ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΠΛΕΥΡΙΚΩΝ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΩΝ (SSS), ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΩΝ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΗΧΗΤΙΚΗΣ ΔΕΣΜΗΣ (MBES) ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΙΣΤΙΚΗΣ ΒΑΘΥΜΕΤΡΙΑΣ (LIDAR).

Transcript

1 ΣΧΟΛΗ ΝΑΥΤΙΚΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ Τομέας Ναυτικών Επιχειρήσεων και Θαλασσίων Επιστημών Εργαστήριο Ναυτιλίας και Θαλασσίων Επιστημών ΜΑΪΟΣ 2014 ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΠΛΕΥΡΙΚΩΝ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΩΝ (SSS), ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΩΝ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΗΧΗΤΙΚΗΣ ΔΕΣΜΗΣ (MBES) ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΙΣΤΙΚΗΣ ΒΑΘΥΜΕΤΡΙΑΣ (LIDAR). ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΝΔ(IV) ΧΡΗΜΑΤΟΠΟΥΛΟΣ ΠΟΛΥΧΡΟΝΗΣ ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ: Καθηγητής Α. Παλληκάρης ΑΑΑΑΑΑ Υπχος(O) Ν. Τσερνοτόπουλος ΠΝ

2 1

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ευχαριστώ τους επιβλέποντες καθηγητές µου, κκ. Καθηγητή Α. Παλληκάρη και Υπχο(O) Ν. Τσερνοτόπουλο, για την πολύτιμη βοήθεια που µου προσέφεραν κατά την εκπόνηση αυτής της εργασίας. Ιδιαίτερα σημαντική ήταν η διάθεση, σε εμένα, επιλεγμένης βιβλιογραφίας η οποία αφορούσε τα συστήματα πλευρικών ηχοβολιστικών, ηχοβολιστικών πολλαπλής ηχητικής δέσμης και LIDAR, καθώς και η καθοδήγησή µου μέσα σε αυτήν ώστε να εντοπίσω τα σημεία εκείνα στα οποία βασίστηκε η κριτική ανάλυση που εκτίθεται στο Κεφάλαιο 5. Θα ήθελα επίσης να απευθύνω τις ευχαριστίες μου στην οικογένεια μου, η οποία στήριξε τις σπουδές μου με διάφορους τρόπους, φροντίζοντας για την καλύτερη δυνατή μόρφωση μου. ΧΡΗΜΑΤΟΠΟΥΛΟΣ ΠΟΛΥΧΡΟΝΗΣ ΜΑΪΟΣ

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, η παρουσίαση και η σύγκριση των τελευταίων ηχοβολιστικών μεθόδων και τεχνολογιών. Συγκεκριμένα στην εργασία αυτή θα παρουσιασθούν τα συστήματα των πλευρικών ηχοβολιστικών (Side Scan Sonar a.k.a. SSS), των ηχοβολιστικών πολλαπλής ηχητικής δέσμης ( Multibeam Echo Sounder a.k.a. MBES), της τεχνολογίας LIDAR (LIght Detection And Ranging) τα οποία θα συγκριθούν συνοπτικά ως προς την απόδοση τους στα διάφορα βάθη και συνθήκες, το κόστος της κάθε μεθόδου και τις επιχειρησιακές τους δυνατότητες. Η εργασία χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος, το βιβλιογραφικό θα γίνει μια συνοπτική περιγραφή των παραπάνω τεχνολογιών καθώς επίσης θα περιλαμβάνει βασικές αρχές διάδοσης ηχητικών κυμάτων στο νερό και διάδοσης ακτίνων laser στην ατμόσφαιρα. Στο δεύτερο μέρος θα παρουσιασθούν συγκρίσεις των μεθόδων σε ποικίλους τομείς ώστε να εξάγουμε μια σφαιρική εικόνα για τα τρία συστήματα. 3

