جهاز قياس الصدى متعدد الحزم

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 6 صور
الموسوعة الحرة
يتم استخدام السونار متعدد الحزم لرسم خريطة لقاع المحيط

جهاز قياس صدى الصوت متعدد الحزم ( MBES ) هو نوع من السونار يستخدم لرسم خريطة لقاع البحر . يصدر موجات صوتية على شكل مروحة أسفل جهاز الإرسال والاستقبال الخاص به . يتم استخدام الوقت الذي تستغرقه الموجات الصوتية للانعكاس عن قاع البحر والعودة إلى جهاز الاستقبال لحساب عمق المياه. على عكس أجهزة السونار وأجهزة قياس صدى الصوت الأخرى ، يستخدم MBES تشكيل الحزمة لاستخراج المعلومات الاتجاهية من الموجات الصوتية العائدة، مما ينتج عنه نطاق من قياسات العمق من نبضة واحدة.

التاريخ والتقدم

صورة متعددة الحزم لحطام السفينة يو إس إس سوزان بي أنتوني (AP-72) قبالة سواحل فرنسا.

نشأت أنظمة السونار متعدد الحزم، والمعروفة أيضًا باسم swathe (الإنجليزية البريطانية) أو swath (الإنجليزية الأمريكية) [ بحاجة لمصدر ] ، للتطبيقات العسكرية. نشأ المفهوم في نظام رادار كان مخصصًا لطائرة الاستطلاع عالية الارتفاع Lockheed U-2 ، لكن المشروع خرج عن مساره عندما أسقطت طائرة غاري باورز بصاروخ سوفيتي في مايو 1960. تم تقديم اقتراح لاستخدام تقنية تشكيل الحزمة "Mills Cross" المعدلة للاستخدام مع سونار رسم الخرائط السفلية إلى البحرية الأمريكية. سيتم معالجة البيانات من كل نبضة من السونار تلقائيًا، مما يؤدي إلى تصحيحات لحركة السفينة وسرعة صوت عمق المحول وتأثيرات الانكسار، ولكن في ذلك الوقت لم تكن هناك سعة تخزين بيانات رقمية كافية، لذلك سيتم تحويل البيانات إلى خريطة شريطية لمحيط العمق وتخزينها على فيلم مستمر. [1] تم تطوير نظام سونار أراي ساوندينغ (SASS) في أوائل الستينيات من قبل البحرية الأمريكية ، بالاشتراك مع شركة جنرال إنسترومنت لرسم خرائط لمساحات كبيرة من قاع المحيط لمساعدة قوات الغواصات في الملاحة تحت الماء . [1] [2] تم اختبار SASS على متن السفينة الحربية USS Compass Island (AG-153) . ثم تم تركيب نظام الصفيف النهائي، المكون من واحد وستين شعاعًا بزاوية درجة واحدة بعرض شريط يبلغ حوالي 1.15 ضعف عمق الماء، على USNS Bowditch (T-AGS-21) و USNS Dutton (T-AGS-22) و USNS Michelson (T-AGS-23) . ​​[1]

في الوقت نفسه، تم تطوير جهاز صدى الشعاع الضيق (NBES) باستخدام 16 شعاعًا ضيقًا بواسطة شركة هاريس ASW وتم تثبيته على سفن المسح Surveyor و Discoverer و Researcher . ستصبح هذه التكنولوجيا في النهاية Sea Beam فقط، حيث تم تسجيل بيانات الشعاع المركزي الرأسي أثناء عمليات المسح. [1]

ابتداءً من سبعينيات القرن العشرين، قامت شركات مثل General Instrument (الآن SeaBeam Instruments، وهي جزء من L3 Klein) في الولايات المتحدة ، وKrupp Atlas (الآن Atlas Hydrographic ) وElac Nautik (الآن جزء من Wärtsilä Corporation) في ألمانيا ، وSimrad (الآن Kongsberg Maritime ) في النرويج ، وRESON (الآن Teledyne RESON A/S) في الدنمارك بتطوير أنظمة يمكن تركيبها على هيكل السفن الكبيرة ، وكذلك على القوارب الصغيرة (مع تحسن التكنولوجيا، أصبحت أجهزة قياس صدى الصوت متعددة الحزم أكثر إحكاما وأخف وزنا، وزادت ترددات التشغيل).

