В этой статье я хочу поделиться с читателями информацией об устройстве и основном принципе работы современного эхолота.
Расскажите об основном принципе его работы и отразите задачи, которые необходимо решить с помощью этого замечательного приспособления, используемого на промышленной рыбалке.
Пример отображения информации с помощью сонара.
Эхолот.
Основой гидролокатора является передатчик/приемник, который посылает звуковые импульсы в нужном направлении, а также принимает отраженные импульсы, если посылка, встретив на своем пути какой-либо объект, отражается от него.
Эти пакеты и отраженные сигналы после специальной трансформации звучат очень похоже на то, как произносится слово «пинг».
Вращая антенну, как прожектор, можно определить направление, в котором посылается пинг, а значит, и направление объекта, от которого пинг отражается. Измерив интервал времени между отправкой импульса и получением отраженного сигнала, можно определить расстояние до обнаруженного объекта. Этот процесс называется эхолокацией.
Измерение расстояния представлено формулой.
Гидролокатор - можно отнести к средствам обеспечения лова и лова морских животных, которое используется для поиска объектов лова, оценки их концентрации и запасов, наведения на них орудий лова, а также контроля за состоянием этих снастей и т.п
Современный гидролокатор, помимо описанных выше задач, используется для измерения глубины океана, а также для изучения рельефа дна водоема.
Поскольку гидролокатор решает сразу несколько задач, его также можно отнести к гидроакустическим станциям.
Распространение волн
Скорость распространения звуковых волн в морской воде зависит от температуры, солености и давления воды. Скорость на мелководье варьируется от 1440 до 1520 м/с. На глубине 1000 м эта скорость составляет примерно 1480 м/с. В пресной воде на мелководье она составляет примерно 1430 м/с.
Импульсное излучение
Сонар излучает импульсы звуковых волн высокой энергии. Эти волны отражаются от плоской твердой поверхности, как от зеркала. Энергия звуковых волн охватывает все большие и большие площади, продолжая распространяться к земле и обратно на поверхность.
Энергия излучения распространяется в четыре раза больше пространства, когда расстояние сканирования увеличивается вдвое.
Точно так же звуковые волны отражаются от больших и плотных косяков рыб. Этот тип распространения звуковых волн относится к квадратичному закону 20 log TVG – управлению усилением по времени.
Ситуация несколько иная, когда звуковые волны отражаются от одной рыбы. Излучаемая звуковая волна подчиняется квадратичному закону распространения при движении от поверхности к рыбе. Воздушный пузырь рыбы рассеивает часть энергии излучения во всех направлениях. Рассеянная отраженная волна, идущая обратно от рыбы к поверхности, подчиняется неквадратичному закону распространения. Этот комбинированный эффект связан с законом учетверения log TVG -40.
Потери за счет поглощения при распространении звука в морской воде значительно больше, чем в пресной. Поглощение также увеличивается с увеличением частоты излучающего импульса. На частоте 38 кГц поглощение составляет 0,5 дБ/км в пресной воде и 10 дБ/км в морской воде. На частоте 200 кГц поглощение составляет 10 дБ/км в пресной воде и 50 дБ/км в соленой воде.
Единица дБ (децибел) традиционно используется в гидроакустике и других областях физики и представляет собой логарифмическое измерение отношения между двумя величинами.
Чтобы правильно компенсировать описанные выше потери в гидролокаторе, необходимо учитывать тип воды.
график зависимости скорости звука в воде от температуры и солености.
Эхо сигналы от грунта
Твердая, плоская земля отражает эхо, как зеркало. Сканирующий импульс почти сразу достигает дна, и эхо от различных участков земли также почти сразу возвращается на поверхность. Принятые эхо-сигналы в основном представляют собой ослабленные копии коротких всплесков импульсов.
Эхо от наклонной поверхности длиннее и имеет более медленный подъем и спад. Сканирующий импульс сначала попадает на склон в точке А, а по прошествии времени точка отражения перемещается вниз по склону к точке Б. Твердая и твердая земля не вызывает большого количества отражений. Земля часто состоит из слоев ила, глины и песка, которые на эхолоте выглядят как цветные полосы.
