Sonda moderna.
Zakharov Alexander Ivanovich,
Krivtsov Alexander Pavlovich,
Sedov Maxim Vyacheslavovich,
Sknarya Anatoly Vasilievich,
Trusilov Vladimir Tarasovich,
Sharov Vladimir Sergeevich
SONAR MODERNO
Primeros pasos en hidroacústica.
Los orígenes de muchos campos de la tecnología moderna se remontan a siglos lejanos a nosotros, cuando se hicieron los primeros descubrimientos fundamentales importantes en ciencia y tecnología.
La hidroacústica no fue una excepción a esta regla.
A finales del siglo XV, Leonardo da Vinci estableció que en un barco estacionario, con la ayuda de un largo tubo hueco bajado por un extremo al agua y con el otro extremo aplicado a la oreja, los barcos ubicados a gran distancia pueden ser escuchado. También estableció que el sonido viaja en el agua a una determinada velocidad.
El siguiente paso importante en el desarrollo de la hidroacústica fue la medición de la velocidad del sonido en el agua, realizada por D. Colladon y S. Sturm en 1827. Como resultado del conocimiento acumulado en esta área, en 1877 Lord Rayleigh publicó un trabajo fundamental sobre la radiación, propagación y recepción del sonido: «La teoría del sonido».
En 1880, Pierre y Jacques Curie hizo un descubrimiento importante que finalmente condujo al desarrollo del moderno transductor ultrasónico. Se dieron cuenta de que si presionan cristales de cuarzo, se genera una carga eléctrica, cuya magnitud es directamente proporcional a la fuerza aplicada al cristal.
Además, demostraron el efecto contrario: cuando se aplicaba un potencial que cambiaba rápidamente a un cristal, este comenzaba a vibrar.
El triodo de vacío, inventado en 1907 por Lee de Forest, marcó, por un lado , el comienzo del siglo de la industria electrónica moderna y, por otro lado, el sistema hidroacústico es independiente de la sensibilidad del oído humano. El hundimiento del Titanic en 1912 se convirtió en un poderoso catalizador para el desarrollo de la hidroacústica.
Inmediatamente después de este evento, L.F. Richardson presentó una solicitud ante la Oficina Británica de Patentes para la invención de un método para determinar la distancia utilizando un eco de sonido que se propaga en el agua.
En 1916, en Francia, el ingeniero eléctrico ruso Konstantin Shilovsky y el físico francés Paul Langevin experimentaron con resonadores de condensador y utilizando micrófonos de carbono, pudieron recibir señales de eco desde el fondo y una placa de acero a una distancia de 200 m, es decir, por primera vez crearon una nueva clase de equipo hidroacústico: el primer sonar.
Durante la Primera Guerra Mundial, los sonares fueron ampliamente utilizados por las partes en conflicto para detectar submarinos y barcos de superficie. Se trataba de radiogoniómetros pasivos de ruido. Sin embargo, en el caso de la detección de submarinos, no siempre fueron efectivos. Además, estos sistemas no permitían determinar con suficiente precisión la distancia al objetivo.
En 1917, para detectar submarinos, el físico francés P. Langevin demostró un sonar activo que funciona a una frecuencia de 38 kHz. El sonar tenía un patrón direccional estrecho y permitía determinar, con suficiente precisión a efectos prácticos, la orientación del objetivo y la distancia hasta él.
En Rusia, a finales del siglo XIX y principios A lo largo del siglo XX también se trabajó intensamente en la creación de equipos hidroacústicos.
En el campo de la acústica y la hidroacústica trabajó toda una galaxia de científicos famosos: F.F. Petrushevski, A.G. Stoletov, N.E. Zhukovsky y otros, y los primeros pasos prácticos exitosos en hidroacústica aplicada los dio el almirante de la Armada rusa S.O. Makárov.