يُعرف أول نظام متعدد الحزم تجاري الآن باسم SeaBeam Classic وتم وضعه في الخدمة في مايو 1977 [3] على متن سفينة المسح الأسترالية HMAS Cook. أنتج هذا النظام ما يصل إلى 16 شعاعًا عبر قوس بزاوية 45 درجة. تم صياغة مصطلح ( SeaBeam Classic) بعد أن طورت الشركة المصنعة أنظمة أحدث مثل SeaBeam 2000 وSeaBeam 2112 في أواخر الثمانينيات.

تم تركيب نظام SeaBeam Classic الثاني على متن سفينة الأبحاث الفرنسية Jean Charcot. تعرضت مجموعة أنظمة SB Classic على متن السفينة Charcot للتلف نتيجة لحادث جنوح، وتم استبدال SeaBeam بنظام EM120 في عام 1991. ورغم أنه يبدو أن نظام SeaBeam Classic الأصلي لم يكن مستخدمًا كثيرًا، إلا أن الأنظمة الأخرى كانت مستخدمة على نطاق واسع، وتم تركيب أنظمة لاحقة على العديد من السفن.

تم بعد ذلك تركيب أنظمة SeaBeam Classic على السفن البحثية الأكاديمية الأمريكية USNS  Thomas Washington  (T-AGOR-10) ( مؤسسة سكريبس لعلوم المحيطات ، جامعة كاليفورنيا )، و USNS  Robert D. Conrad ( مرصد لامونت دوهيرتي للأرض بجامعة كولومبيا )، و RV  Atlantis II ( مؤسسة وودز هول لعلوم المحيطات ).

مع تحسن التكنولوجيا في الثمانينيات والتسعينيات، تم تطوير أنظمة ذات تردد أعلى توفر رسم خرائط بدقة أعلى في المياه الضحلة، واليوم تُستخدم مثل هذه الأنظمة على نطاق واسع في المسح الهيدروغرافي للمياه الضحلة لدعم رسم الخرائط الملاحية . تُستخدم أجهزة قياس الصدى متعددة الحزم أيضًا بشكل شائع في الأبحاث الجيولوجية والمحيطية ، ومنذ التسعينيات لاستكشاف النفط والغاز البحري وتوجيه كابلات قاع البحر. وفي الآونة الأخيرة، تُستخدم أجهزة قياس الصدى متعددة الحزم أيضًا في قطاع الطاقة المتجددة مثل مزارع الرياح البحرية.

في عام 1989، قامت شركة أطلس إلكترونيكس (بريمن، ألمانيا) بتركيب الجيل الثاني من أجهزة الشعاع المتعددة في أعماق البحار والتي تسمى Hydrosweep DS على متن سفينة الأبحاث الألمانية Meteor. وقد أنتجت أجهزة Hydrosweep DS ما يصل إلى 59 شعاعًا عبر مسار بزاوية 90 درجة، وهو ما يمثل تحسنًا كبيرًا كما أنها معززة بالجليد بطبيعتها. وقد تم تركيب أنظمة HS-DS المبكرة على سفينة الأبحاث  Meteor (1986) (ألمانيا)، وسفينة الأبحاث  Polarstern (ألمانيا)، وسفينة الأبحاث  Maurice Ewing (الولايات المتحدة)، وسفينة الأبحاث  Sagar Kanya (الهند) في عامي 1989 و1990، ثم على عدد من السفن الأخرى بما في ذلك سفينة الأبحاث  Thomas G. Thompson (الولايات المتحدة) وسفينة الأبحاث Hakurei Maru (اليابان).

