RU2740297C1 - Method for visualization of current condition of bottom topography during operation of dredger - Google Patents

Method for visualization of current condition of bottom topography during operation of dredger Download PDF

Info

Publication number
RU2740297C1
RU2740297C1 RU2020115931A RU2020115931A RU2740297C1 RU 2740297 C1 RU2740297 C1 RU 2740297C1 RU 2020115931 A RU2020115931 A RU 2020115931A RU 2020115931 A RU2020115931 A RU 2020115931A RU 2740297 C1 RU2740297 C1 RU 2740297C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
dredger
points
arrival
rotation
Prior art date
Application number
RU2020115931A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Николаевич Семенов
Михаил Николаевич Чемоданов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Нониус Инжиниринг"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Нониус Инжиниринг" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Нониус Инжиниринг"
Priority to RU2020115931A priority Critical patent/RU2740297C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2740297C1 publication Critical patent/RU2740297C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/80Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • G01S3/802Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/808Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using transducers spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to sonar, in particular, for monitoring state of bottom during ship operation of dredge. Invention makes it possible to operate in conditions of water-soil suspension, which inevitably accompanies work at the bottom. To achieve the result of the lateral sighting sonar antenna is installed on the rotary platform below the dredger housing, form and emit narrowly directed direction of rotation and wide in vertical plane sending signal towards bottom, receiving at several phase points reflected from bottom and suspended in the aqueous medium of signals, which are then amplified, digitized and, using Hilbert converters, form an analytical form of the signal, in which the amplitude and phase of each reflected signal is selected, determining direction of its arrival and by time of arrival of signal after sending distance to reflecting non-uniformity, multiple signals obtained thus forms a set of points, then command is sent to antenna rotation unit for next probing cycle, set of points on different angles of rotation of antennae are transmitted to input of spatial filter to exclude points not related to surface of bottom, and further formation of model of bottom surface, which is visualized in unit of display at given moment in time.
EFFECT: high efficiency of real-time monitoring of the current state of the bottom in the working zone of a dredger in the presence of a water-soil mixture both during operation of the dredger and after its stop.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области гидролокации, в частности, для оперативного контроля состояния дна в процессе дноуглубительных или добычных работ судна земснаряда. Изобретение позволяет работать в условиях водно-грунтовой взвеси, которая неизбежно сопровождает любые работы на дне, и для пользователя позволяет получать наглядную картину глубин дна в районе работы земснаряда с заданной для земляных работ на дне точностью (единицы сантиметров).The invention relates to the field of sonar, in particular, for operational monitoring of the state of the bottom in the process of dredging or mining operations of a dredger vessel. The invention makes it possible to work in the conditions of water-soil suspension, which inevitably accompanies any work on the bottom, and allows the user to obtain a clear picture of the depths of the bottom in the area of the dredger operation with the accuracy (units of centimeters) specified for earthwork at the bottom.

Земснаряды - суда технического флота, применяемые для подводной разработки и выемки грунта при дноуглубительных работах и в гидротехническом строительстве. Особенностью любых подводных разработок и выемок грунта является образование водно-грунтовой взвеси, которая мешает работе гидролокаторов, и во время работы земснарядов для определения текущей формы дна используется модельный способ, то есть считается, что там, где прошел рабочий инструмент земснаряда, нет грунта. Но при этом не учитываются осыпи краев ям и выпадающие из рабочего инструмента камни. Возможность провести промеры глубин появляется только через несколько дней после окончания работы земснаряда, и в случае оставленных “недокопов” их приходится исправлять, неся при этом затраты на перестановку и работу земснаряда либо штрафы.Dredgers are vessels of the technical fleet used for underwater development and excavation during dredging and in hydraulic engineering. A feature of any underwater development and excavation is the formation of water-soil suspension, which interferes with the operation of sonars, and during the operation of dredgers, a model method is used to determine the current shape of the bottom, that is, it is believed that where the working tool of the dredger has passed, there is no soil. But this does not take into account the debris of the edges of the pits and stones falling out of the working tool. The ability to measure depths appears only a few days after the end of the work of the dredger, and in the case of abandoned "under-dredges" they have to be corrected, while incurring the costs of rearranging and operating the dredger or fines.

Для повышения эффективности работы земснаряда необходимо в реальном времени во время работы земснаряда контролировать текущее состояние донной поверхности по глубине и видеть на дне оставленные камни, кочки и посторонние предметы. Оптические методы в мутной воде не позволяют видеть на расстояния более полуметра, электромагнитные дальномеры ограничены единицами метров, поэтому единственное физическое поле, подходящее для измерений - это гидроакустическое поле.To increase the efficiency of the dredger, it is necessary to monitor the current state of the bottom surface in depth in real time during the operation of the dredger and see left stones, bumps and foreign objects at the bottom. Optical methods in muddy water do not allow seeing at distances of more than half a meter, electromagnetic rangefinders are limited to units of meters, therefore the only physical field suitable for measurements is the hydroacoustic field.

