1

Hydrografia morska jest to dziedzina nauk stosowanych, która zajmuje się mierzeniem i opisywaniem cech fizycznych żaglowanych akwenów morskich na powierzchni ziem i i przyległych obszarów przybrzeżnych, ze szczególnym uwzględnieniem na ich wykorzystanie w prowadzeniu nawigacji.

Prace hydrograficzne - całokształt przedsięwzięć i pomiarów prowadzonych na akwenach morskich, w portach oraz na przyległym obszarze przybrzeżnym w celu zebrania danych morskiej informacji geoprzestrzennej, niezbędnych do sporządzania i aktualizowania standardowych i specjalnych map morskich, publikacji nautycznych oraz innych wydawnictw i form rozprzestrzeniania informacji, przeznaczonych dla zapewnienia bezpieczeństwa żeglugi i Dia innych potrzeb działalności ludzkiej na morzu.

Echosonda - urządzenia do pomiaru głębokości wody oraz odległości od unoszących się w niej ciał stałych. Podczas obliczeń mierzy się czas powrotu dźwięku odbitego od dna przeszkody, okrętu podwodnego, ławicy ryb itp.

geodane - dane z informacją przestrzenną

dane wektorowe pozyskuje się za pomocą sond pionowych i wielowiązkowych.

dane rastowe pozyskuje się za pomocą sonaru.

Locja dział wiedzy nautycznej (nautyki) opisujący wody żeglowne oraz wybrzeża z punktu widzenia bezpiecznej i sprawnej żeglugi. Dotyczy on zarówno wód morskich jak i śródlądowych dróg żeglownych oraz ich otoczenia. Pomaga lub wręcz umożliwia przejście trudnych nawigacyjnie akwenów i szlaków oraz opisuje miejsca docelowe żeglugi, jak porty wraz z ich otoczeniem oraz prowadzące do nich tory wodne.

Rodzaje Prac hydrograficznych:

• Pomiary batymetryczne (sondażowe) i pomiary ukształtowania dna

• są podstawowym typem prac hydrograficznych wykonywanych dla celów bezpieczeństwa żeglugi, głównie zaś dla kartografii morskiej - redagowania map i publikacji nautycznych.

• wprowadzone przez BHMW standardy oraz wymagania dotyczą głównie tych pomiarów

• zlecający jakiekolwiek prace hydrograficzne powinien określić dodatkowe,, specyficzne wymagania ich prowadzenia

• pomiary batymetryczne wykonywane niekiedy do innych celów, czasami nie powinny spełniać wszystkich wymagań

• możliwość wykorzystania wyników takich pomiarów do celów bezpieczeństwa żeglugi (np. aktualizacji map nawigacyjnych) zależy od spełnionych wymagań właściwych dla tych konkretnych prac

• badanie rodzaju gruntu (osadów) dna morskiego

• prace tego rodzaju mają na celu uzyskanie informacji o rozkładzie osadów dennych na badanym akwenie, niezbędnych do zamieszczenia na mapach morskich

• trałowanie hydrograficzne

ma za zadanie sprawdzić czy na badanym akwenie nie ma mniejszych głębokości niż głębokość trałowania

Trałowanie może odbyć się za pomocą:

• Tarłów mechanicznych ( 2 liny)

• Tarłów hydroakustycznych (sonary i echosondy)

• inspekcji środkami TV podwodnej

• badanie przez nurków

• zbieranie danych do locji

Locja - książka z informacjami o danym akwenie, niezbędna podczas nawigacji statkiem

• analiza mat. w czasie innych pomiarów

• analiza materiałów, dokumentów i sprawozdań uzyskanych na zapotrzebowanie od właściwych instytucji

• bezpośrednie wywiady terenowe

• analiza zdjęć i innych źródeł

• pomiary geodezyjne

• w strefie brzegowej związane z zabezpieczeniem innych prac hydrograficznych

• ustalenie sytuacji lądowej na obszarze objętym daną mapą lub publikacją

• opracowanie kartograficzne

• najważniejszym rodzajem tych produktów są oficjalne mapy i publikacje nautyczne, wykorzystywane do zabezpieczenia standardowej żeglugi morskiej

• …

• ,,,

• współczesne produkty hydrograficzne powinny spełniać nie tylko wymagania standardowej żeglugi morskiej i bezpieczeństwa nawigacji, ale zapewnić także niezbędne dane morskiej informacji geoprzestrzennej dla wielu innych form działalności ludzkiej na morzu ( np. nawigacja podwodna, badania oceanograficzne, konstrukcje hydrograficzne, eksploatacja bogactw naturalnych zalegających pod dnem morskim)

• kompleksowe systemy wielowiązkowe czy laserowe systemy lotnicze umożliwiają obecnie pełne pokrycie pomiarami badanego obszaru i uzyskanie szczegółowych modeli dna morskiego. Cyfrowe sonary umożliwiają zaś uzyskanie mozaikowych obrazów dna i jego charakterystyki geomorfologicznej.

• pomiary grawimetryczne i magnetyczne akwenów morskich

• zbieranie wiarygodnych danych które są niezbędne dla różnorodnych użytkowników, korzystających z końcowych produktów hydrograficznych.

