СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЛЬЕФА И ОСАДКИ ПОДВОДНОЙ ЧАСТИ АЙСБЕРГА
METHOD OF REMOTE DETERMINATION OF RELIEF AND SEDIMENTATION OF UNDERWATER ICEBERG PART

Изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для дистанционных акустических измерений рельефа и осадки подводной части айсберга (ПЧА) из-под воды.
Известны способы дистанционного определения осадки и рельефа ПЧА с помощью гидроакустических средств, которые описаны, например, в [1, 2]. В первом из них [1] в качестве гидроакустического средства используется жестко закрепленный на корпусе надводного судна-носителя гидролокатор бокового обзора (ГБО), акустическая антенна которого находится на некоторой фиксированной глубине относительно поверхности воды. ГБО периодически, по мере движения судна-носителя на некотором удалении вокруг айсберга, озвучивает ПЧА в направлении от поверхности моря к его дну, обеспечивая тем самым формирование на индикаторе яркостного гидролокационного изображения ПЧА, по которому можно определить его форму и осадку.
Основным недостатком способа, описанного в работе [1], является отсутствие возможности измерения рельефа озвученной поверхности (относительных углов наклона и высот) подводной части айсберга, что не позволяет достоверно оценивать действительную форму ПЧА. Фактически упомянутый способ позволяет оценивать только осадку айсберга в направлении зондирования и его протяженность в направлении, перпендикулярном направлению зондирования.
Наиболее близким аналогом предлагаемого способа, выбранным в качестве прототипа, является способ, описанный в [2]. Этот способ определения осадки айсберга и формы его подводной части с надводного объекта (судна) характеризуется следующими операциями:
- подход судна-носителя с установленным на нем опускаемым гидролокатором бокового обзора к надводной части айсберга на некоторое расстояние, лежащее в пределах от 100 до 200 м;
- остановка судна на некотором фиксированном расстоянии от надводной части айсберга, удержание судна в окрестностях точки остановки;
- включение ГБО в режим обследования поверхности ПЧА и последующее опускание ГБО с постоянной скоростью на глубину для снятия первого (по счету) рельефа поверхности ПЧА;
- наблюдение и регистрация гидролокационного изображения ПЧА на устройстве отображения ГБО до его исчезновения с экрана;
- немедленная остановка погружения ГБО сразу после исчезновения гидролокационного изображения ПЧА с экрана устройства отображения и одновременная фиксация момента времени от начала погружения и глубины погружения антенн ГБО, рассчитываемой по данным встроенного в ГБО датчика гидростатического давления;
- после остановки подъем ГБО с постоянной скоростью с наблюдением и регистрацией гидролокационного изображения ПЧА до глубины, с которой было начато погружение;
- остановка работы программного обеспечения ГБО, переход судна в следующую точку наблюдения, расположенную на траектории обхода айсберга судном и повторение описанной выше процедуры наблюдения и регистрации гидролокационного изображения ПЧА.
По гидролокационным изображениям поверхности ПЧА, полученным в фиксированных точках траектории обхода айсберга, вычисляются дальности и углы места самых удаленных от антенн ГБО точек поверхности, которые затем используются для построения рельефа ПЧА справа и слева от направления, по которому погружался и поднимался ГБО. Процедура «профилирования» айсберга тогда считается завершенной, когда получен набор рельефов на замкнутой траектории (окружности) в диапазоне углов 360° вокруг айсберга. По набору плоских профилей рельефов может быть построен трехмерный рельеф обследованной гидролокатором поверхности, а затем с использованием данных измерения надводной части айсберга синтезирована и трехмерная форма ПЧА с определением ее реальных геометрических размеров.
Основным недостатком способа, описанного в работе [2], является большая трудоемкость способа, определяемая необходимостью многократных операций по спуску и подъему гидроакустического средства (в данном случае ГБО) при «профилировании» ПЧА и необходимости удержания судна-носителя на определенном расстоянии от айсберга в течение всего цикла «спуск-подъем».
Задачей изобретения является обеспечение возможности измерения рельефа поверхности ПЧА и, следовательно, определения их формы и осадки без процедуры погружения и подъема гидролокатора и на ходу судна-носителя.
