An innovative approach to automated recording of the bottom relief on video in the real time with usage of multibeam sonar Hydrosweep DS

Full Text

ВведениеПредставленная работа отражает личный опыт автора в участии в экспедиции в Антарктику ANT-XXIII/4 (PS 69), организованной НИИ Полярных и морских исследований, ФРГ, г.Бремерхафен (Institute for Polar and Marine Research (AWI), Bermerhaven, Germany) на судне НИС Полярштерн (Polarstern). В составе группы батиметрического отдела автор проводила измерения рельефа морского дна в должности приглашенного картографа используя высокоавтоматизированное эффективное ПО Hydrosweep DS-2, принципы работы которого изложены в настоящей статье.Быстрое развитие спутниковой геодезии, достигшее за прошедшие 20 лет определенного технического прогресса на базе многочисленных технологических новшеств, обеспечивает возможность новой серии исследований морей Антарктики на более высоком и точном уровне измерений. Благодаря использованию GPS-приемников в измерениях могут быть зафиксированы с большой точностью последние изменения в опорных пунктах геодезических сетей на поверхности Земли, вызванные периодическими движениями земной коры. Такие тектонические процессы в верхней части земной коры могут быть адекватно объяснены лишь с помощью детального изучения батиметрии морского дна, тщательных геофизических наблюдений и измерений постепенных движений опорных пунктов геодезической сети.Измерение рельефа морского дна пережило новую эпоху с применением GPS - приемников за последние годы, которое почти в 10 раз увеличило точность измерений (до 50м) по сравнению с используемым ранее методом навигации счислением пути, при котором обычными были погрешности позиционирования до 500 м. Анализ морфологии морского дна и его расчленения на отдельные сегменты плит, максимально подробное изучение тектонически активных областей дна - главные задачи батиметрических измерений. Важной их частью, особенно в покрытых льдом районах океана, является использование спутниковой альтиметрии, с использованием которой можно определять морфологические формы объектов и отчетливо опознавать границы тектонических плит.Постановка проблемы. Как известно, главной проблемой в изучении рельефа морского дна, его морфологии и структуры, является невозможность его непосредственного исследования и полная закрытость для визуального изучения, что определяет в качестве методов его изучения использование исключительно оптических, электромагнитых и гидроакустических приборов, а также лазерной техники, традиционно очень дорогих [3]. В результате, формы и структуры морского дна оказываются менее изученными, чем обратная сторона Луны, что сказывается в постоянной нехватке точной информации о глубинах океанов и, как следствие, точных актуальных батиметрических карт океанов. НИС«Полярштерн» оснащен современным глубоководным акустическим комплексом, в состав которого входят: 1) ультразвуковой гидролокатор Hydrosweep DS-2; 2) американский сонар Seabeam (первый сонар, разрешенный использовать в мирных целях); 3) многолучевой эхолот Atlas Hydrosweep DS-2; 4) глубоководный профилограф Atlas Parasound DS-2. Комплекс имеет режим работы гидролокатора бокового обзора и снабжен математическим обеспечением для полной обработки получаемых данных с представлением их в виде подробных батиметрических карт, трехмерных изображений дна и документирования информации. Для точной навигации судно оборудовано D-GPS RealTime, обеспечивающим точность позиционирования до 15м, что является важнейшей предпосылкой для создания точной батиметрической карты по данным измерений ультразвуковым гидролокатором.Многолучевые эхолоты имеют режим визуализации в реальном масштабе времени, который может быть использован как для контроля качества данных, так и для калибровкисистемы. Полный диапазон измеряемых глубин многолучевыми эхолотами Reson, Kongsberg, STN Atlas Marine Electronics, L-3 Communications ELAK Nautic охватывает все водные глубины (от 0.5 метров до полной океанской глубины) [1, с.176]. Все многолучевые эхолоты могут использовать ПО для выполнения съемки рельефа дна, а также специально разработанное ПО для пост-обработки.