• powinny one zobrazować rzeczywistą naturę wybrzeża, głębokości i charakter rzeźby dna, lokalizację i charakter wszelkich niebezpieczeństw nawigacyjnych i przeszkód dla żeglugi, położenie i charakterystykę pracy środków oznakowania nawigacyjnego, a także charakterystykę magnetyzmu żeglarskiego na akwenach morskich.

• obserwacje oceanograficzne (hydrologiczne) i meteorologiczne:

• współczesne produkty hydrograficzne powinny spełniać nie tylko wymagania standardowej żeglugi morskiej i bezpieczeństwa nawigacji, ale zapewnia także niezbędne dane morskiej informacji geoprzestrzennej dla wielu innych form działalności ludzkiej na morzu (np. nawigacja podwodna, konstrukcje hydrotechniczne

2

Cel i rodzaje prac sondażowych:

• Głównym celem pomiarów sondażowych jest uzyskanie pełnego i wiarygodnego obrazu rzeźny dnia (rozkładu głębokości) danego akwenu - wartości i położenia poszczególnych głębokości oraz przebiegu izobat, a także wykrycie i umiejscowienie oraz opis wszystkich podwodnych obiektów i miejsc, które mogą stanowić niebezpieczeństwo dla żeglugi lub innych rodzajów działalności człowieka na morzu.

• osiągnięcie powyższego celu wymaga spełniania następujących kryteriów:

• badany obszar został przesondowany z odpowiednią dokładnością i szczegółowością.

• wszystkie formy rzeźby dna, szczególnie zaś spłycenia i inne niebezpieczeństwo zostały szczegółowo rozpoznane i zbadane, a ich rozmiary i najmniejsze głębokości pod nimi określone.

• wartości mierzonych parametów powinny być zrealizowane ze szczególną dokładnością i z uwzględnieniem wszystkich możliwych poprawek i redukcji.

• wszystkie przewidziane planem prace (pomiaru) zostały wykonane z wymaganą starannością

• ewentualne niejasności i wątpliwości, które wyniknęły w czasie pomiarów (zarówno względem zaplanowanych i ………….) oraz porównania z pomiarami sąsiednimi i wcześniejszymi zostały wiarygodnie wyjaśnione.

Kryteria podziału prac sondażowych:

• wg zasięgu pracy

• wg stopnia szczegółowości

• wg przeznaczenia prac

• Zasięg pracy:

• klasyfikuje sondaże wg odległości akwenu od brzegu

• klasyfikacja ta ma zastosowanie przy planowaniu metodyki i organizacji prac oraz ustaleniu wymagań dokładnościowych

• Rozróżnia się następujące rodzaje prac sondażowych wg zasięgu pracy:

• sondaż na akwenach ograniczonych - prowadzony na niewielkich zamkniętych akwenach ograniczonych lądem ze wszystkich stron

np. wszystkie sondaże portowe.

• sondaż przybrzeżny - prowadzony od linii brzegowej w morze do granicy zasięgu optycznych metod zabezpieczania pozycji jednostek sąsiadujących lub izobaty 10 m, wykonywany z wykorzystaniem mniejszych jednostek.

• sondaż morski okrętowy - prowadzone od izobaty 10 m w morze wykonywany przez okręty hydrograficzne

• oceaniczny - prowadzonu poza granicę sondażu morskiego na odległościach od 1000 000 do 150 000 od brzegu (nie w PL)

• Stopień szczegółowości:

• określa ogólny charakter pracy i sposób prowadzenia prac sondażowych

• sondaż systematyczny - prowadzony poprzez pokrycie badanego akwenu siatką profili podstawowych i kontrolnych, z zadaną częstotliwością i dokładnością pomiarów. Jest to podstawowy rodzaj prac sondażowych dla celów bezpieczeństwa żeglugi. Stopień szczegółowości i wymagać dokładności określą się wg kategorii badanego akwenu.

• sprawdzający - prowadzony również określoną siatką profili, o innym niż dla systemy systematycznego stopniu szczegółowości, którego celem jest sprawdzenie wiarygodności wcześniejszego sondażu systematycznego lub wstępne określenie stopnia zaistniałych zmian w batymetrii akwenu.

• wg. wyznaczonej trasy - wykonywany podczas przejścia jednostki pomiarowej po określonej trasie (pojedynczym profilem). Przeprowadza się go zazwyczaj w rejonach (na trasach), w których minimalne poznanie bądź sprawdzenie rzeźby dna wystacza do spełnienia podstawowych wymagać bezpieczeństwa żeglugi lub gdzie wykorzystywany jest sprzęt (np. sonar) umożliwiający zbadanie całej szerokości trasy (toru) z wymaganą dokładnością.

• Wg przeznaczenia prac:

• podział ten jest istotny podczas planowania zarówno stopnia szczegółowości i dokładności prac, jak i częstotliwości wykorzystywania pomiarów na tym samym akwenie.

• od sposobu wykorzystania wyników prac sondażowych zależą też wymagania co do zawartości wszystkich pomiarów towarzyszących, form opracowań danych o prezentacji (zobrazowania) wyników końcowych.

• sondaż dla celów kartograficznych (najbardziej powszechny) - do prowadzenia bądź redagowania, uaktualniania map nawigacyjnych, publikacji nautycznych oraz map i wydawnictw specjalnych.

