CC BY
223
навливаются с помощью кусочно-билинейной функции, которая наиболее точно приближает реальный рельеф дна водоема.
Согласно результатам тестовых задач, при плотности данных порядка 0,5%, относительная погрешность билинейной интерполяции составляет величину менее 1% для гладких, и 6-7% для кусочно-гладких поверхностей, причем увеличение плотности данных существенно не влияет на получаемые результаты. Таким образом, в задачах с фиксированным числом данных о глубинах, шаг расчетной сетки для билинейной интерполяции следует выбирать так, чтобы плотность данных составляла величину порядка 0,5%.
Задача на построение трехмерной геометрической модели водоема была решена на примере Геленджикской бухты. Для расчетов использовалась равномерная
1 000 1 000 5 -
нию, при этом плотность данных составила 0,46%. Отметим так же, что данные о глубинах были расположены хаотично. Так как поверхность дна Геленджикской бухты является достаточно гладкой, то есть основание считать, что относительная погрешность интерполяции составляет величину порядка 1%, что вполне допустимо для дальнейшего использования полученной геометрической модели в гидродина-.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений - М.: Наука, 1978.
2. Бахвалов КС. Жидков Н.П., Кобельков ГМ. Численные методы - М.: Лаборатория базовых знаний, 2001.
ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ГБО С ЛЧМ ЗОНДИРУЮЩИМ СИГНАЛОМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МОРСКОГО ДНА
С.А. Долотов, В.И. Каевицер, АЛ. Кривцов, В.М. Разманов, И.В. Смольянинов
Г идролокаторы бокового обзора (ГБО) являются одним из наиболее распространенных средств дистанционного исследования морского дна. Они широко используются при поиске и обследовании различного рода объектов на поверхности дна, при прокладке фарватеров и строительстве портов, при мониторинге дна в экологических и др. целях. Обычные ГБО позволяют получать т.н. яркостное (акусти-) ( -бражения земной поверхности) с разрешением по дальности от единиц сантиметров до метров (в зависимости от своего частотного диапазона) и, таким образом, могут применяться как для обзорного исследования больших по площади районов дна (десятки - сотни кв.км.), так и для детального изучения отдельных участков .
о рельефе дна, что вынуждает использовать одновременно с ГБО одно- и много. -следования дна и их применение в целях съемки рельефа больших районов одновременно с ГБО снижает общую эффективность и производительность подобных .
эхолоты, позволяющие производить площадную съемку рельефа дна. К недостаткам этих систем следует отнести их высокую стоимость, т.к. они состоят из нескольких десятков калиброванных акустических антенн и включают сложную , . -го, получение обычного (яркостного) ГБО-изображения в многолучевых эхолотах
является отдельной задачей, которая стала решаться в зарубежных образцах лишь в последнее время. Альтернативой многолучевым эхолотам в задачах площадного обследования рельефа дна могут служить интерферометрические (ф^овые) ГБО. Принцип действия этих ГБО основан на вычислении разности фаз отраженного от дна эхосигнала, принятого одновременно несколькими (двумя - в минимальной конфигурации) пространственно разнесенными акустическими антеннами. По полученной таким образом разности фаз можно вычислить угол прихода эхосигнала, а по времени прихода и с учетом гидрологии (изменение скорости звука с глуби) -вующей точки на поверхности дна, от которой был принят эхосигнал. Одновременно с информацией о рельефе в каждом элементе разрешения присутствует и
( ), , -упомянутая проблема (дая многолучевых эхолотов) одновременного получения данных по рельефу и по акустическому изображению дна в интерферометриче-ских ГБО решается автоматически. Интерферометрические ГБО являются на порядок более дешевыми системами, чем многолучевые эхолоты, но требуют специальных методов обработки сигнала и обладают рядом особенностей [1, 2].
1980- .
работы по созданию и применению интерферометрических ГБО на основе современных достижений в области цифровой техники, оптимальных методов приема и обработки сигналов и автоматизации экспериментальных исследований. Одной из особенностей разработанных в Институте методов и аппаратуры является применение - - - ( ) ( -
). -
нение ЛЧМ сигналов в гидролокации, начатое в ИРЭ РАН в 1980-х гг., явилось пионерским в нашей стране, а в сочетании с фазовой и цифровой обработкой сигнала - и в мире (в настоящее время одной из наиболее известных за рубежом фирм, применяющих ЛЧМ сигнал в своих изделиях, является Ба1а8отс8, выпускающая ГБО и - ). -чивых требований, предъявляемых к характеристикам аппаратуры. Так, для увеличения дальности действия необходимо повышение энергии излучаемого сигнала, что обычно достигается увеличением мощности и/или длительности излучаемой посылки ( ). -ничивается требованием получения необходимого разрешения по дальности, а пиковая излучаемая мощность ограничена акустической антенной (так называемый порог
- ). -нение ЛЧМ зондирующего сигнала и оптимальной (корреляционной) обработки позволяет снять ограничение на длительность посылки, т.к. разрешение по дальности определяется полосой ЛЧМ сигнала, которую можно сделать достаточно большой. Это позволяет на несколько порядков повысить энергетические характеристики системы и улучшить помехозащищенность, но требует построения когерентной схемы синтеза и обработки сигнала.