Gracias a sus obras, así como a las obras de M.N. Beklemisheva, R.N. Nirenberg y A.N. Krylov, la flota rusa contaba con equipos hidroacústicos que le permitieron llevar a cabo operaciones militares exitosas contra barcos de la Armada alemana. Sin embargo, para seguir desarrollando un enfoque sistemático para el diseño y análisis de sistemas hidroacústicos, era necesario un estudio más profundo y completo del entorno acústico.
Características de la propagación de ondas acústicas en el agua
El inicio de una investigación integral y fundamental sobre la propagación de ondas acústicas en el agua comenzó durante la Segunda Guerra Mundial, que fue dictada por la necesidad de resolver problemas prácticos en tiempos de guerra.
El trabajo experimental y teórico continuó en la años de la posguerra y se resumió en varias monografías.
Como resultado de estos trabajos se identificaron y aclararon algunas características de la propagación de ondas acústicas en el agua: absorción, atenuación, divergencia, reflexión y refracción. La absorción de la energía de una onda acústica en el agua de mar se produce por dos procesos: la fricción interna del medio y la disociación de las sales disueltas en él.
El primer proceso convierte la energía de la onda acústica en el calor, y el segundo, transformándose en energía química, saca las moléculas de un estado de equilibrio y se descomponen en iones. Este tipo de absorción aumenta drásticamente al aumentar la frecuencia de la vibración acústica.
La presencia de partículas en suspensión, microorganismos y anomalías de temperatura en el agua también provocan una atenuación de la onda acústica en el agua. Por regla general, estas pérdidas son pequeñas y se incluyen en la absorción total, pero a veces, como por ejemplo en el caso de la dispersión por la estela de un barco, estas pérdidas pueden ascender hasta el 90%.
La presencia de anomalías de temperatura provoca que la onda acústica entre en las zonas de sombra acústica, donde puede sufrir múltiples reflejos.
La presencia de interfaces agua-aire y agua-fondo conduce a la reflexión de una onda acústica en ellas, y si en el primer caso la onda acústica se refleja completamente, en el segundo caso el coeficiente de reflexión depende del material del fondo: los fondos fangosos reflejan mal, los arenosos y rocosos lo hacen bien.
A poca profundidad, debido a los múltiples reflejos de la onda acústica entre el fondo y la superficie, aparece un canal de sonido submarino, en el que la onda acústica puede reflejarse. propagarse a largas distancias.
Un cambio en la velocidad del sonido en el agua provoca la desviación de los «rayos» del sonido. Esto es refracción. La refracción de las ondas acústicas en el agua determina la formación de condiciones específicas para su propagación, que conducen a la formación de cuatro tipos de zonas especiales: el canal sonoro, la capa isotérmica, la superficie con gradiente negativo y la superficie con gradiente positivo. .
Además, se produce un fenómeno de divergencia en el espacio de la radiación acústica, por lo que su intensidad se debilita en proporción al cuadrado de la distancia al emisor.
El estado actual de los sonares.
La última década ha estado marcada por el mayor desarrollo de los sistemas de sonar (GLS), que se basó en los avances logrados en varios campos de la ciencia, en particular, en el campo de métodos digitales de generación y procesamiento de señales.
El desarrollo de la base de elementos también tuvo un impacto significativo en el desarrollo de GLS. Los sonares se han vuelto «más inteligentes», sus características de peso y tamaño han disminuido significativamente y su funcionalidad se ha ampliado.
El concepto mismo de sonar también ha cambiado. Si antes los sonares significaban dispositivos de ecolocalización para detectar submarinos, ahora se refieren a sistemas de hardware para determinar la posición de objetos submarinos y flotantes mediante señales acústicas, es decir, en un sentido más amplio.
Los dispositivos de sonar incluyen una amplia variedad de sistemas: sonares con un patrón direccional definido, ecosondas, sonares todo terreno bajados desde un helicóptero, sonares remolcados, radioboyas hidroacústicas, estaciones costeras para radiogoniometría acústica y procesamiento de señales de eco.
Actualmente, con la ayuda de sonares, tanto militares como puramente pacíficos, se resuelven con éxito tareas civiles: búsqueda, detección y clasificación de objetos submarinos, asegurando la comunicación entre objetos, detección y estudio de depósitos submarinos, garantizando la seguridad de la navegación, etc.
