Эхолот википедия

Гидролокатор

Гидролокатор (сонар) – комплекс для определения с помощью акустических сигналов положения подводных и плавучих объектов (первоначально этот термин использовался применительно к эхолокационным приборам для обнаружения подводных лодок, теперь употребляется в более широком значении).

Главными элементами гидролокатора являются подводный излучатель мощного акустического сигнала и чувствительный приемник, реагирующий даже на слабые отражения этого сигнала от погруженных в воду объектов. Конструируются оба эти элемента с таким расчетом, чтобы их компоновка в локаторе обеспечивала определение направления на отражающий объект и расстояния до него.

На подводных лодках и надводных судах гидролокаторы служат основными – а зачастую и единственными – средствами сбора информации об условиях и обстоятельствах под морской поверхностью

История

В 1936 году был разработан и прошёл испытания первый отечественный образец ультразвукового прибора подводного наблюдения (УЗПН), как в то время называли гидролокационные станции. Принципиальное отличие этого прибора от шумопеленгатора – возможность измерять расстояние до обнаруженного объекта, исходя из расчёта времени возвращения отражённого эха.

Устройство гидролокатора

Гидролокаторы делятся на два основных типа: активные (излучающие сигнал и принимающие его отражение) и пассивные (принимающие шумы, издаваемые целью). Преобразователь представляет собой устройство, в котором электрическая энергия преобразуется в механическую и наоборот. Такими преобразователями являются, например, микрофоны и громкоговорители. В гидролокаторе преобразователь исполняет обе функции. Обычно он размещается на днище надводного корабля и в верхней части корпуса подводной лодки.

Иногда преобразователями служат пьезоэлектрические кристаллы (они меняют свои размеры при подаче на них электрического напряжения либо меняют форму при воздействии внешних сил, и на их поверхности возникает разность электрических потенциалов), но в данной схеме используется магнитострикционный (одновременно магнитоупругий) элемент – никелевый стержень с намотанной на него проволочной катушкой индуктивности. При нарастании электрического тока в катушке возникает магнитное поле, сжимающее стержень, при убывании тока – поле, растягивающее его.

На конце стержня закреплена диафрагма, соприкасающаяся с водой, поэтому при сокращениях и удлинениях стержня в воде возбуждаются упругие колебания – звуковые волны. По прибытии эха все происходит в обратном порядке, и движения диафрагмы возбуждают ток в катушке. Набор таких преобразователей располагается по кругу в горизонтальной плоскости; каждый из них ориентирован в своем направлении. Передатчик воздействует на все преобразователи одновременно, и звуковые волны уходят сразу во всех направлениях. Но каждый преобразователь соединен с приемником отдельно, поэтому направление на цель определяется по тому элементу, который “слышит” эхо.

Передатчик. Оператор сидит за пультом управления, контролируя работу передатчика – мощного генератора ультразвуковых импульсов (средняя мощность типичного передатчика – ок. 8 кВт, пиковая в импульсе достигает 160 кВт). Несущая частота передатчика фиксирована ок. 20 кГц, а длительность импульса может меняться оператором от 0,005 до 0,1 с. Частота повторения импульсов тоже может варьироваться от 1 до 60 имп/мин – в зависимости от максимальной величины радиуса зоны обзора (все эхо-сигналы должны быть приняты до момента посыла следующего импульса).

Выбор частоты передатчика зависит от нескольких величин, влияние которых противоположно: с увеличением частоты возрастают потери на трассе, но интенсивность принимаемых собственных шумов воды и габариты преобразователя становятся меньше. Из этих соображений наиболее выгодным диапазоном эхолокации является полоса частот от 18 до 24 кГц. Акустические устройства шумопеленгации наиболее эффективно работают на частотах ниже 1 кГц, на которых наиболее мощно излучаются шумы кораблей.

Выходная мощность передатчика ограничивается сверху тем ее значением, при котором в воде возникает кавитация. Кавитационные пузырьки незамедлительно отражают в преобразователь существенную долю излучаемой мощности. С увеличением давления (т.е. глубины) возрастает и допустимый предел излучаемой акустической мощности. Реле приема-передачи. Так как один и тот же преобразователь выступает в роли излучателя и чувствительного элемента, его следует автоматически подключать то к передатчику, то к приемнику.

