GRZĄDZIEL Artur 1 FELSKI Andrzej 2 Dokładność pomiaru głębokości echosondą wielowiązkową na granicy pasa pomiarowego WSTĘP Przez ostatnie 40 lat postępujący rozwój technologii badawczych doprowadził do powstania nowych map dna morskiego i oceanicznego. Dokonano wielu ważnych odkryć w dziedzinie badań głębokowodnych. Wszystkie te osiągnięcia zawdzięczamy po części falom akustycznym rozchodzącym się w środowisku morskim. To one są dzisiaj podstawowym nośnikiem informacji wykorzystywanym do eksploracji morskiego dna. Jednym z podstawowych pomiarów hydrograficznych realizowanych na akwenach wodnych jest pomiar głębokości. Od ponad 3 dekad hydrograf dysponuje urządzeniem o nazwie echosonda wielowiązkowa MBES (ang. Multibeam Echosounder) dostarczającej ogromnej ilości danych w imponującej rozdzielczości. Niestety wraz ze zwiększeniem się dostępności i powszechności użycia systemów echosond wielowiązkowych pojawiły się problemy związane z dokładnością pomiarów realizowanych tymi urządzeniami, szczególnie przez wiązki skrajne sektora promieniowania. 1. OD SONDY RĘCZNEJ DO WIELOWIĄZKOWEJ Metody i techniki pomiarów batymetrycznych rozwijały się na przestrzeni wieków, od prostych i prymitywnych, do skomplikowanych i w pełni zautomatyzowanych. Już w 1800 roku p.n.e. Egipcjanie używali lin i drążków do pomiaru głębokości, o czym świadczą liczne szkice i rysunki na grobowcach Starożytnego Egiptu [3, s. 18]. Tworzenie map dna morskiego od dawien dawna stanowiło ogromne wyzwanie dla człowieka. Początkowo głębokość morza mierzono przede wszystkim na akwenach płytkich. Do tego celu wykorzystywano kawałek liny, odpowiednio wyskalowanej markerami i obciążonej specjalnym ołowianym ciężarkiem. Metoda pomiaru głębokości za pomocą sondy ręcznej (ołowianki) opuszczanej z burty statku była niezwykle pracochłonna [2, s. 10]. Zainteresowanie żeglarzy oraz badaczy morskich skupiało się przede wszystkim na lokalizowaniu niebezpieczeństw nawigacyjnych oraz na bezpiecznym manewrze kotwiczenia. Wyjątkowa łatwość i prostota użycia sondy ręcznej i tyczki spowodowały, że przyrządy te były stosowane przez wiele wieków, a w szczególnych przepadkach są wykorzystywane także w dzisiejszych czasach. Mechaniczne urządzenia do pomiaru głębokości pojawiły się w latach siedemdziesiątych XIX w. Przez kilka dekad sondy mechaniczne ulegały różnym modyfikacjom. Klasyczna sonda zbudowana była z linki stalowej nawiniętej na bęben z brązu, krążka zliczającego, ciężarka i hamulca. Jej głównym przeznaczeniem był pionowy pomiar głębokości oraz zbieranie wybranych danych środowiskowych. Zaawansowane technologicznie sondy mechaniczne obsługiwane były przez nawet kilku operatorów. Wśród tych najbardziej znanych urządzeń mechanicznych do pomiaru głębokości wymienia się sondy Lucasa, Sigsbee, Lietza, Tannera czy Kelvina. I i II wojna światowa to okres rozwoju akustycznych rejestratorów głębokości i prostych sonarów. Pierwsze użycie echosondy jednowiązkowej SBES (ang. Single Beam Echosounder) datuje się na lata dwudzieste XX wieku [15, s 412], [10]. Początkowo wykorzystywana była do wykrywania podwodnych gór lodowych. W czasie II wojny światowej głównym przeznaczeniem tych urządzeń 1 Dywizjon Zabezpieczenie Hydrograficznego MW, 81-103 Gdynia; ul. Rondo Bitwy pod Oliwą. Tel: +48 58 626-65-31, 606-203-268, artola74@poczta.onet.pl 2 Akademia Marynarki Wojennej im. Bohaterów Westerplatte, Instytut Nawigacji i Hydrografii Morskiej; 81-103 Gdynia; ul. Śmidowicza 69. Tel: + 48 58 626-27-74, A.Felski@amw.gdynia.pl 2246