Hoy en día hay muchas empresas grandes y pequeñas en el mundo que producen una variedad de dispositivos de sonar en grandes cantidades, y no es posible dar una descripción completa de ellos en el artículo. Nos limitaremos a describir sólo un pequeño número de sonares, ciñéndonos a las principales variedades enumeradas anteriormente.
Comenzaremos la revisión con los sonares de barrido lateral (SSS).
Estos localizadores tienen un patrón de antena estrecho en el plano horizontal (1 — 3 grados) y un patrón de antena amplio en el plano vertical (40 — 60 grados). Como resultado, resulta que el patrón de radiación de las antenas transmisora y receptora tiene forma de cuchillo y se dirige perpendicular a la línea de movimiento.
Las antenas receptora y transmisora se pueden ubicar tanto en a bordo del buque y en un vehículo especial remolcado. A medida que el transportador se mueve, se «ilumina» una tira en la parte inferior, cuyas dimensiones de ancho (perpendicular a la línea de movimiento) son de 10 a 14 profundidades en ambos lados.
Los SSO permiten obtener imágenes acústicas de alta calidad del fondo marino y se utilizan ampliamente principalmente en la búsqueda de objetos como barcos hundidos, cables, minerales, etc.
Estos sonares son producidos por EdgeTech (EE. UU.) .
Produce equipos de gas remolcados de varios modelos, entre los que destacamos dos: DF-1000 Townfish y 272 Townfish. El primer modelo funciona a dos frecuencias de 100 y 500 kHz, y el segundo a una frecuencia de 100 kHz. Estos SSS se utilizan para examinar el fondo a profundidades de hasta 1000 metros. La presencia de un canal de 500 kHz le permite distinguir objetos en el fondo que tienen un tamaño de varios centímetros.
Para garantizar una navegación segura en condiciones difíciles, así como para buscar rápidamente objetos flotantes bajo el agua, todos- Se utilizan sondas redondas y de vista sectorial.
Interphase (EE. UU.) produce una serie completa de sondas de escaneo: Twinscope, Probe, Outlook (foto 1), Sea Scout, Vista, PC View, PC 180.
Estos sonares se diferencian entre sí por la forma en que escanean el espacio submarino circundante y su alcance.
El Twinscope escanea en planos verticales y horizontales, tiene un alcance de 365 m hacia adelante y 244 m hacia adentro. El haz de exploración tiene un ángulo de apertura de 1 grado. El localizador de sonda escanea solo en el plano vertical y tiene los mismos parámetros de alcance y profundidad.
El último modelo, PC 180, escanea delante de una embarcación en movimiento en el plano horizontal, un campo de visión de 180 grados con un Haz de 12 grados y tiene un alcance de 365 m y 244 m de profundidad.
Foto 1. Sonda de exploración
Outlook desde Interphase, EE. UU.
Además de Interphase, hay otras dos grandes empresas que también producen una amplia gama de sondas polivalentes y de visión sectorial, Furuno y Simrad.
Estos sonares están diseñados para buscar y detectar concentraciones de peces, pero esto no impide que se puedan utilizar para buscar otros objetos submarinos, ya que su potencial permite detectar incluso un pez individual.
Estos modelos funcionan con éxito a distancias pequeñas (100 m) y grandes (2800 m), se diferencian en el rango de frecuencia de operación y la forma en que ven el espacio.
El modelo CSH-5 MARK-2 de Furuno (foto 2) le permite monitorear la situación bajo el agua en un sector de 360 grados con posibilidad de escaneo angular del haz. El modelo CH-26 (foto 3) de la misma empresa permite la visualización en un sector en incrementos de 6 grados dependiendo de la situación en una de las tres frecuencias: 60, 88 o 150 kHz.
Modelo SP70 de Simrad (foto 4) es un sonar omnidireccional de baja frecuencia.
Permite al usuario seleccionar una de nueve frecuencias en el rango de 22 a 30 kHz y ver el área circundante simultáneamente en los planos vertical y horizontal.
