SONAR
Sonar – oznacza nawigację i wyznaczenie odległości za pomocą dźwięku
- technika ta charakteryzuje się wysoką zdolnością wykrywania i rozróżniania okrętów podwodnych
- jedna z najskuteczniejszych metod przeszukiwania dna i lokalizowania przeszkód nawigacyjnych
POMIARY SONAROWE: to rodzaj hydrograficznej działalności pomiarowej wykonywanej na potrzebę zapewnienia bezpieczeństwa żeglugi, stwarzającej możliwości otrzymania informacji obrazowej na temat obecności i położenia przeszkód
SONOGRAM: obraz sonarowy w postaci cyfrowej lub zapisu graficznego na papierze termoczułym, przedstawiający dno. Wszystkie obiekty znajdujące się w polu widzenia wiązki akustycznej oraz typowe cechy charakterystyczne dla każdego sonogramu „zdjęcie malowane dźwiękiem”
PRACE SONAROWE
-wykonywane głównie za pomocą sonaru obserwacji bocznej (sonar boczny)
- dwukanałowe sonary boczne pojawiły się w 60-tych latach XX wieku (zwiększyły efektywny pas przeszukania dna)
- początkowo używane były do lokalizacji dużych obiektów (na dnie lub toni), w latach 80-tych XXw sonary boczne wykorzystywały technikę zapisu danych na termo czułym papierze
- współczesne modele sonarów bocznych wykorzystują już technologię cyfrowego przetwarzania sygnału DSP z możliwością rejestracji danych na różnych nośnikach
- obecnie stanowią efektywny środek pomiarowy wspomagający prace hydrograficzne
Sonar – podobnie jak radar, jednostka musi się przesuwac
- hol za rufą: tzw. ”rybka” – szeroki przekrój w poprzek profili
- wąski wzdłuż profili
- obiekty za przeszkodami są niewidoczne
- sonar musi się poruszać aby był obraz
- obraz sonarowy zależy od prędkości jednostki (za szybko-obraz niewyraźny, za wolno-mała efektywność)
- sonda wielowiązkowa: ograniczona liczba wiązek (lepszy sonar)
- w sonarze obraz ciągły rastrowy (obiekt za obiektem niewidocznym??)
- jako drugi element pomiaru po batymetrii
- ładny odraz – DTM: obraz sonarowy
- często obiekty identyfikowane z kamer podwodnych
- odległość pod sonarem i zanurzenie sonaru
2 RODZAJE SONARÓW BOCZNYCH
- stacjonarny na trójnogu
- sonar przy burcie (kadłubowy)
Sonar boczny jest rodzajem sonaru, w którym wykorzystywano liniowy układ przetworników emitujących wiązki akustyczne w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku przemieszczania się. Sonar rejestruje czas przebiegu sygnału akustycznego oraz amplitudę sygnału powracającego do przetwornika
- linie na ekranie powstają w wyniku graficznego przedstawienia cech impulsu nadawczego
- projekcja wielu kolejnych lini tworzy obraz dna morskiego i obiektów na nim leżących, jak również tych zanurzonych w wodzie, które znalazły się w obszarze wiązki promieniowania
- w trakcie badań przez jednostkę przemieszczającą się po profilu, sonar boczny przeszukuje pas dna równy dwukrotnemu zakresowi pracy ustawionemu przez operatora
- sonar musi iść równolegle do dna
PRZEZNACZENIE SONARÓW BOCZNYCH
- przeszukiwanie i wykrywanie przeszkód podwodnych, wraków, zagubionych kotwic, i innych sztucznych obiektów leżących pomiędzy profilami sondażowymi stanowiących zagrożenie dla nawigacji
- kontrola czystości dna kanałów, basenów portowych, torów wodnych, red, kotwicowisk, akwenów specjalnego przeznaczenia
- gromadzenia danych niezbędnych do prowadzenia prac pogłębiarskich i hydrotechnicznych
- lokalizowanie: monitorowanie podwodnych rurociągów i torów kaskowych, instalacji, wykrywanie miejsc uszkodzonych
- identyfikacja ruchomego podłoża morskiego, rodzaju osadów i aktualizacja danych o strukturze dna
- najczęściej poszukuje się obiektów na dnie (pomiędzy profilami) oraz cech geomorfologicznych dna morskiego
- nieoceniona pomoc w procesie poszukiwania weryfikacji i identyfikacji wraków i innych obiektów (zainteresowanie archeologów, oceanografów)
KLASYFIKACJA SONARÓW BOCZNYCH:
Ze względu na miejsce umieszczenia przetworników możemy podzielic na dwie kategorie:
- kadłubowe sonary boczne
- holowane sonary boczne
Przetworniki instaluje się ponadto na zdalnie kierowanych pojazdach (podwodnych) ROV lub pojazdach z własnym niezależnym źródłem zasilania AUV
SONARY KADŁUBOWE
- kadłubowy sonar boczny (sonar burtowy) posiada anteny nadawczo- odbiorcze zamontowane wzdłuż prawej i lewej burty jednostki, poniżej lini wody
- czasami na jednostce instaluje się na stałe pod kadłubem sonar typu tow Fish spełniający funkcje sonaru kadłubowego
- w przypadku burtowego sonaru bocznego orientacja i umiejscowienie przetworników jest ściśle określone, zatem pozycjonowanie wykrytych obiektów jest relatywnie proste i dokładniejsze
- manewrowanie jednostką jest zdecydowanie łatwiejsze i bezpieczniejsze
- brak sensorów holowanych zapewnia dużą swobodę ruchu, zwłaszcza w sytuacji zagrożenia bezpieczeństwa nawigacyjnego
- niestety metoda ma też wiele wad
*najmniejszy ruch platformy w jakiejkolwiek płaszczyźnie przenosi się bezpośrednio na pracę sonaru, a w rezultacie wpływa na jakość danych pomiarowych
*istnieje też ryzyko powstania wzajemnych interferencji pochodzących z innych podkadłubowych sensorów, takich jak log, sonda pionowa czy wielowiązkowa
- Brak możliwości opuszczenia przetworników na optymalną wysokość uniemożliwia szczególnie na akwenach głębokich uzyskanie odpowiedniego kata padania wiązki akustycznej na dno.
