Artur GRZĄDZIEL, Dywizjon Zabezpieczenia Hydrograficznego Marynarki Wojennej, Gdynia Marian KOPCZEWSKI, Bartłomiej PĄCZEK Wydział Dowodzenia i Operacji Morskich, Akademia Marynarki Wojennej w Gdyni E mail: b.paczek@amw.gdynia.pl Identyfikacja obiektów podwodnych z wykorzystaniem cyfrowych systemów hydroakustycznych Streszczenie: W referacie przedstawiono, na przykładzie prac hydrograficznych prowadzonych przez okręt ORP Arctowski, metodykę identyfikacji obiektów podwodnych, z położeniem nacisku na sprzęt hydroakustyczny i komputerowy wykorzystywany w tym procesie. Scharakteryzowano rolę techniki komputerowej, dzięki której prace hydrograficzne prowadzone są bez narażania życia ludzkiego, a osiągnięte efekty wykraczają daleko poza te, które osiągniętoby bez zastosowania tej techniki. 1. Wstęp W XXI wieku elektronika i techniki komputerowe wkroczyły w niemal każdą dziedzinę życia. Jednym z obszarów, coraz szerszego zastosowania zaawansowanego sprzętu elektronicznego, w tym komputerowego, jest hydrografia morska. Spójrzmy więc na elementy, które składać się będą na system pomiarów hydrograficznych służący realizacji podstawowych zadań stawianych współczesnym jednostkom hydrograficznym. System ten scharakteryzowany zostanie przez pryzmat zadania, jakie postawione zostało okrętowi hydrograficznemu Marynarki Wojennej RP ORP Arctowski zadania przeprowadzenia kompleksowych badań hydrograficznych mających na celu identyfikację wykrytego obiektu podwodnego znacznych rozmiarów oraz określenie stopnia zagrożenia, jakie obiekt ten stwarzać może dla bezpieczeństwa żeglugi. 2. Elementy składowe współczesnego systemu pomiarów hydrograficznych Pojęcie hydrografia (opis wód) ma wiele różnych znaczeń, które umownie można podzielić na trzy grupy: po pierwsze jest to nauka opisująca wody na Ziemi, po drugie 7
jest to kompleks przedsięwzięć ukierunkowanych na zabezpieczenie żeglugi i wreszcie po trzecie zbiór wodnych obiektów na lądzie i ich zobrazowanie na mapie [3]. Prace hydrograficzne zaś, to szereg przedsięwzięć będących odpowiednikiem lądowych pomiarów geodezyjnych i topograficznych na obszarach wodnych. Charakterystycznym elementem tych prac, odróżniających je od prac geodezyjnych na lądzie, jest fakt, że wykonywane są one z ruchomych stanowisk pomiarowych (okręt, statek, łódź). Współcześnie prowadzone prace hydrograficzne możemy, ze względu na główne cele, jakie im przyświecają, podzielić na: badanie rzeźby dna morskiego; trałowanie hydroakustyczne; badanie osadów dna morskiego. Badanie rzeźby dna morskiego sprowadza się w praktyce do pomiarów batymetrycznych na zadanym akwenie, a historycznie wypracowany klasyczny model zbierania danych batymetrycznych stosowany jest po dzień dzisiejszy. Polega on na tym, że okręt przemieszczając się wzdłuż pewnej linii (profilu sondażowego) określa w sposób ciągły swoją pozycję, rejestrując jednocześnie, przy użyciu echosondy, wartości głębokości. Profile najczęściej projektuje się jeden obok drugiego równolegle. Szczegółowość uzyskanych danych batymetrycznych zależy więc, przede wszystkim, od odległości między profilami oraz od odległości między punktami pomiaru głębokości na profilu. Klasyczna metoda prowadzenia pomiarów batymetrycznych doprowadzona została obecnie do wysokiego stopnia doskonałości, między innymi dzięki rozwojowi ogólnodostępnych precyzyjnych systemów nawigacyjnych, nowoczesnych sposobów rejestracji danych oraz wydajnej komputerowej techniki obliczeniowej zdolnej przetworzyć znaczne ilości danych już na etapie prowadzonego