Основы гидроакустики и использования гидрографических сонаров

Учебное пособие по курсу Гидрография: "Основы гидроакустики и использования гидрографических сонаров", разработано кандидатом технических наук, доцентом Ю.Г. Фирсовым на основе курса лекций, прочитанного в 2006-2008 гг. курсантам-гидрографам старших курсов Арктического факультета Государственной морской академии имени адмирала СО. Макарова.
Учебное пособие может быть использовано курсантами и студентами заочного факультета гидрографической специальности, а также инженерами-гидрографами, желающими самостоятельно изучить основные принципы гидроакустики и применения современных однолучевых, многолучевых эхолотов и гидролокаторов бокового обзора как в гидрографии, а также морской геологии.

Содержание
Введение
Глава 1 Исторический обзор развития гидрографии и гидроакустических средств
1.1. Гидрография и батиметрия
1.2. Краткий исторический очерк развития гидроакустики
1.3. Особенности распространения акустических волн в воде
1.4. Многолучевые эхолоты
1.5. Современное состояние гидролокаторов
Глава 2 Основы гидроакустики и теории сонаров
2.1. Акустические волны и их физические характеристики
2.2. Уравнение гидролокации
2.2.1. Потери при передаче
2.2.2. Уровень помех
2.2.3. Показатель направленности на приеме
2.2.4. Сила рассеивания и сила цели
2.2.5. Порог обнаружения
2.3. Параметры морской среды
2.3.1. Температура
2.3.2. Соленость
2.3.3. Давление
2.3.4. Плотность
2.3.5. Определение солености, температуры и скорости звука
2.3.6. Работа с инструментами. Регистрация и обработка данных
2.3.7. Расчет глубины с использованием данных вертикального профиля скорости звука
2.3.8. Требования по определению вертикальной скорости звука для работ с многолучевым эхолотом
2.3.9. Распространение звука в воде
2.4. Акустические параметры
2.4.1. Частота
2.4.2. Ширина полосы
2.4.3. Длительность импульса
2.5. Однолучевой эхолот - простой сонар
2.5.1. Ограничения однолучевого эхолота
2.5.2. Многолучевая батиметрия
Глава 3 Акустические преобразователи и их реализации для различных типов сонаров
3.1. Классификация преобразователей с точки зрения принципа действия!
3.1.1. Магнитострикционные преобразователи
3.1.2. Пьезоэлектрические преобразователи
3.1.3. Электрострикциониые преобразователи
3.2. Характеристики преобразователей
3.2.1. Характеристики направленности
3.2.2. Угловая ширина луча (Beam width)
3.3. Классификация сонаров с точки зрения формирования лучей
3.3.1. Формирование лучей однолучевых эхолотов
3.3.2. Формирование лучей многолучевых эхолотов
3.3.3. Формирования лучей сонаров (гидролокаторов) бокового обзора
З.4. Классификация преобразователей с точки зрения установки
3.4.1. Стационарная набортная установка
3.4.2. Буксируемый вариант (Towed)
3.4.3. Переносной вариант (Portable)
3.5. Акустическое покрытие дна
3.5.1. Однолучевой эхолот
3.5.2. Многолучевой эхолот
3.5.3. Гидролокатор бокового обзора
Глава 4 Однолучевые эхолоты
4.1. Принципы работы
4.1.1. Параметры однолучевого эхолота
4.1.2. Точность измерений глубин
4.2. Установка и калибровка
4.3. Работа с эхолотом и регистрация
4.4. Источники ошибок и методы контроля точности
4.4.1. Учет погрешностей за наклон дна
4.4.2. Влияние погрешности определения скорости звука
4.4.3. Влияние погрешности определения времени
4.4.4. Влияние погрешности определения крена, дифферента и вертикального перемещения
4.4.5. Динамическое заглубление преобразователя, учет систематических ошибок от проседания и посадки
4.4.6. Чтение аналоговых записей и разрешающая способность
4.4.7. Интерпретация записей эхосигналов на самописце
4.4.8. Исправление глубин за уровень
4.5. Контроль качества исправленных глубин
Глава 5 Системы площадной съемки рельефа дна
5.1. Основные характеристики многолучевых эхолотов
5.1.1. Принцип работы
5.1.2. Детектирование дна
5.1.3. Распределение лучей и размер пятна облучения
5.1.4. Параметры сигналов
5.1.5. Эффекты от крена, дифферента и рыскания
5.1.6. Компенсация и стабилизация углов крена, дифферента и рыскания
5.1.7. Методы формирования лучей
5.1.8. Цифровые изображения бокового обзора, получаемые с помощью МЛЭ
5.2. Координатные системы МЛЭ
5.2.1. Базовые уравнения многолучевого эхолота
5.2.2. Угловые поправки
5.2.3. Учет рефракции наклонных дальностей в среде с разной скоростью звука
5.2.4. Управление лучами на приеме
5.3. Дополнительные поправки для расчета глубин МЛЭ и их координат
5.3.1. Исправление глубин, рассчитанных МЛЭ
5.3.2. Вертикальное перемещение (Heave)
5.3.3. Динамическое заглубление антенны МЛЭ
5.3.4. Учет поправки за приведение глубин к заданному нулю глубин
5.3.5. Расчет исправленной глубины по данным МЛЭ
5.3.6. Расчет геодезических координат глубин МЛЭ на морском дне
5.4. Априорная точность определения глубин и их координат с помощью МЛЭ
5.4.1. Априорная точность определения глубин
5.4.2. Априорная точность определения координат глубин
5.5. Интерферометрический метод формирования лучей и примеры реализации
5.5.1. Батиметрический ГБО с интерферометрической обработкой (Interferometric sonars)
5.5.2. Батиметрический гидролокатор бокового обзора с синтезированной апертурой
Глава 6 методика выполнения площадной съемки рельефа д многолучевым эхолотом
6.1. Цифровая батиметрия и Стандарты на гидрографическую съемку S-44 МГО
6.1.1. Стандарты на выполнение съемки с многолучевым эхолотом
6.1.2. Цифровые модели рельефа и качество батиметрической съемки
6.2. Методика проектирования работ с системой многолучевого эхолота.