Известны 2D обзорные гидролокаторы, например, Teledyne Blueview серии M900, они позволяют формировать плоское изображение, отображающее яркость отражения от объектов, расположенных в воде. Такие гидролокаторы являются аналогом сканирующего гидролокатора бокового обзора и не позволяют измерять глубину, так как измеряют только расстояние до отражающего объекта.Known 2D survey sonars, for example, Teledyne Blueview M900 series, they allow you to form a flat image displaying the brightness of the reflection from objects located in the water. Such sonars are analogous to side-scan sonar and do not allow depth measurements, since they only measure the distance to a reflecting object.

Известные системы формирования 3D изображений подводных объектов являются программным расширением многолучевых эхолотов, и они не могут работать в мутной воде - у них отсутствует критерий отличия границы вода-муть и муть-дно.The known systems for forming 3D images of underwater objects are a software extension of multi-beam echo sounders, and they cannot work in muddy water - they do not have a criterion for distinguishing between the water-turbidity and mud-bottom boundaries.

Известен патент RU2510045C2 (опубл. 20.03.2014, МПК G01S15/00) “Способ определения глубин акватории фазовым гидролокатором бокового обзора и фазовый гидролокатор бокового обзора для его осуществления”. В данном патенте предлагается излучение гидроакустического сигнала в сторону дна и прием отраженных сигналов в двух точках, расположенных по вертикали на заданном расстоянии, измерение времени задержки прихода синфазных сигналов, в результате чего для каждого отражающего подводного объекта определяется дистанция до него и направление, то есть относительные координаты. Для построения карты донной поверхности необходимо закрепить данный фазовый гидролокатор бокового обзора на судне и обеспечить движение судна вдоль измеряемой акватории. Недостатком данного решения является отсутствие способа определения карты глубин акватории с неподвижного судна и наличие ошибок определения глубин при работе в условиях водно-грунтовой взвеси.Known patent RU2510045C2 (publ. 03/20/2014, IPC G01S15 / 00) "A method for determining the depths of the water area with a side-looking phase sonar and a side-looking phase sonar for its implementation." This patent proposes emitting a hydroacoustic signal towards the bottom and receiving reflected signals at two points located vertically at a given distance, measuring the time delay of the arrival of in-phase signals, as a result of which the distance to it and the direction is determined for each reflecting underwater object, that is, the relative coordinates. To build a bottom surface map, it is necessary to fix this phase side-scan sonar on the vessel and ensure the movement of the vessel along the measured water area. The disadvantage of this solution is the lack of a method for determining the depth map of the water area from a stationary vessel and the presence of errors in determining the depths when working in conditions of water-soil suspension.

Наиболее близким прототипом является «Способ определения глубин в реальном масштабе времени при обследовании рельефа дна гидролокатором бокового обзора с последующим его восстановлением» (RU2521127С2, опубл. 27.06.2014 г., МПК G01S 15/89), включающий измерения времени задержки синфазных сигналов донной реверберации, принимаемых двумя антеннами, разнесенными по вертикали на несколько длин волн упругих колебаний, и разрешение неоднозначности измерений, вычисление глубин. Далее при каждом совпадении фаз интерферирующих сигналов регистрируют мгновенное значение частоты сигнала в нижнем канале, измеряют время запаздывания появления сигнала в верхнем канале с тем же значением мгновенной частоты, измеренное значение времени запаздывания умножают на значение рабочей частоты интерферометра, определяют порядковую нумерацию ряда измерений задержки прихода синфазных сигналов в период каждого зондирования в реальном масштабе времени. Глубины вычисляют, соответствующие каждой интерференционной полосе, а при последующем восстановлении рельефа дна по измеренным глубинам выполняют оценку репрезентативности (значимости) критических точек рельефа путем представления гладкой непрерывной поверхности рельефа дна деревом Кронрода-Риба.The closest prototype is "A method for determining depths in real time when examining the bottom topography with a side-scan sonar followed by its restoration" (RU2521127C2, publ. 06/27/2014, IPC G01S 15/89), including measuring the delay time of the in-phase signals of the bottom reverberation , received by two antennas, vertically spaced by several wavelengths of elastic vibrations, and resolution of measurement ambiguity, calculation of depths. Then, at each phase coincidence of the interfering signals, the instantaneous value of the signal frequency in the lower channel is recorded, the delay time of the appearance of the signal in the upper channel with the same instantaneous frequency is measured, the measured value of the delay time is multiplied by the value of the operating frequency of the interferometer, the ordinal numbering of a number of measurements of the arrival delay of in-phase signals during each sounding in real time. The depths are calculated corresponding to each interference fringe, and during the subsequent restoration of the bottom topography from the measured depths, the representativeness (significance) of critical topography points is assessed by representing a smooth continuous bottom topography surface with a Kronrod-Riba tree.

Преимуществом прототипа перед аналогами является возможность формирования гладкой непрерывной поверхности рельефа дна.The advantage of the prototype over analogues is the ability to form a smooth continuous surface of the bottom relief.