sondażu. Metoda klasyczna posiada również pewne wady, do których przede wszystkim należy: istnienie między profilami sondażowymi przestrzeni całkowicie niezbadanej; wysoki wzrost kosztów i czasu przy próbach zwiększenia szczegółowości sondażu. W celu usunięcia tych wad stosuje się dwie drogi. Pierwsza to dodatkowe badanie przestrzeni między profilami poprzez trałowanie hydroakustyczne, druga zaś to przejście do powierzchniowego pomiaru głębokości. O ile jeszcze w latach 80. drogi te pozostawały wciąż w sferze badań i rozwoju, o tyle dzisiejsza technika, wsparta rosnącą mocą obliczeniową komputerów, zapewnia ich efektywną realizację. Pierwszą z dróg osiąga się poprzez uzupełnianie pomiarów batymetrycznych, realizowanych z wykorzystaniem echosond jednowiązkowych, skanowaniem sonarowym z użyciem zarówno sonarów burtowych, jak i sonarów holowanych za rufą jednostki sondującej. Drugą z dróg realizuje się poprzez zastępowanie, na pokładach jednostek nawodnych, echosond jednowiązkowych wielowiązkowymi, bądź laserowymi systemami pomiarowymi operującymi z pokładu nosicieli latających (samolotu, śmigłowca). Poważnym ograniczeniem systemów laserowych jest ich brak zdolności do wykonywania pomiarów batymetrycznych na większych głębokościach. Maksymalny zakres pomiaru głębokości zależy tutaj przede wszystkim od przejrzystości wody na danym 8
akwenie. Należy spodziewać się, że przez pewien czas echosondy wielowiązkowe pozostaną główną alternatywą w zakresie pomiarów batymetrycznych dla klasycznych echosond jednowiązkowych. Trałowanie hydroakustyczne realizowane nie jako element uzupełniający pomiary batymetryczne, lecz jako podstawowy cel pomiarów hydrograficznych cechują odmienne cele i oczekiwania użytkownika. Nastawione jest ono na sprawdzenie czystości trałowanego rejonu pod względem występowania obiektów podwodnych zalegających na dnie. Elementami takimi będą np.: wraki, głazy, elementy konstrukcji hydrotechnicznych, kable podwodne, denne obiekty minopodobne itp. Użytkownik oczekuje wówczas określonej z założonym prawdopodobieństwem informacji o występowaniu (bądź braku) w danym rejonie obiektów podwodnych. Dodatkowo użytkownik oczekuje, że wykryte obiekty zostaną dokładnie opisane parametrami takimi jak położenie (pozycja), wielkość, charakter itp. Wszelkie opisujące obiekt parametry służyć mają jego późniejszej identyfikacji. W realizacji każdego z powyższych zadań wykorzystywane są zarówno sonary burtowe operujące z powierzchni wody, jak i sonary holowane za rufą jednostki. Te ostatnie mają tę przewagę, że operując bliżej dna morskiego, w połączeniu z zastosowaniem wyższych częstotliwości roboczych oraz cyfrowej obróbki sygnału dostarczają wysokiej jakości sonogramów dających większe możliwości identyfikacji obiektów podwodnych niż w przypadku sonarów burtowych. Sonary nie są jednak jedynym źródłem informacji o obiektach podwodnych. Innym źródłem takiej informacji, szczególnie w przypadku poszukiwania wraków, są magnetometry, tj. urządzenia rejestrujące zmiany bądź zaburzenia ziemskiego pola magnetycznego wywołane obecnością obiektu to pole zaburzającego. Kluczowym zagadnieniem podczas pracy z holowanymi urządzeniami zaburtowymi (sonarem holowanym, magnetometrem) jest ich dokładne pozycjonowanie w toni wodnej. O ile określenie pozycji jednostki na powierzchni wody oraz sprzętu pomiarowego sztywno z nią powiązanego (sonar burtowy) możliwe jest przy użyciu wielu systemów nawigacyjnych, o tyle określenie dokładnego położenia w toni wodnej sprzętu pomiarowego, niepowiązanego sztywno z