В настоящее время в ИРЭ РАН разработаны интерферометрические ГБО диапазонов 30, 80 и 240 кГ ц. Интерферометрический ГБО диапазона 80 кГ ц (АГКПС-200/300) активно применялся в ряде крупных изыскательских работ на шельфе (“Голубой поток”, “Поларнет” и др.). В ходе испытаний 30 кГ ц интерферометрического ГБО в Баренцевом море по просьбе штаба Северного флота были осуществлены поисковые работы в районе гибели АПЛ «Курск», в результате чего было оперативно получено акустическое изображение затонувшей АПЛ и определены ее точные координаты. При проведении батиметрической съемки в Балтийском море в 2000 г. была
1943 . -12, -
“ ” 2003 .
затонувшее судно “Брянский лесовоз” (рис.1).
.1. “ ”.
двух встречных галсов. Море Лаптевых
На рис. 2 представлено типичное яркостное (ГБО) и интерферометрическое изображение, получаемое в реальном времени (наклонная дальность указана в метрах). Интерферометрические кривые на рис. 2 содержат в себе в неявном виде информацию о рельефе дна, выделение которой происходит в процессе постобработки. На рис. 3 и 4 приведено акустическое изображение затонувших кораблей и показаны выходы коренных пород на поверхность (Бштийское море).
Одной из проблем, связанных с обработкой сигнала в интерферометриче-ском ГБО, является задача разворота фазы (phase unwrapping). Получаемая в процессе вычисления разность фаз имеет неоднозначность в 2nk (k=0,1,...N, N зависит от
- ). фазы при наличии шума является довольно нетривиальной задачей. Одним из способов разворота фазы является интегрирование частоты интерференции с предварительной её узкополосной следящей фильтрацией, предложенный авторами в [3]. Этот метод был использован для выделения следов ледовой экзарации при проведении изыскательских работ в Арктике по проекту “Поларнет” в 2002 - 2003 гг. Также сле-,
концепции интерферометрических гидролокаторов, использующих для обнаружения и оценки параметров принимаемых сигналов системы с антенными решетками небольших размеров [4]. Применение адаптивных методов взаимосвязанной настройки каналов для обнаружения и пеленгации отраженных сигналов с заданными угловыми координатами позволяет разделить одновременно приходящие с разных направлений сигналы. Такая технология обработки обеспечивает картирование и получение изображений подводных объектов с высоким разрешением в условиях сложного релье, .
В ходе работ по проекту ’’Поларнет” одновременно с интерферометрическим ГБО диапазона 80 кГц использовался многолучевой эхолот SeaBat 8111 фирмы RESON. Это дало уникальную возможность сравнения результатов локационной и
батиметрической съемки этими двумя системами. Антенные системы комплексов стационарно закреплялись в днище теплохода «Кола» и обеспечивались специальной ледовой защитой (рис. 6). Проводка теплохода в сложной ледовой обстановке осуще-
« ».
. 2.
интерференции
2В8 I I аСРИМС , 153405 , , <5030 ■ 45 ,Н, 02822 ■ Ю , Е , 04 ■ 9 , 193 , 100995 , О? ■ 2 , Е*66 |
О | | 5СРВМС , Х53 129 , , 6030 ■ 66 ,Н, 02822 . Х9 , Е .. 04 ■ 5 , 190 , 100995 , О? ■ 2 , Е*6Й |
Рис. 3. Затонувшие корабли. Рис. 4. Выходы коренных
Балтийское море пород. Балтийское море
В многолучевом эхолоте 8еаБа1 8111 с рабочей частотой 100 кГц формировался веер из 101 луча. Ширина каждого луча примерно 1,5 градуса. Использовались только тональные посылки. Регистрация данных многолучевого эхолота производилась с помощью фирменного закрытого лицензионного программного обеспечения.
Для обработки и сравнения использовались текстовые данные формата PTS фирмы RESON, содержащие информацию о глубинах и координатах по отдельным лучам.