• dla sprawdzenia żeglowności torów wodnych i innych wydzielonych akwenów - prowadzony dla celów kontrolnych, na akwenach (torach) o dużej zmienności naturalnej i głównie małej głębokości, dla potwierdzenia możliwości wykorzystania tych obszarów.

• dla poszukiwań i eksploatacji bogactw naturalnych pozyskiwanych z dna morskiego, planowanie, posadowienie i kontrola rurociągów, kabli oraz innych budowli hydrotechnicznych.

• dla celów pogłębiarskich - prace związane z planowaniem i prowadzeniem oraz kontrolą powykonawczą prac pogłębiarskich na polskich obszarach morskich, wyniki pomiarów sondażowych prowadzonych po zakoń©czeniu prac pogłębiarskich powinny być wykorzystywane do aktualizowania krajowego zasoby danych hydrograficznych oraz wydawanych map i publikacji nautycznych.

• dla służb ochrony morskiego środowiska naturalnego

• dla celów naukowo badawczych

• dla celów obronności państwa - specjalne pomiary, których wyniki wykorzystywane są do zabezpieczenia działań sił marynarki wojennej i NATO w strefie operacyjnej Marynarki Wojennej.

• dla innych celów - wszelkie inne pomiary sondażowe, których cele nie zawsze są w wyżej wymienionych rodzajach (np. szkoleniowe), a uzyskane wyniki pomiarów głębokości nie są głównym celem prowadzenia tych prac. Mogą być jednak wykosztowane gdy spełniają określone wymagania.

ETAPY PROWADZENIA PRAC HYDROGRAFICZNYCH:

W instytucji centralnej:

*prace hydrograficzne stanowią kompleks różnorodnych przedsięwzięć zasadniczych i dodatkowych, które można zgrupować w kilku etapach, prowadzonych w rożnym czasie i miejscach.

* instytucja centralna, tj. mająca kompetencje do zarządzania (zamawiania) prac hydrograficznych powinna planować prace w zależności od potrzeb i swoich możliwości.

* zakres planowanych prac powinien wynikać z wieloletnich zamierzeń służby hydrograficznej w zakresie zbierania i opracowywania danych morskiej informacji geoprzestrzennej oraz wydawania standardowych i specjalnych map i publikacji, a także z uwzględnieniem innych potrzeb Marynarki Wojennej jak i uzgodnień z administracją morską.

* Po zatwierdzeniu planu należy opracować ”Projekt techniczny” dla sił wykonawczych na dany rok, który powinien zostać przekazany jednostce wykonującej pomiary.

* UWAGA - w Urzędach Morskich plany sporządzają właściwe dla spraw hydrograficznych komórki uwzględniając potrzeby statutowe urzędów oraz ewentualne uzgodnienia z BHMW.

W jednostce wykonawczej:

* ustalone i zaakceptowane na dany rok zadania w zakresie prac hydrograficznych powinny być ujęte w „planie zasadniczych przedsięwzięć jednostki wykonawczej na dany rok”.

* proces planowania szczegółowego i przygotowania do wykonania zadań pomiarowych w jednostce wykonawczej powinien obejmować następujące etapy:

* opracowanie dokumentacji technicznej

* prace obliczeniowe, niezbędne do szczegółowego zaplanowania sposobu przeprowadzania pomiarów oraz harmonogramu całości prac.

* rekonesans terenowy wymagany dla organizacyjnego i technicznego przygotowania grup pomiarowych do prac (dojazd, zakwaterowanie, możliwość wystawienia i podłączenia potrzebnych urządzeń)

* prace przygotowawcze przed wyjściem w rejon prac obejmują szereg czynności związanych z przygotowaniem technicznym jednostki pływającej i/lub sprzętu transportowego, urządzeń pomiarowych i dokumentacji do wyjazdu (wyjścia w morze) w rejon prac. Mieści się tu także niezbędne szkolenie personelu oraz instruktaże, zarówno specjalistyczne jak i z zakresu dowodzenia, łączności i organizacji pobytu grup (jednostek) w rejonie prac

* techniczne przygotowanie rejonu prac (obejmujące m.in. zakładanie osnowy geodezyjnej, przygotowanie sprzętu i materiałów, przygotowanie personelu, przeprowadzenie prac przygotowawczych w rejonie prac)

* konieczność realizacji oraz zakres i forma poszczególnych etapów pracy zależy m.in. od rodzaju wykonywanego zadania, przyjętej metodyki wykonania i wykorzystywania sprzętu. Instytucje kierujące jednostkami wykonawczymi prac hydrograficznych przygotowują grupy wg własnych obowiązujących procedur, przepisów i zarządzeń.

Zasady ogólne prowadzenia pomiarów sondażowych:

• Zasadniczy etap realizacji pomiarów sondażowych polega na praktycznym wykonaniu pomiarów głębokości, dowiązanych do pomiarów pozycji, wraz z niezbędnymi pomiarami towarzyszącymi w formie i zakresie przewidzianym zadaniem, wraz z odpowiednim rejestrowaniem tych pomiarów oraz ich wstępnym opracowaniem.