- Wpływa to na prawdopodobieństwo odbicia obiektów podwodnych i stopień uszczegółowienia zarejestrowanych sonogramów.
- Charakteryzują się dobra skutecznością jedynie na akwenach płytkich do 20-40m.
SONARY HOLOWANE
-w sonarze holowanym typu towfish przetworniki umieszczone są w metalowym hydrodynamicznym korpusie zazwyczaj za rufa jednostki na specjalnym holu
-istnieje również możliwość holowania sonaru na specjalnym wysięgniku z dziobu danej jednostki lub z jej burty
- są to jednak rzadziej praktykowane sposoby holowania rybki
- najczęściej i najpowszechniej stosowany jest sonar boczny w wariancie holowanym (za rufą)
ZALETY:
- dzięki holowaniu sonaru na kablu w pewnej odległości za rufa jednostki, na ustalonej wysokości w toni wodnej przechyły wzdłużne, poprzeczne oraz wahania pionowe nie są przenoszone na holowany pojazd w takim stopniu jak ma to miejsce przy sonarze burtowym
- oddzielenie przetworników od kadłuba jednostki powoduje istotne ograniczenie wpływu zakłóceń generowanych przez ruch platformy i powierzchnię morza na zobrazowanie sonarowe
Poprzez zmniejszenie odległości przetwornik – dno oraz możliwość holowania sonaru na stałej wysokości uzyskuje się optymalną geometrię rozchodzącego się sygnału akustycznego zapewniającą powstawanie zjawiska cienia hydroakustycznego i wykrywanie obiektów podwodnych leżących często na dużych głębokościach
- dzięki zastosowaniu kabloliny o odpowiedniej długości sonar może być holowany powyżej warstwy termoliny, która powoduje odbijanie i absorpcję energii akustycznej
- wymienione zalety maja swoje odzwierciedlenie w jakości obrazów sonarowych rejestrowanych sonarem typu towfish
OKREŚLENIE WYSOKOŚCI OBIEKTÓW (wzór)
WADY:
- zasadniczą wadą jest brak precyzyjnej informacji o pozycji „rybki” w płaszczyźnie horyzontalnej
- wynika on z błędu pomiaru długości wydanego kabla holującego oraz z nieznajomości rzeczywistego ułożenia kabla w toni wodnej podczas operacji holowania
- w konsekwencji pozycja wykrytych obiektów podwodnych może być obarczona znacznym błędem
- aby opuścić „rybkę” niezbędny jest specjalny sprzęt, bez którego trudno byłoby prowadzić prace sonarowe
- ponadto operator nie jest w stanie przewidzieć zmieniającego się w trakcie pomiarów ukształtowania dna, czy skał, wraków itp. co stwarza zagrożenie dla sprzętu
- niebezpieczeństwo uderzenia sonarem o dno lub przeszkodę jest relatywnie większe
CHARAKTERYSTYKA KIERUNKOWA PRZETWORNIKA SONARU BOCZNEGO
- podstawową cechą charakteryzującą klasyczne sonary boczne jest listkowa(?) charakterystyka kierunkowości o rozwartości 40-60’ w pionie i 0.5-2’ w płaszczyźnie poziomej
- standardowa definicja szerokości wiązki promieniowania to kątowa szerokość pomiędzy punktami (rys.)
- kierunkowością anten akustycznych nazywamy zdolność emitowania i odbioru energii akustycznej w granicach określonego kąta przestrzennego, którego wartość określa charakterystyka kierunkowa
- charakterystyka kierunkowa opisuje względne zmiany natężenia fali akustycznej w zależności od kierunku w stosunku do osi anten
- charakterystykę taka formuje się przez zastosowanie odpowiednich przetworników w poszyciu kadłuba jednostki lub częściej holowanych za rufą w specjalnych nośnikach
- oś głównego …………… charakterystyki kierunkowej odchylona jest od płaszczyzny horyzontu o pewien kąt równy 10’-20’ dzięki czemu większość energii akustycznej skierowana jest do dna morza
- graficzne przedstawienie można wykonać w układzie współrzędnych biegunowych lub prostokątnych
- w zależności od ilości przetworników w antenie, charakterystyka kierunkowa ma odpowiedni kształt i liczbę listków bocznych
ROZRÓŻNIALNOŚC SONARU BOCZNEGO
- określana jest jako jego zdolność do rozróżniania elementów danego obiektu lub dwóch obiektów leżących blisko siebie
- zdolność ta wyrażana jest minimalna odległością pomiędzy tymi obiektami wykrywanymi i przedstawionymi jako osobne echa sonarowe
- innymi słowy to stopień uszczegółowienia obrazu sonarowego, jaki można uzyskać na podstawie zebranych danych sonarowych
Może być rozpatrywana w dwóch kierunkach tj.