5 ABSTRACT The purpose of this thesis is the study, presentation and comparison of recent sonar methods and technologies. Specifically this paper will present the systems Side Scan Sonar aka SSS, the Multibeam Echo Sounder aka MBES and the LIDAR technology (LIght Detection And Ranging) which will be compared according to their performance at different depths and conditions, the cost of each method and their operational capabilities. This graduation thesis is divided into two parts. In the first part, there will be a brief description of these technologies and also will be included the fundamentals of acoustic wave propagation in water and laser beam propagation in the atmosphere. In the second part will be presented comparisons of these methods in various areas in order to obtain a comprehensive view of the three systems. 4

6 Περιεχόμενα ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ABSTRACT ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΥΔΡΟΓΡΑΦΙΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΥΝΤΟΜΗ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΠΑΛΑΙΟΤΕΡΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΛΕΥΡΙΚΑ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΑ (SIDE SCAN SONAR) ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΗΧΗΤΙΚΗΣ ΔΕΣΜΗΣ (MULTIBEAM ECHO ΣΥΣΤΗΜΑ LIDAR ΑΝΑΦΟΡΕΣ 1 ΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΠΛΕΥΡΙΚΟ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟ (SIDE SCAN SONAR) ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΛΕΥΡΙΚΟΥ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ΧΡΗΣΗ ΠΛΕΥΡΙΚΟΥ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ΕΝΤΟΣ ΛΙΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΡΕΥΝΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΡΕΥΝΑΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΔΕΣΜΗΣ ΣΤΗΝ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΟΝ ΛΙΜΕΝΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ ΜΕΛΕΤΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΛΕΥΡΙΚΟΥ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ΕΠΙΛΟΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 2 ΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΗΧΗΤΙΚΗΣ ΔΕΣΜΗΣ (MULTIBEAM ECHO SOUNDER) ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΗΧΗΤΙΚΗΣ ΔΕΣΜΗΣ ΜΟΡΦΟΤΡΟΠΕΑΣ (TRANSDUCER) ΠΟΜΠΟΔΕΚΤΗΣ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΘΟΔΗΓΗΣΗ ΔΕΣΜΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΜΟΝΑΔΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΒΥΘΟΥ

7 3.2.6 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΘΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Motion Reference Unit (MRU) ΠΟΡΕΙΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ ΛΟΓΩ ΔΙΑΘΛΑΣΗΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΗΧΗΤΙΚΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΕΠΙΛΟΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 3 ΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΝΑΕΡΙΑΣ ΥΔΡΟΓΡΑΦΗΣΗΣ LIDAR ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ LIDAR ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΚΑΘΑΡΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΜΙΚΡΩΝ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ LASER ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΧΕΙΡΙΣΜΟΣ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΠΛΑΤΟΥΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΚΥΜΑΤΟΜΟΡΦΩΝ ΣΑΡΩΤΗΣ ΚΟΝΣΟΛΑ ΧΕΙΡΙΣΤΗ ΑΛΛΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ LIDAR ΙΔΙΑΙΤΕΡΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ LIDAR ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ LIDAR ΤΑΚΤΙΚΟ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑ ΕΠΙΛΟΓΟΣ-ΣΥΜΕΡΑΣΜΑΤΑ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 4 ΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΤΡΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΕΞΑΓΩΓΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΒΑΘΥΜΕΤΡΙΑ-ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΑΝΑΓΛΥΦΟΥ ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΚΑΛΥΨΗΣ ΜΙΑΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΚΟΣΤΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΣΩΠΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΘΕΣΗΣ

8 5.4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΕΠΙΛΟΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 5 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΥΔΡΟΓΡΑΦΙΚΗ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΥΔΡΟΓΡΑΦΙΑΣ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, η παρουσίαση και η σύγκριση των ηχοβολιστικών μεθόδων και τεχνολογιών και συγκεκριμένα στην εργασία αυτή θα εξετάσουμε τις τεχνολογίες πλευρικών ηχοβολιστικών (Side Scan Sonar a.k.a. SSS), των ηχοβολιστικών πολλαπλής ηχητικής δέσμης (Multibeam Echo Sounder a.k.a. MBES), και της τεχνολογίας LIDAR (Light Detection and Ranging) τα οποία θα συγκριθούν συνοπτικά ως προς την απόδοση τους στα διάφορα βάθη και συνθήκες, το κόστος της κάθε μεθόδου, τον χρόνο ολοκλήρωσης για την βαθυμέτρηση μιας περιοχής. Η εργασία χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος, το βιβλιογραφικό, θα γίνει μια συνοπτική περιγραφή των παραπάνω τεχνολογιών η οποία επίσης θα περιλαμβάνει βασικές αρχές διάδοσης ηχητικών κυμάτων στο νερό και διάδοσης ακτίνων laser στην ατμόσφαιρα και το νερό. Στο δεύτερο μέρος θα παρουσιασθούν συγκρίσεις των μεθόδων ως προς ποικίλους παράγοντες ώστε να εξάγουμε μια σφαιρική εικόνα για τα τρία συστήματα. Αρχικά θα πρέπει να εξεταστεί που χρειάζονται τα παραπάνω συστήματα. Τα παραπάνω συστήματα απαιτούνται για την μελέτη του ανάγλυφου του βυθού δηλαδή της υδρογραφίας. Υδρογραφία είναι το σύνολο των εφαρμοσμένων επιστημών οι οποίες ασχολούνται με τις μετρήσεις και την περιγραφή των χαρακτηριστικών των Θαλάσσιων και παράκτιων περιοχών με βασικό σκοπό την πλοήγηση και όλων των άλλων ναυτικών σκοπών και δραστηριοτήτων, περιλαμβανομένων των παράκτιων δραστηριοτήτων όπως η έρευνα, η προστασία του περιβάλλοντος και οι υπηρεσίες προβλέψεων. Τα παραπάνω συστήματα λοιπόν παρέχουν την δυνατότητα απόκτησης εικόνας της μορφολογίας του βυθού ώστε να μπορέσουμε να την χρησιμοποιήσουμε σε ποικίλες εφαρμογές. Οι εφαρμογές αυτές μπορεί να είναι στρατιωτικού περιεχομένου και να αφορά π.χ. ανθυποβρυχιακές και αμφίβιες επιχειρήσεις, παροχή αξιόπιστων χαρτών για ναυτικές επιχειρήσεις καθώς και λοιπών εφαρμογών όπως πόντιση υποβρύχιων αγωγών και καλωδίων και άλλων τεχνικών εργασιών. Στην παρούσα εργασία θα ασχοληθούμε κυρίως με τις στρατιωτικές εφαρμογές και δεν θα μελετήσουμε τις λοιπές εφαρμογές. 8