jednostką sondującą, jest już trudniejsze. Podstawowa metoda to określenie położenia sprzętu względem jednostki holującej na podstawie takich parametrów jak: pozycja jednostki holującej, jej kurs i prędkość, długość wydanej kabloliny, parametry dryfu i prądu morskiego. Metoda ta, zależna od szeregu zmiennych w czasie parametrów, nie zapewnia jednak wystarczających dokładności pomiaru. Współcześnie pozycjonowanie dowolnego przyrządu pomiarowego w toni wodnej realizuje się za pomocą systemów nawigacji podwodnej. U podstaw działania systemu nawigacji podwodnej (systemu pozycjonowania podwodnego) leżą zależności znane z nawigacyjnych systemów pozycjonowania opartych na pomiarze różnicy odległości między stacjami bazowymi. Zasadniczym elementem systemu jest szereg transduktorów akustycznych ustawianych w trójkąt lub kwadrat pod kadłubem statku. Odległości między poszczególnymi transduktorami decydują o zaklasyfikowaniu systemu do jednej z poniższych kategorii systemów: o krótkiej linii bazowej (SBL Short Base Line); o bardzo krótkiej linii bazowej (SSBL Super Short Base Line); o ultra krótkiej linii bazowej (USBL Ultra Short Base Line). 9
Kolejnymi elementami systemu są transpondery odzewowe montowane na pokładach podwodnych urządzeń pomiarowych, takich jak chociażby zdalnie sterowane pojazdy podwodne czy sonary holowane. W systemach SBL i SSBL mierzony jest czas transmisji akustycznej między transduktorami a transponderem, kiedy wszystkie umieszczone na kadłubie transduktory otrzymują odpowiedź od transpondera. Porównując różnice czasów między odebraniem sygnałów akustycznych można obliczyć różnice odległości transpondera od poszczególnych transduktorów, a stąd jego pozycję [5]. W systemach USBL przestajemy mówić o oddzielnych transduktorach, gdyż transduktory kadłubowe występujące w systemach SBL i SSBL zastąpiono jednym transceiverem, który zawiera jeden dedykowany transduktor nadawczy i kilka transduktorów odbiorczych. Komunikując się akustycznie z transponderem, transceiver przekształca opóźnienie, aż do uzyskania odpowiedzi w odpowiednim zakresie. Ponadto, niewielkie różnice w czasie przybycia odpowiedzi przy poszczególnych transduktorach w macierzy transceivera można wykorzystać do określenia kierunku źródła. Takie małe opóźnienia (mikrosekundowe) są analizowane jako różnice fazowo-czasowe. Dane te są następnie analizowane tak, by znaleźć najlepsze dopasowanie. Jako że stosuje się więcej niż trzy transduktory odbiorcze, nadmiarowe informacje można wykorzystać do pomiaru spójności danych, a więc jakości pozycji. System USBL, choć wygodniejszy w instalacji od SBL, jest bardziej skomplikowany i wymaga starannej regulacji i kalibracji [5]. Miniaturyzacja elektroniki stała się częścią współczesnych systemów hydrograficznych. Gdy pominiemy takie elementy urządzeń, jak hydroakustyczne przetworniki nadawcze i odbiorcze, których rozmiary zależą od długości emitowanej fali dźwiękowej, to okaże się, że pozostałe elementy to niewielkich rozmiarów bloki elektroniki nadawczo odbiorczej, sterującej pracą poszczególnych systemów. Bloki te zazwyczaj współpracują ze standardowymi komputerami klasy PC, działającymi pod kontrolą jednego ze znanych systemów operacyjnych (Windows, Linux, Unix). Współcześnie prowadzone prace hydrograficzne to przedsięwzięcia angażujące znaczne ilości nowoczesnego sprzętu elektronicznego. Wszelkie wymienione wcześniej systemy są jak klocki układanki, których dobór zależy przede wszystkim od rodzaju realizowanego zadania oraz celu, jaki chcemy osiągnąć. 