- w kierunku równoległym do generalnego kursu przemieszczania się sonaru (rozróżnialność wzdłużna)
- w kierunku prostopadłym do ruchu (rozróżnialność poprzeczna)
ROZRÓŻNIALNOŚC WZDŁUŻNA
- zwana często rozdzielczością poziomą, to zdolność sonaru do rozróżnienia dwóch pojedynczych obiektów podwodnych leżących blisko siebie na linii równoległej do kierunku przemieszczania się
Zależy od 3 czynników:
- szerokość wiązki w płaszczyźnie poziomej
- prędkość holowania sonaru
- częstotliwość wysyłania impulsów (na 2 i 3 mamy wpływ)
Największy wpływ na rozróżnialność wzdłużną ma szerokość kątowa wiązki promieniowania przetwornika w płaszczyźnie horyzontalnej
-jeżeli dwa obiekty będą oddalone od siebie o odległość mniejszą od szerokości wiązki sonaru na tej odległości, to wówczas podczas równoległego mijania zarówno pierwszy jak i drugi obiekt znajdują się w granicach tej samej wiązki a echa będą się nakładały dając w efekcie większe echo
(rys. i wzór)
- Znając szerokość wiązki można obliczyć teoretyczną zdolność rozdzielczą w kierunku ruchu w funkcji odległości bocznej od sonaru
- rozróżnialność wzdłużna sonaru maleje wraz ze wzrostem zasięgu
- zwężona jest też prędkość holowania oraz okres impulsowania
- operator sonaru powinien holować sonar dość wolno, aby oświetlić obiekt wystarczającą liczbę impulsów (2,3 węzły)
- im więcej impulsów opromieniuje dany cel, tym większe prawdopodobieństwo jego wykrycia
- okres impulsowania uwarunkowany jest wyborem odpowiedniego zakresu pracy sonaru
- ze wzrostem zakresu operacyjnego rośnie interwał …….. między dwoma kolejno emitowanymi impulsami
- np. na odległości 300- obiekty leżące w bliskiej odległości są rejestrowane jako jeden lub niewykryte
- bardzo ważna jest prędkość oraz zakres, wpływa na jakość obrazu
ROZRÓŻNIALNOSC POPRZECZNA
- inaczej rozróżnialność odległościowa: to minimalna odległość między dwoma obiektami leżącymi na jednej linii prostopadle do kierunku przemieszczania się, zobrazowane na sonogramie jako pojedyncze cele
- nadrzędnym czynnikiem 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 pod „rybką” jest nieco dłuższy niż rzeczywista długość impulsu, co wpływa na zmniejszoną rozróżnialność poprzeczną
- im dalej od sonaru, tym ślad ten przybiera długość zbliżoną do rzeczywistej, powodując jednocześnie wzrost rozróżnialności poprzecznej
- jeżeli dwa obiekty znajdują się blisko siebie, zwłaszcza blisko sonaru, wówczas powracające echa mogą nakładać się na siebie i na sonogramie otrzymamy w efekcie jedno wspólne echo
(rys. i wzór)
- Roz. Poprzeczna oprócz długości impulsu zależy również od kąta padania wiązki sonarowej na dno β
- wraz ze wzrostem tego kąta roz. maleje
- najmniejsza Roz. Poprz. Występuje przy dużych kątach padania wiązki akustycznej na dno, tj. bliskich odległości od sonaru
- niska częstotliwość : większy obszar, mniej dokładnie
- wysoka częstotliwość: mniejszy obszar, bardzo dokładnie
- w rzeczywistości osiągane rozróżnialności sonarów w kierunku poprzecznym są zawsze mniejsze niż wartości teoretyczne
- praktyczna Roz. Rejestrowanych danych zależeć będzie od wielu dość istotnych czynników, należeć będą do nich:
- parametry techniczne sprzętu
- rzeczywista geometria impulsu w toni wodnej
- wybrany zakres pracy sonaru
- warunki środowiskowe i rodzaj materiału z jakiego zbudowane są obiekty podwodne będące przedmiotem badań
ZNIEKSZTAŁCENIA GEOMETRYCZNE OBRAZU SONAROWEGO
Główne czynniki:
- kompresja sonogramu wraz ze wzrostem prędkości holowania: zniekształcenie w kierunku równoległym do kursu generalnego spowodowane zmienna prędkością jednostki pomiarowej oraz stałą prędkość zapisu danych sonarowych
- kompresja lub rozciąganie (wydłużanie) obiektu wzdłuż kierunku ruchu powodowana jest tym, że sonar oświetla obiekt przy różnych prędkościach przemieszczania się
- w efekcie kompresji zjawiskiem ubocznym jest zobrazowanie tych obiektów jako większe lub mniejsze w stosunku do rzeczywistości
- kompresja powodowana jest wyświetlaniem danych dla każdego impulsu w okresach wprost proporcjonalnych do prędkości przemieszczania się sonaru lub …………. Dystansu
- wysokość holowania sonaru nad dnem: wprowadza poprzeczne zniekształcenie prostopadłe do kierunku ruchu; kompresja obrazu maleje ze wzrostem odległości poprzecznej
- strome dno: generuje zniekształcenia w kierunku poprzecznym ze zróżnicowaniem w zależności od kierunku nachylenia dna
Dla danej prędkości platformy holującej, wybranego zakresu pracy sonaru: prędkość zapisu danych i wysokość holowania sonaru, powstałe zniekształcenia geometryczne można minimalizować
W KIERUNKU POPRZECZNYM
- odległości mierzone przez sonar boczny są odległościami między przetwornikiem a określonym punktem dna
- są to tzw. Odległości skośne czy nachylone
- w systemach sonarowych, które nie posiadają możliwości korekcji odległości skośnych, wysokość sonaru nad dnem powodować będzie zniekształcenia obrazu w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu
- zniekształcenia te będą malały wraz ze wzrostem odległości poprzecznej
- na dużych zasięgach odległości skośne są zbliżone do odpowiadających im odległości horyzontalnych i efekt kompresji jest zmniejszony
- kształt obiektów podwodnych leżących na polu bliskim sonaru jest znacznie bardziej zmieniony aniżeli obiektów spoczywających na maksymalnych odległościach poprzecznych
- sonogramy, w których nie zastosowano korekty odległości skośnej, uniemożliwiają bezpośredni pomiar odległości horyzontalnych do zarejestrowanych obiektów czy określonych punktów dna
- w systemach tych wysokość sonaru nad dnem odwzorowana jest jako pierwszy impuls odbiorczy (echo) odchodzący od dna
- bezpośrednio z zapisu sonarowego nie można odczytać rzeczywistej odległości horyzontalnej