10 Όπως προαναφέρθηκε θα μελετήσουμε τις τρεις παραπάνω τεχνολογίες. Πρώτη θα εξετάσουμε τη τεχνολογία των λεγόμενων πλευρικών ηχοβολιστικών. Τα πλευρικά ηχοβολιστικά (Side Scan Sonar a.k.a. S.S.S.) είναι ιδανικά για εντοπισμό λεπτών εμποδίων (π.χ. ιστό ενός ναυαγίου) τα οποία είναι πιθανοί ναυτιλιακοί κίνδυνοι. Επόμενη τεχνολογία που θα αναπτυχθεί είναι τα ηχοβολιστικά πολλαπλής ηχητικής δέσμης. Η συγκεκριμένη τεχνολογία αναπτύσσεται ταχύτατα και δίνει την δυνατότητα για μετρήσεις μεγάλης ακρίβειας και συνάμα με κάλυψη μεγάλης έκτασης του βυθού εφόσον χρησιμοποιούνται οι ορθές διαδικασίες και δεδομένου ότι η ανάλυση του συστήματος είναι επαρκής για τον εντοπισμό ναυτιλιακών κινδύνων. Τέλος είναι η τεχνολογία LIDAR η οποία είναι η πιο πρόσφατη τεχνολογία και προσφέρει τεράστια αποδοτικότητα (καλύπτει τεράστιες εκτάσεις σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα) σε μικρά βάθη με καθαρά νερά. Τα LIDAR έχουν την δυνατότητα μέτρησης για βάθη 50 μέτρων. 1.2 ΣΥΝΤΟΜΗ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΠΑΛΑΙΟΤΕΡΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Από την αρχαιότητα ακόμα είχαν αντιληφθεί την αναγκαιότητα της βαθυμετρίας παρόλες τις αντιλήψεις της εποχής περί αβύσσου. Η πρώτη όμως οργανωμένη βαθυμετρική ενέργεια πραγματοποιήθηκε από τον Αμερικάνο Μόρρυ ο οποίος συνέταξε τον πρώτο ωκεάνιο βαθυμετρικό χάρτη το Μέχρι εκείνη την εποχή η βαθυμέτρηση γινόταν με την κοινή βολίδα. Υπήρχαν δύο ειδών βολίδες. Η πρώτη κατηγορία είναι η κοινή βολίδα λεμβών και αποτελείται από ένα βαρίδι κωνικού σχήματος 7 λιβρών και ένα λεπτό αλλά ισχυρό τρίκλωνο σχοινί. Στο σχοινί υπάρχουν δερμάτινες λωρίδες ανά μια οργιά. Η κοινή βολίδα λεμβών μετράει μέχρι δεκατέσσερεις οργιές. Η άλλη κατηγορία είναι η κοινή βολίδα πλοίων. Είναι πανομοιότυπη με την κοινή βολίδα με μόνη διαφορά ότι η βολίδα ζυγίζει 14 λίβρες μετράει βάθη εώς και είκοσι οργιές ενώ είχε την δυνατότητα να παίρνει και δείγμα από τον βυθό (βυθοσκόπηση). 9

11 ΕΙΚΟΝΑ 1.1 ΒΟΛΙΔΑ ΠΛΟΙΟΥ ( vigationdepth/) ΕΙΚΟΝΑ 1.2 ΒΥΘΟΜΕΤΡΗΣΗ ΑΠΟ ΦΡΕΓΑΤΑ 19 ΟΥ ΑΙΩΝΑ ( h_sounding) Επανάσταση στις μέχρι τότε μεθόδους έφερε η εφεύρεση του ηχοβολιστικού. Το ηχοβολιστικό είναι μια συσκευή η οποία χρησιμοποιεί εκπεμπόμενα και ανακλώμενα ηχητικά κύματα ώστε να εντοπίσει βυθισμένα αντικείμενα ή να μετρήσει αποστάσεις κάτω από το νερό. Το ηχοβολιστικό αποτελείται από έναν εκπομπό ηχητικού κύματος και έναν δέκτη. Ο εκπομπός θα εκπέμψει ένα ηχητικό κύμα το οποίο θα ανακλαστεί σε μια βυθισμένη επιφάνεια, η ανάκλαση θα ληφθεί από τον δέκτη ενώ ταυτοχρόνως μετριέται ο χρόνος από την εκπομπή εώς την λήψη. Με γνωστή την ταχύτητα του ήχου στο νερό και των συνθηκών του περιβάλλοντος της εκπομπής μπορεί να υπολογιστεί η απόσταση μεταξύ της συσκευής και του βυθισμένου αντικειμένου. (Σχήμα 1.3) Η αρχή έγινε με την μέτρηση της ταχύτητας του ήχου από τον Daniel Colloden ο οποίος χρησιμοποίησε μία υποβρύχια καμπάνα. Το πρώτο SONAR όμως εφευρέθηκε το 1906 για εντοπισμό παγόβουνων ενώ μεγάλη εξέλιξη στην τεχνολογία των ηχοβολιστικών επήλθε κατά τον πρώτο παγκόσμιο πόλεμο. Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν τα ηχητικά κύματα για κατά προσέγγιση μέτρηση αποστάσεων από βυθισμένους στόχους και ακτές, ανακαλύφθηκε όμως ότι με την στρέψη μιας συγκεντρωμένης ηχητικής δέσμης προς τον βυθό θα μπορούσαν να μετρήσουν το βάθος. 10

