Эхоледомер



Для обеспечения безопасной навигации автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) в районах Северного Ледовитого океана необходимо иметь информацию о глубине, толщине, профиле нижней границы раздела «вода-лёд» ледового покрова. Эхоледомеры предназначены для измерения этих параметров. Могут размещаться как на подводных аппаратах, так и на подводных лодках и стационарных буйковых станциях. Сегодня существуют два типа эхоледомеров: акусто-гидростатический и акустический (или гидроакустический).

Принцип действия эхоледомера заключается в излучении вертикально вверх ультразвуковых импульсов, которые отражаются на границах «вода-лёд» и «лёд-воздух». Толщина льда определяется по формуле:

ΔL=H-h=(t₂-t₁)/c

где H — глубина погружения АНПА

h — расстояние до нижней границы льда

t₂ — время распространения сигнала до верхней границы льда

t₁ — время распространения сигнала до нижней границы льда

Если t₁=t₂, то лёд над АНПА отсутствует или имеет незначительную толщину.

В акусто-гидростатическом эхоледомере значение толщины льда находится как разность между глубиной АНПА, измеренная датчиком гидростатического давления, и расстоянием от АНПА до нижней границы льда, которое измеряется направленным вверх эхолотом, где Р — преобразователь гидростатического давления; А — антенна эхоледомера; ПП — приёмно-передающий тракт.

Рис. 1. Принцип действия акусто-гидростатического эхоледомера.

Это даёт возможность вычислять осадку льда Z_л в соответствии с выражением

Z_л=H_пi-r_i

где H_пi — глубина погружения i-й акустической антенны; r_i — кратчайшее расстояние между антенной и нижней поверхностью льда в точке излучения. Значение r_i вычисляется по формуле:

r_i = r_i'cosθcosψ=(t_ic)/2 cosθcosψ

где r_i'==(t_ic)/2 — вычисленная по времени запаздывания t_i- дистанция до нижней кромки льда от i-й антенны; с — значение средней по трассе распространения скорости звука; θ, ψ: — соответственно значения углов крена и дифферента объекта в момент излучения; i = 1, 2... — номер антенны.

В общем случае эхоледомер может использовать несколько антенн, находящихся в разных точках АНПА.

Эхоледомер является измерительным устройством, которое должно обеспечивать измерение осадки льда с возможно меньшей погрешностью. Чтобы обеспечить безопасность подлёдного плавания, необходимо точно знать толщину и осадку льда.

Рис. 2. Изображение нижней границы ледового покрова на ленте самописца. Масштабы по оси времени и по глубине отличаются в 100 раз

Преимущества акусто-гидростатического эхоледомера:

− принципиальная простота

− наглядность получаемых данных (рис.1.2)

− возможность измерять осадку льда практически любой толщины.

Для измерения льда можно также использовать и только акустический способ измерения. Этот способ применяется на гидроакустическом эхоледомере.

Измерение толщины льда в гидроакустическом эхоледомере осуществляется с помощью направленного вертикально верх эхолота, излучающего сигналы одновременно на высокой (50–100 кГц) и низкой (до 1 кГц) частотах. Высокочастотный сигнал отражается от границы «вода-лёд», а низкочастотный — от границы «лёд-воздух». Принцип действия гидроакустического эхоледомера показан на рис. 3.

Рис. 3. Принцип работы гидроакустического эхоледомера. ПП_вч, ПП_нч — приёмно-передающая аппаратура высокочастотная и низкочастотная

Частотная зависимость коэффициента затухания для молодых льдов описывается выражением β ≈7,5f^1/2, из которого следует, что даже при очень низкой для эхолотов частоте в 1 кГц и при толщине льда всего 0,5 м сигнал ослабевает на 7,5 дБ в слое льда, а при частотах 50…100 кГц сигнал ослабевает настолько сильно, что отражение происходит только от нижней границы льда. Следовательно, для осуществления акустического способа нижняя частота должна быть равной примерно 1 кГц, а высокая — 50... 100 кГц.

Преимущества гидроакустического эхоледомера:

− показания не зависят от абсолютного гидростатического давления и скорости звука в воде

Недостатки:

− точность зависит от знания средней скорости звука в слое льда

− реализация требует преодоления сложных технических и технологических трудностей

Литература:

1. Богородский А. В., Островкий Д. Б. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства. — СПб.: Изд. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. — 243 с.
2. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана / А. В. Богородский, Г. В. Яковлев, Е. А. Корепин, А. К. Должиков. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. — 264 с.
3. Корякин Ю. А., Смирнов С. А., Яковлев Г. В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы. — СПб.: Наука, 2004. — 409 с.
4. Морской энциклопедический справочник: В двух томах. Том 2 / Под ред. Н. Н. Исанина. — Ленинград: Судостроение, 1987. — 520 с.