-obrazy sonarowe z korekcją odległości skośnych przedstawiają odległości horyzontalne (tak jak gdyby dno morskie było płaskie a zdjęcie wykonano z lotu ptaka)
- korekta odległości skośnej to geometryczna poprawka korygująca odbiorczy sygnał sonarowy, która konwertuje wyświetlaną poprzeczną skalę danych w taki sposób, że jest ona wprost proporcjonalna do odległości poprzecznych a nie czasu
- poprawka odległości nachylonych wykorzystuje wysokość sonaru nad dnem do zamiany rzeczywistej prostoliniowej odległości między sonarem a obiektem na odległość horyzontalną (mierzona po dnie)
- zniekształcenia powodowane są również założeniem, że dno w akwenie pomiarowym jest płaskie
- niestety w przypadku występowania stromych zboczy powstają zniekształcenia obrazu szczególnie widoczne w kierunku spadku nachylenia
W KIERUNKU WZDŁUŻNYM
- w starszych sonarach duży wpływ na zobrazowanie sonarowe ma prędkość podawania papieru elektroczułego
- wraz ze zmianą wymienionych parametrów pojawiają się zniekształcenia obrazu w kierunku równoległym do generalnego kursu
- zmiany prędkości przemieszczania się sonaru względem dna powodują zmianę rozdzielczości przestrzennej obrazu w kierunku wzdłużnym
- nowoczesne systemy aktualizacji danych sonarowych z zewnętrznym źródłem informacji o pozycji oraz możliwością ręcznej korekcji prędkości jednostki pomiarowej posiadają już możliwość wyświetlania obrazu ………………. z poprawnym stosunkiem dlugości boków zdjęcia
- zniekształcenie eliminowane jest przez wykorzystanie pozycji do obliczenia odległości podawanej w danym przedziale czasu
- poprawka na zmianę prędkości polega na dopasowaniu prędkości zapisu danych sonarowych do rzeczywistej prędkości holowanego sonaru
SONAR STACJONARNY
- obraz na monitorze powstaje w wyniku przetwarzania kilka razy na sekundę impulsu nadawczego
- sonar skanujący generuje akustyczny impuls nadawczy, który rozprzestrzenia się wzdłuż kierunkowej wiązki akustycznej
- po każdym wysłaniu impulsu nadawczego przetwornik odbiera powstające sygnały ech w ciągu okresu czasu, który odpowiada ustalonemu zakresowi
- następnie silnik ……. Znajdujący się w głowicy automatycznie przestawia przetwornik na nowy kierunek
- unikalnym rozwiązaniem jest sonar MS 1000 wysokiej częstotliwości, który może pracowac w 3 wymiarach
- oprócz funkcji sonaru bocznego, funkcji jaką oferują wszystkie inne systemy sonarowe, system MS1000 może pracowac jako sonar skanujący, pracujący na trójnogu umieszczonym na dnie akwenu pozyskując informacje obrazowe analogicznie jak radar nawigacyjny lub z głowicą na specjalnym wysięgniku przeznaczonym do monitorowania ścian budowli hydrotechnicznych
- MS1000 zamienia komputer na wielofunkcyjny procesor sonarowy
3 warianty pracy:
- statycznym opuszczany z pokładu zakotwiczonej jednostki pomiarowej, opuszczany z nabrzeża portowego lub pomostu po zamontowaniu na specjalnej podstawie (trójnogu) umieszczonej na dnie
-statycznym opuszczany z budowli hydrograficznej na specjalnym wysięgniku do monitorowania stanu budowli
- dynamicznym jako sonar boczny umieszczony przy burcie (jednostki manewrujący z niewielką prędkością 1,5 km (najgorsze rozwiązanie)
* Głowica posiada … kompas magnetyczny
W wyniku procesu powstawania kilka razy na sekundę impulsu nadawczego, na ekranie monitoru powstaje biegunowy lub sektorowy obraz.
URZĄDZENIA POMIAROWE
Pomiary Geograficzne:
Ciągłe profilowanie sejsmoakustyczne:
- jest to technika pomiaru zwana ciągłym profilowaniem sejsmoakustycznym zaliczana jest do grupy pośrednich technik badawczych stosowanych w geofizyce morza i jest wykorzystywana od lat 80 XXw
- pozwala ona na rozpoznanie budowy geologicznej warstw dna morskiego w oparciu o generowane fale hydroakustycznej różnej częstotliwości mocy
- wyższe częstotliwości pozwalają na rozpoznanie drobniejszych struktur i cieńszych warstw , ale wówczas hydrograf powinien liczyć się z ograniczeniem głębokości...(ksero ucięło jeden wyraz)
- w zależności od aparatury i od celu badań możliwe jest poznanie budowy geologicznej dna od poziomu kilku metrów poniżej linii dna aż do głębokości stu kilkudziesięciu metrów i identyfikacji warstw, o miąższości od kilkudziesięciu metrów do kilku centymetrów
- technika ta wykorzystuje różne zestawy aparatury profilującej o odmiennej konstrukcji i przeznaczeniu
- w zastosowaniach morskich ukierunkowanych na realizację prac w ramach pomiarów hydrograficznych do ciągłego profilowania sejsmoakustycznego wykorzystuje się urządzenia zwane (SBP)sub bottom-profilerami lub profilomierzami osadów
- ze względu na kształt, moc, częstotliwość wiązki hydroakustycznej poszczególnym urządzeniom i systemom pomiarowym nadaje się zwyczajowe nazwy urządzenia te określane jako:
*Boomer, Air-gum, Sparker – grupa urządzeń przeznaczonych głębokich penetracji dna
*Chirp-snar – z modulowanym częstotliwościowo i niekiedy amplitudowo sygnałem hydroakustycznym zakres częstotliwości od 10Hz do 40Hz
*Pinger- profilomierz osadów wysokiej rozdzielczości, zakres częstotliwości najczęściej spotykanych od 5Hz do 40Hz
- spośród wymienionych za jedno z nowocześniejszych rozwiązań technicznych jest chirp-sonar zwany także świergotowym, który jest źródłem fal hydroakustycznych o modulowanej częstotliwości
- urządzenie to dysponuje przeważnie źródłami sygnału o niewielkiej mocy¸co ogranicza głębokość profilowania do około 20m poniżej linii dna, przy zachowaniu rozdzielczości uzyskiwanych obrazów do 30m
- na podstawie interpretacji uzyskanych profili sejsmoakustycznych, skorelowany z profilami wierceń wykonanych w powierzchniowej skorupie dna, możliwe jest wykonanie przekrojów geologicznych, które następnie po w kartowaniu w siatkę regularną można wykorzystać do przygotowania map
