Сонари: принцип дії, типи та застосування

Огляд застосування сонарів та їх основні можливості
 

Сонарні системи мають широкий спектр застосувань. Цей посібник охоплює основні аспекти технології сонара, включаючи його використання для підводних інспекцій, пошуково-рятувальних операцій, батиметричних досліджень та інших завдань.

Сонар часто є улюбленим інструментом для тих, хто працює під водою. Використання сонара може бути більше мистецтвом, ніж наукою, тому для новачків це може стати справжнім викликом. Проте, це потужний засіб, що надає інформацію про положення, контекст навколишнього середовища та забезпечує можливості зображення навіть у наймутнішій воді.

 

Різні типи сенсорів, що використовують акустичну технологію:

 

1. Ехолот / альтиметри

2. Механічне сканування (CHIRP, секторне сканування)
3. Доплерівські логери швидкості
4. Ультракоротка базова позиціонування
5. Бічні скануючі сонари
6. 2D зображувальні сонари
7. 3D зображувальні сонари

Хоча кожна з цих технологій має своє унікальне призначення, цей матеріал спеціально висвітлює використання сонара для підводних інспекцій та досліджень.

 

Сонар допомагає у:
 

• Навігації в мутній воді або великих відкритих просторах
• Ідентифікації ключових об’єктів
• Вимірюванні характеристик, таких як рівень осадів або розміри дефектів
• Підвищенні ситуаційної обізнаності

Підводні застосування сонара включають:
 

• Батиметричні дослідження
• Інспекції трубопроводів
• Знешкодження вибухонебезпечних предметів (EOD) та заходи проти мін (MCM)
• Пошук і порятунок
• Підводне підняття затонулих об’єктів
• Інспекцію інфраструктури
• Дослідження для підтримки встановлення морських вітрових електростанцій
• Океанографію, відкриття та академічні дослідження

 

 

Що таке сонар і як він використовується?
 

Оскільки GPS не працює під водою, а використання камер у каламутній воді часто малоефективне, сонар є незамінною технологією для підводних досліджень.

Сонар (звукова навігація та визначення відстані) використовує звукові хвилі для картографування та виявлення об’єктів. Він випромінює імпульси, які відбиваються від підводних предметів і повертаються назад. Вимірявши час повернення сигналу, можна визначити відстань до об’єкта.

Попри те, що принцип роботи сонара часто приписують Леонардо да Вінчі, у природі він використовується мільйони років. Наприклад, кити можуть розпізнавати об’єкти розміром із камінь на відстані понад 18 метрів і більше покладаються на ехолокацію, ніж на зір.

 

Як працює сонар?
 

Активна сонарна система складається з дисплея, перетворювача (трансд’юсера), передавача та приймача. Передавач випромінює імпульс, який перетворюється на звукову хвилю. Коли ця хвиля натрапляє на об’єкт, вона відбивається назад.

Залежно від потужності системи, сонар може виявляти об’єкти на відстані до 7 000 метрів. Перетворювач приймає відбитий сигнал, переводить його в електричний імпульс, а потім приймач підсилює його та виводить на екран. Додаткові гідрофонні датчики вимірюють інтенсивність та фазу звуку для точнішого визначення відстані.

 

 

 

 

Види сонарних систем
 

1. Активний сонар

   Використовує випромінювач, який надсилає звукові хвилі. Вони відбиваються від об’єктів і повертаються назад, що дозволяє визначити їх розташування, відстань і навіть форму.

2. Пасивний сонар

   Не випромінює звукових хвиль, а лише вловлює їх. Використовується для виявлення звуків морських тварин або суден.

3. CHIRP-сонар

   Застосовується для вивчення морського дна та пошуку риби. Він випромінює імпульси в широкому частотному діапазоні, що дозволяє отримувати деталізовані зображення.
    

Чому сонар є незамінним?
 