• Prace w rejonie (na akwenie) należy prowadzić do momentu całkowitej realizacji przedsięwzięć ujętych w zadaniu, po wyjaśnieniu wszelkich wątpliwości i uzupełnieniu wszystkich braków, ściśle przestrzegając określonych zasad, metod pomiarowych i sposobów wykonania poszczególnych pomiarów.

• Wszelkie ewentualne odstępstwa, zmiany terminów, rejonów, ekip pomiarowych powinny zostać zaakceptowane przez właściwych przełożonych oraz odpowiednio i wyczerpująco uzasadnione w dokumentacji sprawozdawczej z przedstawionych prac.

• w każdym przypadku jednak wykonawca pomiarów powinien poszukać lepszych sposobów postawionego zadania, a także korygować postęp prac, stosownie do zaistniałych warunków.

• Podczas realizacji pomiarów sondażowych należy wykonać następujące zestawy czynności:

• kalibracja urządzeń pomiarowych - przed przystąpieniem do pomiarów niezbędna jest kalibracja sprzętu pomiarowego do określenia i uwzględnienia w pomiarach rzeczywistych warunków środowiskowych, wpływających na pracę tych urządzeń (np. wpływ na pracę urządzeń hydroakustycznych), a także ta gdzie może to wystąpić, wszelkich możliwych błędów, pomiarowych samych urządzeń.

• wystawienie stacji, punktów i systemów zabezpieczenia pomiarów np. stacji referencyjnych GPS, punktów osnowy geodezyjnej), jeśli metodyka prac je przewiduje, a nie były one dotąd wystawione (określone).

• wykonanie pomiarów zasadniczych - zasadniczy etap prac polegający na pomiarze i rejestracji mierzonych parametrów (głębokości odpowiadających im pozycji) oraz wszystkich elementów im towarzyszących w ustalonym formacie i z ustaloną częstotliwością na zaplanowanych profilach (punktach) zgodnie z przyjętą metodyką

• wykonanie pomiarów kontrolnych i towarzyszących - przeprowadzenie pomiarów na siatce profili kontrolnych zgodnie z przyjętą metodyką prac; zakres pomiarów towarzyszących należy ustalić zgodnie z przeznaczeniem danych prac.

3

Przyrządy do pomiaru głębokości

sonda ręczna

(łańcuszkowa)

• wykonana z łańcuszka i stalowej liny (sandoliny) z ciężarkiem na końcu.

• Skalowanie sandoliny do sondy ręcznej rozpoczyna się od dolnej powierzchni sondy.

• Wyskalowuj się sandolinę od 0 do 10m co 10cm, a od 10 do 20m co 20cm.

• Zastosowanie: pomiary w pobliżu pirsów, brzegów, a także przy sondażu z pokrywy lodowej.

Tyczka nurtomiernicza

• sztywny drążek drewniany lub metalowy (wykonany ze stali, aluminium, mosiądzu) o przekroju owalnym lub kolistym.

• Podziałka co 1,5 lub co 10 cm

• do pomiarów hydrograficznych używa się sondy z podziałem 1cm

• Dolny koniec sondy zakończony talerzem (możliwość oparcia o dno z luźnego materiału jak piasek czy muł) lub szpikulcem (można oprzeć o dno kamieniste.

• Zastosowanie: do 5 metrów.

w hydrografii mierzy się z dokładnością do cm!!!!

Urządzenia i systemy do pomiaru głębokości:

Echosonda - służy do pomiaru pionowej odległości między przetwornikiem (głowicą) echosondy a dnem morskim, bądź obiektem znajdującej się na dnie morskim z wykorzystaniem fali hydroakustycznej.

• W ogólnym zarysie określenie głębokości akwenu polega na pomiarze czasu, jaki fala hydroakustyczna potrzebuje na dotarcie do dna oraz powrót do przetwornika w postaci fali odbitej.

• do pełnego wyniku potrzebna jest zgodność prędkości rozchodzenia się dźwięku w wodzie oraz kierunki, w którym impuls został wysłany i z którego powraca.

• pomiar kąta jest dokonywany na różne sposoby w zależności od rodzaju echosondy.

• Służy do obliczenia głębokości na podstawie odległości od wysłanej wiązki

akustycznej z przetwornika do powierzchni, od której sie odbiła. Technika operowania

polega na tym, iż jednostka przemieszczająca sie nad dnem dokonuje kolejnych

odczytów głębokości, których ciąg tworzy profile głębokości. Wiele takich profili w

równych od siebie odległościach tworzą tzw. siatkę profili, stanowiącą materiał

wyjściowy do opracowania mapy batymetrycznej dna. Sposród tych urzadzen można

wyróżnić echosondy jednowiązkowe (SBES - Single Beam Echo Sounder) oraz

wielowiązkowe (MBES - Multi Beam Echo Sounder).

