Pojęcie hydrografii:
Hydrografia morska jest dziedziną nauk, która zajmuje się pomiarem i opisywaniem cech fizycznych morskich akwenów żeglownych, oraz przyległych obszarów przybrzeżnych, ze szczególnym ukierunkowaniem na wykorzystanie ich w nawigacji morskiej.

Prace hydrograficzne:
Całość przedsięwzięć i pomiarów, koniecznych do zebrania danych morskiej informacji geoprzestrzennej, koniecznej do tworzenia i aktualizowania map morskich, publikacji nautycznych i innych wydawnictw, koniecznych do zapewnienia bezpieczeństwa żeglugi i innej działalności człowieka na morzu.

Rodzaje: badanie rodzajów gruntów, pomiary batymetryczne i ukształtowania dna, trałowanie hydrograficzne, zbieranie danych do locji, pomiary geodezyjne, pomiary grawimetryczne i magnetyczne akwenów, opracowania kartograficzne.

Pomiary sondażowe i ukształtowania dna:
Pomiary sondażowe są podstawowym typem prac hydrograficznych, przeznaczonych do zapewnienia bezpieczeństwa nawigacji i kartografii morskiej. Wymagania i standardy są ustalane i publikowane przez Biuro Hydrograficzne Marynarki Wojennej. Niekiedy wykorzystywane są do innych celów, i nie wszystkie wymagania muszą być spełnione. Wówczas specjalne, oraz nadzwyczajne wymagania powinien ustalić zleceniodawca pomiarów. Wykorzystanie ich do celów bezpieczeństwa żeglugi zależy od spełnienia wymagań koniecznych dla danych prac.

Przyrządy do pomiaru głębokości:
Sonda ręczna (łańcuszkowa) zbudowana jest z metalowego łańcuszka lub liny (sondolina), zakończona jest metalowym ciężarkiem. Wyskalowana jest co 10cm od 0m do 10m i co 20cm od 10m do 20m. Używana jest do pomiaru głębokości przy brzegach i pirsach.
Tyczka nurtomiernicza, jest sztywnym urządzeniem metalowym lub drewnianym, o okrągłym przekroju. Wykalowana jest co 1, 5 lub 10cm. Do pomiarów hydrograficznych należy używać urządzeń ze skalą 1cm.

Porównanie sondy jednowiązkowej i wielowiązkowej:
Sonda jednowiązkowa jest mało wydajna, ponieważ emituje tylko jeden sygnał akustyczny w danej chwili, który jest skierowany pionowo w dół, skutkuje to małym pokryciem, jednak pomiar jest dokładniejszy. Wykorzystywane są jako echosondy nawigacyjne lub jako element większego systemu pomiarowego. Kształt wiązki jest impulsowy.
Sonda wielowiązkowa natomiast, jednocześnie generuje kilkadziesiąt impulsów, zwiększając znacznie pokrycie, a zatem wydajność. Kształt wiązki przypomina wachlarz, który jest w stanie jednocześnie pokryć znacznie większy obszar.

Budowa sondy interferometrycznej:
Głowica sondy jest zbudowana z dwóch części, ustawionych do siebie w przeciwnych kierunkach, pod kątem około 30 stopni, w stosunku do płaszczyzny poziomej, tworząc literę V. W dolnej części ustawiony jest element nadawczy, zaś w dolej piezoelektryczne sensory. Urządzenie ustawia się tak, aby obie części ustawione były na przeciwnych burtach. System składa się z dwuczęściowej głowicy akustycznej oraz komputera PC z oprogramowaniem koniecznym do obróbki danych i kalibracji urządzenia. Dodatkowo zamontowane jest urządzenie SVP do mierzenia prędkości dźwięku.