Сонарні технології відіграють ключову роль у морських дослідженнях, промисловості, рятувальних операціях та оборонній сфері. Основні переваги:

• Можливість роботи в умовах повної темряви або каламутної води
• Висока точність при створенні карт морського дна
• Виявлення об’єктів, недоступних для візуального огляду
• Оцінка безпеки маршрутів для підводних апаратів та суден

Категорії сонарних пристроїв
 

Сонарні пристрої можна класифікувати за їх застосуванням та можливостями. Дві основні категорії:

1. Ехолот (Echosounder)
2. Зображувальний сонар (Imaging Sonar)

Навігація з ехолотами
 

• Однопроменеві ехолоти: випромінюють єдиний звуковий промінь вертикально вниз і використовуються для базових вимірювань глибини.
• Багатопроменеві ехолоти: використовують кілька променів для створення детальної карти морського дна.

 

 

Зображувальні сонари
 

На відміну від ехолотів, які надають лише дані про глибину, зображувальні сонари створюють візуальні зображення підводного середовища.

• Скануючий зображувальний сонар: використовує обертовий перетворювач для формування 3D-зображень підводних об'єктів і місцевості.
• Багатопроменевий зображувальний сонар: відомий як "сонар прямого бачення", він випромінює кілька променів одночасно, дозволяючи швидко створювати високоточні карти.

 

Доступні моделі сонарів
 

• M370S: Ідеальний для навігації у відкритому морі, дальність до 200 метрів.
• M750D: Поєднує високу роздільну здатність і розширений діапазон.
• M1200D: Найкращий для детальних досліджень, пошукових і рятувальних операцій.
• M3000D: Високочастотний сонар для точного аналізу об'єктів на малій відстані.
• C550D: Компактний і доступний варіант з дальністю до 100 метрів.

 

 

Бічний сканувальний сонар
 

Бічний сканувальний сонар призначений для створення детальних зображень морського або озерного дна вздовж маршруту руху. Його можна встановлювати на корпус судна або підводний дрон (ROV) для виявлення занурених об'єктів. Сонар випромінює звукові хвилі перпендикулярно до напрямку руху та фіксує відбиті сигнали від дна.

Цей тип сонара надає інформацію про рельєф і структуру морського дна, створюючи чорно-білі або градаційні зображення. Світліші відтінки позначають тверді, відбивні поверхні, а темніші – м’які, менш відбивні ділянки.

Такий тип сонару широко застосовується для картографування великих підводних територій, пошуково-рятувальних операцій, морського будівництва та археологічних досліджень. Найкраще підходить для широкомасштабного сканування, коли його встановлюють на автономний підводний апарат (AUV) або надводне судно. У підводних дронах (ROV) цей тип сонара корисний для обстеження великих площ у важкодоступних місцях, покриваючи більше території, ніж стандартний зображувальний сонар.

Бічний сканувальний сонар пропонується для таких моделей, як ROV REVOLUTION і PIVOT.

 

 

Що можуть зробити для вас сонар і USBL?
 

Одним із потужних рішень є USBL (Ultra-Short Baseline) – система, яка легко інтегрується із сонарними технологіями. Використання USBL та сонара допомагає операторам точно визначати місце розташування ROV та отримувати чітку картину підводного середовища, що робить їх незамінними в багатьох сферах. Від пошуково-рятувальних операцій до оборонних завдань – ці технології забезпечують високу точність та надійність.

USBL працює за принципом триангуляції для точного визначення місцезнаходження ROV. Трансд'юсер на поверхні взаємодіє з транспондером, встановленим на ROV, створюючи систему підводного GPS. Цю інформацію можна відображати в реальному часі на картах, наприклад, у Google Earth, з точністю до 20 см. Поєднуючи ці дані з GPS-координатами трансд'юсера, оператори можуть з високою точністю відстежувати місцезнаходження ROV.