Недостатком прототипа является отсутствие фильтрации скачков плотности взвеси и, как следствие, наличие ошибок определения глубин при работе в условиях водно-грунтовой взвеси, создаваемой работающим земснарядом.The disadvantage of the prototype is the lack of filtration of the suspension density jumps and, as a consequence, the presence of errors in determining the depths when working in conditions of water-soil suspension created by a working dredger.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности оперативного контроля текущего состояния дна в рабочей зоне земснаряда при наличии водно-грунтовой смеси как во время работы земснаряда, так и после его остановки. Достигается это установкой антенны интерференционного гидролокатора бокового обзора на поворотную платформу ниже корпуса земснаряда с целью получения набора профилей сечения дна под земснарядом с различным азимутом, после чего пространственной фильтрации полученных эхосигналов для разделения отражений от дна и от неоднородностей в водной среде (водно-грунтовой взвеси) и построения гладкой поверхности дна.The technical result of the invention is to improve the efficiency of operational monitoring of the current state of the bottom in the working area of the dredger in the presence of a water-soil mixture both during the operation of the dredger and after it has stopped. This is achieved by installing a side-scan interference sonar antenna on a rotating platform below the dredger body in order to obtain a set of bottom cross-sectional profiles under the dredger with different azimuth, after which spatial filtering of the received echo signals to separate reflections from the bottom and from irregularities in the aquatic environment (water-soil suspension) and building a smooth bottom surface.

Известно, что амплитуда отраженного от неоднородностей среды сигнала имеет вид [1]:It is known that the amplitude of the signal reflected from medium inhomogeneities has the form [1]:

Figure 00000001
(1)
Figure 00000001
(one)

гдеWhere

p(t) - давление на приемнике, p (t) - pressure at the receiver,

p 0 (t) - давление на излучателе, p 0 (t) - pressure on the radiator,

r - дистанция до объекта локации, r - distance to the location object,

m v - удельный коэффициент обратного отражения, зависящий от отражающего объема, размера частиц и частоты излучения, m v - specific coefficient of back reflection, depending on the reflecting volume, particle size and radiation frequency,

R A - характеристика направленности приемо-излучателя, R A is the directivity characteristic of the transceiver,

c - скорость звука в воде, c is the speed of sound in water,

τ - задержка по времени относительно посылки, τ is the time delay relative to the message,

R Э - эквивалентный радиус отражающего объекта, R Э - equivalent radius of the reflecting object,

β - коэффициент поглощения среды. β is the absorption coefficient of the medium.

Для того чтобы принять отраженный от дна сигнал необходимо:In order to receive the signal reflected from the bottom it is necessary:

- чтобы отражающий объект был много больше половины длины волны зондирующего сигнала (R Э >> c/f);- that the reflecting object was much greater than the half wavelength of the probe signal (R E >> c / f);

- чтобы проводящая сигнал среда была как можно менее поглощающей (параметр β как можно меньше).- so that the medium conducting the signal is as less absorbing as possible (parameter β is as small as possible).

При этом частота зондирующего сигнала снизу ограничена точностью локации (способностью обнаружить небольшие объекты на дне), а сверху - поглощающей способностью водно-грунтовой смеси. При размере частиц смеси менее 1 мм частота зондирующего сигнала должна быть 100...300 кГц при локации 20...75 метров от земснаряда. При этом стоит учитывать, что дальность локации также ограничена глубиной водоема и не может быть больше 5..7 глубин. Чем выше частота тем выше точность локации, но меньше дальность работы, чем ниже частота - наоборот, больше дальность работы гидролокатора, но ниже точность.In this case, the frequency of the sounding signal is limited from below by the location accuracy (the ability to detect small objects at the bottom), and from above by the absorbing capacity of the water-soil mixture. When the particle size of the mixture is less than 1 mm, the frequency of the probing signal should be 100 ... 300 kHz at a location of 20 ... 75 meters from the dredger. It should be borne in mind that the range of the location is also limited by the depth of the reservoir and cannot be more than 5..7 depths. The higher the frequency, the higher the location accuracy, but the shorter the operating range, the lower the frequency - on the contrary, the longer the sonar range, but the lower the accuracy.

Отраженный от неровностей дна сигнал попадает на приемные антенны так, чтобы приходящий с разных направлений сигнал приходил с разными задержками сигнала по времени. Для этого приемные антенны располагают на некотором расстоянии по вертикали, как показано на Фиг. 2.The signal reflected from the unevenness of the bottom hits the receiving antennas so that the signal arriving from different directions arrives with different signal time delays. For this, the receiving antennas are positioned at a certain vertical distance, as shown in FIG. 2.

Таким образом, принимаем два сигнала [2]:Thus, we receive two signals [2]:

Figure 00000002
,
Figure 00000002
,

Figure 00000003
Figure 00000003

То есть сигналы отличаются только задержкой прихода сигналов, зависящей от расстояния между приемными элементами, направления прихода и скорости звука в воде.That is, the signals differ only in the signal arrival delay, which depends on the distance between the receiving elements, the direction of arrival and the speed of sound in water.

При использовании тонального зондирующего сигнала (когда посылается ограниченный по времени синусоидальный сигнал) задержка прихода сигналов может быть выражена через разницу фаз двух принятых сигналов:When using a probe tone (when a time-limited sinusoidal signal is sent), the signal arrival delay can be expressed in terms of the phase difference of the two received signals:

Figure 00000004
.
Figure 00000004
...