LIDAR
Light detection and ranging to technologia laserowa wykorzystywana w systemach ALB i ALH. Urządzenie znajdujące się na lecącym samolocie emituje 2 wiązki. Podczerwoną w kierunku powierzchni wody i zieloną lub niebieską w kierunku prostopadłym do lotu samolotu, wyznaczając jednocześnie pokrycie. Wiązki po odbiciu od powierzchni wody i dna wracają do urządzenia. Znając prędkość światła w wodzie i powietrzu, oraz mierzony czas, oblicza się odległości od urządzenia do powierzchni wody i od urządzenia do dna. Odejmujące jedną odległość od drugiej otrzymujemy głębokość akwenu. Urządzenie wykorzystuje się na wodach przybrzeżnych do głębokości 50m. Uzależnione jest bardzo od czynników hydrologicznych i hydrometeorologicznych.

Sonar
Sound navigation and ranging- oznacza nawigację i określanie odległości za pomocą dźwięku. Charakteryzuje się to dużą wykrywalnością i rozróżnialnością obiektów podwodnych, a przede wszystkim wysoką skutecznością w poszukiwaniu i lokalizowaniu przeszkód i wraków. Pomiary sonarowe mają na celu przedstawienie w formie graficznej informację na temat obecności, lokalizacji, kształtu i wymiarów obiektów podwodnych.
Sonogram jest to obraz sonarowy przedstawiony w postaci cyfrowej lub na papierze termicznym. Przedstawia on obraz dna i wszystkich obiektów znajdujących się w polu widzenia sonaru.
Sonary dzielimy na boczne (kadłubowe i holowane) oraz na stacjonarne.

Rozróżnialność poprzeczna sonaru bocznego:
Jest to minimalna odległość między dwoma obiektami leżącymi w tej samej linii, prostopadłej do kierunku ruchu sonaru, taka aby ich echa zostały wyświetlone na sonogramie osobno. Zależy głównie od długości impulsu sonarowego wyrażonego w milisekundach. Im dalej obiekty znajdują się od sonaru, tym większa rozróżnialność poprzeczna. Zależy ona jeszcze od kąta padania wiązki na dno (B). Im większy kąt, czyli im bliżej sonaru znajdują się obiekty, tym rozróżnialność mniejsza. Ponadto wpływ mają parametry techniczne, użyty zakres, warunki środowiskowe oraz materiał z jakiego wykonany jest wykryty obiekt. Jeśli obiekty znajdują się zbyt blisko siebie, lub zbyt blisko sonaru, wówczas ich echa nałożą się na siebie, tworząc jedno, większe echo.

Sonary holowane - zalety i wady:
Poprzez holowanie sonaru za rufą w pewnej odległości, ruch jednostki na fali nie jest przenoszony na urządzenie, więc eliminowane są w dużym stopniu błędy z tym związane. Ponadto oddzielenie przetworników od platformy ogranicza zakłócenia związane z jej ruchem oraz z powierzchnią wody, a także ogranicza interferencje innych urządzeń montowanych w kadłubie statku.
Wadami są niedokładność ustalenia pozycji urządzenia, ponieważ operator nigdy nie jest w 100% pewny jak układa się pod wodą kabel, konieczne jest zastosowanie specjalnych urządzeń do wydawania i wciągania urządzenia, oraz istnieje ryzyko uszkodzenia sonaru, poprzez uderzenie w jakiś obiekt.

Charakterystyka kierunkowa przetwornika sonaru bocznego:
Podstawową cechą sonarów bocznych jest listkowa charakterystyka kierunkowości o rozwartości 40-60 stopni w płaszczyźnie pionowej i 0,5-2 stopnie w płaszczyźnie horyzontalnej. Szerokość wiązki to szerokość kątowa między punktami -3dB. Kierunkowość anten akustycznych to zdolność do emitowania i odbierania energii akustycznej, w granicach określonego kąta, którego wartość określa charakterystyka kierunkowa.
Charakterystyka kierunkowa opisuje zmiany natężenia fali akustycznej, w zależności od kierunku w stosunku do osi anteny. Można ją formułować przez zastosowanie przetworników liniowych, montowanych w kadłubie lub holowanych za rufą. Od ich ilości zależy kształt charakterystyki i ilość listków bocznych. Główna oś charakterystyki jest odchylona od płaszczyzny horyzontu o kąt 10-20 stopni, po to aby większość energii skierowana była w dno akwenu.

