SKNARYA Anatoly Vasilyevich
TRUSILOV Vladimir Tarasovich
Maxim Vyacheslavovich SEDOV
APLICACIÓN DEL SONAR DE VISTA LATERAL PARA RESOLVER PROBLEMAS DE SEGURIDAD EN EL ENVÍO Y MONITOREO AMBIENTAL
El incremento de la actividad económica humana en las últimas décadas ha propiciado la implicación activa de las aguas interiores y plataformas marinas en este ámbito de actividad, lo que requirió la implementación de medidas encaminadas a garantizar la seguridad durante el trabajo en zonas acuáticas y el seguimiento ambiental de las consecuencias de la actividad humana.
Es necesario desarrollar métodos y hardware eficaces que permitan llevar a cabo este tipo de actividades en el menor tiempo posible y con alta calidad.
Estos últimos incluyen side- sonares de escaneo (SSO).
La principal ventaja de SSO es la capacidad de obtener en tiempo real una imagen acústica de alta calidad del fondo en un área grande a casi cualquier profundidad y en cualquier yacimiento.
La imagen acústica del fondo contiene suficiente información que puede utilizarse para resolver muchos problemas, como garantizar la seguridad de la navegación en ríos y canales, analizar el impacto de la actividad humana en el medio ambiente, etc.
La calidad de las imágenes acústicas (mejor detalle y contraste del fondo) ha mejorado significativamente en los últimos años.
Esto se debe, en primer lugar, al uso generalizado de métodos digitales modernos para generar y procesar señales en SSS, y el uso de bases elementales modernas en ellos ha permitido reducir significativamente las características de peso y tamaño de los sonares y hacerlos inteligente y fácil de usar.
Los SSS se clasifican como sistemas hidroacústicos activos.
La obtención de imágenes acústicas en sonares se basa en el hecho de que la señal acústica emitida por la antena transmisora, a lo largo de su trayectoria de propagación, se refleja de regreso a la antena receptora desde cualquier heterogeneidad en la columna de agua. El fondo también es esa heterogeneidad. Y cuanto más difieren entre sí las características acústicas del agua y la heterogeneidad, más fuerte será la señal reflejada.
Muy bien, por ejemplo, la señal acústica se refleja en el agua. límite de aire, piedra de agua y muy mal reflejado desde el límite de agua-limo. En base a esto, el brillo en la imagen acústica será diferente y podrá usarse en su análisis para resolver un problema particular.
El uso de señales acústicas en SSS las hace indispensables cuando se realizan trabajos en grandes áreas, ya que permite reducir significativamente el tiempo de su examen.
El hecho es que todos los demás tipos de vibraciones (ondas de luz y radio) tienen una atenuación significativamente mayor en el agua y permiten exámenes detallados en el agua a distancias de varios metros.
En los últimos años se ha vuelto muy urgente la tarea de monitorear el estado de los oleoductos y gasoductos (teniendo en cuenta la larga vida útil de algunos de ellos) a través de los ríos, incluida la pronta determinación de las fugas en los mismos.
Para resolver esta tarea, el uso de equipos de gas es muy relevante, ya que permitirá mediante un método sin contacto y en tiempo real determinar las ubicaciones de las fugas mediante una imagen acústica.
Otra tarea no menos urgente es estudiar el grado de contaminación de las zonas acuáticas. Esto último incluye tanto la contaminación de la superficie de las áreas de agua (esto es, en primer lugar, basura y derrames de petróleo) como la contaminación más intensa que se deposita en el fondo. Y si los primeros se detectan fácilmente incluso de forma puramente visual, los segundos no lo son tanto.
En este caso, el uso del sonar también puede resultar muy útil, ya que le permitirá inspeccionar rápidamente una gran área del fondo e identificar estudios más detallados de áreas individuales del fondo.
Como ejemplo en la Fig. La Figura 1 muestra una imagen acústica de una sección del fondo del Mar Negro en el lugar donde el río desemboca en él, obtenida durante las pruebas del Hydra HBO en el verano de 2002.
