
В случае моноимпульсного режима измерений возможна реализация лазера по схеме с модуляцией добротности и диодной накачкой. При этом достижимы следующие характеристики:
- энергия в импульсе не менее 3 Дж;
- длительность импульса (5-10) нс;
- частота следования импульсов (1-5) Гц.
В случае использования перспективных лазеров на тонких дисках можно реализовать измерительный сигнал в виде пачки из нескольких (десятков) импульсов, в этом случае:
- энергия излучения в импульсе (0,1-1,3) Дж;
- длительность импульса (5-30) нс;
- частота следования импульсов (30-500) Гц.
Этими вариантами, конечно, не исчерпываются возможные реализации.
ЛТУ-1 работает следующим образом. Для достижения синхронизации блок управления тарируемого эхолота одновременно запускает и блок управления и запуска лазерного излучателя ЛТУ-1. Лазерный импульс на частоте 0,532 мкм посредством передающей системы направляется по фиксируемому направлению перпендикулярно дну моря, на котором установлен самоходный глубоководный аппарат. Для учета временного расширения луча и освещаемой на дне площади необходимо знание гидрооптических характеристик воды в районе тарирования эхолота. Для их оценки предполагается использовать информацию об объемном рассеянии воды, которую содержит отраженный лазерный импульс. С этой целью ЛТУ может решать и такую задачу.
Отраженные лазерные импульсы принимаются фотоприемной антенной. Все отраженные импульсы регистрируются для последующего усиления в усилителях лазерных отраженных сигналов, их обработки и интерпретации возможных помех в принимаемых лазерных сигналах. После обработки лазерные сигналы поступают на вход процессора, где происходит их дальнейшая обработка и расчет измеренной глубины. Расстояние от ЛТУ до дна вычисляется по измеренному времени между моментами прихода отраженных импульсов и известной скорости света в воде с учетом задержек сигналов в электронных цепях, прозрачности воды и рассеяния света на взвешенных частицах вещества в водной толще.
Предлагаемый способ обеспечивает увеличение глубины тарирования и получение глубины тарирования с нормированными метрологическими характеристиками. Промышленная применимость предлагаемого способа и устройства для его осуществления технической трудности не представляет, так как при их реализации могут быть использованы серийно освоенные измерительные и программные средства.
Источники информации.
1. И.И. Федоров. Эхолоты и другие гидроакустические средства. Курс кораблевождения, Т. 5, книга 4. - Л.: Управление начальника Гидрографической службы ВМФ, 1960. - 368 с.
2. Судовые эхолоты. / Хребтов А.А. и др. - Л.: Судостроение, 1982, с. 178-179.
3. И.И. Федоров. Эхолоты и другие гидроакустические средства. Курс кораблевождения, т. 5, книга 4. - Л.: Управление начальника Гидрографической службы ВМФ, 1960. - 368 с.
4. Патент RU №2461021 С2, 10.09.2012.
5. Патент RU №2292062 С2, 20.01.2007.
6. Патент RU №2272303 С1, 20.03.2006.
7. Патент RU №2340916 С1, 10.12.2008.
8. Патент RU №2326408 С1, 10.06.2008.
9. Патент JP №10325871 А, 08.12.1998.
10. Патент JP №4372890 А, 25.12.1992.
11. Патент RU №43981 U1, 10.02.2005.
12. Патент RU №2434246 С1, 20.11.2011.
13. Патент RU №2236691 С1, 20.09.2004.
14. С.В. Егерев и др. Оптоакустическое преобразование в мелком море: анализ высокочастотной донной реверберации. Акустический журнал, 1995, том 41, N2, с. 245-248.
15. Волков А.Е., Галошин А.И. и др. Руководство по использованию гидроакустических навигационных систем для определения места судна и подводных технических средств при выполнении морских геологоразведочных работ // СГФУ НПП по морским геологоразведочным работам. СПб, 1998.
16. Дадашев А.А. Тарирование многолучевого эхолота на пересекающихся галсах. // Записки по гидрографии. - 2000. - №251, с. 42-46.
17. Патент RU №2529626 С2, 27.09.2014.