3. Identyfikacja obiektu podwodnego na przykładzie wraku Graff Zeppelin Wchodzący w skład Dywizjonu Zabezpieczenia Hydrograficznego Marynarki Wojennej okręt ORP Arctowski otrzymał zadanie zweryfikowania wykrytego 41.6 Mm na północ od latarni morskiej Rozewie obiektu podwodnego o znacznych wymiarach przestrzennych. Ten nieznany dotychczas obiekt o długości 257 m został odkryty przez statek badawczy St. Barbara wykonujący w tym rejonie badania dna morskiego. Zadanie, jakie postawiono przed okrętem to wykonanie kompleksowych badań hydrograficznych mających na celu identyfikację wykrytego obiektu podwodnego oraz określenie stopnia zagrożenia, jakie stwarzać on może dla bezpieczeństwa żeglugi. 10
Do badań wykorzystano hydrograficzny sprzęt pomiarowy jaki znajduje się na wyposażeniu okrętu oraz zdalny pojazd podwodny ROV (Remotely Operated Vehicle), będący na wyposażeniu Zakładu Technologii Nurkowania i Prac Podwodnych Akademii Marynarki Wojennej. Akwen sondażowy o wymiarach 1130 m x 580 m, pokryto siatką profili sondażowych zgodnie z założeniami klasycznej metody prowadzenia pomiarów batymetrycznych. Pomiary batymetryczne prowadzone z wykorzystaniem systemu echosondy wielowiązkowej MBES (Multibeam Echosounder) umożliwiły szybkie zlokalizowanie wraku i 100% pokrycie dna wiązkami akustycznymi. W efekcie uzyskano pełny obraz rozkładu głębokości na wyznaczonym akwenie (rysunek 1). Wykorzystana do pomiarów echosonda wielowiązkowa EM-3000D jest echosondą, w której układ dwóch głowic hydroakustycznych pracujących na częstotliwości 300 khz generuje jednocześnie 254 wiązki pomiarowe. Wstępne zbadanie obiektu za pomocą MBES umożliwiło: wyznaczenie punktów nad obiektem z minimalnymi głębokościami; zaprojektowanie profili sondażowych do pomiarów sondami pionowymi; wyznaczenie profili do badania sonarowego; wypracowanie metodyki użycia sonaru holowanego na kolejnych etapach badań; sprawdzenie czystości dna wokół obiektu podwodnego. Po uzyskaniu wstępnego planu batymetrycznego wybrano punkty z głębokościami minimalnymi nad obiektem i zaprojektowano profile podstawowe dla pomiarów echosondami jednowiązkowymi SBES (Single Beam Echo Sounder). Już na tym etapie badań można było z dużym prawdopodobieństwem stwierdzić, że badany obiekt to wrak jednostki pływającej. Dokonując analizy zebranych echogramów, zarówno pochodzących z echosondy pionowej jak i echosondy wielowiązkowej, uzyskano następujące wyniki: długość obiektu wynosi około 260 m; wrak jest przechylony na prawą burtę a jego szerokość wynosi 35 m; głębokość minimalna nad wrakiem to 60 m; głębokość otoczenia wynosi 87 m. Ponadto, na podstawie danych batymetrycznych zebranych wyłącznie za pomocą echosondy wielowiązkowej MBES zwymiarowano wrak, określono współrzędne dziobu, rufy i śródokręcia oraz obliczono kurs zalegania na dnie. W rezultacie opracowania danych batymetrycznych MBES uzyskano następujące wyniki [1]: głębokość minimalna nad wrakiem 58,9 m; wrak leży na kursie 059,3 ; wysokość obiektu nad dnem wynosi 27,8 m; długość wraku 257 m; winda lotnicza dziobowa i rufowa o wymiarach 13 m x 13 m; 11