Основные блоки Эхолота
Рыболовный эхолот включает в себя следующие основные блоки:
Трансивер общего назначения - GPT
Трансивер GPT представляет собой небольшой многофункциональный автономный блок, устанавливаемый на борту корабля. Обычно его устанавливают рядом с гидроакустическим преобразователем, чтобы свести к минимуму электрические помехи на кабеле гидроакустического преобразователя.
Трансиверы производства Simrad
В приемопередатчике GPT установлены от одной до четырех плат приемопередатчика TRX, цифровой сигнальный процессор DSP, плата ввода-вывода, управляющая различными интерфейсными сигналами, и плата питания. Во всех четырех конфигурациях используется один и тот же разъем преобразователя сонара.
Канал Ethernet соединяет GPT с блоком управления процессором: TP (витая пара) или AUI (интерфейс подключения устройства).
Частота работы GPT определяется установкой правильных карт. Преобразователи могут выпускаться также на резонансную частоту 28, 38, 50, 70, 200 кГц. Кроме того, они производят передатчики с расщепленным лучом и вибраторы. Передатчик GPT с разделенным лучом работает с антенной, состоящей из четырех секций.
Модуляция сигнала
Большинство эхолотов используют модуляцию CW. Гидролокатор излучает одиночные импульсы определенной длительности и частоты. CW (Continious Wave) — в этом режиме сообщение содержит пакет импульсов одинаковой длительности.
В современном гидролокаторе Simrad используются передатчики WPT, которые могут работать как в режиме FM-модуляции, так и в режиме частотной модуляции (FM — частотная модуляция). Отношение сигнал/шум увеличено в 7 раз.
Обратите внимание: Мой опыт работы гидом заграницей.
Более четкое выделение объектов, высокое разрешение на большой глубине независимо от длительности импульса. Точное определение размерного диапазона рыбы. Идея в том, что за один пинг частоту и длительность импульса можно менять в широких пределах.Гидроакустический преобразователь
Эффективность гидролокатора во многом зависит от расположения гидроакустического преобразователя относительно гребных винтов судна и шума гидродинамического потока воды. Также важно учитывать помехи от электрических датчиков на кабеле преобразователя. Необходимо принять во внимание следующее:
-
Электрический кабель должен иметь металлическую экранирующую оплетку для минимизации электрических помех.
-
Экран кабеля следует подключать только к соответствующему контакту разъема приемопередатчика. По всей длине кабеля экран не должен соприкасаться с грунтом судна.
-
Корпус корабля может выступать в роли экрана между гребным винтом и гидроакустическим преобразователем, что позволяет снизить шумовую составляющую от гребных винтов за счет выбора места расположения преобразователя. Поэтому датчик следует устанавливать на расстоянии не более 1/3 длины судна (считая от носовой части), на той стороне корпуса, где лопасти гребного винта движутся вверх. Также слегка наклоните датчик так, чтобы рабочая поверхность датчика находилась ниже уровня киля гребного винта.
-
Винт не должен быть поврежден. Чтобы свести к минимуму влияние кавитации, гребной винт должен иметь гладкую поверхность. Эти возмущения уменьшаются также за счет достаточно большого расстояния между лопастями винта и корпусом корабля.
-
Для уменьшения гидродинамических помех непосредственно на киле гидроакустический преобразователь должен быть установлен на расстоянии не менее 0,6 м от киля на судах длиной более 20 м и на расстоянии не менее 1 м от киля на судах большей длины.
-
Для эхолотов с двумя или тремя каналами преобразователи следует устанавливать в одном и том же месте для сокращения интервалов поглощения сигналов после момента излучения сигнала одним из преобразователей.
-
Следует избегать выступающих частей труб и острых кромок вблизи датчиков.
-
Величину гидродинамических помех можно уменьшить заострением носовой части судна.
-
После установки инвертор необходимо покрасить качественной антикоррозионной краской.
Гидроакустические преобразователи
Преобразователи делятся на активные и пассивные. Активный может как отправлять сигнал, так и принимать его. Пассивные же устройства способны принимать только эхо-сигналы. Они также могут быть узкочастотными и с широким частотным диапазоном. Один и много лучей.