Esta El sonar fue diseñado especialmente para funcionar desde embarcaciones pequeñas y embarcaciones y está diseñado para funcionar en embalses con una profundidad de hasta 50 metros. La frecuencia de funcionamiento del sonar se eligió como 240 kHz, lo que permitió, por un lado, crear un sistema de antena de pequeño tamaño y, por otro, obtener una resolución de alto alcance de 4 cm.
Una resolución de rango tan alto, junto con el uso de métodos de generación y procesamiento de señales digitales en el sonar, hizo posible obtener imágenes acústicas del fondo de alta calidad y el uso de una frecuencia lineal. La señal de sonido modulada aumentó su alcance.
Si nos fijamos en la imagen acústica, el barco se movía de abajo hacia arriba. La línea de movimiento del barco coincide con la escala vertical en el centro de la imagen, que muestra la distancia recorrida por el barco en unidades de longitud convencionales.
La imagen acústica se divide en dos partes; a la izquierda de la escala vertical se muestra la imagen acústica del fondo desde el lado izquierdo y a la derecha, desde el lado de estribor. En la parte superior, encima de las imágenes acústicas de la parte inferior de los lados izquierdo y derecho, se muestran dos escalas: estas escalas muestran el rango de inclinación, respectivamente, para las imágenes izquierda y derecha, en metros. La franja de visión de la imagen de la derecha es de más de 90 metros, y de la izquierda, de más de 110 metros.
La franja oscura a la izquierda y a la derecha de la escala vertical es la capa de agua entre la antena del transceptor del sonar y el fondo y por el borde de esta franja oscura se puede juzgar la profundidad debajo del barco. La profundidad varió desde los 6 metros en la cima hasta los 10 metros en el fondo.
En este lugar el fondo del mar es rocoso, la imagen acústica muestra pliegues montañosos como áreas brillantes, y en el En el centro de la imagen hay un lecho de río fangoso en el fondo del mar.
Las inclusiones limosas en forma de manchas oscuras son claramente visibles en la Fig. 2.
Fig. 1
Fig. 2
Una clase especial de problemas que se pueden resolver con éxito con la ayuda de equipos de gas es garantizar la seguridad de la navegación. Las capacidades de HBO para resolver este problema se ilustran en las dos figuras siguientes.
En la figura. La Figura 3 muestra una imagen acústica de una sección del fondo de la parte sur del Canal de Astracán, también obtenida durante las pruebas del sonar Hydra.
Esta figura muestra claramente el área y el límite del equipo de dragado (indicado con el número 1). La profundidad debajo del barco era de 7 metros.
Los números 2 y 3 muestran respectivamente la capa de agua y la línea de fondo debajo del barco (profundidad), y el número 4 indica un pequeño agujero.
En la figura. La figura 4 muestra una imagen acústica de una sección del fondo, obtenida también en la parte sur del canal de Astracán.
El barco se movía de abajo hacia arriba, la línea de movimiento de el barco está indicado en esta figura con el número 2. A la izquierda de esta línea hay una imagen acústica, recibida desde el lado izquierdo del barco, y desde la derecha, desde el lado de estribor del barco.
En el centro de la figura se muestra una escala convencional de la distancia recorrida por el barco, y en la parte superior está la distancia oblicua en metros, a la izquierda para el lado izquierdo, a la derecha para el lado de estribor. El número 5 muestra la capa de agua entre la antena y el fondo, y el número 3 muestra la línea del fondo de los lados izquierdo y derecho (el primer reflejo desde abajo).
La peculiaridad de esta táctica es la siguiente. Al principio (parte inferior de la imagen) el barco se alejaba del canal principal, en este lugar, según la escala superior, la profundidad era de unos 3 metros.
Al mismo tiempo a la derecha (número 4) se puede ver el canal principal en forma de una franja oscura de forma irregular.
Se puede observar que es bastante estrecho, su ancho es de poco más de 10 metros. Luego el barco entró en la parte navegable del canal, la profundidad aumentó inmediatamente a 8 metros (según la escala superior).
Al mismo tiempo, a la izquierda en la imagen acústica (1) se pueden ver los resultados del trabajo del equipo de dragado y en la escala superior estimar los límites de su trabajo en metros. La rugosidad de su borde es claramente visible.
Fig. 3
Fig. 4
La alta resolución de los sonares permite su uso como sistema de búsqueda al despejar calles para garantizar la seguridad de la navegación. Así, en la Fig. 3, el número 6 indica objetos pequeños (el más pequeño de ellos mide menos de 1 metro) que se encuentran en el fondo, y el número 5 indica la huella dejada en el fondo por el ancla del barco.
La realización de trabajos de búsqueda en el mar es una tarea en la que los sonares de barrido lateral desempeñan un papel, si no principal, sí muy importante. Y esto se debe, en primer lugar, al alto rendimiento de estos sistemas y al alto detalle de la imagen acústica de la zona del fondo objeto de estudio.
Gracias a estas características, es posible estudiar grandes áreas del fondo en un período de tiempo bastante corto e identificar sólo algunas de ellas para estudios posteriores y más detallados.
Más detallado Se realizan estudios mediante vídeos o fotografías de equipos tanto a bordo de vehículos deshabitados como a bordo de vehículos tripulados, hasta investigaciones con la ayuda de buzos, si esto último es posible.
Un ejemplo de esta tecnología es la búsqueda y examen del submarino Kursk, que murió trágicamente en el mar de Barents.
El uso de sonares de barrido lateral para buscar objetos a grandes profundidades es especialmente relevante.
En este caso, junto con el SSS cercano a la superficie, también se puede utilizar el SSS inferior (esto depende de la tarea que se esté resolviendo).
Los primeros le permiten ver una gran superficie del fondo, y los segundos, realizar una búsqueda más detallada en áreas individuales del fondo.
Para realizar una búsqueda aún más detallada, es posible utilizar vehículos submarinos, que se lanzan a zonas del fondo ya conocidas.
A mediados de los años 80, se utilizaba esta tecnología. , por ejemplo, para buscar y delimitar nódulos de hierro y manganeso (MNC) en el fondo de los océanos Índico y Pacífico.
Al principio, con la ayuda de un sonar de barrido lateral cercano a la superficie (y estos eran el HBO Ocean, que todavía existe en la asociación Yuzhmorgeologiya, y el HBO Sonac-LF, que estaba instalado en el barco). Akademik Yoffe” del Instituto de Oceanología P. P. Shirshov (Academia de Ciencias de la URSS) se llevó a cabo un estudio de la superficie de una sección del fondo del océano a profundidades de 5000 a 6000 metros.
Estos sonares permiten obtener una imagen acústica del fondo en una franja de hasta 30 km a ambos lados.
Otra característica de estos sonares fue que fueron los primeros en el mundo utilizar señales de sonido moduladas en frecuencia lineal, y fueron generadas digitalmente y procesadas usando una computadora.
Gracias al uso de estas señales fue posible obtener una franja de cobertura tan grande con una potencia de radiación máxima de sólo unos pocos cientos de vatios.
La imagen acústica resultante de Se analizó el fondo y, con base en los resultados del análisis, se bajó al fondo y se remolcó a baja altura desde un vehículo deshabitado con equipo de video y fotografía, y luego se tomaron muestras de suelo mediante muestreadores.
Esta tecnología resultó ser muy eficaz y se utilizó durante varios años tanto en la Academia de Ciencias de la URSS como en el Ministerio de Geociencias de la URSS. Sigue siendo relevante hoy.
Otro ejemplo del uso de HBO para buscar objetos a grandes profundidades es la búsqueda de submarinos hundidos, entre los que podemos nombrar el submarino «Komsomolets», que se hundió a una profundidad de más de 1500 metros.
Los SSS permiten detectar objetos en el fondo marino que son significativamente más pequeños en tamaño, unos pocos metros.
Un ejemplo de esto es la imagen acústica que se muestra en la Fig. La figura 5 es una imagen acústica de un avión militar de la Segunda Guerra Mundial, que se encuentra a una profundidad de unos 36 metros en el fondo del Mar Negro.
Y la figura 6 ilustra la posibilidad de realizar operaciones de búsqueda utilizando el ejemplo de un objeto más grande: el barco de vapor «Almirante Nakhimov» (estas imágenes acústicas se obtuvieron durante las pruebas del equipo de gas Hydra).
Fig. 5
Fig. 6
Además de resolver el problema de buscar objetos hundidos tanto a grandes como a pequeñas profundidades, los sonares ayudan a resolver otro problema: el de garantizar una navegación segura en un entorno complejo o desconocido. Para ello se utilizan sonares de visión sectorial. Por ejemplo, las sondas Interphase (uno de los últimos modelos PC 180). Además, Furuno y Simrad producen una amplia gama de sonares de visión sectorial.
Estos sonares le permiten buscar y detectar objetos peligrosos o elevaciones peligrosas del fondo a lo largo del curso del el barco.
La solución a este problema también es relevante cuando se viaja en condiciones de hielo difíciles, cuando las dimensiones de la parte submarina del glaciar sólo pueden detectarse y determinarse utilizando estos sonares.
Actualmente, la visión general del espacio bajo el agua se realiza escaneando un haz, normalmente de forma mecánica y, con menos frecuencia, electrónicamente. Realizar un estudio del espacio de esta manera en un sector grande requiere bastante tiempo, lo que impone restricciones a la velocidad máxima del barco. Para los barcos de alta velocidad, es necesario resolver el problema de ver el espacio por delante a lo largo del rumbo de manera diferente, formando varias vigas a la vez.
Para garantizar la seguridad del movimiento en un zona de agua, una imagen acústica por sí sola no es suficiente.
También necesita un mapa de profundidad y un mapa batimétrico. La solución a este problema se resuelve tradicionalmente con la ayuda de ecosondas de medición de haz único; como ejemplo, podemos citar una serie de ecosondas submarinas domésticas bien probadas, en particular la ecosonda PL-5.
Sin embargo, su uso para resolver problemas de construcción del relieve del fondo en grandes áreas tiene una serie de desventajas importantes: esto incluye un largo tiempo de estudio y una precisión insuficiente en la construcción del relieve del fondo. Para superar estas deficiencias, se han desarrollado ecosondas multihaz, que recientemente han encontrado un uso generalizado.
Sin embargo, para obtener resultados confiables al examinar áreas del fondo de los embalses al resolver el Para garantizar la seguridad del tráfico a lo largo de ellos, es conveniente combinar la imagen acústica de la zona del fondo y su relieve.
Esto se debe al hecho de que sólo una imagen acústica puede identificar peligros como pilotes independientes u otros objetos que sobresalen del fondo.
Uno Una de las señales de detección de tales peligros es la presencia de una sombra en ellos, que es claramente visible en la imagen acústica.
Como ejemplo, podemos considerar la imagen acústica del fondo. mostrado en la Fig. 7.
Esta imagen acústica se obtuvo durante las pruebas del sonar Hydra-2 mientras pasaba por la costa cerca de la ciudad de Novorossiysk.
En el lado izquierdo de la imagen se pueden ver cadenas montañosas en el forma de líneas paralelas entre sí que van desde abajo hacia arriba.
Estas crestas sobresalen desde la parte inferior, como se puede ver en las sombras después de cada una de ellas (áreas oscuras a la izquierda de la franjas claras), y cuanto más sobresale la cresta, más larga será la sombra.
Fig. 7
Las ecosondas multihaz no resuelven completamente este problema debido a la falta de imágenes acústicas de alta calidad; se puede resolver completamente con éxito utilizando otra clase; de sonares: sonares interferométricos de barrido lateral, cuyo representante es el complejo hidrográfico para el estudio del área del fondo marino «Hydra-2», así como el GBO «Hydra», desarrollado en la NPF «Ekran».
Fig. 8, que muestra un mapa batimétrico del fondo del canal de Astracán, obtenido durante las pruebas del sonar Hydra-2. Este mapa se obtuvo después de procesar datos en una sola virada y se construyó en un sistema de coordenadas rectangular con un paso de profundidad de 0,25 metros.
De esta figura queda claro que en la parte media hay una pendiente bastante pronunciada que coincide con el borde del canal de navegación.
Fig. 8
En conclusión, cabe decir que los sonares son una herramienta necesaria e importante para resolver los problemas descritos anteriormente y su papel e importancia tanto en la solución Estos problemas y otros solo aumentarán en el futuro.