otwór na śródokręciu w miejscu występowania środkowej widny lotniczej i maszynowni ma wymiary 56 m x 13 m; zniszczona nadbudówka (wyspa) na prawej burcie o długości 62 m; szerokość pasa dna badanego za pomocą echosondy wielowiązkowej MBES podczas jednokrotnego przejścia okrętu nad wrakiem wynosiła średnio 200 m. Rys. 1. Plan batymetryczny z głębokościami w skali kolorystycznej Źródło: pomiary hydrograficzne ORP Arctowski Po uzyskaniu pełnej informacji o głębokościach minimalnych nad wrakiem oraz w jego otoczeniu, rozpoczęto kolejny etap identyfikacji, tj. badania sonarowe (trałowanie hydroakustyczne). Celem tej części prac było zarejestrowanie wysokiej rozdzielczości obrazów sonarowych dna morskiego i samego obiektu podwodnego za pomocą sonarów bocznych SSS (Side Scan Sonar). Do badania wraku wykorzystano zarówno burtowy sonar boczny, jak i sonar holowany (typu towfish ) pracujący jednocześnie na dwóch częstotliwościach (100 khz/500 khz). Cyfrowy sonar zaburtowy DF-100 holowany był na 200 m kablu kevlarowym, a dane rejestrowane były w komputerowym systemie akwizycji CODA-50. Okręt przemieszczał się równolegle do dłuższej osi obiektu oświetlając go wiązką sonarową. W sonarze bocznym SSS obraz tworzony jest poprzez odbieranie kolejno wysłanych impulsów i łączenie ich w całość na ekranie bądź papierze termicznym. Pojedyncza linia danych nie przemawia do operatora, jednak gdy linie te łączone są z kolejnymi odebranymi liniami, to w całości tworzą bardzo plastyczny i wyraźny obraz przedstawiający ukształtowanie dna, wraki i inne obiekty podwodne. Klasyczne rejestratory 12
danych sonarowych zobrazowywały dno i obiekty na nim leżące na nośniku papierowym (papier termiczny czy elektroczuły) w formie analogowej. Nowoczesne, systemy sonarów bocznych zapewniają ciągłą rejestrację danych w postaci cyfrowej. Dane takie mogą być archiwizowane na nośnikach danych i poddawane dalszej obróbce i przetwarzaniu komputerowemu. Tak zwany dobry obraz sonarowy to obraz przypominający zdjęcie fotograficzne. Zobrazowanie jest ostre i czytelne, z widocznymi cieniami, dużym uszczegółowieniem, a całość łatwa w interpretacji. Niestety sam sprzęt pomiarowy to nie wszystko. Doświadczony operator sonaru to kolejny czynnik, od którego zależy to, co zobaczymy na monitorze. Dobór odpowiednich kątów przejścia obok wraku może okazać się kluczowym w całym procesie jego weryfikacji i identyfikacji. Ogromne znaczenie ma również przestrzeganie pewnych standardowych kryteriów i zasad mających zastosowanie do prędkości holowania, wysokości sonaru nad dnem, wybranego zakresu pracy sonaru, czy odległości między halsami trałowymi. Spełniając powyższe wymagania operator sonaru jest w stanie uzyskać bardzo dobry jakościowo sonogram. W przypadku identyfikowanego przez ORP Arctowski obiektu, najlepsze obrazy sonarowe uzyskano podczas holowania sonaru 200 metrów za rufą okrętu, z zakresem pracy ustawionym na 100 metrów, z prędkością 1,5 węzła i odległością boczną od wraku wynoszącą 40 metrów. Przy takich ustawieniach wysokość holowania sonaru wynosiła 47 metrów nad dnem. Rysunek 2 prezentuje sonogram ukazujący szczegóły lewej burty wraku oraz pokładu lotniczego. Rys. 2. Sonogram wraku lotniskowca Graf Zeppelin Źródło: pomiary hydrograficzne ORP Arctowski Ostatni etap prac badawczych to inspekcja obiektu przy użyciu pojazdu ROV. Do identyfikacji wizualnej wykorzystano zdalnie sterowany pojazd podwodny produkcji francuskiej typu SUPER ACHILLE składający się z jednostki głębinowej (pojazd), urządzeń zasilających, urządzeń kontroli i sterowania oraz kabloliny o długości 300 m. Podczas realizacji zadania wykonano szereg zanurzeń pojazdu ROV filmując domniemany wrak lotniskowca. W tej części prac pomiarowych zarejestrowano około 3,5 h materiał video zawierający 13