było poszukiwanie i wykrywanie okrętów podwodnych. W latach czterdziestych ubiegłego stulecia echosondy pionowe cechowały się niską częstotliwością sygnału. Posiadały szeroką wiązkę promieniowania co przekładało się bezpośrednio na niską rozdzielczość. Kolejne modyfikacje w budowie echosondy związane były z dostępem do nowych technologii i materiałów, które pozwoliły na zwiększenie częstotliwości sygnału nadawczego oraz produkcję przetworników z wąską wiązką akustyczną. W latach pięćdziesiątych XX wieku została zapoczątkowana technologia wielowiązki (multibeam), jednak dopiero dwadzieścia lat później (koniec lat 1970) pojawiły się na rynku komercyjnym pierwsze modele tych urządzeń [9, s. 909]. Obok sonarów bocznych i wieloimpulsowych należą do klasy tzw. szerokokątnych technik obserwacji i rozpoznawania dna morskiego [14, s. 142]. Echosondy wielowiązkowe MBES oraz lotnicze systemy batymetryczne ALS (ang. Airborne Lidar System) zapewniają niemal całkowite pokrycie dna w pomiarach głębokości. Zalicza się je najdokładniejszych i najbardziej efektywnych technik akustycznego badania dna [12, s. 507]. 2. ECHOSONDA WIELOWIĄZKOWA W POMIARACH HYDROGRAFICZNYCH Systemy echosond wielowiązkowych są dzisiaj ekstensywnie wykorzystywane w pomiarach batymetrycznych zarówno na akwenach morskich jak i śródlądowych. Ich zdolność do pełnego pokrycia dna pomiarami sprawia, że instytucje związane z badaniami morza, urzędy i uczelnie morskie oraz firmy komercyjne zajmujące się pomiarami coraz częściej sięgają po nowoczesne, technologicznie zaawansowane systemy wielowiązkowe. W ciągu dziesięciu lat (1990-2000) liczba sprzedanych systemów wielowiązkowych wzrosła prawie 8 krotnie [4, s. 3]. W 2001 roku wyprodukowano 700 różnych systemów echosond wielowiązkowych, a 40% z nich trafiły do odbiorców komercyjnych. Wzrost liczby klientów zainteresowanych pozyskaniem MBES (instytucje rządowe, centra badawcze, krajowe biura hydrograficzne) spowodowany jest przede wszystkim technicznymi i ekonomicznymi korzyściami jakie wypływają z ich zastosowania w badaniach morskich i działaniach militarnych. Chęć posiadania tych urządzeń wynika zasadniczo z oczywistych zalet jakimi się one cechują. Wśród wielu cech wymienić należy zdolność do wielopunktowego pomiaru głębokości na linii prostopadłej do kierunku ruchu jednostki hydrograficznej. Szerokość pasa dna objętego tymi pomiarami zależy od sektora promieniowania przetwornika oraz głębokości akwenu sondażowego. Szerokość ta wynosi najczęściej 3 do 4 wielokrotności głębokości pod głowicą, a w zestawach dwugłowicowych pas pomiarów jest przeważnie dwukrotnie szerszy. Pojawienie się echosond wielowiązkowych MBES zrewolucjonizowało dotychczasową technikę wykonywania pomiarów batymetrycznych i poszukiwania obiektów dennych. W pomiarach głębokości za pomocą echosondy pionowej SBES linie pomiarowe (zwane także profilami podstawowymi), po których przemieszcza się jednostka hydrograficzna projektowane są prostopadle do kierunku izobat. Układ taki zapewnia rejestrację dokładnego przebiegu zmienności głębokości oraz minimalizację błędów pomiarowych. W przypadku sondażu z użyciem MBES linie pomiarowe powinny być zorientowane równolegle względem siebie i przebiegu naturalnego lokalnych izobat. Odległości między sąsiednimi liniami zależą od głębokości w akwenie sondażowym, szerokości pasa pomiarowego (ang. swath width), rozkładu prędkości dźwięku a także od wymagań jakie zostały postawione przez zleceniodawcę. Zaleca się aby minimalna szerokość strefy przysłonu między sąsiednimi pasami pomiarowymi wynosiła 10% a średnia wartość z całego sondażu 25% [7, s. 221]. Często zdarza się jednak, że akwen wyznaczony do pomiarów charakteryzuje się dużymi zmianami głębokości. Wówczas najkorzystniej jest podzielić go na dwa obszary o podobnym rozkładzie głębokości. Dzięki temu szerokość pasa pomiarowego MBES oraz stopień przykrycia pomiarami (przysłon) będzie optymalny. Systemy wielowiązkowe posiadają szeroki wachlarz zastosowań uwarunkowany między innymi parametrami technicznymi. Mogą być stosowane w sondażach płytkowodnych (ang. shallow water surveys) ukierunkowanych na pozyskiwanie danych wysokiej rozdzielczości z niewielkiego obszaru. Wykorzystywane są także w badaniach głębokowodnych, których celem jest wykrycie geomorfo- 2247