-uzyskane dane i wyniki pomiarów w zakresie ciągłego profilowania sejsmoakustycznego mogą być przez hydrografa wykorzystane do:
-> hydrograficznego przygotowania operacji związanych z pogłębianiem i pracami czerpalnymi
-> prowadzenia inspekcji zagłębionych w dnie instalacji hydrotechnicznych typu rurociągi, kable
-> przygotowaniu danych dotyczących powierzchniowych warstw osadów dennych
POBIERANIE PRÓBEK DNA
- pobieranie próbek osadów powierzchniowych i rdzeni zaliczane jest do metod bezpośrednich tj. takich w których uzyskiwanie informacji oparte na oryginalnym materiale badawczym pobranym za pomocą różnego rodzaju próbników urządzeń
-pobieranie próbek osadów dennych z powierzchni dna morskiego jest o wiele trudniejsze niż na ladzie
-próbniki i sondy są na ogół ciężkie i wymagają użycia odpowiednich urządzeń dźwigowych i spokojnego morza
-zależnie od celu badań stosuje się różnego rodzaju przyrządy począwszy od najprostszych czerpaków zagarniających osad z powierzchni dna do dużych zestawów widrosond pozwalających na uzyskiwanie danego materiału badawczego w postaci rdzenia o długości nawet kilku metrów
- analiza zawartości takiego rdzenia pozwala na wszechstronne badania zachodzących procesów sedymentacyjnych tworów geologicznych układów geomorfologicznych
W hydrografii morskiej informacje uzyskiwane poprzez pobieranie próbek dna osadów powierzchniowych i rdzeni są wykorzystywane do:
- uzupełniania treści morskich opracowań kartograficznym w zakresie danych odnoszących się do rodzaju i struktury dna morskiego
- hydrograficznego przygotowania operacji związanych z pogłębieniem i pracami czerpalnymi
- przygotowania danych dotyczących powierzchniowych warstw osadów dennych
W zależności od celu prac oraz rodzaju pobieranego materiału dennego wykorzystuje się różnego rodzaju przyrządy i urządzenia typu próbniki, czerpaki, sondy rdzeniowe, wibrosondy
Najczęściej spotykane nazwy to:
->czerpak typu Van veen’a- do poboru powierzchniowych warstw osadów dennych
->sonda rdzeniowa typu Kullenberga
->sonda rdzeniowa wibracyjna do poboru rdzeni o nie naruszonej strukturze sonda typu box eover
->sonda typu Niemisto do poboru rdzeni osadów nubistych
->sonda typu Oscon do poboru osadów piaszczystych
BADANIE ZMIAN POLA MAGNETYCZNEGO ZIEMI
-badanie zmian pola magnetycznego, a właściwe określanie miejsc występowania anomalii magnetycznych (obszary w których kierunek pola magnetycznego wyraźnie odbiega od średniego dla danej szerokości geograficznej) w hydrografii morskiej ma na celu określenie potencjalnych miejsc występowania obiektów podwodnych o cechach ferromagnetyków
- miejsca takie mogą być pozycjami wraków lub elementów tzw. pola szczątków zatopionego obiektu( statek, samolot, elementy wyposażenia itp.) wykonanych z metalu
- w związku z występowaniem wielu obszarów, w których w sposób naturalny pojawiają się anomalie magnetyczne w hydrografii morskiej także miejsca wymagając działań sprawdzających wykorzystujących inne techniki pomiarowe- najczęściej pomiary sondowe lub pomiary batymetryczne oparte na wysokorozdzielczych echosondach MBES
- podstawowym przyrządem pomiarowym przy wykonywaniu badań zmian pola magnetycznego Ziemi jest miernik zmian tego pola zwany magnetometrem
- w zastosowaniach hydrograficznych magnetometr powinien charakteryzować się mobilnością i możliwością określania kierunku, dużą czułością oraz pozwalać na rejestrację danych pomiarowych
- należy pamiętać że nie w każdym przypadku możliwe lub konieczne jest spełnienie każdych warunków
- najczęściej wykorzystywanym magnetometrem jest holowany magnetometr protonowy lub gradientowy
- przy opracowywaniu danych z magnetometru wykorzystuje się specjalistyczne oprogramowanie pozwalające na tworzenie opracowań kartograficznych przedstawiających w sposób graficzny rozkład zarejestrowanych zmian wartości pola magnetycznego w badanym akwenie
POMIARY POZIOMU WODY
- w związku z dużą dynamiką zmian poziomu wody wywoływanych czynnikami anemobarycznymi(wpływ ciśnienia, kierunku i prędkości wiatrów hydrologicznymi oraz elementami pływowymi jednym zadań hydrografii jest uzyskiwanie informacji na temat aktualnego poziomu wody (stanowód) w regionie wykonywania pomiarów batymetrycznych
- informacja ta pozwala na wyrażenie zamierzonych wartości głębokości względem ustalonego poziomu odniesienia pomiarów batymetrii zwanego zerem głębokości
- na dalszym etapie przetwarzania danych pozwala także na operowanie danymi batymetrycznymi odniesionymi do pionowego układu odniesienia będącego częścią obowiązującego na obszarach Państwowego Systemu Odniesień Przestrzennych w części związanej z tworzeniem i aktualizowaniem danych zawartych na morskich opracowaniach kartograficznych i w fazach danych nawigacyjnych systemów informacyjnych ECDIS i ECS
- w Polsce zagadnieniami ustalania i rejestracji zmian pomiaru wód zajmuje się oddział Morski Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, który w ramach udzielonych kompetencji działa na tzw. zlewniach rzek wpadających do wód Morza Bałtyckiego oraz na polskich wodach terytorialnych i wewnętrznych na Bałtyku
- działania swoje OM IMGW wykonuje, wykorzystując posterunki wodne (stanowiska wodowskazowe) rozlokowane w portach, przystaniach morskich i współpracując z lokalnymi przedstawicielami państwowej administracji morskiej (kapitanaty i bosmanty)
- stanowisko wodowskazowe składa się z przyrządu do obserwacji wahań poziomu wody lub urządzenia do obserwacji i rejestracji danych pomiarowych oraz reperów geodezyjnych, względem których urządzenia te są skalibrowane
-przyrządy i urządzenia przeznaczone do pomiaru poziomu wody powinny być montowane w miejscach odzwierciedlających rzeczywiste warunki panujące w całym akwenie a jednocześnie osłoniętych przed niekorzystnym wpływem falowania