Накладання карт у режимі реального часу спрощує навігацію, що особливо цінно в галузях, де необхідне точне позиціювання – наприклад, під час пошуково-рятувальних операцій або досліджень великих і складних підводних об’єктів. USBL також широко застосовується в морських операціях, допомагаючи операторам контролювати розташування ROV відносно досліджуваних об’єктів. Під час підводних інспекцій USBL надає точні координати, завдяки чому пілоти можуть зберігати орієнтацію щодо споруд та об'єктів.
 

 

 

Принцип роботи сонарних систем
 

Сонарні системи використовують віялоподібні звукові промені з вузьким горизонтальним та широким вертикальним діапазоном, що дозволяє ефективно картографувати поперечні перерізи підводного середовища. Для отримання точних вимірювань необхідно глибоке розуміння акустики.

 

Швидкість звуку у воді
 

Сонар визначає відстань, множачи швидкість звуку у воді на час повернення ехосигналу за формулою:

Відстань = відома швидкість звуку у воді × (час затримки відбитого сигналу / 2)

Температура, глибина та солоність впливають на швидкість звуку, яка зазвичай становить близько 1500 м/с у солоній воді. Оскільки сонарні системи не можуть безпосередньо вимірювати швидкість звуку, для підвищення точності в змінних умовах використовуються спеціальні калькулятори.

 

Відбивна здатність об'єктів та характер розповсюдження звукових хвиль
 

Відбивна здатність залежить від матеріалу поверхні. Об'єкти, такі як каміння та метал, створюють сильні ехосигнали, тоді як м’які поверхні (пісок, мул, водорості) поглинають більше звуку.

 

 

Видимість об'єктів, похила відстань та кут прибуття сигналу
 

Сонар відображає лише ті об'єкти, що знаходяться в межах його променя, і не може розрізняти об’єкти, що перекриваються на однаковій похилій відстані (кут прибуття сигналу). Наприклад, якщо два об'єкти розташовані один над одним на однаковій похилій відстані перед сонаром, вони відобразяться як один об'єкт через накладання відбитих сигналів.

 

Видимість дна
 

Для картографування дна водойм важливо враховувати, що сила сигналу зменшується на великих відстанях. Для покращення якості зображення сонарні системи встановлюють під певним кутом. Якщо система розташована вертикально вниз на малій висоті, на екрані відобразиться лише вузька смуга морського дна. Зі збільшенням висоти огляд стає ширшим.

Для отримання найкращих результатів при пошуку об'єктів на морському дні оператори сонару коригують висоту і нахил системи, щоб максимізувати зону сканування та силу сигналу для чіткішого зображення дна.

 

Правило 10%
 

Для ефективного покриття як механічні, так і бічні сканувальні сонари повинні дотримуватися "правила 10%", що забезпечує близько 70% покриття морського дна. Це правило передбачає, що висота розташування сонара повинна становити 10% від обраного діапазону сканування. Наприклад, якщо дальність становить 10 метрів, сонар слід розмістити на висоті 1 метр над морським дном; при дальності 20 метрів — на висоті 2 метри.

 

 

Акустична тінь, відстань і висота
 

Подібно до того, як видиме світло створює тіні, об'єкти в зображеннях сонара відкидають "акустичні тіні". Коли сонар розташований під великим кутом і на високій висоті, тіні стають коротшими і менш помітними, що ускладнює оцінку об'єктів. Менша висота і пологий кут, навпаки, створюють довші тіні, що допомагає краще визначати форму та контури об'єктів.

Об'єкти, розташовані далі від сонара, створюють вужчі тіні через особливості геометрії звукових хвиль. Зі зменшенням відстані тіні розширюються, що може ускладнювати спостереження за дрібними деталями. У густо заселених районах коригування кута нахилу та висоти сонара допомагає покращити видимість і відокремити об'єкти один від одного.

 

 

Відбиття сигналів у сонарі
 

Як було показано в попередніх розділах, сонарні системи зазвичай висвітлюють об'єкти під кутом, відображаючи лише ті поверхні та краї, які розташовані ближче до випромінювача. Поверхні, що безпосередньо спрямовані до сонара, створюють найсильніші відбиття, тоді як нахилені поверхні розсіюють звукові хвилі, зменшуючи якість отриманого відбиття.

