PL226571B1 - Brama kalibracyjna do pomiarów sonarowych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest brama kalibracyjna do pomiarów sonarowych, wykorzystywanych w analizach batymetrycznych i przy szacowaniu liczebności oraz wielkości obiektów, zwłaszcza ryb, w toni zbiorników wodnych, charakteryzująca się tym, że zawiera stanowiącą dolny punkt odniesienia pomiaru, a jednocześnie element kotwiczący, stabilizujący pozostałe elementy bramy, sztywną podstawę (1) o płaskiej powierzchni w rzucie równoległym do lustra wody, o masie uniemożliwiającej swobodne przemieszczanie się bramy pod wpływem ruchów wody, powietrza lub podłoża, wykonaną z materiału o gęstości odróżniającej się od gęstości dna zbiornika, do której przymocowany jest co najmniej jeden marker (3) obiektów analizowanych w badanym zbiorniku, korzystnie co najmniej dwa rozmieszczone w znanych odstępach względem siebie markery (3), wykonane z materiałów lekkich, wypełnione ośrodkiem o gęstości różnej od gęstości wody, mające w zależności od potrzeb pomiarowych różną lub równą wielkość i przekrój odpowiadający zakresowi przekrojów analizowanych obiektów, przy czym markery (3) przymocowane są do podstawy (1) za pomocą cienkich, elastycznych łączników (2) o znanej, niezmiennej ale różnej względem siebie długości, ponadto po zewnętrznych, skrajnych stronach podstawy (1) bramy kalibracyjnej, za pomocą elastycznych, sprężystych łączników (4) o zmiennej długości i sprężystości dostosowanej do wahania poziomu lustra wody na badanym zbiorniku, zamocowane są co najmniej dwie pływające po tafli zbiornika boje nawigacyjne (5) o sile wyporności większej od sił sprężystości łączników (4), w taki sposób, by odległość między bojami (5) odpowiadała szerokości łodzi pomiarowej (6) wyposażonej w sonar (7).

Description

Przedmiotem wynalazku jest brama kalibracyjna do pomiarów sonarowych, wykorzystywanych w analizach batymetrycznych i przy szacowaniu liczebności oraz wielkości obiektów, zwłaszcza ryb, w toni zbiorników wodnych.

Analizy batymetryczne polegają na sondowaniu echosondą czaszy zbiornika lub cieku wodnego, pomiarach jego części odsłoniętej oraz aktualnej linii brzegowej o określonym zagęszczeniu pikiet. Głównym celem analiz batymetrycznych jest określenie aktualnej pojemności zbiornika przy różnych rzędnych jego piętrzenia oraz odpowiadających tym napełnieniom powierzchni zalewu. Polega to na zebraniu danych terenowych - analizie głębokości w założonych punktach zbiornika oraz wyznaczeniu izobat, czyli linii łączących punkty o tej samej głębokości. Wyniki pomiarów wyznacza się najczęściej na mapach batymetrycznych. Znajomość aktualnej krzywej pojemności jest niezbędna do prowadzenia prawidłowej gospodarki wodnej na zbiornikach oraz prognozy dalszego ich zalądowania. Jest to najdokładniejsza metoda do określania akumulacji rumowiska lub innych przeszkód w zbiorniku czy cieku wodnym.

Metody detekcji obiektów, na przykład ryb, w toni zbiorników wodnych z wykorzystaniem sonarów od wielu lat znajdują zastosowanie w rybołówstwie oceanicznym i na większych akwenach śródlądowych. Najczęściej używane są do śledzenia przemieszczających się dużych ławic ryb w rybołówstwie morskim, a także migracji ryb na tarliska. Większość dostępnych na rynku sonarów umożliwia rozpoznawanie ryb. Współczesne sonary dają możliwość rejestracji echa pracy głowicy oraz dodatkowo śledzenia trajektorii i odczytu współrzędnych Global Positioning System (GPS) na podstawie danych satelitarnych. Znajdujące się na rynku popularne sonary najczęściej pracują w zakresie 200 kHz i 43 kHz, zależnie od użytej głowicy. Zapewniają wykrywanie obecnych w wodzie ryb, jednak nie pozwalają na szacowanie ich liczby w objętości zbiornika lub wyznaczonego akwenu. Dotychczas, do oceny liczebności ryb swobodnie pływających w zbiornikach o wolnym przepływie wody, nie dysponowano miarodajną, powtarzalną, a także relatywnie tanią metodą pomiaru.

Takie rozwiązanie zostało zaproponowane w polskim zgłoszeniu patentowym P.404131, pt.: „System oraz sposób szacowania liczebności ryb w zbiornikach wodnych”.