Echosonda jednowiązkowa ( Single Beam Echosunder) - wykorzystuje właściwości propagacji fali hydroakustycznej w środowisku wodnym

• Wysyła sygnał hydroakustyczny w dół

• Echosonda jednowiązkowa, nazywana także „pionową” wysyła pojedynczą

wiązkę akustyczną, której kształt przypomina stożek z podstawa stanowiącą dno

badanego obszaru. Na podstawie takich pomiarów można dość precyzyjnie określić

głębokość. Mankamentem jest fakt, że w momencie natrafienia na duży obiekt mamy

zobrazowany zaledwie jego wycinek, a podczas intensywnego falowania występują

błędy pomiarów przy dużych przechyłach bocznych jednostki. Dodatkowym

utrudnieniem jest brak informacji o głębokości miedzy profilami. Ciągły i

nieprzerywalny zapis głębokości na echogramie umożliwia zbadanie dna i wykrycie

obiektów podwodnych, ale tylko w granicach „śladu”, jaki zostawia na dnie wiązka

akustyczna echosondy jednowiązkowej. Jeżeli na drodze wyznaczonego profilu,

znajduje sie wrak lub inny obiekt podwodny, to echosonda zarejestruje zmianę

głębokości, które na zapisie echogramu tworzyć będzie anomalie.

• sygnał sondujący po odbiciu się od dna lub innej przeszkody powraca po czasie „t” jako echo do przetwornika pozostającego w trybie nasłuchu

• Przy znanej wartości prędkości dźwięku w wodzie „Vdz” głębokość „dp” pod przetwornikiem echosondy pionej możemy wyznaczyć ze wzoru:

dp = 1/2t * Vdz

głębokość = czas, w sek * prędkość dźwięku w wodzie

• W celu określenia głębokości od powierzchni wody „dw” do wartości zmierzonej głębokości od przetwornika „dp” należy obliczyć głębokość zanurzenia przetwornika „h”.

dw = dp + h

całkowita głębokość od powierzchni wody = Głębokość od przetwornika w metrach + głębokość zanurzenia przetwornika

Echosonda pionowa składa się z 3 podstawowych bloków:

• przetwornik nadawczo-odbiorczy

• blok mikroprocesora (wzmacniacz,

generator, układ sterujący)

• cyfrowy interfejs input/output

(wskaźnik LCD, drukarka)

• Sondą pionową pomiary robimy prostopadle do podłoża!!

• Czym częstotliwość dźwięku niższa, tym głębiej wchodzi do wody…….

Im częstotliwość dźwięku wyższa, to dno miękkie- muł.

Np. przy skarpach będzie fałszywa wartość odczytu.

Sonda pionowa > sonda wielowiązkowa

• Sondy jednowiązkowe mają wąski obszar przeszukiwania przy jednorazowym przejściu profilem. Dużą wadą jest niska wydajność przy skanowaniu akwenu.

• Dlatego sondy pionowe nie znalazły szerszego zastosowania w badaniach pełnomorskich i są stosowane głównie jako echosondy nawigacyjne. Mogą one jednak stanowić doskonałe uzupełnienie większego systemu pomiarowego pracującego na płytkich akwenach szczególnie w szczegółowym badaniu ukształtowania dna. Czasami używa się też jej, żeby sprawdzić czy wielowiązkowa dobrze pozyskuje dane.

• w celu zwiększenia wydajności używa się zatem sond wielowiązkowych, czyli takich, które z jednego przetwornika emitują kilka lub kilkanaście wiązek sygnału w różnych kierunkach

Echosonda wielowiązkowa (MultiBeam Echosounder)

• Kombinacja rozwiązań sprzętowych i programowych, wykorzystujących kilka zaawansowanych technik m.in. technikę elektronicznego formowania śledzenia wiązki fali hydroakustycznej oraz technikę sygnałowej obróbki danych. Pomiar głębokości polega na określeniu czasu, jakiego impuls fali hydro akustycznej potrzebuje na przebycie drogi od przetwornika do Dona i z powrotem.

• Sonda jednowiązkowa działa w punkcie, a wielowiązkowa pokrywa większy obszar tzw. swath, który gwarantuje 100% pokrycia danymi badanego akwenu.

• Swath to szerokość przedstawiana przez producentów echosond wielowiązkowych jako współczynnik wielokrotności mierzonej głębokości i wynosi od 1 do 8.

• echosondy wielowiązkowe, gdzie przetwornik emituje wiele wiązek akustycznych, których liczba może wynosić od 130 do 180. Są one wysyłane z przetwornika promieniście, co tworzy stożek o dość szerokiej podstawie na dnie, poszerzając tym samym obszar poszukiwań. W sytuacji natrafienia na duży obiekt podwodny możliwe jest uzyskanie jego obrazu w całości lub dużej części. Stosowanie echosondy wielowiązkowej dostarcza informacji o minimalnej głębokości wody nad wrakiem, a zaletą jej stosowania jest tzw. pełne pokrycie dna pomiarami głębokościowymi. Wadą jest dość wysoki koszt zakupu oraz skomplikowana obsługa, co wpływa negatywnie na powszechne stosowanie tych urządzeń w pracach podwodnych. Użycie takiego systemu pozwala na generowanie trójwymiarowych obrazów dna morskiego, które służą do analizy cech dna i tworzenia zarysów głębokości. Wiele akcji poszukiwania wraków na morzu było przeprowadzane z wykorzystaniem echosond wielowiązkowych.

4

Echosonda infermetryczna (modyfikacja wielowiązkowej):

• z uwagi na bardzo szeroki kąt pracy pozwala na jednoczesne zbieranie danych pionowych (jak typowa echosonda wielowiązkowa) oraz poziomych (sonar boczny).