logicznych, wielkopowierzchniowych form dna. Systemy wielowiązkowe są niezastąpione w wielu innych dziedzinach aktywności morskiej, włączając badania szelfu kontynentalnego, wyłącznych stref ekonomicznych, sondaże na potrzeby przygotowania inwestycji związanych z układaniem kabli podwodnych i rurociągów, monitorowanie powierzchni dna morskiego i stanu konstrukcji hydrotechnicznych, wykrywania obiektów podwodnych i wsparcie prac pogłębiarskich [rysunek 1]. Rys. 1. Wybrane przykłady zastosowania MBES [14] 3. UŻYTECZNOŚĆ SKRAJNYCH WIĄZEK ECHOSONDY WIELOWIĄZKOWEJ Echosonda wielowiązkowa do pomiaru czasu przebiegu impulsu sondującego oraz kąta pod jakim promień dźwiękowy powraca do przetwornika wykorzystuje metody elektronicznego sterowania wiązkami (ang. beamsteering). Warunkiem poprawnego przeliczenia tych parametrów na głębokość jest dokładna znajomość lokalnego rozkładu prędkości dźwięku w słupie wody [1, s. 26]. Jeśli dane o prędkości dźwięku są nieznane lub nieaktualne wówczas pomiary głębokości obarczone są błędami. W przypadku echosond jednowiązkowych wystarczy wprowadzić dane o średniej prędkości dźwięku w wodzie. Podczas pomiarów realizowanych za pomocą MBES ważne są zarówno odczyty prędkości dźwięku w słupie wody jak i na głębokości zanurzenia głowicy pomiarowej. Brak aktualnych danych o prędkości dźwięku w wodzie może wynikać z częstości zdejmowania profilów dźwięku, dynamicznych zmian warunków hydrologicznych środowiska lub nieprawidłowej pracy samego czujnika. Najbardziej narażone na wadliwe działanie (wskutek np. procesu obrastania glonami i omułkami) są podkadłubowe mierniki prędkości dźwięku zamontowane na stałe (rysunek 2). Baza pomiarowa i lustro akustyczne porośnięte morską florą i fauną tracą swoje zdolności do precyzyjnego pomiaru. Urządzenie takie powinno podlegać okresowym przeglądom a w krytycznych przypadkach wymianom na nowy model. Odczyty z takiego miernika mogą być niedokładne a zatem wynikowe kąty kierunkowe wiązek będą również obarczone błędami [13, s. 2]. Rys. 2. Podkadłubowy miernik prędkości dźwięku a) widok po montażu do opływki przetworników MBES, b) stan miernika po 2-letniej eksploatacji. Źródło: archiwum zdjęć ORP Arctowski Podstawowym źródłem niepewności pomiaru echosondą wielowiązkową MBES jest zjawisko refrakcji promieni akustycznych wiązek ukośnych związane ze zmianami prędkości rozchodzenia się fali dźwiękowej w kolumnie wody [5, s. 57]. Wyznaczanie trajektorii promienia akustycznego oparte jest na prawie Snella, które określa związek pomiędzy kierunkiem promienia akustycznego i prędkością propagacji fali dźwiękowej. Promień dźwięku będzie uginał się w kierunku mniejszej prędkości dźwięku. Zjawisko uginania promieni akustycznych jest najbardziej zauważalne dla wiązek ukośnych, dlatego największe błędy pomiaru głębokości wprowadzają skrajne wiązki charakterystyki 2248