Wskazane rozwiązanie to łatwy w obsłudze system analityczny pozwalający na szacowanie liczebności ryb w dowolnym akwenie. Rejestracja ryb jest realizowana przez zdalnie sterowany robot wyposażony w sonar, który w trakcie płynięcia po zadanej trajektorii „skanuje” sonarowo wody zbiornika i rejestruje uzyskane obrazy wody w stożku pomiarowym. Dane o lokalizacji czasowo-przestrzennej obrazów sonarowych, oraz informacje o położeniu głowicy sonaru są rejestrowane i stanowią podstawę do późniejszego szacowania liczebności ryb w akwenie. Analizą zebranych danych zajmuje się specjalnie do tego celu przygotowane oprogramowanie analityczne.

Takie analizy liczebności i wielkości obiektów w toni zbiorników wodnych koncentrują się na analizie obrazów uzyskiwanych w trakcie skanowania sonarem. Dla poprawnej oceny wielkości rejestrowanych obiektów niezbędne jest porównanie z obrazem obiektów referencyjnych o znanej wielkości (na przykład powierzchnia przekroju, gęstość) i położeniu (względna wysokość w metrach n.p.m.).

Analizy batymetryczne i analizy obiektów zanurzonych w toni zbiornika wodnego z wykorzystaniem sonarów wymagają wyznaczenia punktów odniesienia, takich jak wyjściowy poziom lustra wody w akwenie, położenie głowicy sonaru w łodzi w stosunku do dna lub powierzchni lustra wody w akwenie, rozmiar rzeczywisty obrazowanych obiektów. Położenie głowicy sonaru w łodzi może ulegać zmianie w wyniku zmiany ciężaru łodzi. Zmianie ulega również wartość bezwzględna poziomu lustra wody. Uwzględnienie tych parametrów jest niezwykle ważne, szczególnie przy prowadzeniu badań/analiz w dłuższych okresach czasu. Analizy takie prowadzone na zbiornikach wodnych wymagają prostego, niezawodnego sposobu kalibracji pomiaru, pozwalającego na ocenę bezwzględnej wysokości lustra wody oraz ocenę wielkości obiektów analizowanych w słupie wody. Konieczność jednoznacznego określenia bezwzględnej wysokości lustra wody jest szczególnie ważna w przypadku badań prowadzonych na akwenach, w których następują duże wahania poziomu lustra wody, takie jak zbiorniki zaporowe lub kanały. Proponowane rozwiązanie pozwala przypisać kalibrację do każdego, prowadzonego pomiaru łącząc wynik kalibracji plikiem pomiarowym.

Celem wynalazku jest rozwiązanie problemu walidacji, standaryzacji i weryfikacji pomiarów sonarowych prowadzonych na zbiornikach wodnych o zmiennej wysokości lustra wody. W efekcie zastosowania proponowanego wynalazku, do ciągu danych pomiarowych wprowadzane są informacje pozwalające na kalibrację prowadzonego pomiaru, informujące o odległości głowicy sonaru od dolnej

PL 226 571 B1 części bramy kalibracyjnej oraz o proporcjach rzeczywistej powierzchni i objętości elementów zawieszonych w toni zbiornika wodnego do ich obrazu sonarowego.

Istotę wynalazku stanowi brama kalibracyjna do pomiarów sonarowych, wykorzystywanych w analizach batymetrycznych i przy szacowaniu liczebności oraz wielkości obiektów, zwłaszcza ryb, w toni zbiorników wodnych, charakteryzująca się tym, że zawiera sztywną podstawę o płaskiej powierzchni w rzucie równoległym do lustra wody, o masie uniemożliwiającej swobodne przemieszczanie się bramy pod wpływem ruchów wody, powietrza lub podłoża, wykonaną z materiału o gęstości odróżniającej się, korzystnie większej od gęstości dna zbiornika, korzystnie z metalu, stali lub ze zbrojonego betonu. Podstawa stanowi dolny punkt odniesienia pomiaru, a jednocześnie element kotwiczący, stabilizujący pozostałe elementy bramy. Do podstawy bramy kalibracyjnej przymocowany jest co najmniej jeden marker obiektów analizowanych w badanym zbiorniku, korzystnie co najmniej dwa rozmieszczone w znanych odstępach względem siebie markery, wypełnione ośrodkiem o gęstości różnej od gęstości wody. Zastosowanie co najmniej dwóch markerów umożliwia określenie wzajemnych relacji głębokości położenia i wielkości obiektu w stosunku do zarejestrowanego sygnału. Znajomość odstępów między markerami umożliwia kalibrację odległości na uzyskanym obrazie, może także pozwolić na ocenę obszaru objętego wiązką użytego sonaru. Markery wykonane są z materiałów lekkich, mają w zależności od potrzeb pomiarowych różną lub równą wielkość i przekrój odpowiadający zakresowi przekrojów analizowanych obiektów. Markery przymocowane są do podstawy bramy kalibracyjnej za pomocą cienkich, elastycznych łączników o znanej, niezmiennej ale różnej względem siebie długości, przy czym różnica długości łączników, to jest różnica w głębokości zawieszenia markerów musi być taka by rozdzielczość sonaru pozwalała odróżnić te dwa markery jako osobne obiekty. Materiał i gabaryty łączników markerów powinny być tak dobrane by nie generowały sygnału lub ewentualnie generowały sygnał możliwy do odróżnienia od pozostałych sygnałów. Ponadto po zewnętrznych, skrajnych stronach podstawy bramy kalibracyjnej, za pomocą elastycznych, sprężystych łączników o zmiennej długości i sprężystości dostosowanej do wahania poziomu lustra wody na badanym zbiorniku, korzystnie za pomocą sznura gumowego, zamocowane są co najmniej dwie pływające po tafli zbiornika boje nawigacyjne o sile wyporności większej od sił sprężystości łączników, w taki sposób, by odległość między bojami odpowiadała szerokości łodzi pomiarowej wyposażonej w sonar. Takie rozwiązanie zapewnia wyznaczanie pozycji bramy niezależnie od poziomu piętrzenia zbiornika wodnego. Oznaczenie boi powinno być zgodne ze stosowanymi w żegludze znakami nawigacyjnymi.