Trałowanie hydrograficzne:
Ma za zadanie sprawdzenie czy na danym akwenie występują głębokości mniejsze, od głębokości trałowania.
Wykorzystuje się trałowanie mechaniczne, trałowanie hydroakustyczne (echosondy i sonary), trałowanie za pomocą inspekcji środkami telewizji podwodnej, oraz trałowanie z wykorzystaniem nurków.

Echosonda jednowiązkowa
Służy do pomiary głębokości poprzez właściwości propagacji fal akustycznych. Sygnał elektryczny jest zamieniany w akustyczny i emitowany przez przetwornik pionowo w dół. Sonda rejestruje czas od emisji, poprzez odbicie od dna i powrót do przetwornika, będącego w trybie odbioru. Następnie sygnał jest przetwarzany z powrotem na elektryczny i odpowiednio obrabiany, a następnie wyświetlany w postaci obrazu na echogramie. Znając prędkość dźwięku w wodzie obliczana jest głębokość ze wzoru d=0.5V *t.

Sonda interferometryczna - zasada działania:
Jest to modyfikacja sondy wielowiązkowej, pozwalająca na zbieranie danych zarówno poziomych jak i pionowych. Dane o głębokości są pozyskiwane poprzez mierzenie czasu w jakim fala akustyczna pokonuje odległość przetwornik-dno-przetwornik , oraz na podstawie pomiaru różnicy faz tej fali. Generowany przez nią sygnał jest jedną, szeroką linią pomiarową, o pokryciu równym 12x średnia głębokość. Nap odstawie pomiaru różnicy faz, określony zostaje kąt pod jakim wiązka pada na dno, znając jeszcze czas podróży wiązki oraz pozycję przetwornika, z twierdzenia pitagorasa obliczana jest głębokość.

Sonda wieloprzetwornikowa:
Jest to zespół przetworników, ustawionych w jednej linii w poprzecznej płaszczyźnie statku. Każdy z tych przetworników działa jak pojedyncza echosonda jednowiązkowa. Szerokość tej linii, jest równa pokryciu sondy. System taki posiada zalety echosond jedno i wielowiązkowych. Charakteryzuje się dużą dokładnością i jednocześnie dosyć dużym pokryciem. Stosowany jest głównie w kanałach, rzekach i innych płytkich akwenach.

Sonary boczne i ich przeznaczenie:
Jest to rodzaj sonaru, w którym wykorzystano liniowy układ przetworników, emitujących wiązki w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku ruchu sonaru. Urządzenie rejestruje czas przebiegu sygnału oraz jego amplitudę po powrocie do przetwornika. W wyniku graficznego przedstawienia echa, na ekranie rysowane są linie, które tworzą obraz dna morskiego wraz z obiektami znajdującymi się w obszarze widzenia sonaru.
Używa się go do poszukiwania i wykrywania podwodnych przeszkód i wraków, oraz innych zagrożeń dla żeglugi. Inspekcji czystości dna. Gromadzenie danych potrzebnych do prac pogłębiarskich. Lokalizowanie i monitorowanie rurociągów i kabli. Identyfikowanie rodzajów dna morskiego i jego struktury.

Sonar stacjonarny:
Obraz powstaje w wyniku kilkukrotnego przetwarzania w ciągu sekundy impulsu nadawczego. Jest on generowany przez sonar i rozprzestrzeniany wzdłuż kierunkowej wiązki akustycznej. Po każdym nadawaniu, urządzenie przełącza się na odbiór ech, na czas, zależny od ustawionego zakresu. Po cyklu nadawanie-odbiór silniczek krokowy przesuwa sonar na zadany kierunek. Często wyposażony w trójnóg, może być wielofunkcyjny tak jak MS1000.