12 ΕΙΚΟΝΑ 1.3 ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΗΣΗ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΗΧΗΤΙΚΟΥ ΚΥΜΑΤΟΣ ( Βελτιώσεις στην τεχνολογία του αισθητήρα και της χρονομέτρησης επέτρεψαν μεγαλύτερη ακρίβεια στην μέτρηση του χρόνου και κατ επέκταση στην μέτρηση του βάθους εισάγοντας τα PDRs (precision depth sounders) γύρω στο 1950, με εύρος δέσμης 30 ο 60 ο, πράγμα που έδωσε τη δυνατότητα να δημιουργηθούν χάρτες μεγάλης κλίμακας για το ανάγλυφο του βυθού ΠΛΕΥΡΙΚΑ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΑ (SIDE SCAN SONAR) Η επόμενη εξέλιξη στην τεχνολογία των ηχοβολιστικών ήταν τα πλευρικά ηχοβολιστικά (Side Scan Sonars). Τα πλευρικά ηχοβολιστικά χρησιμοποιούν ηχοβολιστικές συσκευές οι οποίες εκπέμπουν κωνικούς παλμούς προς την επιφάνεια του βυθού, ενώ το πλοίο κινείται κάθετα του εκπεμπόμενου κύματος. Η συσκευή μπορεί να ρυμουλκείται από πλοίο επιφανείας ή υποβρύχιο, ή ακόμα και να είναι εγκατεστημένο στην γάστρα του πλοίου. Η πυκνότητα των ακουστικών ανακλάσεων από τον βυθό καταγράφονται σε λωρίδες κάθετες της πορείας. Όταν ενώσουμε τις λωρίδες αυτές κατά μήκος της πορείας δημιουργούμε μια εικόνα του θαλάσσιου βυθού (Σχήμα 1.4). 11

13 ΕΙΚΟΝΑ 1.4 ΡΥΜΟΥΛΚΟΥΜΕΝΟ ΠΛΕΥΡΙΚΟ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟ ΚΑΙ Η ΕΙΚΟΝΑ ΠΟΥ ΔΗΜΙΟΥΡΓΕΙ ΚΑΤΑ ΜΗΚΟΣ ΤΗΣ ΠΟΡΕΙΑΣ ΤΟΥ ( Τα πρώτα πλευρικά ηχοβολιστικά αποτελούνταν από έναν μόνο εκπομπό κωνικού ηχητικού κύματος. Στην συνέχεια όμως χρησιμοποιούνταν δύο εκπομποί οι οποίοι είτε τοποθετούνταν σε ένα πακέτο στην γάστρα του πλοίου, είτε στις πλευρές του πλοίου. Το κωνικό ηχητικό κύμα άλλαξε και πήρε το σχήμα του πτερυγίου ανεμιστήρα ώστε να δημιουργούμε καλύτερη εικόνα sonar. Επιπλέον για να έρθει η συσκευή πιο κοντά στον βυθό και να έχουμε ακριβέστερες μετρήσεις, οι συσκευές τοποθετήθηκαν σε μια ηχοβολιστική τορπίλη πομποδεκτών (towfish) η οποία ρυμουλκείται από ένα καλώδιο ρυμούλκησης. Από τους πρώτους εφευρέτες ήταν ο Γερμανός επιστήμονας, Dr. Julius Hagernman, ο οποίος με την λήξη του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου πήγε και εργάστηκε για την Αμερικάνικη Κυβέρνηση από το 1947 μέχρι τον θάνατό του το Η δουλεία του παρέμεινε απόρρητη μέχρι την έκδοση της το Κάποια 12