obraz fragmentów wraku i jego otoczenia. Film został w całości zdigitalizowany, co umożliwiło poddanie go dalszej obróbce cyfrowej w celu wyodrębnienia klatek filmu zawierających charakterystyczne elementy konstrukcyjne jednostki. 4. Wnioski Zasadniczą metodą identyfikacji obiektu podwodnego jest porównanie materiałów uzyskanych podczas prowadzenia pomiarów hydrograficznych z materiałami archiwalnymi, zdjęciami 3D obiektów o analogicznych cechach. W przypadku wraków jednostek pływających, są to m.in. plany i schematy statku czy okrętu. Analiza taka polega przede wszystkim na określeniu cech geometrycznych obiektu podwodnego, porównaniu ich z wymiarami rzeczywistymi oraz wyselekcjonowaniu z materiału sonograficznego dobrej jakości ujęć wraku a następnie zestawieniu w tej samej skali z materiałami źródłowymi. W przedstawionym w referacie przypadku wraku lotniskowca Graf Zeppelin, uzyskano zgodność co do podstawowych rozmiarów okrętu, położenia i wymiarów nadbudówki, usytuowania platform i sponsonów na burtach jednostki, nisz burtowych, bąbli przeciwtorpedowych, kazamat i charakterystycznych ośmiokątnych podnośników (wind) lotniczych. Wyodrębnione klatki zdjęciowe zarejestrowane pojazdem SUPER ACHILLE porównywano z dokumentacją i rysunkami 3D lotniskowca wykonanymi na podstawie dokumentacji technicznej i materiałów archiwalnych. Powiększono wybrane zdjęcia i fragmenty dokumentacji i ponownie poddano obróbce cyfrowej poszukując zgodności obydwu materiałów. Na tej podstawie oraz na podstawie logicznego następowania po sobie sekwencji filmu a dokładnie fragmentów zgodnych z dokumentacją techniczną dokonano identyfikacji jednostki: lotniskowiec Graf Zeppelin. Oceniając zagrożenie, jakie stwarza wrak dla żeglugi, nie można zapomnieć o takich obszarach działalności ludzkiej na morzu, jak rybołówstwo (szczególnie realizowane przy pomocy włoków dennych), czy działalność okrętów podwodnych zarezerwowana dla marynarki wojennej. Wrak o długości 257 metrów to poważny zaczep, na którym rybacy rwą swoje sieci, co potwierdzają zresztą ujęcia video uzyskane przez pojazd podwodny, ukazujące ich plątaninę na wraku. W kontekście natomiast zaawansowanego sprzętu hydroakustycznego i komputerowego XXI wieku, podkreślić należy, że uzyskanie tak plastycznych obrazów wraku nie byłoby możliwe bez ich wykorzystania. Pamiętać trzeba, że pozioma przejrzystość wody w Morzu Bałtyckim na głębokości ok. 80 m nie przekracza 1,5 m. Warto zauważyć, że wykorzystanie, w ramach prac weryfikacyjnych i identyfikacyjnych, sprzętu hydroakustycznego i komputerowego sprawiło, że nie było potrzeby angażowania wykwalifikowanych, głębokowodnych nurków, a wszystkie fazy przeprowadzonej identyfikacji wraku były bezpieczne dla życia ludzkiego. 14
Literatura 1. Beczek D., Grządziel A., Banaszak M., Kłosiński A., Olejnik A., Badanie wraku lotniskowca Graf Zeppelin przy użyciu współczesnych hydroakustycznych i wizyjnych środków hydrograficznych [w] Proceedings of the XV-th International Scientific and Technical Conference The Role of Navigation in Support of Human Activity on the Sea, AMW, Gdynia 2006. 2. Beczek D., Grządziel A., Pączek B., Zastosowanie wybranych systemów hydroakustycznych do wizualizacji wraków na polskich obszarach morskich, XIV-th International Scientific and Technical Conference The Part of Navigation in Support of Human Activity on the Sea, AMW, Gdynia 2004. 3. Kierzkowski W., Pomiary morskie. Cz. I. Pomiary hydrograficzne. T. 1. WSMW, Gdynia 1984. 4. Pączek B., Współczesne metody prowadzenia prac hydrograficznych, Przegląd Hydrograficzny Nr 1, BHMW, Gdynia 2005. 5. Gajewski L., Łukowski R., Plichta M., Budźko M., System pozycjonowania podwodnego Fusion. Dokumentacja techniczna. Seabed Polska. Gdańsk 2003. 15