Foto 2. CSH- 5 MK-sonda 2
Empresa Furuno, EE. UU.
Foto 3. Modelo SP70
de Simrad, Noruega
Los sonares todo terreno se utilizan ampliamente para detectar submarinos.
Así, para estos fines, se instaló el sonar abatible AN/ASQ-14 a bordo del primer helicóptero antisubmarino estadounidense S-61/SH-3 para todo clima, y el VGS-3 a bordo del helicóptero ruso KA 27. . La presencia de sonares todo terreno a bordo aumenta significativamente la eficiencia de la búsqueda de submarinos y permite explorar un área de hasta 2000 km2 en 1 hora.
Recientemente, las ecosondas, que desde hace mucho tiempo se han utilizado para garantizar la seguridad de la navegación.
El objetivo principal de las ecosondas de un solo haz es determinar la profundidad bajo la quilla de un barco.
Junto con el desarrollo de las ecosondas de un solo haz, ahora se ha desarrollado una nueva clase de dispositivos: las ecosondas de haces múltiples, que permiten obtener valores de profundidad no solo debajo de la quilla del barco, sino también en el lado de él en una banda de hasta 3 — 4 profundidades.
Estos sonares se utilizan ampliamente para construir mapas de profundidad, para garantizar la seguridad de la navegación, para seleccionar rutas para tender cables de comunicación, tuberías, para realizar estudios trabajos durante la construcción de instalaciones portuarias, etc.
En tales sistemas acústicos, con la ayuda de un diseño especial de la antena transmisora y receptora y el procesamiento de señales de eco, se obtienen muchos (más de cien) haces estrechos, desplegados en abanico lateralmente desde la línea de movimiento del soporte de la antena (generalmente el propio barco).
Las ecosondas multihaz más famosas son las ecosondas Sea Beam y Seabat.
Estas ecosondas tienen características aproximadamente idénticas con la única diferencia de que estas últimas tienen Modelos que funcionan a frecuencias más altas, hasta 455 kHz. (Seabat 9001, 9003), mientras que las ecosondas Sea Beam funcionan en el rango de frecuencia de 12 a 180 kHz.
Como ejemplo, podemos considerar el modelo Sea Beam 2112 (foto 5), que opera a una frecuencia de 12 kHz, genera 149 haces con un patrón direccional de cada haz de aproximadamente 1 grado, tiene un rango de profundidad de trabajo de 700 m a 11000 m y proporciona un ancho de banda de estudio dependiendo de las profundidades de 2 a 3 profundidades.
Hubo un tiempo en que la URSS prestó gran atención al desarrollo de la hidroacústica, que estaba dictada por garantizar la seguridad del país y resolver los problemas económicos nacionales. En el país se crearon grandes centros científicos y de producción para el desarrollo y producción de sonares y se llevaron a cabo investigaciones fundamentales en esta área a gran escala. Sin embargo, el colapso de la URSS y los acontecimientos que siguieron tuvieron un impacto negativo en el desarrollo de la hidroacústica.
Pero, a pesar de todas las dificultades, este trabajo continúa actualmente en nuestro país: se está desarrollando una nueva generación de sonares. Sin embargo, la falta de información suficiente sobre los desarrollos nacionales en esta área lleva al hecho de que muchos consumidores de estos productos recurren a desarrollos extranjeros, generalmente más caros, aunque hoy en día muchos modelos nacionales no son de ninguna manera inferiores a ellos en los parámetros más importantes. .
También es necesario tener en cuenta un factor más muy importante: el apoyo operativo. Como regla general, los sistemas extranjeros están completamente «cerrados» y su personalización requiere mucho tiempo y fondos adicionales.
Entre los desarrollos nacionales de hoy, se pueden destacar los desarrollos de la Rama del Lejano Oriente de la Academia de Ciencias de Rusia, donde se han implementado varios proyectos:
- desarrollo de un escáner lateral remolcado sonar con una franja en dos lados de hasta 1500 m, resolución de alcance de 30 cm y un ángulo de 1,5 grados,
- desarrollo de un sonar de vista sectorial con un sector de visualización de 10 a 360 grados, un alcance resolución de 10 cm y un ángulo de 1 grado, y un alcance de hasta 75 metros.