Эхограмма
Эхограмма в программном обеспечении сонара SIMRAD ES 70
В приведенном выше примере показано окно экрана с двумя частотами. Он содержит две эхограммы для данного частотного канала. Верхняя эхограмма показывает эхосигналы в поверхностном слое, нижняя – область вблизи дна.
Контроль биомассы с использованием расщеплённого луча
В эхолоте может использоваться преобразователь гидролокатора с расщепленным лучом для оценки распределения размеров отдельных рыб.
Этот преобразователь (вибратор) электрически разделен на четыре квадранта. Во время излучения сигнала все четыре квадранта возбуждаются параллельно. Однако принятые эхо-сигналы в каждом квадранте усиливаются отдельно в четырех приемниках, соответствующих каждому каналу, что позволяет фиксировать направление прихода эхо-сигнала.
Волновой фронт, распространяющийся в сторону гидроакустического преобразователя, приходит в четыре квадранта в разное время, вызывая изменение фазовых углов выходных электрических сигналов из квадрантов. Продольный угол определяется разностью фаз между сигналами, поступающими спереди и сзади преобразователя, а поперечный угол определяется правым и левым сигналами.
Указанная на рисунке рыба А расположена вдоль оси гидроакустического преобразователя, в зоне максимальной чувствительности гидролокатора, а рыба
Б находится ближе к краю луча, в зоне меньшей чувствительности. Понятно, что рыба А будет иметь более сильное эхо, чем рыба Б, даже если они одинакового размера и находятся на одной и той же глубине. Поэтому неправильно определять размер рыбы, основываясь только на силе эхосигналов. Сонар с разделенным лучом определяет положение отдельной рыбы в луче. Разница в чувствительности корректируется и рассчитывается истинный размер рыбы.
Метод измерения разделенного луча работает только для отдельных рыб, поскольку электрический фазовый угол будет случайным, когда эхо-сигналы возвращаются от множества разных рыб одновременно. Поэтому измерение размеров особи внутри косяка рыб не даст достоверного результата.
Усиление "Пинга"
В гидролокаторах используются два принципа усиления: усиление сигнала и TVG (TVG).
С усилением сигнала все достаточно просто, основной принцип заключается в изменении цифрового значения усиления в передатчике гидролокатора.
TVG Gain Control (VAGC) означает изменяющееся во времени усиление (vari-gain). Общая идея ТВГ заключается в том, что уровень (цвет) эхосигналов рыбы не зависит от глубины локации. Большинство эхолотов не имеют компенсирующего ВАРУ, и эта функция часто реализуется программно после оцифровки сигналов приемника.
Диапазон наблюдения
В соленой воде поглощение звуковых волн значительно увеличивается с увеличением частоты. Чтобы обеспечить максимально большую зону обзора, следует выбирать низкочастотный преобразователь больших размеров с максимальной мощностью передачи.
Типичные зоны наблюдения с использованием типичных датчиков Simrad
Типичные зоны наблюдения показаны на рисунке выше. С помощью эхолота Simrad 27-26/21 (27 кГц, 10х13 градусов, 3000 Вт) можно увидеть треску размером 60 см на глубине до 800 м и грунт на глубине до 3800 м. А вот с помощью 200 - Гидроакустический преобразователь 7Ф (200 кГц, 7х7 градусов, 1000 Вт), ту же треску можно увидеть только на глубине до 250 м при фиксации грунта на глубине до 500 м.
Эти значения рассчитаны на основе нормальной температуры (+10°C) и солености морской воды (3,5%), среднего грунта (мощность поверхностного рассеяния = -20 дБ) и уровня шума при движении типичного судна.
Заключение
В этой статье я изложил основные принципы эхолокации, конструкцию эхолотов, а также их основные функции и возможности.
Тема гидролокаторов достаточно обширна, представленные в статье функции – это лишь малая часть возможностей современного гидролокатора.
Используемая литература
-
Евтютов А.П., Колесников А.Е., Ляликов А.П и др. - Справочник по гидроакустике (Библиотека инженера-гидроакустика) - 1982 г
-
Руководство пользователя эхолота Simrad ES 60
-
Руководство пользователя эхолота Simrad ES 70
-
Учебный курс SIMRAD 2017 - Теория гидролокации
Больше интересных статей здесь: Туризм.
Источник статьи: Рыбо-поисковые эхолоты, основные функции и принцип работы.