-przyrządy o których mowa zwane łatami wodowskazowymi zazwyczaj są wykorzystywane w 10cm odcinkach posiadających podziałkę 2cm i umieszczonych na przemian na prawej i lewej stronie łaty
- dokładność odczytania poziomu wody do 1 cm
- odczytu dokonują odpowiednio wyszkolone osoby
- dane zapisuje się do dziennika obserwacji wodnych
- urządzenia do obserwacji i rejestracji zmian poziomu wody morza zwane są mareografami
- mareografy pozwalają na trybie ciągłym rejestrować zmiany poziomu wody
- do najczęściej spotykanych tego typu urządzeń zaliczamy konstrukcję mareografu pływakowego z przyrządem samopiszącym zapewniający graficzny zapis przebiegu zmian odniesienia do czasu i ustalonego poziomu odniesienia, względem którego jest możliwe określenie poprawek
- ten typ mareografu jest zaliczany do mareografów rejestrujących zmiany poziomu morza w sposób ciągły techniką analogową
-dokładność odczytu do 1 cm
- obecnie spotyka się zmodernizowane konstrukcje mareografów pływakowych oraz mareografów ciśnieniowych zapewniające automatyczną rejestrację danych pomiarowych zapisywanych w formie danych cyfrowych
- dane są przesyłane za pomocą modemu (depesze, pliki, SMS wysyłane co 10min lub na żądanie) do siedziby OM IMGW w Gdyni
- w zastosowaniach polowych tam gdzie warunki lokalne wymagają dostarczenia informacji o wielkości wahań poziomu wody, wykorzystuje się mobilne stacje wodowskazowe określane często mianem Tide-puage lub Tide-station
- wykorzystują one w większości specjalny czujnik ciśnieniowo-temperaturowy mierzący zmiany ciśnienia słupa wody i na podstawie rejestrowanych zmian są w stanie przeliczać uzyskiwane dane odnosząc je do zmian poziomu wody
POMIAR PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU W WODZIE
- pomiar prędkości rozchodzenia się dźwięku w wodzie jest istotnym elementem wszelkich prac hydrograficznych prowadzonych za pomocą urządzeń i systemów hydroakustycznych
- wiedza na temat pionowego rozkładu prędkości dźwięku w wodzie pozwala na zwiększenie dokładności pomiarów prowadzonych za pomocą urządzeń i systemów sonarowych oraz batymetrycznych
-dźwięk w wodzie rozchodzi się znacznie szybciej niż w powietrzu
- przyczyną tego jest większa gęstość ośrodka
- w wodzie w zależności od jej zasolenia i temperatury (zmiana tych wielkości wpływa na gęstość wody) dźwięk rozchodzi się z prędkością od 1410m/s do 1550m/s tj około 4-5 razy szybciej niż w powietrzu
- gdy dźwięk przechodzi między ośrodkami o różnych wartościach zasolenia i temperatury (o różnej gęstości) w strefie granicznej znaczna część energii fali hydroakustycznej ulega rozproszeniu(uginanie, odbijanie)
- takie zjawisko zaś nie korzystne wpływa na wartość mierzonych za pomocą echosond i sonarów parametrów takich jak gęstość czy odległość
- różnice w prędkości dźwięku w wodzie pod wpływem temperatury są widoczne szczególnie w pobliżu tzw termoliny
- prędkość powinna być uwzględniana w hydrograficznych pracach pomiarowych albo jako wartość średnia, albo jako wartości chwilowe wyrażone w postaci pełnego pionowego (profilu) rozkładu prędkości dźwięku w wodzie
- decyduje o tym zarówno … wykorzystywanego urządzenia lub systemu pomiarowego jak i charakter prac hydrograficznych
- podstawowe urządzenia pomiarowe przeznaczone do pomiaru prędkości dźwięku w wodzie są mierniki SYP oraz sondy CTD/STD
KIERUNEK I PRĘDKOŚĆ PRĄDÓW MORSKICH
- kierunek i prędkość mogą mieć duży wpływ na sposób realizacji prac hydrograficznych i uzyskiwany poziom jakości danych pomiarowych
- niekorzystne zjawisko znosu wywołane oddziaływanie prądu morskiego na podwodną część kadłuba jednostki a także na holowane lub opuszczane elementy wyposażenia pomiarowego mogą powodować istotnie jakości danych pomiarowych, powstawanie błędów w zakresie określania pozycji obiektów podwodnych wyznaczaniu parametrów nawigacyjnych ( namiar, odległość do celu podwodnego)
-mogą też przyczynić się do pojawienia się określonych trudności z utrzymaniem kierunku przemieszczania się samej jednostki pomiarowej oraz ograniczać liczbę tych kierunków szczególnie w akwenach ograniczonych przebiegiem linii brzegowej i układem głębokości
-istnienie podwodnych prądów w strefie przydennej przyczynia się także do przemieszczania osadów i zmian układu batymetrycznego
- stąd też wiedza na temat wartości prędkości i kierunku prądu morskiego odgrywa wielką rolę zarówno na etapie planowania jak i realizacji hydrograficznych prac pomiarowych
- w pomiarach poziomych prędkości wód(prądów) mają zastosowanie dwie podstawowe metody : Lagrange’a i Eulera
- pierwsza z nich bada tor, który cały element wody ,a ściślej sztuczny punkt materialny(znaczniki) w niej zawieszony przebywa w określonym czasie
- wynikiem pomiarów są przybliżone … opisujące kolejność punktów mijane przez te znaczniki w przestrzeni i w czasie
- druga z metod bada i określa wartości prędkości prądu oraz ukazuje jego charakter w jednym punkcie w przestrzeni w postaci wektora zmiennego w czasie
- pierwsza przeznaczona jest do pozyskiwania obrazów ruchu określonych …wodnych w czasie, druga do uzyskiwania przybliżonego chwilowego obrazu zmienności pola przepływowego w czasie , rekonstruowanego w oparciu o synchroniczne pomiary wykonane w stałej przestrzennej sieci punktów pomiarowych
- w tym miejscu należy też zwrócić uwagę na fakt że metoda Lagrange’a pozwala na uzyskiwanie wiarygodnych danych z warstwy powierzchniowej wody
- z powstałych warstw lepsze wyniki można uzyskać stosując metodę Eulera
Podstawowe środki pomiarowe(metoda Lagrange’a) są:
-środki barwiące(uplurarina)-badają wirowości, rozproszenia drobin, stopnia rozbieżności strug, stopnia deformacji prądu
- pływaki powierzchniowe tzw: traserów np. znaczniki kopertowe, cylindryczne itp.