Технические срадства. Система эхолотирования Hydrosweep DS System разработана компанией Круп Атлас Электроник, Бремен (ФРГ, 1989). Название оборудования Atlas Hydrosweep происходит из сокращения от "HYDROgraphic Multi-Beam SWEEPing Survey Echosounder". Оно используется для проведения гидрографических работ, как в районах шельфа, так и в глубоководном районе. Помимо стандартных измерений топографии морского дна, с использованием Hydrosweep DS-2 возможно также проведение ряда других измерений (сонар бокового обзора позволяет зафиксировать мелкомасштабные структуры поверхности в пределах допустимого разрешения измерений глубин и провести анализ рельефа).Основная характеристика сонарной системы Atlas Hydrosweep DS-2 - расширенный покрывающий угол в 120° (долгое время применялось покрытие размером в 100°), что отражается в глубоком профиле сделанных на нем измерений. В ходе работ были получены глубинные измерения акустическим сигналом. Сигнал создается датчиком, прикрепляющимся к основному корпусу корабля, и имеет частоту 15,5 КГц, что позволяет проводить измерения вплоть до самых глубин океана.Особенность Atlas Hydrosweep заключается в том, что значения глубин могут быть измерены параллельно оси движения судна, что получило название «метод каллибровки». Посредством этого метода, средняя скорость сигнала устанавливается выше толщи воды, компенсируя при этом эффект рефракции сигнала при отклонении направления [2]. Функции передачи и приема сигнала в системе меняются меж двух гидроакустических датчиков. Система Hydrosweep состоит из следующих частей:2 набора гидроакустических датчиков SW-6050-A-001, состоящих из отдельных модулей, инсталлированных в "T" конфигурацию.Электронный приемопередатчик, установленный в трех камерах SH-6020-A-001, SH-6020-A-003 and GE-6012.Цветной дисплей BD-6002, on на котором демонстрируются текущие измерения, как в виде профилей измерений, так и в виде слоев с контурами. Обработка и ввод параметров осуществляются через функциональную и буквенно-цифровую клавиатуру. Демонстрация цифровых данных происходит на терминальном дисплее.ГИС-регистратор PT-8, принтер, автоматически распечатывающий карты морфологии дна в изолиниях по заданным параметрам.2 магнитные ленты, присоединенные к PC, GE-6017 и GE-6018, записывающие измеренные параметры, значения глубин и координат.Устройство дисплея AZ-6043 (альтернативно), который работает как вспомогательный для цветного дисплея на контрольной консоли.Внешний интерфейс обеспечивает обмен данными и информацией между Hydrosweep и другим программным обеспечением и оборудованием, т.е. производит экспорт/импорт данных. Кроме измеренных глубин дна система выдает следующую информацию: 1) Точные координаты позиционирования судна по GPS на борту. 2) Угол направления курса от гирокомпаса или сенсорной платформы. 3) Скорость луча перпендикулярная и параллельная оси движения 4) Угол крена, килевой качки, вертикальных движений судна на волне, взятые с сенсорных платформ 5) Информация о скорости звука, исходящая от сенсора для получения скорости звука, приходящего к датчику.Наряду с данными о промерах глубин, эти данные также хранятся на магнитных лентах или вычисляются при on-line обработке изолиний для распечатки на плоттер. Для коррекционных поправок на уклон створа внешних сонарных лучей используется расчет ипрорисовка CTD-профилей (англ. conductivity, temperature, density), собранных за время экспедиции. На тех участках пути, где информации о свойствах воды было недостаточно, применялась автокаллибровка, генерирующая отдельный ряд измерений (swath), в направлении оси движения судна. С ее помощью также прилаживается вертикальное расположение внешних лучей эхолота наложением на предыдущие центральные эхолучи для расчета средней скорости излучаемого сигнала в толще воды.