Технический результат заключается в снижении трудоемкости и повышении технологичности способа.
i
0
i
i
i
0
i
i
i
0
M
M
a
i
i
э
э
0
э
i
i
э
Для достижения указанного технического результата в способ определения осадки и формы подводных частей айсбергов, включающий излучение импульсных зондирующих сигналов в направлении ПЧА антеннами, опускаемыми с борта судна-носителя, прием акустических эхо-сигналов, рассеянных озвученной поверхностью ПЧА, и одновременное измерение с помощью датчика гидростатического давления глубины погружения антенн, введены новые признаки, а именно излучение импульсных зондирующих сигналов производят излучающей антенной гидроакустического интерферометра, прием эхо-сигналов от айсберга производят двумя приемными антеннами гидроакустического интерферометра, находящимися на фиксированном заглублении от поверхности воды и разнесенными в горизонтальной плоскости на расстояние D, являющееся базой интерферометра, при этом обе приемные антенны интерферометра имеют узкую характеристику направленности (ХН) в плоскости большего размера приемной антенны интерферометра и широкую ХН в плоскости меньшего размера приемной антенны интерферометра, прием эхо-сигналов обеими приемными антеннами производят в диапазоне углов Θ, охватываемых их ХН, по интерференционной картине измеряют расстояния между нулевой линией, соответствующей середине базы интерферометра, и серединой интерференционной полосы, соответствующей точкам рассеяния от поверхности ПЧА принятых эхо-сигналов, пропорциональные удалению этих точек рассеяния от середины базы интерферометра, с помощью масштабной линейки определяют наклонные дальности r точек рассеяния эхо-сигнала до середины базы интерферометра по формуле , где i=1, 2, 3… - номер интерференционной полосы, отсчитываемый от нулевой линии на интерференционной картине, соответствующей моменту излучения зондирующего сигнала, λ - длина волны принимаемого эхо-сигнала, определяют расстояние z каждой i-й точки рассеяния от поверхности ПЧА относительно горизонтальной плоскости, проходящей через середину базы интерферометра, по формуле  определяют вертикальное расстояние x от середины базы интерферометра 0 до каждой i-й точки рассеяния, используя вычисленные значения координаты x и известное значение заглубления h антенн интерферометра относительно поверхности воды, вычисляют значения осадки h каждой i-й точки рассеяния на поверхности ПЧА по формуле h=x+h вплоть до точки M(x, z), соответствующей осадке айсберга H; по формуле Δz=z-z, где z - кратчайшее расстояние от середины базы интерферометра до поверхности ПЧА, которое измеряют с помощью эхолота, закрепленного вместе с приемными антеннами интерферометра на корпусе судна-носителя, вычисляют с учетом значения заглубления антенн интерферометра h ординаты точек поверхности ПЧА относительно уровня z=z в данном цикле зондирования в диапазоне глубин, соответствующих диапазону углов Θ, охватываемых характеристиками направленности антенн интерферометра, используя пары чисел Δz x строят профиль рельефа ПЧА в плоскости x0z относительно уровня z=z, повторяют последовательное импульсное акустическое зондирование ПЧА в процессе движения судна-носителя акустической системы по замкнутой траектории обхода айсберга с периодической привязкой результатов очередного цикла зондирования к направлению, времени и угловому положению относительно стран света точек зондирования, осуществляемой с помощью измерения угла ϕ, отсчитываемого от истинного траверса  айсберга в первом цикле зондирования, в результате чего получают ансамбль из n профилей рельефов ПЧА, которые используют для построения ее трехмерной формы.
Наилучший результат получается, если излучающая антенна интерферометра расположена в средней точке его базы, а приемоизлучающая антенна эхолота расположена на минимально возможном расстоянии от средней точки базы.
Сущность способа поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего способ, на фиг. 2а, в приведены схемы применения предлагаемого способа, фиг. 2б поясняет процедуру построения профиля ПЧА, на фиг. 3 представлен вид интерференционной картины с оперативными отметками на выходе интерферометра.
1
2
3
i
i
i
i
э
э
Структурная схема, представленная на фиг. 1, содержит излучающую акустическую антенну интерферометра A; приемные акустические антенны интерферометра A, A; приемоизлучающую акустическую антенну эхолота A; генераторное устройство 1 интерферометра; приемоусилительные устройства 2 интерферометра; фазовый различитель 3; регистратор (индикатор) интерференционной картины и синхронизатор работы системы 4; устройство 5 определения номера i интерференционной полосы; вычислитель 6 координаты z и вертикального расстояния (глубины) x от середины базы интерферометра 0 до каждой i-й точки ПЧА; устройство 7 вычисления осадки h, ординат Δz точек поверхности ПЧА относительно уровня z=z в каждом цикле зондирования и построения функции  для каждого цикла зондирования; программируемое устройство 8 построения рельефа поверхности ПЧА по ансамблю из n профилей рельефов ; устройство 9 отображения рельефа ПЧА; интерферометр 10; устройство 11 предварительной обработки эхо-сигнала эхолота и измерения расстояния r; коммутатор 12 «прием-передача»; импульсное генераторное устройство 13 эхолота; эхолот 14.