- pławy powierzchniowe z dryfkotniami pod powierzchniowymi
- pływaki hydroakustyczne o zrównoważonej pływalności
Podstawowe środki pomiarowe(metoda Eulera) są:
- prądomierze: prądogrunty opuszczane z platformy (statku, pławy powierzchniowej lub pod powierzchniowej)w pole przepływowe badanego akwenu lub zamontowane na statywach na dnie
Urządzenia pomiarowe w tej grupie można podzielić na 3 główne rodzaje w zależności od stosowanej metody pomiaru prędkości tj:
-prądomierze bazujące na metodzie hydrodynamicznej(wykorzystuje ciśnienie wody w ruchu)
- wodomierze elektromagnetyczne (pole magnetyczne wokół czujnika)
- prądomierze hydroakustyczne punktowe, chronometryczne i dopplerowskie
OKREŚLANIE PRZEZROCZYSTOŚCI I BARWY WODY
- w zastosowaniach morskich pod pojęciem przezroczystości wody rozumie się głębokość, na której przestaje być widoczny opuszczany na lince znormalizowany biały krążek metalowy (zwany krążkiem secchie’go, o średnicy 300mm)
- przezroczystość wody zależy od ilości znajdujących się w wodzie cząsteczek pochodzenia mineralnego i organicznego oraz od ilości znajdującego się w niej fitonii zooplanktonu
- wykorzystuje się za pomocą krążka secchiego lub wykorzystując narzędzie o nazwie profilomierz optyczny (WPS lub WOP)
- oba te środki pomiarowe zaliczane są do grupy przyrządów powierzchniowych lub blisko-powierzchniowych
- pomiar wykonywany za pomocą krążka S. wykorzystuje się wyłącznie z pokładu jednostki pływającej stojącej na kotwicy lub dryfującej w terminach obserwacyjnych przypadających na parę dziennej
- możliwe jest też zastosowanie metod pomiarowych bazujących na wykorzystanie radiometrów hydrospektralnych lub multispektralnych
- barwa morza jest zależna od ilości gazów rozpuszczonych w wodzie, od ilości i rozmiarów znajdujących się w niej cząsteczek pochodzenia organicznego i nieorganicznego, od oświetlenia morza, stanu jego powierzchni, ilości i rodzaju chmur
- w celu oceny barwy akwenu wykorzystuje się ksantometr
- składa się z 22 kolorowych próbek wypełnionych barwioną cieczą wg tzw skali Forela- Uhle’u
- próbki ułożone są kolejno od koloru granatowego do brązowego(woda błotnista)
-próbki umieszczone są pionowo w dwóch oprawach, które wstawia się w podwójne ramy futerału
-lewa oprawa zawiera próbki od XI do XXI włącznie, numer XI powtarza się dwa razy
OKREŚLENIE WARUNKÓW HYDROMETEOROLOGICZNYCH
- elementy hydrologiczno-meteorologiczne i ich parametry opisowe mają istotne znaczenie dla całokształtu wiedzy dotyczącej środowiska morskiego i zjawisk w nim zachodzących
- typowe obserwacje hydrometeorologiczne obejmują takie elementy jak:
a) obserwacje zachmurzenia(rodzaj chmur), opady, określenie widzialności, pomiar elementu wiatru,(kierunek, prędkość) temperatura w warstwie powierzchniowej wody, ciśnienia atmosferycznego, określenie elementów falowania(wysokość, długość, kierunek, okres fali)oraz chodzenia (rodzaj, grubość, zasięg)
- ponieważ mierzone wartości elementów hydrometeorologicznych nie mają wpływu na realizację typowych pomiarów hydrograficznych są one zaliczane do grupy tzw. pomiarów towarzyszących
- pozyskiwane informacje mogą być wykorzystane zarówno do zapewnienia informacyjnego wsparcia oceanograficznego, meteorologicznego jak i nawigacyjnego
GROMADZENIE DANYCH HYDROGRAFICZNYCH
DZIENNIK HYDROGRAFA
- wszelkie uwagi i zdarzenia dotyczące pracy systemu hydrograficznego oraz uwagi podczas realizowanych pomiarów powinny być zapisane chronologicznie w dzienniku hydrografa z uwzględnieniem dokładnej daty, godziny, minuty zaistniałego zdarzenia
- w specjalnie przygotowanym dzienniku hydrografa należy zapisywać:
a)imię i nazwisko operatora systemu hydrograficznego
b)nazwę jednostki pomiarowej
c)datę i godzinę rozpoczęcia i zakończenia pomiarów
d)rozpoczęcie i zakończenie zapisu(rejestracja danych)
e)zmiany nastawienia urządzeń pomiarowych (zakres, zasięg)
f)uszkodzenie(wyłączenie)oraz zmiany urządzeń pomiarowych
g)sprawdzenie poprawności wskazań urządzeń
h)poprawności pomiarów w wyniku manewru antykolizyjnego, manewru człowiek za burtą
i)zmiana operatora
j)zmiana warunków hydrometeorologicznych
k)inne wpływające na jakość danych(np. zmiana prędkości jednostki)
Dodatkowo operator systemu powinien prowadzić:
- ewidencję wykonywanych prac
- ewidencją opracowanych echogramów
- karta obserwacji wodowskazowych
- ewidencji wykonywanych pomiarów hydrologicznych
- ewidencja kontroli prac
GROMADZENIE DANYCH Z POMIARÓW BATYMETRYCZNYCH
Kalibracja urządzeń hydrograficznych