El Instituto Central de Investigación «Gidropribor» también desarrolló un sonar de barrido lateral remolcado de alta frecuencia con un alcance de 120 metros y una resolución de 3 cm.
El sonar «Hydra», desarrollado y fabricado conjuntamente por «Ekran ”Y NIIP lleva su nombre. V.V. Tikhomirov puede servir como otro ejemplo. Como se mencionó anteriormente, utilizando SSS se pueden obtener imágenes acústicas del fondo de alta calidad.
Sin embargo, dado que la imagen acústica depende tanto de la forma de la topografía del fondo como del tipo de suelo, surge ambigüedad en la interpretación de la imagen acústica del fondo. Esta ambigüedad se puede resolver comparando la imagen acústica del fondo y los datos sobre su relieve.
En este sentido, es de gran interés desarrollar y crear un complejo único con la ayuda del cual sería es posible obtener simultáneamente una imagen acústica del fondo y su relieve.
En particular, dicho complejo puede incluir HBO con canales de fase o interferométricos.
Al mismo tiempo, para obtener una alta precisión de medición, es necesario tener en cuenta una serie de factores desestabilizadores, como la precisión de la coordinación del barco y el vehículo remolcado, la velocidad de propagación y refracción de las ondas acústicas en el agua, roll-trim y la precisión de la medición de los parámetros de la señal de eco.
Grandes volúmenes de información procesada y la complejidad de los algoritmos de procesamiento para resolver este problema requieren un uso generalizado de herramientas de automatización complejas que utilizan métodos digitales de generación y procesamiento de señales. .
El sonar Hydra está diseñado para obtener una imagen acústica de alta calidad del fondo y su topografía y combina un sonar de barrido lateral y un interferómetro.
Es el primero de una serie de dispositivos similares cuyo lanzamiento está previsto , diseñado para resolver problemas hidrográficos en la investigación de fondos a profundidades que van desde unos pocos metros hasta los 1500 metros, así como la tarea de búsqueda y detección de objetos submarinos.
Al desarrollar este sonar, el objetivo era crear un complejo automatizado de tamaño pequeño y fácil de usar para realizar trabajos en ríos y la plataforma continental utilizando métodos digitales de generación y procesamiento de señales y una base de elementos moderna. El complejo se puede instalar tanto a bordo de embarcaciones pequeñas como a bordo de barcos de gran cilindrada.
El sonar incluye: una unidad de antena (foto 4), una unidad amplificadora de potencia, una unidad de conversión y recepción de señal y un PC.
Todos los bloques, excepto el PC, así como la placa para generar señales de palpación y secuencias de impulsos, fueron desarrollados nuevamente.
Como PC se utiliza una computadora PC IBM estándar. Toda la sonda, excepto el PC, se coloca en un contenedor de 700x700x300 mm.
El complejo se alimenta de una red de 220 V CA o de baterías de a bordo.
Foto 4. Unidad de antena
de Hydra sonar, Rusia
La unidad de antena consta de antenas transmisoras y receptoras en los lados izquierdo y derecho, que funcionan a una frecuencia de 240 kHz, y antenas receptoras para canales de interferencia.
El peso total de la unidad de antena junto con el cable es unos 10 kg.
La unidad de antena ofrece la posibilidad de cambiar el ángulo de inclinación del plano de la antena con respecto a la vertical en el rango de 0 a 30 grados.
La unidad de potencia Incluye amplificadores de potencia en ambos lados, sistema de protección y fuentes de alimentación.
El peso del bloque es de unos 6 kg y sus dimensiones son 300x300x160 mm.
Una unidad de procesamiento se basa en una PC con una placa controladora especial, que genera señales de sondeo y secuencias de pulsos que sincronizan el funcionamiento de todo el complejo.