Измерение разности фаз двух сигналов - типовая операция при цифровой обработке и аналитическом представлении сигналов (например, после преобразования Гильберта):Measuring the phase difference of two signals is a typical operation in digital processing and analytical presentation of signals (for example, after the Hilbert transform):

Figure 00000005
.
Figure 00000005
...

Отсюда вытекает требование к расположению приемных антенн - они должны располагаться на расстоянии не более половины длины волны принимаемого сигнала. При нарушении данного требования появляется неоднозначность пеленгования - появляется несколько направлений, разница фаз принимаемых сигналов с которых имеет одинаковое значение.Hence the requirement for the location of receiving antennas - they should be located at a distance of no more than half the wavelength of the received signal. If this requirement is violated, direction finding ambiguity appears - several directions appear, the phase difference of the received signals from which has the same value.

Посылаемый сигнал распространяется от излучающей антенны со скоростью звука в воде, и фронт волны движется через водно-грунтовую взвесь в сторону дна и вдоль него. Любая неоднородность как в водной среде, так и на дне формирует отраженный сигнал, распространяющийся во все стороны, в том числе в сторону приемных антенн. Таким образом, на приемные антенны приходит сумма большого числа отраженных от расположенных в разных точках пространства сигналов. Амплитуды сигналов, как было сказано, зависят от размера неоднородности (чем больше неоднородность тем сильнее сигнал), контраста (чем сильнее отличается плотность и скорость звука между материалами сгустка или граница воды-дна тем сильнее отражение). Поэтому можно считать, что каждое дискретное значение принятого сигнала, воспринимаемое как критическая точка, определяет дистанцию по задержке после посылки и направление прихода по разнице фаз между приемными элементами антенны, по которым можно вычислить глубину места и смещение от антенны.The sent signal propagates from the emitting antenna at the speed of sound in the water, and the wave front moves through the water-soil suspension towards the bottom and along it. Any inhomogeneity both in the aquatic environment and at the bottom forms a reflected signal that propagates in all directions, including towards the receiving antennas. Thus, the sum of a large number of signals reflected from different points in space comes to the receiving antennas. The amplitudes of the signals, as it was said, depend on the size of the inhomogeneity (the larger the inhomogeneity, the stronger the signal), contrast (the more the density and speed of sound between the materials of the bunch or the water-bottom boundary differ, the stronger the reflection). Therefore, we can assume that each discrete value of the received signal, perceived as a critical point, determines the distance in delay after sending and the direction of arrival from the phase difference between the receiving elements of the antenna, from which the depth of the location and the offset from the antenna can be calculated.

Так как величины дистанции и направления прихода критических точек не позволяют судить, какие из них более репрезентативные, относящиеся к поверхности дна, а какие нет, за исключением только точек с наибольшим значением минимума и максимума амплитуды. Для определения значимости критической точки поверхности в качестве подходящей основы воспользуемся широко используемым в зарубежной картографии понятием "топографической значимости" (topographic prominence) [5].Since the values of the distance and direction of arrival of critical points do not allow judging which of them are more representative, related to the bottom surface, and which are not, with the exception of only the points with the highest value of the minimum and maximum amplitude. To determine the significance of the critical point of the surface as a suitable basis, we will use the concept of "topographic prominence" widely used in foreign cartography [5].

Топографическая значимость - это перепад высот между вершиной и самой высокой седловой точкой, которая отделяет эту вершину от любой более высокой вершины. Но прямое использование этого понятия в наших целях невозможно, так как оно рассматривает только точки локальных максимумов и седловые точки, но не включает в рассмотрение точки локальных минимумов рельефа, и, оно не опирается на математические понятия, что не гарантирует отсутствие логических и алгоритмических ошибок. Последнее проявляется, например, в том, что определение топографической значимости не позволяет сделать однозначный выбор седловой точки, относительно которой отсчитывается высота вершины.Topographic significance is the height difference between a summit and the highest saddle point that separates that summit from any higher summit. But the direct use of this concept for our purposes is impossible, since it considers only the points of local maxima and saddle points, but does not include the points of local minima of the relief, and it does not rely on mathematical concepts, which does not guarantee the absence of logical and algorithmic errors. The latter is manifested, for example, in the fact that the determination of topographic significance does not allow making an unambiguous choice of the saddle point relative to which the height of the top is measured.

Предложенные в прототипе методы (поверхность Морса, дерево Кронрода-Риба) в условиях наличия водно-грунтовой взвеси оказываются неприменимы, так как не позволяют отсеивать “репрезентативные” критические точки от сгустков водно-грунтовой смеси, имеющие достаточно большую амплитуду отраженного сигнала, содержащие седловые точки, но не отображающие текущее состояние дна. Поэтому необходимо использовать дополнительную пространственную фильтрацию, отсеивающую критические точки, не относящиеся к поверхности дна и объектов на дне.The methods proposed in the prototype (Morse surface, Kronrod-Riba tree) in the presence of water-soil suspension are inapplicable, since they do not allow one to filter out “representative” critical points from clots of water-soil mixture, which have a sufficiently large amplitude of the reflected signal containing saddle points but not showing the current state of the bottom. Therefore, it is necessary to use additional spatial filtering to filter out critical points that are not related to the bottom surface and objects on the bottom.