Korzystnie, podstawę bramy kalibracyjnej stanowi belka o długości odpowiadającej szerokości łodzi pomiarowej wyposażonej w sonar.

Korzystnie, długość łączników i rozmieszczenie markerów są tak dobrane, by możliwe było objęcie sonarową wiązką pomiarową całego układu kalibracyjnego.

Korzystnie, markery analizowanych obiektów wykonane są z tworzywa syntetycznego lub z gumy.

Korzystnie, markery analizowanych obiektów mają kulisty kształt, dzięki czemu położenie i kształt obiektu nie wpływają na otrzymany obraz obiektu.

Korzystnie, markery analizowanych obiektów wypełnione są dowolnym gazem, najkorzystniej z punktu widzenia ekonomicznego - powietrzem.

Bramę kalibracyjną według wynalazku umieszcza się w wybranym miejscu zbiornika wodnego, korzystnie o średniej dla akwenu głębokości, w ściśle określonym położeniu geograficznym i wyzn aczonej bezwzględnej wysokości dna, co zwiększa dokładność pomiaru.

Na dolnym elemencie, to jest podstawie bramy kalibracyjnej o długości odpowiadającej szerokości łodzi wykorzystywanej do pomiarów, zamocowany jest użyty do kalibracji marker lub markery dające silne odbicie echa sonaru, umożliwiające rejestrację sygnałów odbitych od markerów. Podstawa bramy wykonana z elementów ciężkich, odróżniających się gęstością od dna zbiornika (na przykład z metalu, stali lub zbrojonego betonu) stanowi dolny punkt odniesienia pomiaru oraz kotwicę stabilizującą pozostałe elementy bramy.

Kalibracja odbywa się poprzez przepłynięcie łodzią wyposażoną w sonar, korzystnie z jednostajną prędkością odpowiadającą prędkości w trakcie wykonywania właściwych pomiarów i zgodnie z prędkością zalecaną przez producenta przetwornika sonarowego, przez światło bramy kalibracyjnej z włączoną rejestracją analiz sonarowych. Uzyskany w ten sposób obraz stanowi podstawę kalibracji właściwych pomiarów i analizy wielkości docelowych obiektów, zwłaszcza ryb, w toni zbiorników wodnych, ich zanurzenia oraz głębokości akwenu. Możliwe jest to dzięki odniesieniu uzyskanych wyników z pomiarów kalibracyjnych do określonych wielkości obiektów i ich zanurzenia w bramie kalibracyjnej. Pomiar kalibracyjny umożliwia również korektę uzyskanych wyników poprzez uwzględnienie głęboko4

PL 226 571 B1 ści zanurzenia łodzi, poziomu piętrzenia zbiornika lub zmian wynikających z użycia innego przetwornika sonarowego.

Stała pozycja bramy kalibracyjnej pozwala na identyfikację danych kalibracyjnych w szeregu danych pomiarowych i pozwala na wprowadzenie automatycznych lub ręcznych korekt głębokości i analizy powierzchni i objętości mierzonych obiektów.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia lokalizację bramy kalibracyjnej względem łodzi pomiarowej, w widoku z boku, natomiast fig. 2 przedstawia łódź przepływającą przez bramę kalibracyjną w celu kalibracji pomiarów batymetrycznych i szacowania liczebności i wielkości obiektów w akwenach wodnych, w widoku z góry.