Ці принципи застосовуються до великих підводних структур. Наприклад, під час інспекції корпусу судна або пірсів сонар відобразить чіткі зони яскравими відбиттями, тоді як закриті області виглядатимуть як затемнені ділянки без повернення сигналу.

 

Навігація підводних дронів (ROV)
 

Хоча сонарні системи надають унікальні можливості акустичної візуалізації, вони особливо корисні, коли встановлюються на підводному дроні (ROV). Без сонара пілот ROV покладається лише на відеокамеру, що обмежує видимість у мутній воді, де огляд може бути меншим за один метр.

Сонар значно розширює діапазон виявлення об'єктів, дозволяючи пілоту визначати їх місцезнаходження на відстані. Замість того, щоб переміщатися по дну в пошуках об'єктів, ROV може залишатися на місці та сканувати навколишнє середовище, що дозволяє отримати чітке уявлення про простір, розташування штучних конструкцій, природних утворень та небезпечних зон.

Однак через невелику масу ROV схильні до мимовільних вертикальних і горизонтальних рухів. Під час сканування будь-яке переміщення дрона може розмазувати зображення. Для зменшення цього ефекту можна обмежити площину сканування або зафіксувати ROV на дні, що підвищить частоту оновлення зображень і покращить їхню чіткість.

Під час інтерпретації зображень сонара важливо враховувати орієнтацію об'єктів: вони відображаються відповідно до годинникової стрілки, починаючи з 000° R, що дозволяє точно визначати їх розташування.

 

Полярне сканування
 

Охоплює повний 360-градусний огляд, що робить його ідеальним для аналізу навколишнього середовища навколо ROV, особливо в умовах обмеженої видимості.

 

Секторне сканування 
 

Охоплює діапазон менше 360 градусів. Воно є ефективним для підвищення частоти оновлення зображень при дослідженні середовища або відстеженні об'єкта, проте може призвести до втрати інформації про зони поза охопленням.
 

Визначення місцезнаходження об’єкта за допомогою встановленого скануючого сонара
 

Сонар можна використовувати для виявлення цілей у водяному стовпчику або на морському дні. Проте ефективне використання сонарної системи для знаходження об’єктів, особливо малих, вимагає практики.

Щоб оптимізувати виявлення об’єктів за допомогою підводного робота (ROV), важливо маневрувати повільно, що дозволяє отримувати чіткі сонарні зображення без розмивання. Першим кроком є розташування ROV на морському дні або в стабільному положенні.

Коли система стабілізована, розпочніть полярне сканування, щоб отримати повне уявлення про навколишнє середовище. Після цього обчисліть відносний азимут щодо цільового об’єкта. Потім ROV слід вирівняти з об’єктом, встановивши азимут, рівний нулю.

Далі застосуйте секторне сканування, звузивши кут до приблизно 90 градусів, щоб покращити частоту оновлення зображень. Нарешті, підтримуйте контакт із цільовим об’єктом за допомогою сонару, слідкуючи за його рухом.

 

Основні переваги інтеграції ортомозаїк та SoundTiles

 

Для комплексних підводних інспекцій створення високоякісних ортомозаїк за допомогою програмного забезпечення SoundTiles дозволяє користувачам досягати точного, масштабного візуального картографування. Ортомозаїки – це композиційні зображення, створені з декількох знімків сонару або камери, зшитих разом для формування безперервного виду зверху на досліджувану територію. Ця техніка забезпечує єдиний, детальний візуальний довідник, який є безцінним для моніторингу стану активів, відстеження змін з часом або картографування великих підводних конструкцій.