- przed przystąpieniem do wykonywania pomiarów batymetrycznych należy wykonać kalibrację urządzeń pomiarowych w celu zweryfikowania ich poprawnej pracy oraz wyeliminowania błędów wskazań. W tym celu należy określić:
a) błąd wyznaczenia offsetów czujników
b) opóźnienie czasowe echosondy wielowiązkowej
c) błąd wskazań kursu
d) poprawkę roll i pitch
e) poprawkę wskazania heave
f) pionowy rozkład prędkości dźwięku w wodzie
g) zanurzenie jednostki pomiarowej(dziób, rufa)
i) zanurzenie dynamiczne jednostki pomiarowej-squat
Dla sondy pionowej (SBES) każdorazowo przed przystąpieniem do pomiarów należy wykonać:
- pomiar pionowego rozkładu prędkości dźwięku w wodzie
- tarowanie echosondy – bar check
Dla echosondy wielowiązkowej (MBES) należy wykonać:
- pomiar pionowego rozkładu prędkości dźwięku w wodzie
- kalibrację urządzenia- patch test
- kontrolę wskazań urządzenia- cross check
POMIAR PIONOWEGO ROZKŁADU PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU W WODZIE
- ma zasadniczy wpływ na jakość pomiarów batymetrycznych zwłaszcza echosondy wielowiązkowej
- określenie wartości prędkości powinno być realizowane za pomocą jednego z dwóch typów urządzeń pomiarowych
- urządzenie SVP- to urządzenie które za pomocą bazowej linii z wykorzystaniem fali ultradźwiękowej mierzy rzeczywistą prędkość dźwięku w wodzie w funkcji głębokości
- urządzenie CTD- to urządzenie które mierzy trzy elementy przewodność temperaturę i ciśnienie, które wpływają na rozkład prędkości dźwięku w wodzie
*następnie wynikowa wartość prędkości obliczana jest ze wzorów empirycznych
*wzór Clay lub Edwina
c=1449,2+4,6T-0,055T^2+0,00029T^3+(1,34-0,010T)(ro-35)+1,58*Pa
c-prędkość dźwięku w wodzie morskiej w m/s
T- temperatura wody w stopniach C
ro- zasolenie w promilach
Pa- ciśnienie hydrostatyczne w Pascalach
KALIBRACJA SBES
- kalibracja (tarowanie) SBES jest rutynowym zadaniem które wykonuje się w celu sprawdzenia poprawności jej wskazań oraz skalibrowania tzn. dostrojenia elektronicznych i mechanicznych elementów echosondy a także do określenia średniej wartości pionowego rozkładu prędkości dźwięku w wodzie
- proces kalibracji może być wykonywany za pomocą deski kalibrującej lub specjalnego przetwornika kalibracyjnego
-obie metody powinny być używane do 20-30m
- dla prędkości powyżej 30m można stosować metodę kombinowaną z przetwornikiem kalibracyjnym i SVP
- powyżej 200m nie jest wymagana korekcja prędkości dźwięku i przyjmuje się standardowo 1500m/s
DESKA KALIBRUJĄCA-składa się z płyty lub linek z naniesionymi markerami głębokości
-proces tarowania polega na obniżeniu deski pod przetwornik echosondy w określonych odstępach głębokości np. co 1m a następnie jej podnoszenia
- zarejestrowane wartości prędkości dźwięku w wodzie składają się na średnią wartość pomiaru
PRZETWORNIK KALIBRACYJNY- składa się ze specjalnego przetwornika ze znaną linią bazową pomiaru np. o długości 1m który przyłączony jest do echosondy
-proces kalibracji polega na ustawieniu echosondy w tryb „kalibracja” i opuszczaniu przetwornika na kilka zadanych głębokościach na których mierzy rzeczywiste wartości prędkości dźwięku w wodzie
-zarejestrowane wartości składają się na średnią wartość pomiaru
KALIBRACJA MBES
-echosonda MBES jest urządzeniem hydrograficznym które realizuje proces pomiaru głębokości za pomocą rozwiązań sprzętowych i programów
- w celu poprawnej pracy urządzenia konieczne jest przeprowadzenie kalibracji na którą składa się kilka czynności pomiarowych tzw „patch test”
- w procesie tym należy określić następujące parametry:
a) poprawkę na opóźnienie czasowe- latency time
b)poprawkę na przegłębienie-pitch
c)poprawkę na przechyły poprzeczne-roll
d)poprawkę na wskazania kursu- yaw offset
W przypadku urządzeń dwuprzetwornikowych proces kalibracji należy przeprowadzić dla każdego przetwornika osobno
LATENCY TIME
-określa opóźnienie czasowe (delta t) pomiędzy czasem określenia pozycji za pomocą systemu pozycyjnego np. GPS a czasem określenia głębokości za pomocą MBES
-wartość tej poprawki nie powinna przekraczać 0,5s
- proces wyznaczania poprawki na opóźnienie czasowe polega na zaprojektowaniu 2 profili w tym samym kierunku nad obiektem lub uskokiem dna o wysokości nie mniejszej niż 2 metry
- następnie należy wykonać dwukrotny przejazd po profilu z dwiema różnymi prędkościami
- gdy dane z szybszego przejazdu pokryją się z danymi z wolniejszego konieczne będzie wyznaczenie i zastosowanie poprawki na opóźnienie czasowe