Такой фильтрацией, обеспечивающей физически обоснованное разделение на точки, относящиеся к поверхности дна, и шумы является Калмановская фильтрация [3]. Но “обыкновенный” Калмановский фильтр (CKF) работает хорошо лишь в исключительных - так называемых хорошо обусловленных - задачах и расходится в большинстве практических задач. Необходим устойчивый и численно эффективный алгоритм пространственной фильтрации.Kalman filtration is such a filtration that provides a physically justified separation into points related to the bottom surface and noise [3]. But the “ordinary” Kalman filter (CKF) works well only in exceptional - so-called well-conditioned - problems and diverges in most practical problems. A robust and numerically efficient spatial filtering algorithm is required.

Явление расходимости теоретического алгоритма CKF породило поиски альтернатив, алгебраически эквивалентных CKF, но в вычислениях значительно более устойчивых.The phenomenon of divergence of the theoretical CKF algorithm gave rise to the search for alternatives that are algebraically equivalent to CKF, but much more stable in calculations.

Хорошо известно, что основная вычислительная нагрузка в фильтре Калмана приходится на итерации уравнения Риккати [4]. Чтобы сократить объем вычислений, Мартин Морф и Томас Кайлат [4] предложили совместить в одной ортогонализированной схеме вычислений этапы экстраполяции и обработки измерений фильтра, что сделало алгоритм устойчивым. В настоящее время появилась возможность использования параллельных вычислений, в результате чего данный алгоритм был переписан для представления в блочной форме, удобной для параллельных вычислений.It is well known that the main computational load in the Kalman filter falls on iterations of the Riccati equation [4]. To reduce the amount of computation, Martin Morph and Thomas Kailat [4] proposed to combine the stages of extrapolation and processing of filter measurements in one orthogonalized computation scheme, which made the algorithm stable. At present, the possibility of using parallel computations has appeared, as a result of which this algorithm has been rewritten to be presented in a block form, convenient for parallel computations.

В предлагаемом способе антенна поворачивается на заданный угол после каждого цикла зондирования, принимаемый сигнал на каждом цикле содержит последовательность критических точек, имеющих координату и глубину. Программа обрабатывает полученный набор критических точек описанным способом. Результаты вычислений каждого блока стыкуются в виде граничных условий, после чего вычисления повторяют. Количество итераций в таком подходе оказывается существенно меньше, чем при классическом способе вычислений, а результат алгебраически совпадает.In the proposed method, the antenna is rotated by a predetermined angle after each sounding cycle, the received signal at each cycle contains a sequence of critical points with a coordinate and depth. The program processes the obtained set of critical points in the described way. The calculation results for each block are joined in the form of boundary conditions, after which the calculations are repeated. The number of iterations in this approach turns out to be significantly less than in the classical method of calculations, and the result algebraically coincides.

Таким образом, оказывается возможным построить гладкую модель поверхности дна в районе работы земснаряда с заданной точностью даже в условиях водно-грунтовой взвеси с неподвижного или малоподвижного земснаряда. Это обеспечивает проведение оперативного контроля состояния дна в процессе дноуглубительных или добычных работ.Thus, it is possible to construct a smooth model of the bottom surface in the area of operation of the dredger with a given accuracy, even in conditions of water-soil suspension from a stationary or slow-moving dredger. This ensures operational monitoring of the seabed condition during dredging or mining operations.

Реализация предлагаемого способа представлена на чертежах:The implementation of the proposed method is shown in the drawings:

Фиг. 1 - структурная схема последовательности операций при реализации способа;FIG. 1 is a block diagram of the sequence of operations when implementing the method;

Фиг. 2 - пример расположения антенн относительно земснаряда.FIG. 2 is an example of the location of the antennas in relation to the dredger.

Способ визуализации текущего состояния рельефа дна при работе земснаряда осуществляется с использованием (фиг.1) генератора зондирующих импульсов 1, усилителя мощности 2, пьезоакустического излучателя 3, который может быть совмещен с приемником, набора пьезоакустических приемников 4, усилителей 5, аналогово-цифровых преобразователей 6, преобразователя Гильберта 7, блока выделения амплитуды и фазы сигнала 8, блока определения дистанции и направления прихода сигнала 9, блока пространственной фильтрации 10 и блока отображения 11. Блок 12 обеспечивает управление поворотом антенны.The method of visualizing the current state of the bottom relief during operation of the dredger is carried out using (Fig. 1) a probe pulse generator 1, a power amplifier 2, a piezoacoustic emitter 3, which can be combined with a receiver, a set of piezoacoustic receivers 4, amplifiers 5, analog-to-digital converters 6 , a Hilbert transducer 7, a unit for separating the amplitude and phase of the signal 8, a unit for determining the distance and direction of arrival of the signal 9, a spatial filtering unit 10 and a display unit 11. Unit 12 provides antenna rotation control.