6.2.1. Геодезическое планово-высотное обеспечение
6.2.2. Картографическое обеспечение
6.2.3. Аппаратное обеспечение
6.2.4. Океанографическое обеспечение
6.2.5. Проектирование галсов, ширины полосы обзора, скорости и перекрытия смежных полос.
6.3. Методика выполнения съемки с системой многолучевого эхолота
6.3.1. Подготовка к выполнению съемки
6.3.2. Контроль целостности при выполнении съемки с системой многолучевого эхолота в реальном масштабе времени
6.4. Методика пост-обработки данных площадной съемки с многолучевым эхолотом
6.4.1. Фильтрация данных сопряженных датчиков системы МЛЭ
6.4.2. Исправление глубин и координат
6.4.3. Фильтрация глубин, рассчитанных МЛЭ
6.4.4. Методы апостериорной оценки точности цифровой модели рельефа
6.5. Программное и аппаратное обеспечение для сбора данных системы МЛЭ
6.5.1. Программное обеспечение реального времени системы МЛЭ
6.5.2. Аппаратное обеспечение (на примере МЛЭ ЕМ-710 фирмы Kongsberg Maritime. Inc)
Глава 7 Практические методики контроля и оценки качества для многолучевых эхолотов
7.1. Контроль настройки оборудования МЛЭ в ЭГИС HYPACK/HYSWEEP
7.1.1. Настройка аппаратуры в модуле HYSWEEPR HARDWARE
7.1.2. Настройка аппаратуры в модуле HYPACK R HARDWARE
7.2. Контроль качества функционирования МЛЭ в режиме реального времени
7.2.1. Общие требования к программному обеспечению МЛЭ в части контроля качества
7.2.2. Пример реализации процедур контроля качества съемки в режиме реального времени в ЭГИС HYPACK / HYSWEEP
7.3. Обеспечение качества при проведении пост-обработки данных МЛЭ
7.3.1. Общие требования к контролю качества на этапе пост-обработки данных МЛЭ
7.3.2. Контроль качества при пост-обработке данных МЛЭ на примере HYSWEEP Office контроль качества обработки и представление результатов площадной съемки с МЛЭ
7.4.1. Традиционная оценка качества представления площадной съемки в ЭГИС Hysweep
7.4.2. Оценка качества представления площадной съемки по технологии CUBE
7.5. Обработка и уравнивание результатов калибровки МЛЭ в HYPACK МАХ
7.5.1. Общие требования к выполнению калибровки
7.6. Тест гарантии качества функционирования совмещение цифровых моделей
7.6.1. Создание "референцией" поверхности
7.6.2. Контрольные (поверочные) галсы
7.6.3. Обработка данных и анализ
7.6.4. Тестирование крайних лучей, определение допустимых углов лучей (Beam Angle Test)
7.6.5. Пример выполнения теста контроля качества функционирования (QA)
7.7. Итоговые рекомендации по критериям контроля качества (QC) и гарантии качества (QA) функционирования многолучевого эхолота
7.7.1. Максимальный угол обзора
7.7.2. Наложение смежных полос обзора
7.7.3. Скорость звука и калибровка с помощью калибровочной доски
7.7.4. Выставка осей датчиков и их калибровка ("патч-тест")
7.7.5. Тестирование с целью гарантии качества точности функционирования (QA)
7.7.6. Минимальная глубина
7.7.7. Максимальная скорость при съемке
7.7.8. Частота акустического сигнала
7.7.9. Калибровка скорости звука
7.7.10. Калибровка проседания судна на ходу
7.7.11. Зарегистрированные глубины
7.7.12. Документация по калибровке, контролю качества (QC) и тесту гарантии качества функционирования (QA).
Глава 8 Использование гидролокаторов бокового обзора для обнаружения подводных препятствий
8.1. Современные гидролокационные системы бокового обзора, предназначенные для гидрографической съемки
8.1.1. Принцип работы гидролокатора бокового обзора
8.1.2. Классификация гидролокаторов бокового обзора
8.1.3. Состав аппаратуры гидролокатора бокового обзора
8.1.4. Высота носителя антенн над дном и его скорость
8.1.5. Формирование изображения донного объекта
8.1.6. Вычисление высоты цели над дном
8.1.7. Определение планового положения объекта на дне
8.1.8. Записи ГБО
8.1.9. Качество гидролокационной съемки
8.2. Требования к выполнению съемки с помощью гидролокатора бокового обзора
8.2.1. Общие требования
8.2.2. Точность
8.2.3. Скорость буксировки
8.2.4. Покрытие
8.2.5. Контроль качества съемки с помощью ГБО
8.2.6. Список контактов и карта полос покрытия ГБО
8.2.7. Соннограммы
8.2.8. Окончательный отчет о контактах
8.3. Программное обеспечение для работы с гидролокаторами бокового обзора
8.3.1. Использование программного обеспечения реального времени для сбора и регистрации данных ГБО (на примере HYPACK/HYSCAN Survey)
8.3.2. Программное обеспечение пост-обработки и представления съемки с ГБО
Заключение
Список литературы
Приложения
Приложение 1. Технические характеристики многолучевого эхолота ЕМ710
Приложение 2. Глоссарий по гидроакустике и гидрографическим технологиям
Приложение 3. Адреса интернет сайтов с информацией по гидрографическим сонарам и технологиям
Приложение 4. Перечень сокращений