مع زيادة الترددات الصوتية متعددة الحزم وانخفاض تكلفة المكونات، زاد عدد أنظمة الموجات متعددة الحزم العاملة على مستوى العالم بشكل كبير. ينخفض ​​الحجم المادي المطلوب للمحول الصوتي المستخدم لتطوير حزم متعددة عالية الدقة مع زيادة التردد الصوتي متعدد الحزم. وبالتالي، أدت الزيادة في ترددات تشغيل أجهزة السونار متعددة الحزم إلى انخفاضات كبيرة في وزنها وحجمها وخصائص حجمها. تستخدم أنظمة السونار متعددة الحزم الأقدم والأكبر حجمًا والأقل ترددًا، والتي تتطلب وقتًا وجهدًا كبيرين لتركيبها على هيكل السفينة، عناصر محول تقليدية من نوع tonpilz ، والتي توفر نطاق ترددي قابل للاستخدام يبلغ حوالي 1/3 أوكتاف. يمكن بسهولة ربط أنظمة السونار متعددة الحزم الأحدث والأصغر حجمًا والأعلى ترددًا بقارب مسح أو سفينة مناقصة. إن أجهزة قياس صدى الصوت متعددة الحزم للمياه الضحلة، مثل تلك التي تنتجها شركات Teledyne Odom وR2Sonic وNorbit، والتي يمكنها دمج أجهزة استشعار لقياس حركة المحول وسرعة الصوت المحلية للمحول، تسمح للعديد من شركات المسح الهيدروغرافي الأصغر حجمًا بالانتقال من أجهزة قياس صدى الصوت أحادية الشعاع التقليدية إلى أجهزة قياس صدى الصوت متعددة الحزم. كما أصبحت أنظمة الموجات متعددة الحزم منخفضة الطاقة الصغيرة الآن مناسبة أيضًا للتركيب على مركبة تحت الماء ذاتية التشغيل (AUV) وعلى سفينة سطحية ذاتية التشغيل (ASV).

قد تتضمن بيانات أجهزة قياس صدى الصوت متعددة الحزم بيانات قياس الأعماق، والتشتت الصوتي، وبيانات عمود الماء. (تُعرف أعمدة الغاز التي يتم التعرف عليها الآن بشكل شائع في بيانات أجهزة قياس صدى الصوت متعددة الحزم في المياه الوسطى باسم الشعلات).

يتم استخدام عناصر المحولات المركبة الكهرضغطية من النوع 1-3، [4] في جهاز قياس صدى متعدد الأطياف متعدد الحزم لتوفير نطاق ترددي قابل للاستخدام يتجاوز 3 أوكتافات. وبالتالي، يمكن إجراء مسوحات جهاز قياس صدى متعدد الأطياف متعدد الحزم باستخدام نظام سونار واحد، والذي يجمع خلال كل دورة إرسال بيانات قياس الأعماق متعددة الأطياف، وبيانات التشتت الخلفي متعددة الأطياف، وبيانات عمود الماء متعددة الأطياف في كل شريحة. [5]

جهاز قياس الصدى متعدد الحزم يظهر مجموعة الإرسال (المستطيل الأسود الأكبر) ومجموعة الاستقبال (المستطيل الضيق) - Odom MB1

نظرية التشغيل

جهاز قياس صدى الصوت متعدد الحزم هو جهاز يستخدمه عادةً مساحو المياه لتحديد عمق المياه وطبيعة قاع البحر. تعمل معظم الأنظمة الحديثة عن طريق إرسال نبضة صوتية عريضة على شكل مروحة من محول مصمم خصيصًا عبر المساحة الكاملة عبر المسار مع مسار ضيق على طوله ثم تكوين حزم استقبال متعددة ( تشكيل الحزم ) تكون أضيق بكثير في المسار العرضي (حوالي درجة واحدة حسب النظام). من هذا الشعاع الضيق، يتم بعد ذلك تحديد وقت انتقال النبضة الصوتية في اتجاهين باستخدام خوارزمية الكشف عن القاع. إذا كانت سرعة الصوت في الماء معروفة لملف عمود الماء الكامل، فيمكن تحديد عمق وموضع إشارة العودة من زاوية الاستقبال ووقت الانتقال في الاتجاهين.