Para aumentar el potencial energético necesario al realizar trabajos en la estantería, el complejo prevé el uso de una señal sonora con modulación de frecuencia lineal (chirp).
El software de sonda se ejecuta bajo el sistema WINDOWS y le permite controlar el funcionamiento de la sonda en modo interactivo.
El software consta de programas para procesamiento primario y secundario (de oficina).
El procesamiento primario proporciona la visualización de información en la pantalla del monitor en tiempo real, su archivo en un disco duro y permite al operador realizar de forma interactiva tanto el control como el diagnóstico del complejo.
La presencia de canales de barrido lateral de alta resolución en el sonar permite utilizar el complejo para resolver problemas de búsqueda y clasificación de objetos pequeños, como cables, barcos y barcos hundidos, etc. en el fondo.
Durante el procesamiento secundario, teniendo en cuenta factores desestabilizadores como los datos de navegación, se calculan para cada virada los datos sobre la distribución de la velocidad de las ondas acústicas en profundidad, el balanceo, las profundidades en la franja topográfica, la eliminación de las distorsiones geométricas de la imagen acústica de la parte inferior, coser las tachuelas individuales y diseñar los resultados del procesamiento en una sola tableta.
Como ejemplo en la Fig. La Figura 1 muestra una de las opciones para presentar los datos obtenidos después del procesamiento secundario.
Fig. 1. Una de las opciones para presentar los resultados del procesamiento de datos secundarios. Los números de la figura indican la distancia en metros.
Tabla 1
Características técnicas de la Hidra sonar
| tipo de señal de sonda utilizada | tono o Chirrido |
| resolución, cm | 5 |
| rango de acción, m | |
| — para señal de sondeo de tono | de 1,5 a 150 |
| — para señal de sondeo chirrido | de 8 a 300 |
| resolución angular, grados | 1 |
| ancho de banda de vista lateral | 5-7 profundidades |
| precisión de construir el relieve inferior en una franja de hasta tres profundidades, % | 1 |
La sonda se puede utilizar para diferentes propósitos:
— exploración del fondo marino con el fin de preparar el tendido de tuberías y cables, construcción de puentes y otras estructuras subterráneas;
— exploración de calles;
— estudio del estado de las estructuras submarinas;
— búsqueda de objetos hundidos y otros objetos submarinos;
— control sobre objetos en movimiento bajo el agua;
— observación de la situación submarina al moverse en aguas desconocidas en un barco, yate o embarcación grande.
Podemos recomendar varias formas de utilizar un sonar para resolver diversos problemas.
Por lo tanto, si la tarea es estudiar la topografía del fondo, entonces la información del interferómetro es la más adecuada.
El usuario puede obtener una imagen tridimensional de la topografía del fondo (ver. Fig. 1), que puede usarse para evaluar las capacidades de envío.
Al disponer de una herramienta de este tipo para obtener rápidamente un mapa del fondo, es fácil obtener información sobre la posibilidad de atracar en una zona desconocida durante un viaje en barco o yate.
Si la tarea es detectar un objeto pequeño, entonces es más conveniente utilizar principalmente una imagen acústica, que proporcione una imagen contrastante de objetos de diferentes densidades.
Los objetos pequeños incluyen no solo algunos objetos, como cables, piedras, cajas, etc., sino también también, por ejemplo, grietas en una estructura submarina.
La combinación de ambos conjuntos de información puede proporcionar información adicional. De esta manera se pueden detectar nadadores o grandes animales marinos.
Sobre esta base, es posible construir sistemas para proteger las playas de tiburones o diversos objetos de saboteadores submarinos.
Como se mencionó anteriormente , los sistemas de visión lateral funcionan con los costados de un barco en movimiento.
Sin embargo, hay una serie de problemas que sería deseable resolver desde un punto estacionario, por ejemplo, desde la orilla. Se trata de tareas de seguridad y tareas de seguimiento del estado de la zona acuática.
Para estas tareas se pueden proponer sistemas con antenas de escaneo, que aún están en desarrollo.