14 πειραματικά πλευρικά ηχοβολιστικά κατασκευάστηκαν την δεκαετία του 50 από τον Dr Harold Edgerton στο MIT. Στρατιωτικά πλευρικά ηχοβολιστικά κατασκευάστηκαν την δεκαετία του 1950 από το Westinghouse. Αργότερα αναπτύχθηκαν και κατασκευάστηκαν στις εγκαταστάσεις του Annapolis, στα μέσα της δεκαετίας του 1990, συστήματα τα οποία εξειδικεύονταν στις στρατιωτικές επιχειρήσεις, όπως εύρεση βομβών. Το πρώτο εμπορικό πλευρικό ηχοβολιστικό ήταν το Kelvin Hughes "Transit Sonar", το οποίο ήταν ουσιαστικά μια μετασκευή ενός ηχοβολιστικού μονής δέσμης σε πλευρικό ηχοβολιστικό και παρουσιάστηκε γύρω στο Το 1963 με 1966 αναπτύχθηκε η πρώτη ηχοβολιστική τορπίλη πομποδεκτών (towfish) η οποία αποτελούνταν από ένα δικάναλο εμπορικό πλευρικό ηχοβολιστικό από μια ομάδα της οποίας ηγούνταν ο Martin Klein στο Edgerton. Γενικά ο Martin Klein θεωρείται ο πατέρας των εμπορικών πλευρικών ηχοβολιστικών. Το 1968 ο ίδιος ίδρυσε δικιά του εταιρία και εργάστηκε πάνω σε περαιτέρω βελτιώσεις πετυχαίνοντας την κατασκευή του πρώτου υψίσυχνου sonar, και του πρώτου πλευρικού ηχοβολιστικού το οποίο θα δούλευε με δύο συχνότητες. Μέχρι τα μέσα του 1980, τα εμπορικά πλευρικά ηχοβολιστικά παρήγαγαν την εικόνα σε χαρτί. Στα τέλη όμως του 1980 τα εμπορικά συστήματα χρησιμοποίησαν τις νέες και φθηνότερες τεχνολογίες ηλεκτρονικών υπολογιστών ψηφιοποιώντας την εικόνα η οποία προβαλλόταν σε οθόνες και καταγραφόταν σε ταινίες. Σήμερα η εικόνες σώζονται ψηφιακά σε σκληρούς δίσκους ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΗΧΗΤΙΚΗΣ ΔΕΣΜΗΣ (MULTIBEAM ECHO SOUNDER) Επόμενο βήμα ήταν η ανακάλυψη του ηχοβολιστικού πολλαπλής ηχητικής δέσμης. Οι πρώτες διατριβές πάνω στα ηχοβολιστικά πολλαπλής ηχητικής δέσμης εμφανίστηκαν στα μέσα του Έμεινε όμως στάσιμη μέχρι τις αρχές του 1980 οπού εμφανίστηκαν σχετικά φτηνές υπολογιστικές μονάδες οι οποίες κατέστησαν δυνατή την χρήση ψηφιακής επεξεργασίας στο σύστημα. Ορισμένες τεχνολογικές βελτιώσεις άνοιξαν τον δρόμο στα ΜΒΕS. Συγκεκριμένα η ανάπτυξη συστήματος stabilizer στις αρχές του 1960 για τα ηχοβολιστικά μονής ηχητικής δέσμης, το οποίο χρειαζόταν στην αντιστάθμιση της κίνησης του πλοίου ώστε να βελτιωθεί η ακρίβεια των μετρήσεων. Στην συνέχεια για να αυξηθεί η αξιοπιστία του συστήματος αντικατέστησαν τα μηχανικά μέρη με ηλεκτρονικά stabilizers. 13