• dane o głębokości uzyskiwane są nie tylko na podstawie pomiaru czasu w jakim fala hydroakustyczna, odbita od obiektu powróci jako echo do przetwornika, lecz także na podstawie pomiaru różnicy faz fali hydroakustycznej docierającej do piezoelektrycznych czujników zamontowanych w przetworniku.

• znając położenie i orientację przetwornika oraz czas podróży sygnału istnieje możliwość wyznaczenia położenia bardzo dużej ilości punktów w szerokim zakresie kątowym. Echosonda inferometryczna działa na zasadzie pomiaru różnicy faz tej samej fali hydroakustycznej na sensorach umieszczonych w przetworniku.

• Interferometria - technika wykorzystująca zjawisko interferencji fal elektromagnetycznych do pomiarów

• sonda interferometryczna wykorzystuje pomiar różnicy faz między odebranymi falami do określania głębokości. generowany sygnał jest jedną szeroką linią pomiarową, a to pozwala na wykorzystanie szerokiej wiązki pomiarowej (ok. 12 razy głębokości).

• Pomiar różnicy faz między sygnałami odebranymi przez kilka elementów odbierających, znajdujących się w znanej odległości, pozwala na określenia kąta padania wiązki na dno.

• Pomiar czasu pozwala na określenie drogi przebytej przez wiązkę.

• Twierdzenie pitagorasa pozwala wyznaczyć głębokość.

• Głowica składa się z 2 części skierowanych przeciwnych kierunkach zaopatrzonych w element nadawczy znajdujący się u dołu i kilku pizoelektrycznych sensorów odbiorczych ustawionych wyżej.

• obie części głowicy ustawione są pod kątem 30 stopni do płaszczyzny poziomej tworząc literę V.

• Urządzenie ustawia się tak, aby części z przetwornikiem skierowane były na przeciwne burty jednostki badawczej

• Impuls emitowany z przetwornika ma bardzo szeroki przekrój kątowy w poprzek profili i bardzo wąski wzdłuż (około 1 stopnia)

• Wiązki skierowane na przeciwne burty nakładają się na jednostkę.

• Pomiar różnicy faz sygnały odbitego dla tego samego impulsu pozwala na precyzyjne określenie kierunku, z jakiego echo dociera podczas gdy pomiar czasu pozwala na określenie odległości.

• Dodatkowo jest też rejestrowana amplituda powracającego sygnału dając w efekcie obraz sonarowy.

• Zastosowanie krótkiego impulsu, szybkiego pomiaru faz i układów elektronicznych o niewielkich szumach własnych, powoduje, że system jest odporny na większość klasycznych przypadków wieloznaczności towarzyszącej pomiarom fazowym.

• Wykorzystanie interferometrii pozwala na jednoczesne przeszukanie bardzo szerokiego pasa

• w przypadku głowicy pracującej na częstotliwości 250 kHz szerokość kątowa pasa wynosi 240 stopni, zaś liniowa 390 m (zależnie od głębokości danego akwenu) i zapewnia szerokość przeszukiwanego pasa do 12 razy przekraczającą wartość głębokości akwenu

• Echosonda interferometryczna idealnie nadaje się do pomiarów batymetrycznych w warunkach płytkiej wody

Budowa echosondy interferometrycznej:

• podwójna głowica akustyczna montowana w kadłubie lub na wysięgniku

• jednostka sterująca

• komputer PC z oprogramowaniem umożliwiającym:

• kalibrację sprzętu,

• akwizycję i obróbkę danych pozwalającą wykonać mozaikowy obraz sonarowy.

• dodatkowa głowica wyposażona jest w niewielką sondę SVP mierzącą prędkość rozchodzenia się dźwięku w wodzie na głębokości na jakiej znajduje się przetwornik oraz altimetr cyfrowy pozwalający na określenie pionowej odległości między sensorem i dnem.

• system umożliwia podłączenie szerokiej gamy urządzeń zewnętrznych, w tym kompasu, systemu określania pozycji, czujnika ruchu, sondę mierzącą prędkość rozchodzenia się dźwięku w wodzie czy sondy do pomiaru wysokości pływu

Batymetryczny system wieloprzetwornikowy: - zespół przetworników ustawionych w jednej linii, z których każdy pracuje jako osobna, pojedyncza echosonda pionowa

• podobnie jak echosonda wielowiązkowa, system wieloprzetwornikowy pokrywa pas danymi pomiarowymi

• system ten posiada zalety rozwiązań SBES i MBES i przeznaczony jest głównie do pomiaru w kanałach, na rzekach i innych akwenach słodkowodnych.