Rozróżnialność wzdłużna:
Jest to zdolność sonaru do rozróżnienia dwóch pojedynczych obiektów znajdujących się blisko siebie w jednej linii, równoległej do kierunku ruchu sonaru. Głównymi czynnikami jest szerokość wiązki w płaszczyźnie horyzontalnej, prędkość holowania sonaru oraz częstotliwość impulsowania.
Jeśli obiekty są oddalone od siebie na odległość mniejsza od szerokości wiązki wówczas zostaną oświetlone jednocześnie i na ekranie zostanie wyświetlone jedno, większe echo. Prędkość holowana powinna być niska, 1-4W, tak aby obiekty mogły być oświetlone wystarczającą ilość razy. Częstotliwość impulsowania jest zależna od ustawionego zakresu. Im większy zakres tym mniejsza częstotliwość, zatem rozróżnialność maleje wraz ze wzrostem zasięgu.

Sonary kadłubowe - wady i zalety
Zaletami jest możliwość ustalenia dokładnej pozycji w jakiej znajduje się sonar. Możliwe jest znacznie bezpieczniejsze manewrowanie i większa swoboda ruchów jednostki. Wadami natomiast jest przenoszenie się ruchu platformy na sonar, co powoduje błędy związane z ruchem statku na fali. Występuje też ryzyko interferencji od innych urządzeń montowanych w kadłubie statku, oraz brak możliwości opuszczenia przetwornika, i uzyskania odpowiedniego kąta padania wiązki na dno, co zwiększa strefę martwą i zmniejsza wykrywanie i rozróżnialność poprzeczną. Zatem sonary kadłubowe używa się na akwenach stosunkowo płytkich 20-40m.

Techniki fotogrametryczne i teledetekcyjne w pomiarach głębokości

Do pomiarów wykorzystuje się sztuczne satelity. Pomiar głębokości opiera się na określeniu poziomu radiometrii. Tam gdzie głębokości są większe, tam poziom radiometrii słabnie. Przy czystych wodach można wykonywać zdjęcia do głębokości 2.5 m. Technika ta określa granicę między wodą a lądem, ale nie gwarantuje dużej dokładności.

Podział prac sondażowych wg. zasięgu prac

-sondaż na akwenach ograniczonych

-sondaż przybrzeżny

-sondaż morski okrętowy

-sondaż oceaniczny

Podział prac sondażowych wg. przeznaczenia prac

-sondaż dla celów kartograficznych

-sondaż dla sprawdzenia żeglowności torów wodnych i innych

-sondaż dla poszukiwań i eksploatacji bogactw naturalnych

-sondaż dla celów pogłębiarskich

-sondaż dla służb ochrony morskiego środowiska

-sondaż dla celów naukowo-badawczych

-sondaż dla celów obronności państwa

-sondaż dla innych celów

Podział prac sondażowych wg. stopnia szczegółowości

-sondaż systematyczny

-sondaż sprawdzający

-sondaż według wyznaczonej trasy

Etapy realizacji prac sondażowych

-Kalibracja urządzeń pomiarowych

-Wystawienie stacji, punktów i systemów zabezpieczenia pomiarów

-Wykonanie pomiarów zasadniczych

-Wykonanie pomiarów kontrolnych i towarzyszących

-Wykonanie profili uzupełniających

-Wykonanie profili dodatkowych

-Wstępne opracowanie wyników i wyjaśnienie wątpliwości

-Kontrola prac sondażowych

Rozróżnialność poprzeczna

Rozróżnialność poprzeczna to minimalna odległość pomiędzy dwoma obiektami leżącymi na jednej linii prostopadle do kierunku przemieszczania się, zobrazowanymi na sonogramie jako pojedyncze cele.

Nadrzędnym czynnikiem determinującym tę rozdzielczość jest długość impulsu sonarowego.

Parametr ten podawany jest najczęściej w milisekundach.