Програмне забезпечення SoundTiles, яке інтегрується з підводними роботами Deep Trekker, автоматизує створення цих акустичних мозаїк шляхом складання сонарних зображень, отриманих під час інспекції. Використовуючи SoundTiles, оператори можуть створювати безшовну, геоприв’язану карту, що є особливо корисною для інспекції інфраструктури, такої як дамби, тунелі та корпуси суден, де всебічний огляд є надзвичайно важливим.
 

Польове випробування на дамбі гідроелектростанції демонструє, як дані сонара, отримані нашими ROV PIVOT і REVOLUTION, можна використовувати для створення ортомозаїки підводних об’єктів.

 

• Покращена візуалізація 

Поєднання декількох знімків сонара в одне високоточне зображення дозволяє створювати ортомозаїки, що забезпечують детальний огляд великих або важкодоступних підводних територій.

 

• Підвищена точність

Програмне забезпечення SoundTiles коригує відмінності в даних сонара, точно поєднуючи зображення для створення просторової карти з високою точністю.

 

• Виявлення змін

Під час регулярних інспекцій ортомозаїки можуть слугувати базовими еталонами, що дозволяє операторам порівнювати зображення за певний період часу та виявляти можливі структурні зміни.

 

Завдяки інтеграції SoundTiles із підводними дронами Deep Trekker користувачі можуть використовувати ортомозаїки для детального моніторингу, що забезпечує комплексний огляд, який перевершує можливості окремого сонара або візуального огляду.

 

Застосування сонарних систем
 

Кожен тип зображувального сонара має свої унікальні переваги, що дозволяє дослідникам та морським спеціалістам отримувати детальну інформацію про підводний світ. Ці технології відіграють важливу роль у вивченні океанів, збереженні морських екосистем і в різних галузях, які залежать від точного підводного картографування та візуалізації.

 

• Батиметричні дослідження

Вивчення рельєфу дна водойм, зокрема океанів, річок, озер і струмків, що забезпечує безпечну навігацію та створення глибоководних карт.

 

• Інспекція трубопроводів 

Перевірка стану трубопроводів у каламутній воді, що допомагає виявляти пошкодження, оцінювати їхній стан та контролювати цілісність.

 

Зображення надано з безпілотників H20, огляд труб з Sonar

 

• Знешкодження вибухонебезпечних предметів / Мінні контрзаходи

Застосування сонара для виявлення нерозірваних боєприпасів (EOD) та проведення заходів проти мін (MCM), що є надзвичайно важливим при прокладанні кабелів та трубопроводів.

 

•  Пошук і порятунок

Використання сонарних технологій у рятувальних операціях для виявлення доказів або зниклих осіб після аварій на воді, допомагаючи направити водолазів до місця операції.

 

•  Підняття затонулих об'єктів

Сонар допомагає знаходити затонулі судна та інші великі підводні об'єкти, забезпечуючи їх виявлення на відстані до 200 метрів.

 

•  Підтримка встановлення морських вітрових електростанцій

Потужні сонарні системи використовуються для забезпечення безпечного встановлення турбін у морі, передбачаючи детальне обстеження ділянки.

 

• Огляд інфраструктури

Перевірка великих конструкцій, таких як опори мостів, пірси, доки та дамби, з метою оцінки їхнього стану та виявлення серйозних пошкоджень.

 

• Океанографія, дослідження та академічна наука

Впровадження сонарних технологій для моніторингу підводного життя, екологічного стану водойм та змін у морському середовищі.

 

 

• Інспекція тунелів із зображувальним сонаром

2D-зображувальні сонари, що випромінюють сотні звукових хвиль у горизонтальному діапазоні 120° і вертикальному 20°, забезпечують кращу якість зображення порівняно з однопроменевими системами.

 

• Дистанційно керовані підводні роботи для вас

Опанувавши основи роботи сонарних систем та їх застосування, ви вже на крок ближче до визначення, чи підходить ця технологія для ваших потреб. Не поспішайте з прийняттям рішення – додаткові дослідження лише допоможуть зробити правильний вибір.