Способ работает следующим образом. The method works as follows.

Генератор зондирующих импульсов 1 формирует сигнал посылки, который проходит через усилитель мощности 2 и узконаправленный сигнал антенной 3 излучают в воду под земснарядом. Отраженные от неоднородностей на дне и в толще воды сигналы поступают на приемные элементы антенны 4, которых может быть 2 и более для однозначности пеленгования. Сигналы с приемных элементов поступают на усилители 5, АЦП 6, в цифровом виде преобразуются в аналитический вид с помощью блоков преобразователей Гильберта 7, в аналитическом сигнале выделяется амплитуда и фаза каждого сигнала 8. По разнице фаз между сигналами определяется направление прихода, а по времени после посылки определяется дистанция до отражающей неоднородности в блоке 9. Полученное облако точек, каждая точка со своей дистанцией и направлением прихода, поступают на блок пространственного фильтра 10, где отбрасываются ложные точки (шумы) и формируется модель поверхности дна, после чего полученный результат поступает в блок 11 для отображения и визуализации рельефа дна. После окончания обработки одного цикла зондирования поступает команда на блок 12 поворота антенны для следующего цикла зондирования. Количество циклов определяется размером сектора углов работы системы и требуемой точностью построения карты дна.The probe pulse generator 1 generates a parcel signal, which passes through the power amplifier 2 and the narrow-beam signal is emitted by the antenna 3 into the water under the dredger. The signals reflected from the irregularities at the bottom and in the water column arrive at the receiving elements of the antenna 4, which can be 2 or more for unambiguous direction finding. Signals from the receiving elements are fed to amplifiers 5, ADC 6, digitally converted into an analytical form using Hilbert transducer blocks 7, the analytical signal highlights the amplitude and phase of each signal 8. The direction of arrival is determined from the phase difference between the signals, and the time after transmitting, the distance to the reflective heterogeneity in block 9 is determined. The resulting point cloud, each point with its own distance and direction of arrival, is sent to the spatial filter block 10, where false points (noise) are discarded and a model of the bottom surface is formed, after which the obtained result enters the block 11 to display and visualize the bottom topography. After finishing the processing of one sounding cycle, a command is sent to the antenna rotation unit 12 for the next sounding cycle. The number of cycles is determined by the size of the sector of the angles of the system and the required accuracy of the bottom map.

Использование данного изобретения повышает эффективность дноуглубительных и добычных работ на земснарядах благодаря постоянному контролю качества производимых работ, что позволяет обойтись без простоев в процессе работы земснаряда из-за ожидания оседания взвеси, последующих промеров глубин и исправления недокопов, а также снижения избыточного углубления дна (багерского запаса). Применение недорогой и надежной антенны интерферометрического гидролокатора бокового обзора на поворотной платформе позволяет получить более точную и подробную карту поверхности дна, чем во много раз более дорогие многолучевые эхолоты.The use of this invention increases the efficiency of dredging and mining operations on dredgers due to constant monitoring of the quality of the work performed, which makes it possible to do without downtime during the operation of the dredger due to the expectation of suspension sedimentation, subsequent measurements of depths and correction of under-dredging, as well as reduction of excessive deepening of the bottom (dredge stock ). The use of an inexpensive and reliable side-scan interferometric sonar antenna on a turntable provides a more accurate and detailed map of the bottom surface than many times more expensive multibeam echo sounders.

Источники информации:Information sources:

1. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. Учебник для техникумов (Ленинград: Издательство «Судостроение», 1980).1. Sverdlin G.M. Hydroacoustic transducers and antennas. Textbook for technical schools (Leningrad: Publishing House "Shipbuilding", 1980).

2. Малышкин Г.С. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов. Том 1. Оптимальные методы - СПб.: Электроприбор, 2009. - 400 с.2. Malyshkin G.S. Optimal and adaptive methods for processing hydroacoustic signals. Volume 1. Optimal methods - SPb .: Elektropribor, 2009. - 400 p.

3. Kalman R.E. A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems // ASME Journal of Basic Engineering, 1960, Vol. 82, pp. 34-45.3. Kalman R.E. A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems // ASME Journal of Basic Engineering, 1960, Vol. 82, pp. 34-45.

4. Lange A.A. Optimal Kalman Filtering for Ultra-Reliable Tracking, ESA CD-ROM WPP-237 // Atmospheric Remote Sensing Using Satellite Navigation Systems, Proceedings, Special Symposium of the URSI Joint Working Group FG, 13-15 October 2003, Matera, Italy.4. Lange A.A. Optimal Kalman Filtering for Ultra-Reliable Tracking, ESA CD-ROM WPP-237 // Atmospheric Remote Sensing Using Satellite Navigation Systems, Proceedings, Special Symposium of the URSI Joint Working Group FG, 13-15 October 2003, Matera, Italy.