Geometria rozchodzącego się impulsu sonarowego sprawia, że ślad akustyczny, jaki zostawia on na dnie w strefie bezpośrednio pod „rybką” jest nieco dłuższy niż rzeczywista długość impulsu, co wpływa na zmniejszoną rozróżnialność poprzeczną.

Cel prac sondażowych i wymagane kryteria

Głównym celem pomiarów sondażowych jest uzyskanie pełnego i wiarygodnego obrazu rzeźby dna badanego akwenu - wartości i położenie poszczególnych obiektów i miejsc potencjalnie niebezpiecznych dla żeglugi. Kryteria:

-badany obszar został przesondowany z odpowiednią szczegółowością i dokładnością

-wszystkie formy rzeźby dna zostały szczegółowo rozpoznane i zbadane, ich rozmiary i głębokości nad nimi określone

-wszystkie zaplanowane prace zostały wykonane z wymaganą dokładnością i poprawkami

-wartości mierzonych parametrów są znane w całym zakresie pomiarowym z zadaną dokładnością i wszystkimi poprawkami

-wszystkie niejasności w czasie pomiarów oraz porównanie z pomiarami sąsiednimi zostały wiarygodnie wyjaśnione

Etapy przygotowania do wykonania prac pomiarowych w jednostce wykonawczej

-Opracowanie dokumentacji technicznej

-Prace obliczeniowe, niezbędne do szczegółowego zaplanowania sposobu prowadzenia pomiarów oraz harmonogramu całości prac

-Rekonesans terenowy, wymagany dla organizacyjnego i technicznego przygotowania grup pomiarowych do prac

-Prace przygotowawcze przed wyjściem w rejon prac

-Techniczne przygotowanie rejonu prac

Echosonda jednowiązkowa i jej działanie

Echosonda SBES przy pomiarze głębokości akwenu wykorzystuje właściwości fali hydroakustycznej. Echosonda wysyła z przetwornika wąską wiązkę sygnału pionowo w dół. Sygnał sondy po odbiciu od dna powraca w czasie t jako echo do przetwornika.

Obl. gł. dp=1/2t * Vdz

Dokumentacja sprawozdawcza z pomiarów batymetrycznych

Dokumentacja sprawozdawcza jest źródłem informacji na temat szczegółów wykonanych prac sondażowych i uzyskanych wyników końcowych. Dokumentacja sprawozdawcza powinna zawierać wszelkie informacje niezbędne do odtworzenia procesu rejestracji danych pomiarowych, sprawdzenia poprawności pomiarów, kalibracji i poprawek oraz ostatecznej redakcji materiałów sprawozdawczych. W szczególności dokumentacja sprawozdawcza obejmuje dane opisujące sprzęt i platformę pomiarową oraz zastosowaną metodykę pracy.

Badanie sonarowe wykrytego obiektu podwodnego

Badając sonarem wykryty obiekt podwodny, w sprzyjających warunkach należy wykonać cztery przejścia z sonarem holowanym. Jedna para profili powinna być równoległa do dłuższej osi obiektu podwodnego, a druga prostopadła do niej. Pierwszy profil powinien przebiegać z jednej burty wraku, a drugi profil z przeciwnej. Często okazuje się, że tylko wyniki z jednej burty są zadowalające. Zebrany materiał będzie satysfakcjonujący tylko wtedy, gdy cztery przejścia dostarczą wyraźnych zdjęć pozbawionych szumów i zniekształceń.

Wysokość holowania sonaru i jego pozycjonowanie

Sonar powinien być holowany na wysokości od dna równej od 8% do 20% wybranego zakresu pracy sonaru. Przy zbyt wysokim holowaniu skróceniu ulegnie długość cienia akustycznego. Jeśli natomiast sonar holowany będzie zbyt głęboko, wówczas możemy mieć do czynienia ze zmniejszeniem efektywnego zasięgu działania sonaru. Pozycja sonaru holowanego powinna być określana za pomocą systemu nawigacji podwodnej, wykorzystującego metodę Ultra Short Baseline. To metoda akustycznego pozycjonowania obiektów w toni wodnej, wykorzystująca pomiar odległości oraz różnicy faz sygnałów. Wadą tego systemu jest gwałtowne pogorszenie dokładności pomiaru wraz z długością wyluzowanej kabloliny holującej sonar.