Systemy i techniki inne niż hydroakustyczne:

• zaliczamy tu laserowe systemy pomiaru głębokości (ALB/ALH)

• systemy ALB/ALH wykorzystują do pomiarów głębokości technologię laserową LIDAR

• system emituje wiązkę laserową na 2 częstotliwości w kierunku powierzchni wody oraz prostopadle do kierunku lotu samolotu, wyznaczając tym samym strefę pokrycia

• część energii emitowanej przez pierwszą (infrared) i drugą (blue-green) częstotliwość odbita zostaje odpowiednio od powierzchni wody i powierzchni dna morskiego, a następnie powraca do urządzenia pomiarowego na samolocie

• Dla znanej prędkości rozchodzenia się światła w wodzie i powietrzu obliczane są odpowiednio odległości od urządzenia pomiarowego do powierzchni wody i dna

• różnica zmierzonych odległości od dna i powierzchni wody wyznacza głębokość w badanym punkcie

• systemy ALB/ALH przeznaczone są głównie do pomiarów w wodach przybrzeżnych głębokościach nie większych niż 50m

• Główną zaletą tego rozwiązania jest jednoczesny pomiar głębokości i informacji o ukształtowaniu i przebiegu linii brzegowej oraz elementów topograficznych

• wadą jest duża zależność od lokalnych czynników hydrometeorologicznych i hydrologicznych

Techniki fotogrametryczne i teledetekcyjne:

• techniki fotogrametryczne i teledetekcyjne do pomiaru głębokości wykorzystują sztuczne satelity ziemi

• pomiar głębokości opiera się na określeniu poziomu radiometrii tj. intensywności promieniowania słonecznego odbitego przez ląd i obszary dna leżące wzdłuż tych lądów i wykonywaniu odpowiednich zdjęć, które poddane są następnie analizom

• wykorzystuje się tu fakt, że tam gdzie głębokości są większe, tam poziom radiometrii słabnie, co jest wynikiem absorbowania większości promieniowania słonecznego.

• współczesne możliwości rozdzielcze wykonywanych zdjęć satelitarnych pozwalają na wykrywanie w czystych wodach obiektów będących na głębokościach 22-25m za pomocą tzw. kanału podczerwieni tS1 i głębokości rzędu 5-7m na kanale tS2

• trzeci kanał S3 pozwala na dokładnie określenie granicy woda-ląd

• techniki fotogrametryczne i Tele detekcyjne nie gwarantują osiągnięcia poziomu dokładności pomiarów sondażowych jakie zostały narzucone przez Międzynarodową Organizację Hydrograficzną IHO

5

Sonar: Sound Navigation and Ranging

• oznacza nawigacje i wyznaczanie odległości za pomocą dźwięku.

• Technika ta charakteryzuje się wysoka zdolnością wykrywania i rozróżniania obiektów podwodnych.

• Jest jedną z najskuteczniejszych metod poszukiwania i lokalizowania przeszkód nawigacyjnych, wraków itd.

• Pomiary sonarowe- to rodzaj hydrograficznej działalności pomiarowej wykonywanej na potrzeby zapewnienia bezpiecznej żeglugi, stwarzającej możliwości otrzymania informacji obrazowej na temat obecności, położenia i cech geometrycznych(kształt, wymiary) obiektów podwodnych.

• Pomiary sonarowe mogą być także wykonywane w celu poszukiwania obiektów podwodnych.

Sonogram( z ang. sonar image, sonar record )

• obraz sonarowy w postaci cyfrowej lub zapisu graficznego na papierze termicznym , przedstawiający dno, wszystkie obiekty znajdujące się w polu widzenia wiązki

akustycznej sonogramu „ zdjęcie malowane dźwiękiem”.

Sonar Boczny:

• Hydrograficzne pomiary sonarowe wykonuje się głownie za pomocą sonaru obserwacji bocznej, potocznie nazwanego sonarem bocznym SSS(side scan sonar).

• Dwukanałowe sonary boczne (posiadające po dwa przetworniki na jednej platformie nośnej) pojawiły się w latach sześćdziesiątych XX wieku.

• Zdublowane przetworniki zwiększyły efektywny pas przeszukania dna.

• Początkowo sonary były używane były do lokalizowania dużych obiektów leżących na dnie bądź unoszących się w toni wodnej( góry lodowe, wraki, okręty podwodne)

• Do połowy lat 80 XX wieku sonary boczne wykorzystywały technikę rejestracji danych opartą na wypalaniu specjalnego, termoczułego papieru.

• Współczesne modele sonarów bocznych korzystają już z technologii cyfrowego przetwarzania sygnału DSP (Digital Signal Processing) z możliwością rejestracji danych na różnych nośnikach.

• Obecnie stanowią efektywny . a w wielu sytuacyjnych nieodzowny środek pomiarowy wspomagający współczesne prace hydrograficzne.

• Sonar boczny jest rodzajem sonaru w którym wykorzystano liniowy układ przetworników emitujących wiązki akustyczne w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku przemieszczanie się.

• Sonar rejestruje czas przebiegu sygnału akustycznego oraz amplitudę sygnału powracającego do przetwornika.

• Linie na ekranie (lub papierze) powstają w wyniku graficznego przedstawienia ech impulsu nadawczego.

• Projekcja wielu kolejnych linii tworzy obraz dna morskiego i obiektów na nim leżących, jak również tych obiektów zanurzonych w wodzie, które znalazły się w obszarze wiązki promieniowania.

• W trakcie prowadzenia badań przez jednostkę pomiarową, przemieszczając się po wybranym profilu, sonar boczny przeszukuje pas dna równy dwukrotnemu zakresowi pracy ustawionemu przez operatora.

Przeznaczenie sonarów bocznych:

Sonar boczny wykorzystywany jest przed wszystkim do następujących zadań:

• poszukiwanie i wykrywanie przeszkód, wraków, zagubionych kotwic i innych obiektów sztucznych oraz naturalnych, leżących pomiędzy profilami sondażowymi, stanowiących zagrożenie dla żeglugi nawodnej. Nawigacji podwodnej, połowów i innej działalności morskiej.

• kontrola czystości dna kanałów , basenów podwodnych, torów wodnych, red, kotwicowisk, akwenów specjalnego przeznaczenia;

• gromadzenie danych niezbędnych do prowadzenia prac pogłębiarskich i hydrotechnicznych;

• lokalizowanie i monitorowanie podwodnych rurociągów i torów kablowych, przegląd instalacji, wykrywanie miejsc uszkodzeń.

• identyfikowanie ruchomego podłoża morskiego, rodzaju osadów powierzchniowych i akwizycja danych o strukturze dna.

Wykorzystanie sonarów bocznych:

• z wymienionych zadań sonary boczne najczęściej stosowane są do hydroakustycznego przeszukania przestrzeni pomiędzy profilami sondażowymi w celu wykrycia obiektów podwodnych oraz cech geomorfologicznych dna morskiego.

• ponadto systemy sonarowe, zwłaszcza wysokoczęstotliwościowe , stanowią nieocenianą pomoc w procesie poszukiwania, weryfikacji i identyfikacji historycznych wraków i innych obiektów będących przedmiotem zainteresowania naukowców, archeologów morskich, oceanografów czy badaczy morskich głębin.

Kategorie Sonarów:

Sonary boczne, stosowane w pomiarach hydrograficznych ze względu na miejsce umieszczania przetworników możemy podzielić zasadniczo na dwie podstawowe kategorie:

• kadłubowe sonary boczne (hull mountrd sonar)

• holowane sonary boczne (towed side scan sonar)

Przetworniki hydroakustyczne instaluje się ponadto na zdalnie kierowanych pojazdach podwodnych ROV (Remontly Operated Vehicle) lub pojazdach z własnym niezależnym źródłem zasilania AUV ( Autonomus Underwater Vehicle).

Sonary kadłubowe

• kadłubowy sonar boczny , często również zwany sonarem burtowym, posiada anteny nadawczo odbiorcze zamontowane wzdłuż prawej i lewej burty jednostki , poniżej linii wodnej.

• Czasami na jednostce pomiarowej instaluje się sonar typu towfish spełniający wówczas funkcje sonaru kadłubowego.

• W przypadku burtowego sonaru bocznego orientacja i umiejscowienie przetworników jest ściśle określone, zatem pozycjonowanie wykrytych obiektów jest relatywnie proste i dokładniejsze.

• Co więcej , manewrowanie jednostka pomiarowa jest zdecydowanie łatwiejsze i bezpieczniejsze.

• brak jakichkolwiek sensorów holowanych zapewnia dużą swobodę ruchu, zwłaszcza w sytuacji występowania zagrożenia bezpieczeństwa nawigacyjnego

Wady:

• najmniejszy ruch platformy w jakiejkolwiek płaszczyźnie przenosi się bezpośrednio na pracę sonaru, a w rezultacie wpływa na jakości danych sonarowych.

• Istnieje także ryzyko powstawania wzajemnych interferencji pochodzących z innych pod kadłubowych sensorów takich jak log, sonda pionowa czy echosonda wielowiązkowa.

• brak możliwości opuszczenia przetworników na optymalną wysokość uniemożliwia , szczególnie w akwenach głębokowodnych, uzyskanie odpowiedniego kąta padania wiązki akustycznej na do i obiekty podwodne.

• Z tego względu sonary obserwacji bocznej w wersji kadłubowej charakteryzują się duża skutecznością jedynie w akwenach płytkich do 20-40m.

Sonary holowane

W sonarze bocznym typu towfisch (holowana rybka) przetworniki umieszczane są w metalowym hydrodynamicznym korpusie (nośniku) holowanym na specjalnym kablu.

Istnieje również możliwości 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.

Zalety wariantu holowanego

• dzięki holowaniu sonaru na kablu w pewnej odległości za rufą jednostki, na ustalonej wysokości w toni wodnej przechyły wzdłużne, poprzeczne oraz wahania pionowe nie są przenoszone na holowany pojazd w takich 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 możliwości 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 poniżej warstwy termokliny(granica miedzy ciepła woda nagrzana przez słońce a zimna wodą toni wodnej), która powoduje odbijanie i absorbcję energii akustycznej.

• Wymienione zalety mają swoje odzwierciedlenie w jakości obrazów sonarowych rejestrowanych sonarem typu towfisch.

Określanie wysokości obiektów:

$\frac{\mathbf{\text{Hf}}\mathbf{*}\mathbf{\text{Ls}}}{\mathbf{\text{Rs}}\mathbf{+}\mathbf{\text{Ls}}}$ = Ht

Ls-długości cienia, Ht-wysokości obiektu nad dnem, Hf-wysokość sonaru nad dnem;

Wady sonary holowanego

• zasadniczą wadą tego rodzaju sonarów jest brak precyzyjnych informacji 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.