P r z y k ł a d

Brama kalibracyjna do pomiarów sonarowych, wykorzystywanych w analizach batymetrycznych i przy szacowaniu liczebności oraz wielkości obiektów, zwłaszcza ryb, w toni zbiorników wodnych, zawiera płaską podstawę 1 w postaci grubościennej stalowej rury o średnicy zewnętrznej 10 cm i dłu-3 gości 2 m, o masie 30 kg i gęstości około 7,5 g cm^-3. Na obydwu końcach rury w jednej linii przymocowane są zaczepy, do których za pomocą elastycznych, sprężystych łączników 4 w postaci sznura gumowego o średnicy 0,4 cm, o zmiennej długości i sprężystości dostosowanej do wahania poziomu lustra wody na badanym zbiorniku, zamocowane są dwie pływające po tafli zbiornika boje nawigacyjne 5 o sile wyporności większej od sił sprężystości łączników 4, przy czym odległość między bojami 5 odpowiada szerokości łodzi pomiarowej 6 wyposażonej w sonar 7. Ponadto pomiędzy skrajnymi zaczepami do mocowania boi nawigacyjnych 5, rura 1 wyposażona jest w trzy zaczepy umieszczone w jednej linii i w odstępach co pół metra od siebie, a do każdego z zaczepów przymocowany jest marker 3 ryb mający postać kuli o średnicy odpowiednio: 1,5; 3,0; 2,0; cm, wykonanej z polipropylenu, wypełnionej powietrzem. Markery 3 przymocowane są do podstawy 1 za pomocą linki kevlarowej o średnicy 1,5 mm, o długości 0,5 m i 1 m skrajne i 1,5 m środkowy.

Claims (7)

1. Brama kalibracyjna do pomiarów sonarowych, wykorzystywanych w analizach batymetrycznych i przy szacowaniu liczebności oraz wielkości obiektów, zwłaszcza ryb, w toni zbiorników wodnych, znamienna tym, że zawiera stanowiącą dolny punkt odniesienia pomiaru, a jednocześnie element kotwiczący, stabilizujący pozostałe elementy bramy sztywną podstawę (1) o płaskiej powierzchni w rzucie równoległym do lustra wody, o masie uniemożliwiającej swobodne przemieszczanie się bramy pod wpływem ruchów wody, powietrza lub podłoża, wykonaną z materiału o gęstości odróżniającej się, korzystnie większej od gęstości dna zbiornika, do której przymocowany jest co najmniej jeden marker (3) obiektów analizowanych w badanym zbiorniku, korzystnie co najmniej dwa rozmieszczone w znanych odstępach względem siebie markery (3), wykonane z materiałów lekkich, wypełnione ośrodkiem o gęstości różnej od gęstości wody, mające w zależności od potrzeb pomiarowych różną lub równą wielkość i przekrój odpowiadający zakresowi przekrojów analizowanych obiektów, przy czym markery (3) przymocowane są do podstawy (1) za pomocą cienkich, elastycznych łączników (2) o znanej, niezmiennej ale różnej względem siebie długości, ponadto po zewnętrznych, skrajnych stronach podstawy (1) bramy kalibracyjnej, za pomocą elastycznych, sprężystych łączników (4) o zmiennej długości i sprężystości dostosowanej do wahania poziomu lustra wody na badanym zbiorniku, korzystnie za pomocą sznura gumowego, zamocowane są co najmniej dwie pływające po tafli zbiornika boje nawigacyjne (5) o sile wyporności większej od sił sprężystości łączników (4), w taki sposób, by odległość między bojami (5) odpowiadała szerokości łodzi pomiarowej (6) wyposażonej w sonar (7).

2. Brama kalibracyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że podstawa (1) bramy kalibracyjnej wykonana jest z metalu, stali lub ze zbrojonego betonu.

3. Brama kalibracyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że podstawę (1) bramy kalibracyjnej stanowi belka o długości odpowiadającej szerokości łodzi pomiarowej (6) wyposażonej w sonar (7).

4. Brama kalibracyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że długość łączników (2) i rozmieszczenie markerów (3) są tak dobrane, by możliwe było objęcie sonarową wiązką pomiarową całego układu kalibracyjnego.

PL 226 571 B1

5. Brama kalibracyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że markery (3) analizowanych obiektów wykonane są z tworzywa syntetycznego lub z gumy.

6. Brama kalibracyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że markery (3) analizowanych obiektów mają kulisty kształt.

7. Brama kalibracyjna według zastrz. 1, znamienna tym, że markery (3) analizowanych obiektów wypełnione są dowolnym gazem, najkorzystniej powietrzem.