Блоки 1-6 технически представляют собой типовые функциональные узлы стандартных интерферометрических ГБО, известных, например, из [3]. Блоки 7-9 представляют собой электронные приборы, алгоритмы работы которых реализованы с помощью аналоговых и цифровых программируемых средств, например в судовых многолучевых эхолотах, обеспечивающих построение 3D изображений поверхности дна акваторий. Блоки 11-13 являются типовыми функциональными узлами высокочастотных судовых эхолотов, в частности навигационных, подробно рассмотренных, например, в [4].
На фиг. 2а в проекции на вертикальную плоскость изображены:
0 - средняя точка базы интерферометра;
- геометрическая разность хода эхо-сигнала от некоторой точки поверхности ПЧА i до антенн интерферометра;
0, x, y, z - прямоугольная система координат, связанная с судном-носителем: начало координат 0 совпадает со средней точкой базы интерферометра, ось y совпадает с продольной осью судна-носителя;
э
э
0
z=r - кратчайшее расстояние от середины базы интерферометра (точка 0) до поверхности ПЧА (точка M), измеряемое с помощью эхолота;
i
r - наклонная дальность от базы интерферометра до i-й точки озвученной поверхности ПЧА;
i
z - высота точки поверхности льда относительно вертикальной плоскости, перпендикулярной базе и проходящей через среднюю точку базы интерферометра;
Θ - ширина XH приемных антенн интерферометра в вертикальной плоскости;
i
θ - угол скольжения акустического луча в i-й точке;
i
i
x - вертикальное расстояние (глубина) от середины базы интерферометра 0 до каждой i-й точки поверхности ПЧА, равное проекции наклонной дальности r на координатную ось x;
0
h - заглубление (осадка) средней точки базы интерферометра относительно поверхности воды;
i
h - осадка i-й точки поверхности ПЧА;
a
H - осадка айсберга;
0
i
э
i
i
э
Фиг. 2б поясняет процедуру построения профиля ПЧА относительно уровня z=z в каждом цикле зондирования. Фрагмент профиля поверхности ПЧА в сечении плоскостью x0z представлен как некоторая функция координаты . Значения Δz, представляющие собой отклонения значений функции  от уровня z, вычисляются по выражениям (1) и (2). Пары чисел Δz, x описывают профиль рельефа ПЧА в плоскости x0z относительно уровня z=z.
На фиг. 2в в проекции на горизонтальную плоскость изображены:
1, 2…n, 1 - последовательные положения судна-носителя в точках траектории обхода айсберга;
ϕ - некоторый постоянный угол, отсчитываемый от истинного траверса айсберга Ф, определяющий точки траектории обхода айсберга, в которых осуществляется акустическое зондирование ПЧА;
- угол, соответствующий истинному траверсу айсберга относительно судна-носителя в точках траектории обхода, где осуществляется зондирование ПЧА.
1
1
На фиг. 3 представлен вид интерференционной картины на выходе интерферометра. На поле рисунка изображены: «нулевая линия» (начало отсчета наклонной дальности), соответствующая моменту излучения интерферометром зондирующего сигнала, x - расстояние от нулевой линии до первой интерференционной полосы, соответствующее наклонной дальности r до точки поверхности ПЧА.
Способ характеризуется следующими операциями:
В некоторый момент времени излучающая антенна A интерферометра (фиг. 1) излучает в сторону ПЧА акустический импульсный зондирующий радиосигнал, сформированный генераторным устройством 1 интерферометра по синхроимпульсу, вырабатываемому синхронизатором 4 работы системы и регистратором (индикатором) интерференционной картины. Поскольку ось характеристики направленности (ХН) антенны интерферометра A в вертикальной плоскости лежит в плоскости x0z, перпендикулярной диаметральной плоскости судна-носителя интерферометра (фиг. 2а), происходит облучение ПЧА акустической энергией в направлении, перпендикулярном линии курса судна-носителя. Вследствие узкой в плоскости  размера антенны и широкой в плоскости ее меньшего размера XH излучающей антенны A интерферометра облучается узкая в плоскости горизонта и широкая по глубине полоса льда на ПЧА.