لتحديد زاوية الإرسال والاستقبال لكل شعاع، يتطلب جهاز قياس صدى الصوت متعدد الحزم قياسًا دقيقًا لحركة السونار بالنسبة لنظام إحداثيات ديكارتية. القيم المقاسة عادةً هي الارتفاع والميل والانقلاب والانحراف والاتجاه .

لتعويض فقدان الإشارة بسبب الانتشار والامتصاص، تم تصميم دائرة مكسب متغيرة الوقت في جهاز الاستقبال.

بالنسبة لأنظمة المياه العميقة، يلزم وجود شعاع إرسال قابل للتوجيه للتعويض عن الميل. ويمكن تحقيق ذلك أيضًا باستخدام تشكيل الشعاع.

مراجع

  1. ^ abcd Albert E. Theberge Jr. and Norman Z. Cherkis (22 May 2013). "A Note on Fifty Years of Multi-beam". Hydro International. مؤرشف من الأصل في 14 يوليو 2014. تم الاسترجاع في 30 يونيو 2014 .
  2. ^ مختبر أبحاث البحرية الأمريكية/فرع الفيزياء البحرية (الرمز 7420). "مشروع رسم خرائط المحيطات العالمية GOMaP". مختبر أبحاث البحرية الأمريكية. مؤرشف من الأصل في 2 يوليو 2014. تم الاسترجاع في 30 يونيو 2014 .{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
  3. ^ هارولد فار، الجيوديسيا البحرية، المجلد 4، العدد 2 1980، الصفحات 77 – 93
  4. ^ Uchino, K., (Editor), (2016), Advanced Piezoelectic materials: Science and Technology, 2nd Edition, ISBN 9780081014851 
  5. ^ براون، سي جيه، وبريسيت، إم، وجازولا، في، (2019)، التشتت الخلفي لمسبار الصدى متعدد الأطياف متعدد الحزم كأداة لتحسين توصيف قاع البحر، علوم الأرض، 9(3).

قراءة إضافية

  • لؤي م. أ. جلول وسام. ب. أليكس، "منهجية التقييم وأداء نظام IEEE 802.16e"، تم تقديمه إلى جمعية الاتصالات ومعالجة الإشارات التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، فرع مقاطعة أورانج المشترك (ComSig)، 7 ديسمبر 2006. متاح على: https://web.archive.org/web/20110414143801/http://chapters.comsoc.org/comsig/meet.html
  • BDV Veen وKM Buckley. Beamforming: A multiple approach to spatial filtering. مجلة IEEE ASSP، الصفحات 4-24، أبريل 1988.
  • HL Van Trees، معالجة المصفوفة المثلى، وايلي، نيويورك، 2002.
  • "مقدمة حول التشكيل الشعاعي الرقمي" بقلم توبي هاينز، 26 مارس 1998
  • "ما هو التشكيل الشعاعي؟" بقلم جريج ألين.
  • "عقدان من الأبحاث في مجال معالجة إشارات المصفوفات" بقلم حميد كريم وماتس فيبرج في مجلة معالجة إشارات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات ، يوليو 1996
  • ملاحظة حول خمسين عامًا من الحزم المتعددة
  • قياس القطب الشمالي إلى شعاع البحر (تاريخ NOAA)
  • برنامج MB-System مفتوح المصدر لمعالجة البيانات متعددة الحزم
  • مقالات الأخبار والتطبيقات الخاصة بالمعدات متعددة الحزم على موقع Hydro International
  • موقع تذكاري لـ USNS Bowditch وUSNS Dutton وUSNS Michelson {أول تطبيق لـ Multibeam}
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Multibeam_echosounder&oldid=1236387841"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate