Рельеф поверхности дна океанов исследуется методом промеров, которые выполняются практически во всех океанологических экспедициях, независимо от их характера. Такой промер называется попутным.

Региональные промеры обычно привязаны к определенному району. Промеры выполняются по заранее спланированной системе галсов с максимальной детальностью.

В последние годы в экспедициях стали проводить детальные полигонные съемки, в которых выявляются основные закономерности рельефа дна, которые распространяются на весь район.

Исключительно важное значение при проведении промеров имеет координация галсов, от точности которой зависит достоверность определяемого рельефа дна.

Астрономическая и радионавигационная система координат обычно обеспечивает точность определения судна в океане в пределах 2,5 км. С появлением спутниковой навигации точность определения существенно повысилась и находится в пределах от 50 до 300 м. Точность определения в достаточной степени зависит от положения орбиты спутника относительно точки определения.

В последние годы созданы интегральные системы навигации, в которых судовая ЭВМ объединяет средства радионавигации и спутниковые данные. Такая система делает данные о координатах более надежными и, главное, регулярными.

При проведении детальных исследований рельефа дна небольшого полигона, исчисляемого первыми десятками квадратных миль, повышенные точности относительной привязки форм рельефа дна дает система донной акустической навигации. Точность привязки может быть обеспечена в пределах десятков метров. Подобные исследования рельефа дна проводятся при подготовке полигона для проведения геолого-геоморфологических работ с использованием подводных аппаратов и роботов.

Основным способом измерения глубин является эхолотирование. Используются в большинстве случаев стандартные ультразвуковые эхолоты, работающие в диапазоне частот от 9 до 20 кГц, имеющие угол диаграммы направленности до 30°. Регистрация глубины осуществляется на факсимильном аппарате ФАК-П, который обеспечивает точность отсчета глубины на записи в пределах 1 м и погрешность в измерении глубин не более 1% измеряемой величины.

На эхограмме фиксируется осредненный и сглаженный рельеф дна. Степень осреднения и детальность рельефа в существенной степени зависят от угла диаграммы направленности эхолота. Чем более узколучевой эхолот применяется для промера, тем больше деталей содержит эхограмма и с тем большей точностью определяются глубины.

Истинный профиль дна отличается от зафиксированного на эхограмме также оттого, что фактически измеряется не глубина, а эхо-расстояние. Истинная глубина отличается также от измеренного эхо-расстояния, поскольку фактическая скорость звука в какой-то мере всегда отличается от расчетной.

Влияние многих из отмеченных факторов может быть ослаблено использованием для промеров эхолотов с узким лучом, с углом диаграммы направленности, исчисляемым несколькими градусами. При этом детальность промера увеличивается, а это позволяет с большей достоверностью строить батиметрические карты района.

Узколучевые эхолоты могут быть созданы на основе параметрических антенн, использующих нелинейность упругих свойств воды.

Известно, что уменьшение угла диаграммы направленности связано с необходимостью повышения частоты излучения эхолота, а это приводит к увеличению затухания излученного сигнала в воде. С другой стороны, ширина диаграммы направленности обратно^ пропорциональна линейному размеру антенной решетки на люоои частоте. Отношение сигнал/шум, весьма важное для характеристик эхолота, может быть улучшено путем увеличения уровня излучаемого сигнала. А этого лучше всего добиться увеличением размера антенной решетки. Следовательно, получить узкий луч эхолота можно увеличением частоты излучения, а для соблюдения остальных важных параметров эхолота необходимо увеличить размеры антенной решетки. Очевидно, что существует ряд технических и принципиальных трудностей при реализации такой системы.

Как известно, успеха можно добиться применением параметрической антенны, которая обеспечивает малый угол основного лепестка диаграммы направленности при низкочастотном и, следовательно, малозатухающем излучении. В параметрической антенне две волны относительно высокой частоты излучаются одновременно из одного блока преобразователей. Нелинейное взаимодействие этих двух излучаемых волн, определяемое упругим взаимодействием со средой, приводит к образованию низкочастотной волны на разностной частоте первичных волн. При этом остальные параметры синтезированного колебания остаются такими же, как и у взаимодействующих первичных колебаний. Излученные первичные колебания складываются синфазно в направлении излучения.

Размеры антенной решетки, основная частота преобразователя и угол диаграммы направленности связаны достаточно жестко. Если размер антенной решетки задан, то компромиссный выбор средней основной частоты и угла диаграммы направленности антенной решетки позволяет удовлетворить требованиям по заданным размерам конструкции эхолота.

Антенная решетка параметрического эхолота Института океанографии в Уормли (Англия) представляет собой квадратную матрицу 27×27, содержащую 729 преобразователя. Преобразователи выполнены в виде пакета из четырех кольцевых пьезокерами-ческих элементов с коническим концентратором в монолите титановой плиты. Пакет элементов стянут центральным болтом. Габаритный размер такой антенной решетки равен 430×430 мм. Антенная решетка работает на резонансной частоте 73,7 кГц; при этом угол диаграммы направленности лежит в пределах 3°.

Одним из важных совершенствований средств эхолотного промера можно считать создание и применение цифровой обработки информации о глубине. Такая первичая обработка батиметрической информации делается с целью получения в каждый момент времени цифрового кода текущего значения глубины. При этом, во-первых, существенно упрощается технология промерных работ в части ее отражения как информации. Во-вторых, получаемая информация становится пригодной для ввода в ЭВМ и последующего ее хранения и обработки. Подобные цифраторы глубины в настоящее время достаточно широко используются за рубежом. В ИОАН СССР создан цифратор глубины, который используется совместно с судовыми эхолотами при проведении промерных работ в океане.

В последние годы возникла и была практически реализована идея использования для промера многолучевых эхолотов, отличающихся узкой диаграммой направленности формируемых акустических лучей. По сравнению с обычными эхолотами, дающими одну линию зондирования, многолучевой эхолот позволяет снимать за один галс широкую полосу рельефа дна, ширина которой составляет 3/4 глубины. Так, например, можно получить за один галс картину профиля дна в полосе шириной 4500 м при глубине океана 6000 м. Получение изолиний глубины этой площади в реальном масштабе времени позволило добиться визуализации рельефа дна непосредственно в процессе движения судна. Так, например, многолучевой эхолот СИ-БИМ (США) имеет 16 узконаправленных лучей с углом диаграммы направленности 2,75° каждый. Информация от многолучевого эхолота поступает на судовую ЭВМ вместе с информацией о местоположении судна. После обработки измеренные глубины в виде непрерывных изолиний отображаются графопостроителем на батиметрической карте района.

Рис. 1. Принцип действия многолучевого эхолота.

Скорость обработки информации на ЭВМ зависит от скорости хода судна. Вся полученная информация помимо графопостроителя регистрируется также на магнитном носителе информации для последующей обработки.

В качестве излучателей эхолота используются магнитострик-ционные элементы, объединенные в группы по 4 включенных параллельно излучателя. Антенна многолучевого эхолота состоит из 20 таких блоков, размещенных на обводах подводной части судна. Каждый блок управляется отдельным электронным устройством, которое контролирует напряжение и фазу излучения частотных сигналов.

Активный приемный комплекс антенны многолучевого эхолота состоит из 40 гидрофонов, объединенных в антенную пьезоэлектрическую решетку. Антенна жестко закреплена на подводной части судна в плоскости шпангоутов. При таком ортогональном расположении излучающей и приемной антенны диаграмма направленности становится широкой в плоскости, перпендикулярной килю и узкой вдоль киля. Пересекаясь, взаимно перпендикулярные диаграммы направленности формируют диаграмму направленности приемника, которая состоит из 16 узких лучей. Сигналы, принятые каждым гидрофоном, передаются в накопитель. Там они усиливаются, векторно суммируются, чтобы выделить в итоге 16 лучей, которые определяют соответственно 16 площадей. Благодаря стабилизированному излучению все 16 лучей сохраняют вертикальное положение независимо от положения судна при качке. Таким образом, лучами покрывается участок дна шириной 42,75°, ориентированный перпендикулярно выполненному галсу. Акустическая информация, принимаемая антенной решеткой, усиливается, разделяется по каналам и поступает на ЭВМ для преобразования в цифровой код.

В ЭВМ вводится также вся информация о параметрах качки судна и его курсе, а также навигационная информация, привязывающая снимаемый рельеф дна к географическим координатам.

Внедрение в практику промеров многолучевых эхолотов резко повышает производительность промерных работ и дает возможность оперативно представить данные в виде батиметрических карт в реальном масштабе времени.

Помимо получения батиметрических карт рельефа дна исследуемого района, в настоящее время при картографировании дна применяются гидролокаторы бокового обзора. Гидролокаторы в зависимости от частот излучения могут быть разделены на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные.

Низкочастотные локаторы бокового обзора работают на частотах до 7 кГц и обеспечивают большую дальность — десятки километров, но их разрешение относительно мало — сотни метров.

Среднечастотные локаторы бокового обзора работают на частотах порядка 70—100 кГц, обеспечивая наклонную дальность сотни метров и разрешение порядка десятков метров.

Наконец, высокочастотные локаторы бокового обзора работают на частотах 400 кГц и более, обеспечивая наклонную дальность до 30—40 м при разрешении до 0,5 м.

Гидролокатор бокового обзора представляет собой акустический прибор, имеющий антенну с“ веерообразной диаграммой направленности, которая ориентирована в вертикальной плоскости. В процессе локации дна антенна, установленная на носителе, перемещается по курсу судна со скоростью Vc. В то же время на регистраторе происходит протяжка носителя информации со скоростью Уп- В начале развертки каждой строки, происходящей со скоростью Уст, антенна излучает в сторону дна импульс акустической энергии длительностью t, который отражается поверхностью дна и принимается той же антенной. Все эти величины строго взаимосвязаны и определяют качество получаемого изображения дна.

В результате импульсный ультразвуковой пакет сканирует каждый раз узкую полосу, ширина которой определяется шириной диаграммы направленности и скоростью распространения импульса.

Размер площади, облучаемой импульсным пакетом, определяет качество изображения. Если импульсный пакет имеет квадратную форму, то качество изображения получается наилучшим. При изменении наклонной дальности до отражающей площадки А5 квадратная форма импульсного пакета нарушается. Это приводит к ухудшению качества изображения вдоль строки.

Рис. 2. Схема, поясняющая нарушение квадратной формы импульса.

Ухудшение качества изображения вдоль строки происходит также и в результате уменьшения во времени отношения сигнал/шум, которое объясняется затуханием ультразвука в воде и расширением фронта акустической волны. Этого можно избежать, если применить акустическую антенну со специальной косе-канской диаграммой направленности.

Степень изменения плотности изображения вдоль строки на регистраторе зависит от амплитуды сигнала, принимаемого антенной. Эта амплитуда зависит как от значения коэффициента рассеяния поверхности дна, так и от затухания звука в воде и коэффициента усиления акустической антенны. Как показывает анализ, единственным параметром, влияющим на амплитуду сигнала и, следовательно, характеризующим свойства поверхности дна, является коэффициент рассеяния поверхности дна. Для снижения влияния на изображение затухания звука в воде и расширения фронта акустической волны в усилитель эхосигналов вводят регулируемый каскад с переменным коэффициентом усиления, который выбирается оператором до получения изображения необходимого качества. При регистрации эхосигнала обычно теряется количественная информация, содержащаяся в эхосигнале. Это ооъясняется малым динамическим диапазоном применяемых регистраторов. Очевидно, целесообразно было бы разделить процесс записи эхосигнала на два этапа. На первом этапе целесообразна сделать запись информации на регистратор и на магнитный носитель одновременно. На магнитный носитель в этом случае необходимо также записывать и синхросигналы запуска локатора бокового обзора.

На втором этапе при лабораторном анализе изображения поверхности дна выделяются участки, которые требуют вторичного просмотра на регистраторе лучшего качества, например электронно-лучевом осциллографе в комбинации с фотоприставкой. Сигналы, записанные на магнитный носитель, могут подвергаться дополнительной обработке с целью повышения контрастности и освобождения от помех. Эту функцию целесообразно выполнять на ЭВМ. Подобная методика записи и обработки эхосигналов была в порядке эксперимента опробована в Институте океанологии при практической эксплуатации глубоководных буксируемых аппаратов, оборудованных гидролокаторами бокового обзора.

Низкочастотные гидролокаторы бокового обзора используются для акустической локации больших площадей дна. Так, широко известен, например, низкочастотный гидролокатор бокового обзора «Глория» Института Океанографии в Уормли в Англии. Было создано два образца гидролокатора «Глория-1» и «Глория-П».

Система гидролокатора бокового обзора «Глория-1» имела антенну, формирующую диаграмму направленности с углом 2,7° по азимуту и 10° по углу места. Это обеспечивало дальность 22 км на частоте 7 кГц. Антенная решетка имела размеры 5Х 1,5 м и была установлена на буксируемом носителе довольно больших размеров: диаметром около 2 м и длиной 10 м. Такие большие размеры буксируемого носителя весьма усложняли эксплуатацию гидролокатора в море.

Необходимо отметить, что использование для гидролокатора бокового обзора самостоятельного буксируемого носителя целесообразно и дает ряд преимуществ. Прежде всего антенная решетка удаляется на максимально возможное расстояние от источников судовых помех, а заглубление от поверхности моря создает лучшие условия для приема гидроакустических колебаний.

В процессе эксплуатации системы «Глория-1» в нее был добавлен вычислительный блок, который предназначался для обработки сигнала с использованием линейной корреляции. Это позволило добиться повышения отношения сигнал/шум более чем на 20 дБ. Выяснилось к тому же, что угол раствора диаграммы направленности в вертикальной плоскости 10° недостаточен и что его увеличение до 30° обеспечивает лучшую характеристику гидролокатора. За счет усиления дополнительно в корреляторе оказалось возможным уменьшить влияние на сигнал гидролокатора шума судовых механизмов.

На основе проведенной эксплуатации первой системы и ее совершенствования была создана система гидролокатора бокового обзора «Глория-II». Прежде всего были уменьшены размеры носителя диаметра до 0,65 м, а длины до 5,33 м. Система «Глория-II» имеет две антенные решетки, как и все двусторонние локаторы бокового обзора. Носитель имеет нейтральную плавучесть, что позволило использовать простую схему буксировки, при которой кабель-трос закрепляется за носовую часть носителя. Такая схема буксировки существенно снижает помехи от вертикальной качки судна. Движение по курсу буксируемого носителя становится стабильным, поскольку точка закрепления буксира расположена впереди центра тяжести и центра давления поперечных гидродинамических сил. Если центр давления носителя все же оказывается впереди точки закрепления буксира, он может быть, смещен назад специальным подбором формы и, главное, размера кормовой части носителя. Рыскание по курсу может быть уменьшено также увеличением длины буксируемого кабеля, поскольку при неизменной глубине движения носителя уменьшается угол атаки буксира.

Каждая антенная решетка гидролокатора состоит из двух рядов излучателей, в каждом из которых установлено по 30 блоков преобразователей. Каждый блок, изготовленный из специального пластического материала «нейлатрона», содержит четыре преобразователя. Блоки преобразователей соединены друг с другом единым стяжным болтом. Для придания буксируемому носителю нейтральной плавучести верхняя часть его заполнена плавучим материалом, выдерживающим внешнее гидростатическое давление до 3,5 МПа. За счет применения на буксируемом носителе плавучего материала была увеличена метацентрическая высота носителя, что улучшило стабильность его положения при буксировке.

Влияние остаточной нестабильности движения носителя далее устраняется путем управления лучом гидролокатора. Каждая антенная решетка электрически разделена на шесть секций. Сигнал от каждой секции сдвинут по фазе пропорционально отклонению курса буксируемого носителя от некоторого номинального его значения. Сдвиг фазы каждой секции осуществляется соответствующим синхронным решающим устройством. Несмещенный импульс излучается антенной под прямым углом к мгновенному курсу носителя, а затем осуществляется стабилизация луча, принятого по этому направлению. Для выполнения этой процедуры производится точное измерение курса носителя.

Переключение антенных решеток гидролокатора с излучения на прием осуществляется с помощью малогабаритных вакуумных реле. Каждое реле обслуживает один блок преобразователей, переключая антенну между усилителем мощности (излучение) усилителем с переменным во времени коэффициентом усиления, на который подается принятый от дна сигнал (прием).

Запись полученной информации гидролокатора осуществляется на магнитный носитель по четырем каналам, и параллельно информация отображается на факсимильном аппарате. Факсимильное изображение затем фотографируется на 35-миллиметровую пленку. Эта фотопленка становится далее архивным материалом отснятых сонограмм.

Использование низкочастотного гидролокатора бокового обзора для съемок океанского дна показало его исключительную информативность. С его помощью оказалось возможным с достаточной степенью разрешения вести глобальную акустическую съемку районов рифтовых зон срединно-океанических хребтов. При этом получаемая информация дает масштабное представление о крупных тектонических районах дна океана.

Среднечастотные гидролокаторы бокового обзора используются на глубоководных буксируемых аппаратах, которые движутся, буксируемые судном, на расстояниях 150—200 м от дна. Наклонная дальность таких гидролокаторов обычно находится в пределах от 200 до 400 м. Угол диаграммы направленности, формируемый антенной решеткой, по азимуту составляет 1,5—2°, а по углу места — около 40°.

Такие буксируемые носители в настоящее время могут быть использованы при глубинах океана до 6000 м, обычно скорость буксировки их невелика и находится в пределах 4 км/ч. Информация о рельефе дна обычно записывается на бумажную ленту и параллельно на магнитный носитель. Среднечастотные локаторы бокового обзора используются для исследования микрорельефа дна по данным съемок эхолота (многолучевого эхолота) и низкочастотного локатора бокового обзора. При этом снимаются уже выбранные заранее локальные районы дна.

Для более детальных съемок с высоким разрешением, приближающимся к разрешению, которое обеспечивается малокадровыми телевизионными системами, используются высокочастотные локаторы бокового обзора. Они позволяют получить разрешение до десятых долей метра. При этом приходится заметно сократить наклонную дальность локатора. Обычно она не превышает 30 м. Рабочая частота таких локаторов выше 400 кГц. Один из удачных образцов высокочастотного гидролокатора бокового обзора создан фирмой «Кляйн ассошиейтед». Совершенно очевидно, что высокочастотные локаторы, установленные на глубоководном буксируемом аппарате, оказываются также средством получения уникальной информации о микрорельефе океанского дна.