5. Christopherson G.L. Using ARC/GRID to Calculate Topographic Prominence in an Archaeological Landscape. // Arc/INFO User Conference, 2003. - 15 pp. Podobnikar T. Method for Determination of the Mountain Peaks // 12th AGILE International Conference on Geographic Information Science, Leibniz Universitat Hannover, Germany,2009, p.1-8.5. Christopherson G.L. Using ARC / GRID to Calculate Topographic Prominence in an Archaeological Landscape. // Arc / INFO User Conference, 2003 .-- 15 pp. Podobnikar T. Method for Determination of the Mountain Peaks // 12th AGILE International Conference on Geographic Information Science, Leibniz Universitat Hannover, Germany, 2009, p. 1-8.

Claims (11)

1. Способ визуализации текущего состояния рельефа дна при работе земснаряда, включающий: 1. A method of visualizing the current state of the bottom relief during the operation of the dredger, including: размещение излучающей и приемных антенн с возможностью их поворота под днищем земснаряда, placement of the emitting and receiving antennas with the possibility of their rotation under the bottom of the dredger, формирование и излучение узконаправленного по направлению поворота и с широкой характеристикой направленности в вертикальной плоскости сигнала посылки в сторону дна, formation and emission of a signal, which is narrowly directed in the direction of rotation and with a wide directivity characteristic in the vertical plane, towards the bottom, прием отраженных от дна и взвеси в водной среде сигналов приемными антеннами, которые затем усиливают, оцифровывают и, используя преобразователи Гильберта, формируют аналитический вид сигнала, причем каждое дискретное значение принятого сигнала воспринимается как критическая точка,reception of signals reflected from the bottom and suspended matter in the aquatic environment by receiving antennas, which are then amplified, digitized and, using Hilbert transducers, form an analytical form of the signal, and each discrete value of the received signal is perceived as a critical point, выделение, в аналитическом виде сигнала, амплитуды и фазы каждой критической точки отраженного сигнала, isolation, in an analytical form of the signal, the amplitude and phase of each critical point of the reflected signal, определение направления прихода каждой критической точки отраженного сигнала по разнице фаз между приемными элементами антенны и дистанции до отражающей неоднородности по времени прихода после посылки, determination of the direction of arrival of each critical point of the reflected signal from the phase difference between the receiving elements of the antenna and the distance to the reflective inhomogeneity in the time of arrival after sending, формирование совокупности пространственных точек из всех полученных критических точек итеративно производя пространственную фильтрацию критических точек на относящиеся к поверхности дна и шумы, используя фильтр Калмана на основе выражения Мартина Морфа и Томаса Кайлата, formation of a set of spatial points from all obtained critical points by iteratively performing spatial filtering of critical points for the bottom surface and noise, using the Kalman filter based on the expression of Martin Morph and Thomas Kailat, поворот излучающей и приемных антенн для проведения следующего цикла зондирования, rotation of the transmitting and receiving antennas for the next sounding cycle, формирование модели поверхности дна, в которой полученные при различных положениях поворотной антенны наборы пространственных точек стыкуются в виде граничных условий, и formation of a bottom surface model, in which the sets of spatial points obtained at different positions of the rotary antenna are joined in the form of boundary conditions, and визуализацию сформированной модели поверхности в блоке отображения в данный момент времени.visualization of the generated surface model in the display unit at a given time. 2. Способ по п.1, в котором частоту узконаправленного луча сигнала посылки выбирают с учетом размеров частиц взвеси в водной среде и точности определения глубин при работе земснаряда.2. The method according to claim 1, in which the frequency of the narrowly directed beam of the sending signal is selected taking into account the particle size of the suspension in the aquatic environment and the accuracy of determining the depths during the operation of the dredger.
RU2020115931A 2020-05-15 2020-05-15 Method for visualization of current condition of bottom topography during operation of dredger RU2740297C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020115931A RU2740297C1 (en) 2020-05-15 2020-05-15 Method for visualization of current condition of bottom topography during operation of dredger

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020115931A RU2740297C1 (en) 2020-05-15 2020-05-15 Method for visualization of current condition of bottom topography during operation of dredger

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2740297C1 true RU2740297C1 (en) 2021-01-13

Family

ID=74183722

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020115931A RU2740297C1 (en) 2020-05-15 2020-05-15 Method for visualization of current condition of bottom topography during operation of dredger

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2740297C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112596061A (en) * 2021-03-02 2021-04-02 南京梅里科斯科技有限公司 3D underwater acoustic wave scanning imaging method
RU2814972C1 (en) * 2023-06-19 2024-03-07 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова" Device for detecting objects lifted by dredger during dredging operations

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1329829A (en) * 1969-11-26 1973-09-12 Emi Ltd Sonar systems
US3967233A (en) * 1973-08-16 1976-06-29 Etat Francais Sonar system for classifying submerged objects
US4586172A (en) * 1982-04-23 1986-04-29 Thomson-Csf Adaptable filtering device and method for filtering sonar signals to remove reverberation signals due to vehicle speed and trim and the sea surface and sea bottom
EP1089092A1 (en) * 1999-10-01 2001-04-04 Baggermaatschappij Boskalis B.V. Method and apparatus for measuring physical parameters from the phase and amplitude histories of an acoustic signal
RU2519269C1 (en) * 2012-12-12 2014-06-10 Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт" (ОАО "ГНИНГИ") Method of surveying bottom topography of water area and apparatus therefor
RU167401U1 (en) * 2016-08-01 2017-01-10 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" Side-View Interferometric Sonar