promieniowania echosondy wielowiązkowej (rysunek 3). Ich użyteczność jest obniżona dlatego użytkownicy MBES stosują zazwyczaj ograniczenia w sektorze promieniowania echosondy. Przed rozpoczęciem sondażu powinno się określić maksymalny sektor kątowy promieniowania echosondy wielowiązkowej i wyznaczyć efektywną szerokość pasa pomiarowego [6, s. 6-31]. Rys. 3. Wpływ prędkości dźwięku w wodzie na dokładność pomiaru głębokości przez skrajne wiązki MBES Źródło: pomiary hydrograficzne ORP Arctowski, wrzesień 2013 Na rysunku 3 przedstawiony został profil dna złożony z 3-ech pasów pomiarowych. Różnica w pomiarze głębokości pomiędzy wiązkami wertykalnymi a skrajnymi wyniosła maksymalnie 50 cm. Skrajne wiązki zachodzą na siebie tworząc określony stopnień przykrycia. W strefie tej widać w sposób jednoznaczny, że mierzone głębokości obarczone są błędami wywołanymi nieaktualnym profilem prędkości dźwięku. Skrajne punkty linii pomiarowej dna odchylają się w dół tworząc tzw. przekroje opadające (ang. droopy effect). Po wprowadzeniu kilku profili z danymi pomiarowymi powstaje zobrazowanie grid o określonej wielkości komórki podstawowej. Rysunek 4a przedstawia efekt wczytania 5-u profili pomiarowych z błędnymi rozkładami prędkości dźwięku. Na łączeniach poszczególnych pasów pomiarowych MBES widoczne są niejednoznaczności w głębokościach. Rysunek 4b przedstawia natomiast wynik pomiaru batymetrycznego, w którym zastosowano i wprowadzono poprawny rozkład prędkości dźwięku. Dzięki temu tory rozchodzenia się promieni dźwiękowych skrajnych wiązek zmieniły się a system poprawnie przeliczył czasy przebiegu impulsów sondujących na wartości głębokości. Grid jest jednolity bez charakterystycznych pasów błędnych głębokości. Przebieg izobat jest płynny, bez uskoków i charakterystycznych wcięć. Dane w takiej postaci mogą być przekazane do dalszej obróbki a następnie wysłane do zleceniodawcy (zamawiającego). Rys. 4. Wyniki pomiarów głębokości akwenu: a) zobrazowanie danych z 5 pasów pomiarowych z błędną prędkością dźwięku, b) zobrazowanie dna po wprowadzeniu poprawnej prędkości dźwięku i wstępnej filtracji. Źródło: pomiary hydrograficzne ORP Arctowski, wrzesień 2013 Ważnym problemem w procesie wykonywania sondażu batymetrycznego jest brak możliwości precyzyjnego oszacowania dokładności pomiarów, głównie za sprawą nieznajomości faktycznego rozkładu mierzonych głębokości (rzeczywistego kształtu powierzchni dna). Nie ma zatem powierzchni odniesienia (ang. reference surface) pozwalającej na porównanie wartości mierzonych z rzeczywistymi. Stąd określanie dokładności sondażu polega na szacowaniu i sumowaniu błędów. 2249
Błędy te nie powinny przekraczać wartości jakie wyznaczyła Międzynarodowa Organizacja Hydrograficzna. Zalecane dokładności pomiaru głębokości dla danej kategorii pomiarów hydrograficznych przedstawia rysunek 5. Rys. 5. Dopuszczalne błędy pomiaru głębokości. Źródło: opracowanie własne na podstawie [8, s. 8] Dokładność pomiaru głębokości maleje ogólnie wraz z głębokością. Dodatkowo zależy również od kategorii pomiarów, przy czym najbardziej rygorystyczna jest Kategoria Specjalna. Dokładność systemu MBES maleje wraz ze zwiększaniem szerokości pasa pomiarowego na dnie a także wraz ze wzrostem głębokości. Aby osiągnąć wymaganą dokładność dla skrajnych wiązek echosondy wielowiązkowej, system musi uzyskać wyższy rząd dokładności dla wiązek wertykalnych (środkowych). W celu uzyskania wymaganej dokładności skrajne wiązki są często odrzucane i nie uwzględniane w pomiarach batymetrycznych. WNIOSKI Na podstawie analizy dostępnej literatury anglojęzycznej oraz doświadczeń zebranych podczas prac pomiarowych realizowanych przez okręt hydrograficzny ORP Arctowski w latach 2003 2013 można sformułować następujące wnioski: 1. Użyteczność poszczególnych wiązek charakterystyki promieniowania MBES jest zróżnicowana, przy czym zasadniczo wiązki skrajne wnoszą największe błędy, zaś wiązki okołowertykalne generują najmniejsze błędy, 2. Największy wpływ na wielkość błędu pomiaru głębokości dla skrajnych wiązek ma zjawisko refrakcji promieni akustycznych oraz przechyły poprzeczne jednostki (ang. roll), 3. W celu uzyskania wymaganej dokładności pomiarów batymetrycznych obecnie