Методы. Визуализация и запись отснятых морфологических структур осуществляются в видеорежиме, а также в виде изолинии на статических картах. Для постэкспедиционной обработки данных используют 2 магнитные ленты для хранения координат, глубин и отснятых данных. В дополнение, разработан серийный интерфейс для трансляции измеренных данных в режиме real time для последующей компьютерной обработки. ПО Atlas Hydrosweep принадлежит серии многолучевых систем акустических гидролокаторов с большой амплитудой луча, перпендикулярно оси движения судна, т.е. можно проводить измерения до 59 значений глубин за один промер луча. Покрытие съемки при этом составляет удвоенное значение глубины по вертикали в данной точке промера, если принять дно за исходный уровень.После сравнения результатов съемки, выполненных в двух режимах работы системы Hydrosweep DS - “Hardbeam” и “Softbeam” - и подробного морфологического анализа полученных карт рельефа дна было определено, что оптимальным режимом работы для составления карт рельефа дня является режим получения данных “Hardbeam” как более подробно передающий особенности морфологического строения дна. При использовании покрытия луча съемки Transmitter/Receiver=120º съемка местности менее качественна и по краям полосы измерений наблюдаются большие погрешности, почему в дальнейшем использовался только режим работы с углом охвата луча Transmitter/Receiver=90 º.Для привязки глубинных измерений к географической широте использовался GPS приемник, данные о пространственном положении судна, получаемые с системы Trimble MS GPS, установленной на борту, а также с лазерного гироскопа MINS. После того, как многолучевая система модернизирована HDBE (High Definition Bearing Estimation), уровень энергии излучаемого сигнала можно регулировать, так что он не превышает уровень, необходимый для достижения измерений высокой точности. На протяжении рейса многолучевой сонар использовался исключительно на уровне «Maximum Level», где максимальный уровень источника может быть вручную понижен до минимума, в зависимости от глубины дна и гидроакустических условий. Наряду с управлением многолучевой сонарной системой и контролированием текущих измерений и процессов, важной частью работ была обработка данных. Постоянно было необходимо редактировать и исправлять ошибочные измерения глубин, вызванные гидроакустическими помехами, например, из-за морского льда, сильного волнения, или пересечения сигналов данного эхолота с сигналами других акустических систем. Для обеспечения экологической безопасности многолучевая сонарная система выключалась, когда морские животные проходили близко от борта судна (ближе 100м).ВыводыРезультаты работы показали эффективное использование Atlas Hydrosweep для автоматизированного, “умного” картографирования (smart mapping). В результате съемки получены новые и обновлены существующие карты на отдельные районы, включая:Остров Петра I. Систематические батиметрические измерения, проведенные за 32 ч., были добавлены к уже существующим данным об о.Петра I (69°ю.ш., 90°30´в.д.). Набор данных (площадь ок. 4500км² и диапазон глубин - 100-4200м), отражающий топографию подводного склона вулканического острова, является компиляцией данных, собранных из 4 научных круизов на НИС Полярштерн (1994, 2001, 2006)Подводные горы Де Герлаша. На западных горах (65°ю.ш., 93°в.д.) 2 многолучевых профиля добавлены к имеющимся батиметрическим данным, полученным за время съемок на НИС Полярштерн (экспедиция ANT-XII/4 1995), 2 новых профиля, пересекающихвершину подводных гор в СВ и СЗ направлениях достигают длины 60 км и глубины от 4.7км на прилегающем ложе океана до 300 м на высшей точке подводных гор.Глубокий морской канал в море Амундсена. В дополнение к батиметрическим съемкам, проведенным НИС Полярштерн в 1994, была полностью отснята система глубоководных каналов. Данная система каналов состоит из 3-х каналов в глубинах вод до 3000м к югу от подводных гор с высотами порядка 500 м, где наибольший канал имеет длину 28 км, глубину 50м и ширину 2,5 км. Все каналы простираются в СВ направлении и впадают в один подводный «водосборный» бассейн.

About the authors

P. A Lemenkova

Charles University, Czech Republic

Email: pauline.lemenkova@gmail.com
+420774056176

References

Supplementary files