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1329829A (en) * 1969-11-26 1973-09-12 Emi Ltd Sonar systems
US3967233A (en) * 1973-08-16 1976-06-29 Etat Francais Sonar system for classifying submerged objects
US4586172A (en) * 1982-04-23 1986-04-29 Thomson-Csf Adaptable filtering device and method for filtering sonar signals to remove reverberation signals due to vehicle speed and trim and the sea surface and sea bottom
EP1089092A1 (en) * 1999-10-01 2001-04-04 Baggermaatschappij Boskalis B.V. Method and apparatus for measuring physical parameters from the phase and amplitude histories of an acoustic signal
RU2519269C1 (en) * 2012-12-12 2014-06-10 Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский навигационно-гидрографический институт" (ОАО "ГНИНГИ") Method of surveying bottom topography of water area and apparatus therefor
RU167401U1 (en) * 2016-08-01 2017-01-10 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" Side-View Interferometric Sonar

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГОСТ Р 8.777-2011, Группа Т86.5 Государственная система обеспечения единства измерений, Дисперсный состав аэрозолей и взвесей, Определение размеров частиц по дифракции лазерного излучения, дата введения 2013-01-01. *
Интерферометрический гидролокатор H4i3, ООО Экран, 02 Февраля 2020, найдено на http://hydrasonars.ru/products/measuring-sonar-systems/interferometric-side-scan-sonar-h4i3, подтверждено Web архивом на https://web.archive.org/web/ 20200202151121/http://hydrasonars.ru/products/measuring-sonar-systems/interferometric-side-scan-sonar-h4i3. *
Интерферометрический гидролокатор H4i3, ООО Экран, 02 Февраля 2020, найдено на http://hydrasonars.ru/products/measuring-sonar-systems/interferometric-side-scan-sonar-h4i3, подтверждено Web архивом на https://web.archive.org/web/ 20200202151121/http://hydrasonars.ru/products/measuring-sonar-systems/interferometric-side-scan-sonar-h4i3. EP 1089092 A1 - 2001-04-04. ГОСТ Р 8.777-2011, Группа Т86.5 Государственная система обеспечения единства измерений, Дисперсный состав аэрозолей и взвесей, Определение размеров частиц по дифракции лазерного излучения, дата введения 2013-01-01. RU 2519269 C1 - 2014-06-10. RU 167401 U1 - 2017-01-10. GB 1329829 A - 1973-09-12. US 3967233 A - 1976-06-29. US 4586172 A - 1986-04-29. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112596061A (en) * 2021-03-02 2021-04-02 南京梅里科斯科技有限公司 3D underwater acoustic wave scanning imaging method
RU2814972C1 (en) * 2023-06-19 2024-03-07 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова" Device for detecting objects lifted by dredger during dredging operations

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4532617A (en) System for locating a towed marine object
US6438071B1 (en) Method for producing a 3D image
KR101294493B1 (en) Method and device for measuring a contour of the ground
RU2590933C1 (en) Device for obtaining information on noisy object in sea
RU2010109969A (en) METHOD FOR SHOOTING AQUATORIA BOTTOM RELIEF AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
RU2012153734A (en) METHOD FOR SHOOTING AQUATORIA BOTTOM RELIEF AND DEVICE FOR SHOOTING AQUATORIA BOTTOM RELIEF
RU2461845C1 (en) Hydroacoustic system for imaging underwater space
RU2009110868A (en) METHOD FOR SHOOTING AQUATORIA BOTTOM RELIEF AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
RU2608301C2 (en) System and method for 3d examination of sea bottom for engineering survey
RU2451300C1 (en) Hydroacoustic navigation system
RU2740297C1 (en) Method for visualization of current condition of bottom topography during operation of dredger
CN110907937B (en) Buried object synthetic aperture three-dimensional imaging method based on T-shaped array
US20220236437A1 (en) Method and system for determining top and bottom depth of an under water mud layer
RU2424538C1 (en) Method of searching for mineral deposits using submarine geophysical vessel
KR101331333B1 (en) Method and device for measuring a profile of the ground
EA035249B1 (en) Detection system and method to check the position of a pipeline in a bed of a body of water
RU2510608C1 (en) Method of measuring thickness of ice from underwater vehicle
CN115308800A (en) Method for positioning ocean bottom seismograph by utilizing ocean bottom reflected wave travel time and topographic data and processing terminal
RU166051U1 (en) CORRELATION LAG
RU2510045C2 (en) Side-scanning phase sonar
JP6922262B2 (en) Sonar image processing device, sonar image processing method and sonar image processing program
KR20100130537A (en) Method of calculating underwater sediment distribution database
CN112596061A (en) 3D underwater acoustic wave scanning imaging method
RU2018145186A (en) A method of restoring the topography of the seabed when measuring depths using hydroacoustic means installed on moving marine objects and a device for its implementation
RU98254U1 (en) MULTI-FREQUENCY CORRELATION HYDROACOUSTIC LAG