Б5
Б9
81 ------------------------------1--------------------------1--------------------------1--------------------------
-195 -97 О 9В 1 96
Рис.5. Профили глубин, полученные при пересечении борозды ледовой экзарации.
Синий цвет - профили интерферометрического ГБО, черный цвет -профили многолучевого эхолота
Сравнительный анализ показал, что батиметрические данные многолучевого эхолота имеют среднеквадратичный разброс отсчетов примерно в 2 - 3 раза меньше, чем в интерферометрическом ГБО. Этот вполне ожидаемый результат связан с дополнительной угловой селекцией данных в многолучевом эхолоте. На рис. 5 показаны профили глубин, проходящие через борозду ледовой экзарации. Профили черного цвета соответствуют измерениям многолучевого эхолота, синего - данным интерфе-. , -ют несколько более устойчивый характер. Итоговые батиметрические карты, построенные независимо по данным каждой из систем, показали на глубинах порядка 50 -100 м систематическое расхождение в 30 - 50 см при среднеквадратичном разбросе около 40 см (т.е. менее 1% от средней глубины). Максимальная абсолютная разность глубин достигала в ряде случаев 2 - 3 м, т.е. до 3% от средней глубины. Следует от,
интерферометрического ГБО и многолучевого эхолота в ледовых условиях была проведена впервые в мире. Также отметим, что гидролокационное изображение, получаемое в фазовом ГБО, представляется более качественным, чем в многолучевом .
Рис.6. Акустические антенны интерферометрического ГБО в ледовой защите под днищем теплохода «Кола»
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Долотов С.А., Каевицер В.И., Смольянинов И.В. Точность определения угла прихода эхосигналов гидролокационным комплексом бокового обзора // Навигация и гидрография. 1996. № 3.
2. Долотов С.А., Каевицер В.И., Разманов В.М. Об одной особенности съемки релье-
//
журнал. 1997. Т.43. № 4.
3. Разманов В.М., Долотов С.А., Смольянинов И.В. Анализ деталей рельефа морского дна фазовым ГБО АГКПС-200 // Геология морей и океанов: XIII Международная
. . . 1999. .2.
4. Kraeutner P.H. Small Aperture Acoustic Imaging using Model Based Array Signal Processing Ph.d. thesis, Simon Fraser University, Burnaby, B.C. Canada. 1998.
ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНОГО ЭХОЛОТА-ПРОФИЛОГРАФА С МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ АНТЕННОЙ И ШИРОКОПОЛОСНЫМ ЛЧМ ЗОНДИРУЮЩИМ СИГНАЛОМ для ИССЛЕДОВАНИЯ МОРСКОГО ДНА
С.А. Долотов, В.И. Каевицер, В.М. Разманов, И.В. Смольянинов, А.В. Саворский
Низкочастотные эхолоты - профилографы находят широкое применение при исследовании морского дна, в том числе и в экологических целях. Они позволяют получать достаточно детальную информацию о структуре донных отложений и наличии различного рода объектов естественного и искусственного происхождения на поверхности дна и в верхних осадочных слоях.
При разработке низкочастотных эхолотов - профилографов приходится учитывать несколько взаимно противоречивых требований (эти требования справедливы и для многих других гидроакустических систем, но особенно сильно проявляются именно для профилографов): для более глубокого проникновения сигнала в грунт требуется использование как можно более низкой несущей частоты сигнала; но на низких частотах возникают проблемы с формированием узкой диаграммы направ, , увеличение длительности излучаемой посылки не позволяет достичь требуемого разрешения по дальности. Одним из способов решения возникающих проблем является применение широкополосного линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) зондирующего сигнала и многоэлементных антенн. Применение ЛЧМ зондирующего сигнала и оптимальной (корреляционной) обработки позволяет снять ограничение на длительность посылки, т.к. разрешение по дальности определяется полосой ЛЧМ , . порядков повысить энергетические характеристики системы при сохранении требуемого разрешения по дальности, но требует построения когерентной схемы синтеза и обработки сигнала а также дополнительного исследования искажения спектра отраженного широкополосного сигнала. Применение многоэлементных низкочастотных антенн позволяет сформировать узкую диаграмму направленности для низкочастот-,
.
2003 .
низкочастотный эхолот - профилограф диапазона 5 кГц с 8-ми элементной излучающей антенной и ЛЧМ зондирующим сигналом. Применение 8-ми элементной антенны позволило сузить ширину главного лепестка диаграммы направленности примерно в шесть раз по сравнению с шириной диаграммы одиночной антенны, применяв-