Приемник. Принимаемые различными чувствительными элементами сигналы раздельно поступают в приемно-усилительный тракт, а оттуда – на коммутатор. В приемном тракте есть специальные схемы подавления паразитных сигналов. Коммутатор. Здесь принятый сигнал направляется по двум раздельным каналам – слухового контроля и видеоиндикации.

Типы гидролокаторов

* Гидролокаторы кругового и секторного обзора. Гидролокаторы кругового и секторного обзора применяются для выполнения широкого ряда задач от гражданских до сугубо военных. Они предназначены для подводной навигации, поиска и допоиска подводных объектов, построения охранных зон и периметров. Гидролокаторы кругового и секторного обзора устанавливаются при входе в гавани и порты, на нефтяных платформах, кораблях, подводных лодках, обитаемых подводных аппаратах, телеуправляемых подводных аппаратах, применяются в переносном исполнении водолазами. Существуют специальные гидролокаторы, работающие с вертолёта при погружении ППА на кабель-тросе в воду.

* Гидролокаторы бокового обзора. Гидролокаторы бокового обзора (ГБО) в основном применяются для поиска объектов, находящихся на морском дне и исследования рельефа дна для прокладки и обслуживания кабелей связи и трубопроводов.

“Классический” ГБО выполняется в виде буксируемого подводного аппарата в форме торпеды с двумя ППА по правой и левой стороне и буксируется на расстоянии 30-50 метров от дна со скоростью до 5 узлов. При угле обзора каждого ППА 45º, полоса сканирования дна достигает 100 метров. В некоторых случаях, особенно при прокладке трубопроводов и кабелей связи,

* Эхолоты. Эхолоты являются измерительными приборами, предназначенными для промера глубин, отображения профиля и примерной структуры дна, поиска и классификации различных объектов на дне и в толще воды, а также для выполнения различных навигационных задач. Независимо от сферы использования и типа все эхолоты имеют примерно одинаковую конфигурацию: ППА, блок обработки сигналов и надводный блок отображения информации. ППА эхолота имеет коническую вертикальную диаграмму направленности с углом обзора от 10 до 30º. При этом эхолот, как бы “освещает” полосу дна непосредственно под килем судна.

* Профилографы морского дна. Профилографы дна предназначены для поиска заглубленных на дне объектов, например трубопроводов или кабелей, нахождения заиленных подводных объектов, исследования и классификации состава грунта дна, например при планировании строительства подводных объектов или прокладки трубопроводов, разведки полезных ископаемых и экологического мониторинга.

* Гидроакустические системы позиционирования. Гидроакустические системы позиционирования (ГСП). ГСП предназначены для определения точных координат подводных объектов, а также для отслеживания траектории движения и текущей глубины нахождения подводных аппаратов и водолазов в реальном масштабе времени. ГСП представляют собой один или несколько стационарных передающих гидроакустических маяков, установленных на морском дне или судне носителе, маяк-ответчик на перемещающемся или стационарном объекте, ППА или гидрофон на судне-носителе и систему обработки и выдачи информации на борту судна-носителя. ГСП по своей сути является относительной системой координат с судном-носителем в центре отсчёта, при использовании системы GPS возможно позиционирования в абсолютных географических координатах.

Все о радаре и сонаре

Иногда, когда соблюдены определенные условия, Вы можете услышать собственное эхо. Если Вы крикните «Привет!», звук может отразиться от большого объекта, и Вы услышите собственный голос. Это и называется эхо. Радар и сонар – это электронные устройства, которые используют принцип эхо для обнаружения и локализации объекта.

Оба устройства – и радар, и сонар – определяют объект по эхо-сигналу, который отразился от объекта. Радар использует радиоволны, которые являются типом электромагнитной энергии. Сонар использует принцип эхо, посылая звуковые волны под воду или сквозь человеческое тело. Звуковые волны – это тип акустической энергии. Из-за различия типов энергии, используемых в радаре и сонаре, каждый из них имеет своё собственное применение.

Что такое радар?

Слово «Радар» («Radar») было образовано от английского словосочетания «radio detection and ranging»(«радиообнаружение и дальность»). Радиоволны представляют собой тип электромагнитного излучения (микроволновые печи, рентгеновские лучи и световые волны другого типа). Это основа данной технологии. Дальность означает измерение расстояния до цели от РЛС (устройство, которое отправляет радиосигнал и принимает обратно его отражение).

Радар использует радиоволны. Похожая система называется «оптический радар» или «лидар» («lidar» – от англ. «light detection and ranging» – «световое обнаружение и дальность»), которая основывается на том же принципе, что и радар, но использует световые волны.

Как радар работает

РЛС (также называемые радиолокационными станциями) бывают разных размеров, в зависимости от тех целей, где их используют. Но все они состоят из четырех основных частей: передатчика, антенны, приемника и дисплея. Передатчик испускает радиоволны. Когда радиоволна доходит до объекта, например самолета, она отражается обратно к станции. Антенна обнаруживает отраженный сигнал и отправляет на приемник, который его увеличивает и усиливает. Затем, сигнал отправляется на дисплей как изображение.

Выглядит изображение, обычно, как схематичная карта типа «вид сверху». На дисплее отображаются яркие пятна, назовем их всплески. Всплески показывают участки суши, а также различные объекты – такие как самолеты, корабли и т.д. Оператор может выбрать эти объекты, так как они находятся в движении, тогда как земля неподвижна.

Основной тип радара – импульсный радар. Он отправляет радиоволны короткими очередями или импульсами. Расстояние до цели определяется временем, за которое сигнал доходит до цели и возвращается обратно. Скорость радиосигнала сравнима со скоростью света и составляет 300 000 км/с. Соответственно, если сигнал возвращается за 1/1000 секунды, проходит расстояние в 300 км, то цель должна быть на половине пройденного расстояния, т.е. в 150 км удаленности.

Импульсная передача позволяет определить расстояние более точно. Почему это так? Представьте себе, как Вы кричите, чтобы услышать эхо. Если Вы кричите продолжительное время, то первые слова вернутся прежде, чем Вы закончите, и Вы не сможете услышать все предложение. Но если Вы крикните что-то короткое, то без проблем распознаете свое эхо.

Расположение цели по отношению к РЛС определяется немного иначе. Радарная антенна отправляет импульсы узким лучом, примерно как светит фонарь. Антенна и, соответственно, луч вращается медленно и проходит через все возможные препятствия в поисках целей. Сигнал отражается от корабля или какой-либо другой цели, только если луч задел её. Возвращенный сигнал усиливается приемником и отображается на мониторе, где показывается расстояние и направление до цели.

Применение радара

Радар применяется как в военных, так и в гражданских целях. Наиболее распространенное применение в гражданских целях – это помощь в навигации для морских и воздушных судов. РЛС, установленные на судах или в аэропорту, собирают информацию о других объектах, чтобы предотвратить возможные столкновения. На море собирается информация о буях, скалах и т.д. В воздухе РЛС помогают заходить на посадку воздушным судам, в условиях плохой видимости или неисправности.

Также радары используются в метеорологии, при прогнозировании погодных условий. Синоптики, как правило, используют их в сочетании с лидаром (оптическим радаром) для изучения штормов, ураганов и других погодных катаклизмов. Доплеровский радар основывается на принципе эффекта Доплера – т. е. изменение частоты и длины волны для наблюдателя (приемника) из-за движения источника излучения или наблюдателя (приемника). Анализируя изменения частоты отраженных радиоволн, доплеровский радар может отслеживать движение штормов и развитие торнадо.

Ученые используют радары, чтобы отслеживать миграцию птиц и насекомых, определять расстояние до планет. Потому как он может показать в каком направлении и как быстро движется объект, радар используется полицией для определения нарушений скоростного режима. Подобные технологии используются в спорте, например в теннисе, чтобы определить скорость подачи. Радар используют спецслужбы, чтобы сканировать объекты. В военных целях радары, в большей степени, применяют в качестве поиска целей и управления огнем.

История радара

История радарной технологии началась с экспериментов с использованием радиоволн немецким физиком Генрихом Герцом в 1887 году. Он обнаружил, что волны могут проходить через одни объекты, но отражаться другими. В 1900 году Никола Тесла заметил, что крупные объекты могут отражать достаточно сильные сигналы. Он понял, что волны были отраженными радиосигналами, и предсказал, что они могут быть использованы для поиска положения и направления судов в открытом море.

Впервые импульсный радар был представлен в США в 1925 году. В 1935 году радар был запатентован в британском патентном бюро как результат исследований во главе с шотландским физиком Робертом Александром Уотсон-Уоттом. Этот запатентованный радар был применен в радарных системах, которые оказались эффективны против немецкой авиации во время воздушных налетов на Великобританию, в период Второй мировой войны.(1939-1945 г.г.) Термин «радар» был впервые использован учеными ВВС США во время этой войны.

Прогресс в сфере радарных технологий продолжается до сих пор, усилия направлены на улучшение качества изображения, точности размера и снижения стоимости.

Что такое сонар?

Слово «сонар» происходит от англ. «sound navigation and ranging». Сонар может обнаруживать и определять местоположение объектов в толще воды при помощи эхо, аналогично дельфинам и другим морским животным, которые используют принцип эхолокации.

Как сонар работает

Есть два типа сонара: активный и пассивный. Активный отправляет импульсы и затем принимает отраженный сигнал эхо. Пассивный принимает сигнал, без отправки собственного. В активных гидроакустических системах звуковые сигналы намного мощнее, чем обычные звуки. Каждый импульс длится доли секунды.

Некоторые сонары излучают звуки, которые Вы можете услышать. Другие сигналы настолько высоки, что человеческое ухо не в силах их воспринять. Такие сигналы называются ультразвуковыми волнами (за пределами звука). У сонара имеется собственный приемник, который способен принять возвращенный эхо-сигнал. Положение объектов под водой можно определить по разнице между отправкой и приемом звукового сигнала.

Применение сонара

Сонар имеет множество применений. Подводные лодки используют сонар для обнаружения других судов. Технологию применяют для измерения глубин (эхолот). Эхолот измеряет время, необходимое для звукового импульса, чтобы достичь дна водоема и вернуться обратно. Рыболовные суда используют эхолот или гидролокатор для поиска стай рыб.

Океанографы используют сонар, чтобы отобразить контуры дна водоема. Звуковые сигналы могут пробивать толщу дна сквозь ил и песок и отрисовать слой породы под ними. Сигнал затем возвращается, давая расстояние до твердой поверхности.

Тот же принцип используется при поиске нефти на суше. Сонар отправляет импульс сквозь землю, импульс отражается с различной частотой от разных слоев почвы, и геологи могут определить какие виды грунта и пород присутствуют в почве. Это помогает определить места бурения, которые, скорее всего, содержат природные ресурсы. Это называется сейсморазведка.

Особый вид сонара используется в медицине и называется УЗИ (ультразвуковое исследование) или эхоскопия. Звуковые волны разной частоты производят различное эхо при отражении от разных органов тела. Врачи научились использовать эти сигналы, чтобы определять заболевания или контролировать развитие ребенка в утробе матери.

Звуковые волны очень высокой частоты используют в медицине и промышленности для чистки поверхностей от мельчайших инородных частиц.

История сонара

Сонар изобрела природа, задолго до того, как об этом задумался человек. Например, летучие мыши летают в темноте. Обходя препятствия и находя добычу при помощи ультразвуковых волн, которые человек услышать не в состоянии.

В 1906 году, американский военно-морской архитектор Льюис Никсон изобрел первый сонар для поиска айсбергов. Во время Второй мировой войны интерес к этой технологии возрос, т.к. возникла необходимость в обнаружении подводных лодок противника. В 1915 году такую первую действующую модель изобрел французский физик Поль Ланжевен. Первые приборы могли только слушать сигналы, но не могли излучать. Но уже к 1918 году Великобритания и Соединенные Штаты произвели образцы, которые могли отправлять сигнал и получать его обратно. Так же, как и с радарными технологиями, технологии сонаров постоянно совершенствуются и по сей день. Например, в 2000-х годах ВМС США ввели в оборот сонары, которые чистили военные мины.

Что такое трансдьюсер эхолота?

Существует несколько типов трансдьюсеров и в этой статье мы расскажем о том, что же такое трансдьюсер эхолота, как он работает и какие они бывают.

Трансдьюсер (Transducer) – является главным элементом любого эхолота, это датчик-излучатель звуковых сигналов в сторону дна, работа которого основан на технологии эхолокации, а также он является и приёмником отраженного от дна звукового сигнала рыбы, растительности и каких либо предметов на дне типа коряг. Трансьдюсеры бывают проводными и беспроводными. После получения сигнала от трансдьюсера, эхолот преобразует все полученные данные в изображение на экране эхолота. Корпус датчик всегда водонепроницаем. В некоторых моделях трансдьюсер совмещен с датчиком скорости(по потоку воды), который установлен на корпусе трансдьюсера.

Рассмотрим основные параметры трансдьюсеров

Количество лучей
Чем больше лучей тем шире охват сканирования. Классический эхолот имеет два луча, широкий и узкий. Но технологии не стоят на месте и в большинстве современных эхолотов используются трёх и четырёх лучевые трансдьюсеры.

Угол луча
Сигнал трансдьюсера может быть как с узким, так и с широким коническим углом. Широкий угол используется для пресной воды, а узкий в солёной. Конический угол – это область сканирования в пределах конуса, который просматривается на экране эхолота.

Для пресной воды или соленой
При сканировании водоёма с пресной или соленой водой, изображение на экране эхолота получается разным. Из-за высокой плотности соленой воды глубина проникновения сигнала ниже. В связи с этим трансдьюсеры разделяются еще и по мощности.

Мощность
Тут все просто, чем мощнее трансдьюсер тем глубже он сканирует. т.е если вам нужен эхолот для рыбалки на море. то лучше смотреть на датчики с среднеквадратной мощностью не менее 500 Вт.

Способ передачи данных – проводной/беспроводной
В основном эхолот устроен так: экран с креплением на панель катера или если у вас пвх лодка на ящик/полку, аккумулятор и сканирующий датчик-трансдьюсер. Последний соединяется с экраном эхолота проводом, им же и питается. Но опять же прогресс не стоит на месте и в продаже можно встретить беспроводные датчики эхолота, внутри которых находится питающий элемент (батарейки или аккумулятор), а данные о сканировании он передаёт по wi-fi на ваш смартфон. Такие трансдьюссеры менее мощные и не способны работать на больших глубинах, также детализация изображения оставляет желает лучшего. Прорисовку коряги с травой и рыбу вряд-ли вы увидите.

Питание
Сам эхолот чаще всего питается от внешнего аккумулятора 12В или бортовой сети катера. Трансдьюсер питается от экрана эхолота через провод.

Крепление
Крепится трансдьюсер на корпусе судна строго горизонтально.

Виды крепления:

• Транцевые;
• Врезные (сквозь отверстие в дне);
• Вклеиваемые (для определенных типов корпуса судна);

Что влияет на четкость изображения:

• скорость движения;
• мутность воды;
• солёная/пресная вода;
• температура воды;
• пузыри воздуха в толще воды;
• правильность установки датчика;
• загрязненность датчика;

Для улучшения эффективности поиска рыбы, производители внедряют дополнительные функции, часто они программные, но есть и технологические улучшения, такие как:

• Технология сонара CHIRP – это не про луч, а про частоту излучения сигнала трансдьюсером. CHIRP расшифровывается как Compressed High-Intensity Radiated Pulse – сжатый высоко-интенсивный излученный импульс. Эхолот с CHIRP излучает более длинный сигнал. Что делает изображение более детальным и чистым;
• DownVu – нижнее сканирование;
• SideVu – боковое сканирование;
• A-scope – индикация рыбы, в реальном времени;
• AutoGain – минимум шума, максимум полезных сигналов;