1
2
1
2
После излучения зондирующего сигнала интерферометр переходит в режим приема эхо-сигналов, рассеянных озвученной поверхностью ПЧА. Прием эхо-сигналов производится двумя разнесенными в горизонтальной плоскости приемными акустическими антеннами A и A (фиг. 1). Первыми к антеннам A и A приходят эхо-сигналы от наиболее близких точек, затем от все более удаленных точек облученной полосы льда. Принятые антеннами акустические эхо-сигналы преобразуются в электрическое и после усиления и детектирования в приемоусилительных устройствах 2 интерферометра 10 поступают на фазовый различитель 3 и далее на регистратор (индикатор) интерференционной картины и синхронизатор работы системы 4.
1
2
i
0
1
2
Если геометрическая разность хода  эхо-сигнала от некоторой точки i ПЧА до антенн интерферометра A и A, зависящая от базы интерферометра D и угла скольжения акустического луча θ в i-й точке, равна целому числу длин волн λ принимаемого эхо-сигнала, т.е. , где i=1, 2, 3, …, то при сложении напряжений эхо-сигналов, снимаемых с выходов антенн A и A, суммарный сигнал будет равен сумме напряжений этих сигналов. Если , то суммарный сигнал будет равен их разности. Указанный эффект обусловлен интерференцией эхо-сигналов от точки поверхности ПЧА, принятых разнесенными по вертикали антеннами интерферометра.
В процессе приема и суммирования эхо-сигналов в фазовом различителе 3, приходящих от все более удаленных точек облученной полосы льда, будет формироваться интерференционная картина, которая будучи зарегистрированной на яркостном регистраторе 4 с прямоугольной растровой разверткой в координатах «путевая дальность» - «наклонная дальность», будет представлять собой чередующиеся темные и светлые полосы (интерференционные полосы), как это показано на фиг. 3. Координата «путевая дальность» отсчитывается от точки  (фиг. 2в).
0
i
i
i
i
Каждая интерференционная полоса на интерференционной картине имеет свой номер, равный целому числу i длин волн λ, характеризующих разность хода . Иными словами i - это номер интерференционной полосы на интерференционной картине или номер интерференционного лепестка в XH антенны интерферометра, ось одного из которых (i-го) изображена на фиг. 2а пунктиром. Номер интерференционной полосы от начала интерференционной картины определяется в устройстве 5 определения номера i интерференционной полосы. Интерференционные полосы удалены от «нулевой линии» (начала отсчета наклонной дальности), соответствующей моменту излучения интерферометром зондирующего сигнала, на расстояния x, пропорциональные соответствующим наклонным дальностям r до точек облученной поверхности (фиг. 3). Измеряются эти наклонные дальности с помощью масштабной линейки, функционально реализованной в регистраторе интерференционной картины и синхронизаторе работы системы 4. Измерения проводятся от нулевой линии интерференционной картины. Наклонная дальность r (фиг. 2а) до точки пересечения поверхности ПЧА с осью i-го интерференционного лепестка связана с высотой z этой точки в плоскости x0z, образованной прямоугольной системой координат 0, x, y, z, связанной с судном-носителем, у которой начало координат 0 совпадает со средней точкой базы интерферометра, а ось y совпадает с продольной осью судна-носителя, соотношением
В свою очередь из фиг. 2а следует, что
Объединяя (1) и (2), получим
i
Вертикальное расстояние (глубина) от середины базы интерферометра 0 до каждой i-й точки поверхности ПЧА - x может быть определено по формуле
i
i
i
Таким образом, интерференционная картина однозначно связана с рельефом поверхности ПЧА и может быть использована при определении высот и глубин от середины базы интерферометра в широкой полосе обзора. Для этого в вычислителе 6 по определенным номерам интерференционных полос i, измеренным наклонным дальностям r и по известному для данного интерферометра соотношению , используя выражения (3) и (4), выполняются расчеты высот z и глубин x относительно середины базы интерферометра 0 (фиг. 2а).
i
i
Далее по рассчитанным значениям x в устройстве 7 осуществляется вычисление глубины погружения или осадки h i-й точки поверхности ПЧА (фиг. 2а) относительно поверхности воды по формуле
0
где h (фиг. 2а) - измеренное при установке интерферометра на судно-носитель значение заглубления (осадки) средней точки базы интерферометра относительно поверхности воды или действительной ватерлинии судна. После приема эхо-сигнала от наиболее удаленной точки M (фиг. 2а) облученной полосы льда режим приема интерферометра заканчивается.
3
3
0
3
э
3
Сразу же по окончании режима приема интерферометра по синхроимпульсу, вырабатываемому синхронизатором 4, начинает работу эхолот 14. На приемоизлучающую акустическую антенну A эхолота 14, ось характеристики направленности которой ориентирована по нормали к диаметральной плоскости судна-носителя, поступает через коммутатор 12 импульсный зондирующий радиосигнал, вырабатываемый импульсном генераторным устройством 13 эхолота. Акустическая антенна A эхолота преобразует этот электрический радиосигнал в акустический и излучает его в сторону ПЧА, после чего эхолот переходит в режим приема эхо-сигнала, отраженного от ближайшей к нему точки поверхности ПЧА (на фиг. 2а, в - точка M). В устройстве 11 по измеренному времени запаздывания t эхо-сигнала относительно зондирующего радиосигнала и известной скорости звука в воде с осуществляется измерение расстояния r до ближайшей к антенне А эхолота точки поверхности ПЧА по формуле
3
э
0
Затем, учитывая действительные координаты , ,  центра излучающей поверхности антенны A относительно точки 0 интерферометра в устройстве 11, вычисляется координата z точки M в системе координат 0xyz.
э
Используя значение координаты z в устройстве 7 для каждого цикла зондирования по формуле
i
э
i
i
э
i
0
a
вычисляют ординаты точек Δz поверхности ПЧА относительно уровня z=z (фиг. 2б) в каждом цикле зондирования. Пары чисел Δz, x характеризуют профиль рельефа ПЧА в плоскости x0z, но уже не относительно уровня, проходящего через начало координат z=0, а относительно уровня z=z. Значения Δz могут быть представлены как некоторая функция  координаты x (или координаты h=х+h), меняющейся в некоторых пределах, определяемых осадкой айсберга H (фиг. 2а), построение которой осуществляется в этом же устройстве. На этом работа эхолота заканчивается и цикл «профилирования» ПЧА повторяется.
Для получения профиля поверхности ПЧА за пределами облученной в одном цикле зондирования узкой в плоскости горизонта и широкой по глубине полосы льда на ПЧА судно-носитель и вместе с ним и интерферометр с эхолотом должны быть перемещены в другую точку траектории обхода айсберга, после чего интерферометр и эхолот излучат в сторону поверхности ПЧА очередной акустический импульсный зондирующий радиосигнал и примут соответствующие эхо-сигналы от ПЧА. По мере движения судна-носителя интерферометра и эхолота по траектории обхода айсберга облучаются новые, примыкающие друг к другу полосы поверхности ПЧА, эхо-сигналы от которых принимаются и обрабатываются интерферометром 10 и эхолотом 14. Одновременно с облучением поверхности ПЧА фиксируются и наносятся на интерферограмму в виде оперативных отметок (фиг. 3) текущий номер профиля n, текущее время и значения истинного траверса айсберга  для различных точек траектории обхода (фиг. 2в, 3). Этот процесс продолжается до тех пор, пока судно-носитель не «замкнет» траекторию обхода айсберга, т.е. не придет в исходную точку начала «профилирования».
Полученный при обходе по замкнутой траектории обхода ансамбль профилей рельефов ПЧА вида  с привязкой каждого профиля к конкретному моменту времени и значению угла  накапливаются в программируемом устройстве 8, где осуществляется также построение трехмерной формы ПЧА вида , которая затем может быть визуально отображена на устройстве отображения рельефа ПЧА 9.
Таким образом, описанный выше способ обеспечивает возможность измерения рельефа поверхности ПЧА и, следовательно, определение ее формы и осадки на ходу судна-носителя и без процедуры погружения и подъема гидролокатора, что существенно снижает трудоемкость процесса и повышает его технологичность.
Источники информации
1. Богородский А.В., Попов И.К. Инструментальные исследования подводных частей айсбергов Южного океана // Труды ААНИИ. 1978. Т. 359. С. 134-138.
2. Determination of Iceberg Draft and Shape // Prepared By: Oceans Ltd., 85 LeMarchant Road, St. John's, NL, Canada, A1C 2H1. June 2004, PERD/CHC Report 20-75.
3. Барась С.Т. Исследование и разработка гидролокационного интерферометра для картографической съемки дна в широкой полосе обзора. Дис… канд. техн. наук / ОКБ «Риф». Г. Бельцы, 1981, 210 с.
4. Хребтов А.А. Судовые эхолоты. - Л.: Судостроение, 1982. - 232 с.