Pomiar pionowego rozkładu prędkości dźwięku w wodzie

Pionowy rozkład prędkości dźwięku w wodzie ma zasadniczy wpływ na jakość pomiarów batymetrycznych, zwłaszcza echosondy wielowiązkowej. Powinien być realizowany za pomocą:

-urządzenia SVP, które za pomocą linii bazowej oraz z wykorzystaniem fali ultradźwiękowej mierzy rzeczywistą prędkość dźwięku w wodzie w funkcji głębokości

-urządzenia CTD, które mierzy trzy zasadnicze czynniki: przewodność, temperaturę i ciśnienie, które wpływają na rozkład prędkości dźwięku w wodzie. Następnie wynikowa wartość prędkości obliczana jest ze wzorów empirycznych.

Kalibracja urządzeń hydrograficznych

Przed przystąpieniem do wykonywania pomiarów batymetrycznych należy wykonać kalibrację urządzeń pomiarowych w celu zweryfikowania ich poprawnej pracy oraz wyeliminowania błędów wskazań. Należy określić:

-błąd wyznaczenia offsetów czujników

-opóźnienia czasowe echosondy wielowiązkowej

-błąd wskazań kursu

-poprawkę roll i pitch

-poprawkę wskazania heave

-pionowy rozkład prędkości dźwięku w wodzie

-zanurzenie jednostki pomiarowej

-squat

Kalibracja echosondy wielowiązkowej

Należy wykonać następujące czynności:

-pomiar pionowego rozkładu prędkości dźwięku w wodzie

-kalibracja urządzenia - patch test

-kontrola wskazań urządzenia - cross test

Wybór zakresu pomiarowego i częstotliwości pracy sonaru

Typowe częstotliwości stosowane w sonarach bocznych do prac przybrzeżnych mieszczą się w granicach pomiędzy 100kHz a 500kHz. Wyższe częstotliwości zapewniają lepszą rozróżnialność rzędu kilki cm, ale kosztem zmniejszonego zakresu operacyjnego sonaru. Dla zakresu częstotliwości 100kHz pracy sonaru szerokość odwzorowania dna zawiera się pomiędzy 200m a 300m na każdą burtę. Dla zakresu działania sonaru 500kHz skuteczny zakres pomiaru dna będzie zredukowany nawet do 75m na każdą burtę.

Kontrola i obróbka danych batymetrycznych

Kontrola pomiarów jest wykonywana na etapie rejestracji danych batymetrycznych. Polega na cyklicznym porównywaniu wskazań mierzonych parametrów z różnych urządzeń pomiarowych, np. kontrola prędkości jednostki pomiarowej na profilu, kontrola zanurzenia jednostki pomiarowej. Obróbka danych batymetrycznych realizowania jest po wykonaniu pomiarów w celu uwzględnienia wszystkich wartości poprawek wpływających na dokładność pomiarów. Zaliczamy do nich poprawkę na: stan wody, zanurzenie przetworników, błędnie wprowadzoną średnią wartość dźwięku w wodzie.

Dziennik hydrografa i specyfikacja zapisywanych informacji

Wszystkie uwagi i zdarzenia dotyczące pracy systemu hydrograficznego oraz uwagi podczas realizowanych pomiarów powinny być zapisane chronologicznie w dzienniku hydrografa z uwzględnieniem dokładnej daty, godziny oraz minuty zaistniałego zdarzenia. W specjalnie przygotowanym dzienniku hydrografa należy zapisywać: imię i nazwisko operatora jednostki pomiarowej, datę i godzinę rozpoczęcia oraz zakończenia sesji pomiarowej, zestawienie sprzętu hydrograficznego wykorzystanego do pomiarów, wyniki testów oraz kalibracji urządzeń pomiarowych.

---