zaleca się odrzucanie (nieuwzględnianie) pomiarów wykonanych skrajnymi wiązkami MBES, 4. Zwiększenie dokładności pomiaru głębokości możliwe jest poprzez stałe monitorowanie zmian prędkości rozchodzenia się dźwięku w kolumnie wody wraz z ewentualnym zwiększeniem częstotliwości pomiarów hydrologicznych 5. Byłoby pożądane opracowanie precyzyjnego modelu błędów dla poszczególnych wiązek pomiarowych, co dałoby podstawy do wprowadzania korekt, a tym samym zwiększyło wydajność pomiarów wykonywanych z użyciem MBES. Streszczenie W artykule przedstawiono charakterystykę echosondy wielowiązkowej, jej możliwości techniczne i wybrane zastosowania na akwenach morskich i śródlądziu. Zaprezentowano wpływ prędkości rozchodzenia się fali dźwiękowej w wodzie na dokładność pomiaru głębokości dla skrajnych wiązek echosondy wielowiązkowej. W artykule wykorzystano dane pomiarowe uzyskane w czasie prac hydrograficznych okrętu hydrograficznego ORP Arctowski. Przedstawiono ponadto jak w ciągu wieków zmieniały się metody i techniki pomiaru głębokości. 2250
Depth measurement accuracy for outer part of the multibeam echosounder swath width Abstract The paper presents the characteristics of the multibeam echosounder, its technical capabilities and some maritime as well as inland waters applications. The effect of the sound speed to depth measurements accuracy for the outer beams of the multibeam echosounder have been presented. Multibeam data obtained by polish navy survey ship ORP Arctowski have been used in the paper. Furthermore authors provide information on how methods and techniques of depth measurements evolved over the centuries. BIBLIOGRAFIA 1. Beaudoin J.D., Hughes Clarke J.E., Bartlett J.E., Application of surface sound speed measurements in postprocessing for multi-sector multibeam echosounder, International Hydrographic Review 5 (3), pp.26-31, 2004 2. Grządziel A., Echosonda jednowiązkowa w pomiarach hydrograficznych. Przegląd Morski nr 4, 2006 3. Grządziel A., Pomiary batymetryczne dawniej i dziś. Przegląd Morski nr 4, 2004 4. Guidelines for The Use of Multibeam Echosounders for Offshore Surveys, IMCA, 2006, www.imca-int.com, dostęp 19.02.2014 5. Hamilton T., Beaudoin J., Modelling uncertainty caused by internal waves on the accuracy of MBES, International Hydrographic Review, November 2010 6. Hydrographic Surveying. Engineer Manual, USACE, Publication EM 1110-2-1003, 2013 7. IHO Manual on Hydrography, Publication C-13, 2005 8. IHO Standards for Hydrographic Surveying, Special Publication No. 44, 5th Edition, 2008 9. Lihong W.,Wenhai X., Wenbo W., Survey of Seafloor Targets with Varied Sizes by Multi Beam Sonar in Different Depth Water, Applied Mechanics and Materials Vols. 263-266 (2013) pp 909-914, Trans Tech Publications, Switzerland 2013 10. Lurton X., An introduction to underwater acoustics Principles and applications. Second edition, Springer Verlag, Berlin, 2010 11. Materiały szkoleniowe z kursu International Hydrographic Management and Engineering Program, Gulfport MS, 2002 12. Siwabessy P., Gavrilov A., Duncan A., Parnum I., Statistical analysis of high frequency multibeam backscatter data in shallow water, Proceedings of Acoustics, New Zealand, November 2006 13. Snellen M., Siemes K., Simons D.G., An efficient method for reducing the sound speed induced errors in multibema echosounder bathymetric measurements, Acoustic Remote Sensing Group, Faculty of Aerospace Engineering, Delft University of Technology, The Netherlands 14. Stepnowski A., Systemy akustycznego monitoring środowiska morskiego. Gdańskie Towarzystwo Naukowe, Gdańsk 2001 15. The American Practical Navigator BOWDITCH. Defense Mapping Agency Hydrographic/ Topographic Center, Pub. No 9, 1995 2251