Активные акустические сенсоры: тонометры, эхолоты, гидролокаторы
6.2. Гидролокаторы
Еще более активными акустическими сенсорами являются эхолокаторы, которые сами генерируют акустические волны для того, чтобы собрать нужную информацию о контролируемых объектах. В этом они подобны радиолокаторам, но зондирование окружающей среды ведется не радиоволнами, а акустическими волнами. Поскольку акустические волны распространяются значительно медленнее, чем радиоволны, то время запаздывания отраженных сигналов значительно больше, что существенно упрощает обработку сигналов при зондировании на небольшие расстояния.
Преимущество в эхолокации обычно отдают ультразвуковым (далее УЗ) волнам, поскольку они
- имеют меньшую длину волны и поэтому более высокую разрешающую способность;
- при той же амплитуде колебаний давления имеют значительно более высокую интенсивность (которая пропорциональна квадрату частоты);
- не воспринимаются человеческим ухом, поэтому не создают для нас нежелательный звуковой фон.
УЗ волны средних и высоких частот довольно сильно поглощаются и быстро затухают в воздухе и газах. Поэтому для эхолокации в воздухе применяют преимущественно низкочастотные УЗ волны.
Эхолокацию в водной и вообще в жидкой среде принято называть гидролокацией. Первые гидролокационные приборы измеряли только глубину водоема, т.е. расстояние от акустической антенны до дна моря (океана, реки, озера). Именно такие приборы сначала и называли эхолотами. Если судно с эхолотом перемещалось, то на основе таких измерений строился профиль дна относительно поверхности воды вдоль траектории перемещения судна. Ныне понятие "эхолот" значительно расширилось. Эхолотами называют все сенсоры, которые действуют по принципу восприятия звуков, отраженных от расположенных поодаль предметов, т.е. по принципу эха (от греческого "эхо" – отраженный звук, отзвук, отклик).
В гидролокации названия " гидролокатор " и " эхолокатор ", "эхолот", "сонар" (аббревиатура от английского названия "SOund NAvigation and Ranging", приблизительный перевод – звуковая навигация и измерение расстояний) стали практически синонимами [ [ 180 ] ].
6.2.1. Принцип действия гидролокатора
Принцип действия гидролокатора показан на рис. 6.5.
Акустическая антенна 1, герметически защищенная оболочкой 2, сделанной из прозрачного для звука материала, находится в воде. Через кабель она соединена с коммутатором 3, который поочередно подключает к ней генератор 4 или приемник-усилитель акустических сигналов 5. Последний соединен с селектором сигналов 6, выход которого подключен к микропроцессору 7. Выходы последнего подключены к индикатору 8 и к интерфейсному блоку 9.
Работой гидролокатора автоматически управляет микропроцессор 7. Он подает на генератор 4 сигнал о начале зондирования водного пространства и команды о параметрах этого зондирования (частота ультразвука, продолжительность, структура и мощность УЗ импульсов, периодичность их повторения и т.п.). Затем микропроцессор 7 подает сигнал на коммутатор 3, который пропускает электрические колебания от генератора 4 к антенне 1. Там они с помощью пьезоэлектрического осциллятора превращаются в мощные акустические колебания и излучаются антенной в окружающее водное пространство.
В одних вариантах работы УЗ волна излучается равномерно во всех направлениях нижележащего водного полупространства. В других вариантах УЗ волна излучается в виде направленного конусообразного пучка волн. Распространяясь в воде, волны натыкаются на имеющиеся в ней объекты, отражаются и рассеиваются ими. Часть отраженных и рассеянных УЗ волн в значительно ослабленном виде возвращаются назад к акустической антенне 1. Независимо от углового распределения излучения угловая диаграмма направленности этой антенны на прием всегда достаточно узкая, что обеспечивает прием акустических сигналов лишь с того направления, куда "смотрит" антенна. Сразу же после посылки мощного акустического зондирующего сигнала микропроцессор 7 переключает коммутатор 3 на прием. При этом акустические сигналы, которые возвратились к антенне 1 от имеющихся в воде объектов, поступают на приемник 5, усиливаются и передаются в селектор 6. Селектор выделяет из них лишь информационно полезные составляющие, которые и передает на микропроцессор 7. Последний обрабатывает собранную информацию и формирует на индикаторе для пользователя картину, которая воссоздает окружающую обстановку в водной среде. Через интерфейсный блок 9 микропроцессор 7 может передавать некоторую важную информацию другим приборам и получать дополнительную информацию от них, также отображая ее на индикаторе (например, данные о температуре воды, атмосферном давлении, о направлении и силе ветра и т.п.).
Во многих гидролокаторах, особенно предназначенных для пассажирских, промышленных и военных кораблей, акустическая антенна 1 является подвижной. Чтобы "видеть" большой сектор окружающего водного пространства, она может вращаться вокруг горизонтальной и/или вертикальной оси. Вращение по азимуту обычно возможно на все 360 
. Тогда для привода антенны в составе гидролокатора имеется еще и сервоусилитель 10, управляемый тоже от микропроцессора 7.
Пусть 
– это минимальная дальность, которую "просматривает" или "прослушивает" гидролокатор. УЗ волна проходит до объектов, удаленных на такое расстояние, и обратно за время
 |
( 6.1) |
Здесь 
– это скорость распространения УЗ волн в воде. Длительность зондирующего УЗ импульса не должна превышать это время, поскольку иначе сигналы, отраженные от наиболее близких целей, не будут приняты.
Пусть 
– это максимальная дальность, которую "просматривает" или "прослушивает" гидролокатор. УЗ волна проходит расстояние до самых удаленных объектов и обратно за время
 |
( 6.1) |
Период посылки зондирующих УЗ импульсов не должен быть меньше этого времени, поскольку иначе сигналы, отраженные от наиболее далеких целей, тоже не будут приняты. Таким образом, диапазон расстояний до объектов, обнаруживаемых гидролокатором (от до ), максимальная длительность зондирующих УЗ импульсов 
и минимальный период их излучения 
однозначно между собой связаны.
6.2.2. Примеры промышленных гидролокаторов
На рис. 6.6 показан базовый блок гидролокатора Furuno CH-250, который выпускается для применения на рыбопромысловом флоте. Его размеры 300 x 290 x 144 мм. Масса с акустической антенной 55 кг. Дальность обзора – до 1600 м. Максимальная глубина – до 600 м. Энергопотребление – 90 Вт.
Акустическая антенна кругового и вертикального сканирования устанавливается на подводной части корпуса корабля (http://www.navimarin.ru/catalog_more.php?page=1&type=39&id=3).
Гидролокатор может работать в восьми режимах:
- отображение эхо-профиля пройденного маршрута;
- точное определение координат объектов.
- секторное или круговое сканирование водного пространства по азимуту;
- вертикальное сканирование;
- комбинация секторного и вертикального сканирования для оценки распределения косяка рыбы одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
- прокладка маршрута с внимательным обследованием всех возможных подводных препятствий;
- обеспечение гидролокационного "захвата" указанного оператором объекта (косяка рыбы, подводного препятствия) и автоматическое слежение за ним пучком УЗ волн.
В зависимости от режима и условий сканирования рабочая частота составляет 60 кГц, 88 кГц или 150 кГц. С изменением диапазона дальности автоматически меняется продолжительность и периодичность импульсов. В случае выявления косяка рыбы или возникновения угрозы столкновения с подводным препятствием (рифом, скалой и т.п.) может подаваться звуковой сигнал. Имеется возможность соединения гидролокатора с внешними устройствами – персональным компьютером, приемником GPS, радаром и т.п.
Для повышения безопасности движения кораблей, особенно пассажирских, на них устанавливают гидролокаторы наблюдения в направлении движения корабля. Один из таких гидролокаторов показан на рис. 6.7.
Гидролокатор безопасности движения Interphase Twinscope Color: слева – в режиме горизонтального сканирования вперед (90?); справа – в режиме вертикального сканирования; внизу – вид базового блока
Слева вверху представлена область его горизонтального сканирования в секторе с углом 90 пучком УЗ волн частотой 200 кГц с вертикальным расхождением 12 . Одновременно работает и направленный вертикально вниз УЗ пучок эхолота. Вверху справа представлена область сканирования вперед по вертикали в пределах углов от 0 до 90 пучком УЗ волн с горизонтальным расхождением 12 . Дистанция наблюдения – до 360 м, контролируемая глубина – до 240 м. Базовый блок (
рис.
6.7, внизу) оснащен цветным экраном 234 x 480 пикселей с режимами работы "дневной", "ночной" и "при ярком солнечном освещении".
Автоматически измеряются и выводятся на экран данные о скорости судна и температуре воды, выдается звуковая сигнализация о приближении мелководья, подводных препятствий, об опасности захода в запрещенную зону, если она заведомо определена. На экране могут выделяться отдельные окна для вывода навигационных и других данных. В базовом блоке имеется энергонезависимая память для сохранения всех необходимых протокольных данных.
Ныне разрабатываются и промышленно выпускаются десятки разных типов гидролокаторов для профессиональных и технических исследований. Они применяются, например:
- для поиска затонувших кораблей, самолетов, обломков ракет-носителей и других конструкций как на дне, так и в толще воды, что значительно сокращает время, материальные затраты и человеческие ресурсы и становится особенно важным при проведении аварийно-спасательных операций, в случае стихийных бедствий и других чрезвычайных ситуаций;
- для наблюдений за состоянием подводных сооружений, газо- и нефте-трубопроводов, конструкций ГЭС, опор мостов и т.п.;
- для быстрого составления точных батиметрических карт дна и фарватеров, часто меняющихся в результате естественных процессов;
- для исследований шельфа морского и океанического дна перед строительством там портов, перед проведением буровых работ, перед прокладкой кабелей связи, трубопроводов и т.п.
К таким гидролокаторам можно отнести, например, разработанный в НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова интерферометрический гидролокатор "ГИДРА-1" со сложными сигналами зондирования, с линейной частотной модуляцией и острой (1 ) диаграммой направленности.
Еще один пример – гидролокатор кругового обзора Micron (
рис.
6.8), предназначенный для миниатюрных телеуправляемых подводных аппаратов типа "SeaBotix". Его внешний диаметр 56 мм, длина 78,5 мм, масса 0,29 кг. К нему придается кабель-трос длиной до 1000 м. Гидролокатор Micron может работать на глубинах до 500 м. Он имеет рабочую частоту, изменяемую в диапазоне от 650 кГц до 950 кГц, острую диаграмму направленности (2,5 по азимуту и 38 по вертикали) и обеспечивает разрешающую способность 50 мм на расстоянии до 75 м. Полученные и обработанные данные передаются через кабель-трос на пульт управления подводным аппаратом, где могут быть выведены на монитор.
Существует много более простых интеллектуальных сенсоров, в которых используется активная гидролокация. Один из них – измеритель потока жидкости Sonartron ST фирмы Honsberg показан на рис. 6.9.
В проточную металлическую трубу, сквозь которую пропускается жидкость, друг против друга встроены излучатель и приемник УЗ импульсов. Эти импульсы проходят вдоль оси потока. Время запаздывания принятого импульса относительно момента излучения зависит от скорости движения жидкости. Электронная схема, которая измеряет время запаздывания, пересчитывает это время по данным предварительной калибровки в величину потока жидкости и выдает это значение в цифровой форме. Поток воды в диапазоне от 0,04 л/мин. до 40 л/мин. измеряется с точностью до 2,5 %. Сенсор имеет также аналоговый электрический выход и защитное электрическое реле, замыкающееся при превышении потоком жидкости заранее заданной в цифровом виде величины.