5. Pomiary batymetryczne
5.3. Pomiar głębokości za pomocą echosondy wielowiązkowej
Echosonda wielowiązkowa – Multi Beam Echosounder – MBES – stanowi kombinację rozwiązań sprzętowych i programowych, wykorzystujących m.in.
technikę elektronicznego formowania i śledzenia wiązki fali hydroakustycznej oraz technikę sygnałowej obróbki danych. Przetwornik wysyła wiele wiązek akustycznych pod różnym kątem, formując tzw. swath – wachlarz z wiązek akustycznych, osiągając w ten sposób znaczny pas pokrycia dna, gwarantujący nawet 100% pokrycie danymi badanego akwenu.
System batymetryczny wielowiązkowy składa się z głowicy echosondy wielowiązkowej i systemu pozycjonowania. Głowica echosondy wielowiązkowej z reguły zintegrowana jest z czujnikiem ruchu – który kompensuje błędy spowodowane ruchem jednostki na wodzie oraz z czujnikiem pomiaru przypowierzchniowej prędkości dźwięku w wodzie – z uwagi na fakt wysyłania wielu wiązek, każdej w innym kierunku.
Rys. 16. Komponenty batymetrycznego systemy wielowiązkowego
31 (źródło: www.hydrogeo.am.szczecin.pl, www.ris-project.info, www.km.kongsberg.com, www.vebidoo.com)
Szerokość „swath” przedstawiana jest przez producentów echosond wielowiązkowych jako współczynnik wielokrotności mierzonej głębokości wynosi od 1 do 8.
Dla przykładu: GS+ firmy Kongsberg, system dwu-przetwornikowy, z których każdy emituje 160 wiązek, każda o szerokości kątowej 0.75°. W celu wyliczenia pokrycia, za wartość kąta
θ
należy przemnożyć liczbę wiązek przez szerokość kątową pojedynczej wiązki i przez liczbę przetworników.a) dodatkowo z uwagi na charakterystykę „swath” rejestrowane są wszelkie zakłócenia i szumy, które należy wyeliminować podczas opracowywania danych.
MBES znacznie skraca czas potrzebny na akwizycję danych w terenie – znaczne pokrycie danymi, jednocześnie wydłużając czas potrzebny na opracowanie Rys. 17. Pokrycie echosondy wielowiązkowej
(źródło: a) Kongsberg GS+ Operation Manual, b) http://www.nauticalcharts.noaa.gov/mcd/images/nNTC_Hydro.jpg; c) IHO C-13)
32 danych – zbierane są miliardy punktów, w tym właściwych głębokości, błędów, szumów i zakłóceń (rys. 18, 19 a i b). Z uwagi na charakterystykę danych, znaczna część oprogramowani hydrograficznych ma wbudowane algorytmy do automatycznej filtracji danych, co ułatwia zadanie postprocessingu.
Rys. 18. Reprezentacja danych batymetrycznych pochodzących z echosondy wielowiązkowej (źródło: oprogramowanie Qinsy Console Validator)
33 a)
34 b)
Rys. 19. Ilustracja graficzna spike`ów (źródło: a) oprogramowanie Qinsy Console Validator, b) oprogramowanie Qinsy Qloud)
35 Przed przystąpieniem do prac hydrograficznych batymetrycznych za pomocą echosondy wielowiązkowej należy wykonać kalibrację systemu, celem weryfikacji poprawności działania i eliminacji ewentualnych błędów wskazań. W tym celu należy wykonać:
- pomiar prędkości dźwięku w wodzie w profilu pionowym, - dokonać kalibracji echosondy – tzw. patch test oraz - skontrolować wskazania echosondy – cross check,
- wprowadzić poprawkę na dynamiczne zanurzenie jednostki – squat.
Patch test stanowi zestaw czynności pomiarowych dzięki którym określone zostaną poprawki kalibracyjne na (IHO C-13):
- opóźnienie czasowe – latency, - przegłębienie – pitch,
- przechyły poprzeczne – roll, - wskazanie kursu – yaw/ heading.
W przypadku systemów dwuprzetwornikowych, proces kalibracji należy przeprowadzić dla każdego przetwornika oddzielnie.
• Latency time – określa opóźnienie czasowe Δt między czasem określenia pozycji za pomocą systemu pozycjonowania, a czasem określenia głębokości za pomocą echosondy. Wartość tej poprawki nie powinna przekraczać 0,5 s.
Wyznaczenie wartości poprawki polega na akwizycji danych na dwóch profilach pomiarowych zaprojektowanych nad charakterystycznym obiektem lub nad uskokiem dna, w tym samym kierunku, z różnymi prędkościami, np.: 3W/ 6W.
36
• Pitch – jest to kąt pomiędzy czujnikiem ruchu a liną swath echosondy, w odniesieniu dziób – rufa.
Wyznaczenie wartości poprawki polega na akwizycji danych na dwóch profilach pomiarowych zaprojektowanych nad charakterystycznym obiektem podwodnym lub uskokiem dna, z tą samą prędkością, ale w przeciwnych kierunkach.
a) b)
• Roll – jest to kąt zawarty pomiędzy czujnikiem ruchu a linią swath echosondy, w odniesieniu na prawą – lewą burtę.
Wyznaczenie wartości poprawki polega na akwizycji danych na dwóch profilach pomiarowych zaprojektowanych nad płaskim obszarem dna, w przeciwnych kierunkach, z tą samą prędkością.
Rys. 20. Procedura rejestracji danych dla uzyskania poprawki na opóźnienie czasowe [6]
Rys. 21. a) Wizualizacja parametru Pitch (źródło: opracowanie własne);
b) Procedura rejestracji danych dla uzyskania poprawki na przegłębienie [6]
37
a) b)
• Yaw/ Heading – jest to kąt pomiędzy linią wskaźnika kursu a linią swath echosondy.
Wyznaczenie tej poprawki polega na akwizycji danych na dwóch profilach pomiarowych nad charakterystycznym uskokiem lub obiektem podwodnym, w przeciwnych odległościach, z tą samą prędkością. Profile muszą być zaprojektowane w odległości co najmniej połowy wartości swath echosondy. Następnie należy dokonać akwizycji danych na dodatkowym profilu, między dwoma poprzednimi, zaprojektowanym nad obiektem i pod kątem 45° do kierunku ruchu, ze stałą prędkością.
Rys. 22. a) Wizualizacja parametru Roll (źródło: opracowanie własne);
b) Procedura rejestracji danych dla uzyskania poprawki na przechyły boczne [6]
38
a) b)
Rys. 23. a) Wizualizacja parametru Yaw/ Heading (źródło: opracowanie własne);
b) Procedura rejestracji danych dla uzyskania poprawki na odchylenie od kursu [6]
Cross Check, czyli kontrola wskazań echosondy powinien być wykonywany przed i po wykonaniu pomiarów batymetrycznych.
Polega on na wykonaniu rejestracji danych na dwóch profilach pomiarowych prostopadłych względem siebie i porównaniu wskazań na zewnętrznych wiązkach systemu wielowiązkowego, które obarczone są największymi błędami, ze wskazaniami zarejestrowanymi w nadirze wiązki. Wartość różnicy wskazań powinna być bliska 0. Jeśli wartość różnicy jest większa niż 10cm, należy ponownie skalibrować echosondę.
39 Squat – jest parametrem związanym z przysiadaniem jednostki pomiarowej z uwagi na zmiany ciśnienia hydrodynamicznego pod kadłubem w funkcji prędkości poruszania się jednostki. W związku z przysiadaniem jednostki zmienia się wartość zanurzenia przetwornika echosondy, co wpływa na dokładność pomiaru głębokości (wartość h rys. 9). W celu wyznaczenia tej poprawki koniecznym jest stworzenie modelu pomiarowego jednostki i zamodelowanie jej ruchu. Z uwagi na trudny proces określenia, poprawka ta często jest pomijana.
Rys. 24. Kontrola wskazań echosondy (opracowanie własne)
40 Rys. 25. Wizualizacja efektu przysiadania jednostki w związku z prędkością poruszania się [5]
Głębokości pomierzone charakteryzują się wysoką gęstością (z uwagi na fakt znacznej liczby wiązek akustycznych) oraz obarczone są dużą liczbą zakłóceń i błędów – występuje znaczna liczba spike`ów (rys. 18, 19 a i b). Znaczący wpływ na jakość danych ma wpływ ruchu statku na fali na wachlarz wiązek akustycznych – swath. Przemieszczenia wiązki akustycznej z uwagi na ruch statku na fali kompensowany jest przez czujnik ruchu, który w przypadku echosond wielowiązkowych jest jednym z elementów peryferyjnych wchodzących w skład systemu wielowiązkowego.
Również prędkość poruszania się jednostki w trakcie wykonywania pomiarów ma wpływ na jakość zebranych danych. Optymalną, pod kątem jakości danych, prędkość akwizycji wylicza się wzorem:
𝑉 = 𝑆 ∙ 𝑧 ∙ tan 𝜃 2
gdzie:
S – prędkość pingowania (częstotliwość wysyłania wiązki akustycznej) [1/s]
z – głębokość akwenu [m]
θ – szerokość kątowa wiązki akustycznej [°]
41 Produktem końcowym prac batymetrycznych jest plan batymetryczny – planszet hydrograficzny. Przykładowy planszet hydrograficzny sporządzony na podstawie danych zarejestrowanych echosondą wielowiązkową prezentuje rys. 26.
Rys. 26. Plan batymetryczny na podstawie danych z echosondy wielowiązkowej – fragmentu portu LNG w Świnoujściu (źródło: opracowanie własne)
42
a) b)
Rys. 27. Numeryczny model dna opracowany na podstawie danych zarejestrowanych echosonda wielowiązkową (źródło: a) GRID, oprogramowanie Qinsy Console, b) powierzchnia 3D, oprogramowanie Qinsy Qloud)
43