15 ΕΙΚΟΝΑ 1.5 ΣΚΑΦΟΣ ΤΟ ΟΠΟΙΟ ΕΚΤΕΛΕΙ ΒΑΘΥΜΕΤΡΙΑ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΗΧΗΤΙΚΗΣ ΔΕΣΜΗΣ ( df) Η μέχρι τότε ανάγκη για μεγαλύτερη κάλυψη γινόταν με χρήση πολλαπλών ηχοβολιστικών μονής ηχητικής δέσμης ταυτόχρονα, τοποθετώντας τα πάνω σε μακριά κοντάρια εκατέρωθεν του πλοίου. Η μέθοδος αυτή δεν ήταν πρακτική ειδικά σε θαλασσοταραχή, χρησιμοποιούνταν δε κυρίως σε ποτάμια. Παρόμοια μέθοδος ήταν η ταυτόχρονη βυθομέτρηση από πλοία με παράλληλες πορείες, καθένα με δικό του τομέα. Οι τομείς υπερκαλύπτονταν μερικώς. Ένα από τα πρώτα άρθρα για το ηχοβολιστικό πολλαπλής δέσμης γράφτηκε από τον ωκεανογράφο Morris F. Glenn το Περιγράφει ένα λειτουργικό σύστημα ηχοβολιστικού πολλαπλής δέσμης το οποίο ονομαζόταν Multi-Beam Array Sonar Survey Syslem. Είχε κάλυψη 90 ο εκατέρωθεν της πορείας και το σύστημα είχε την δυνατότητα να υπολογίσει περίπου 60 σημεία βάθους με κάθε εκπομπή παλμού. Για την αντιστάθμιση του προνευστασμού του πλοίου κατά την εκπομπή της ηχητικής δέσμης, και την ηλεκτρονική αντιστάθμιση του διατοιχισμού κατά την λήψη της ηχητικής δέσμης χρησιμοποιούσαν μια εξωτερική γυροπυξίδα. Τα στοιχεία από τις λαμβανόμενες ηχητικές δέσμες περνούσαν ψηφιακή επεξεργασία, και με τα στοιχεία μπορούσαν να κατασκευάσουν επιτόπου χάρτες. Το πρώτο ηχοβολιστικό πολλαπλής ηχητικής δέσμης κατασκευάστηκε για ρηχά νερά και ονομαζόταν Bo sun. Το σύστημα παρήγαγε 21 δέσμες και κάλυπτε 14

16 2.6 φορές το βάθος(περίπου 105 ο κάλυψη εκατέρωθεν της πορείας). Δούλευε στην συχνότητα των 36kHz και μέγιστο βάθος ερεύνης ήταν τα 800 μέτρα. Ο αυξανόμενος αριθμός θηριωδών εμπορικών πλοίων τα οποία πλέανε σε ρηχά κανάλια κατέστησε αναγκαία την δημιουργία του παρόντος συστήματος, το οποίο είχε αυξημένες δυνατότητες σε σχέση με λοιπά συστήματα της εποχής του. Στο σύστημα ενσωματώθηκαν και αισθητήρες διατοιχισμού και προνευστασμού. Ο αισθητήρας διατοιχισμού έστρεφε την εκπεμπόμενη δέσμη ενώ ο αισθητήρας του προνευστασμού έστρεφε τις λαμβανόμενες δέσμες. Το βασικό μειονέκτημα σε σχέση με τις προσδοκίες ήταν πως οι χάρτες παράγονταν μεταγενέστερα και όχι επί του πλοίου, όπως ονειρεύονταν οι προγενέστεροι του συστήματος, λόγω έλλειψης υπολογιστικής δύναμης. Το 1977 δοκιμάστηκε το πρώτο ηχοβολιστικό πολλαπλής δέσμης, για έρευνες σε ωκεανούς και μεγάλα βάθη, το Sea Beam. To σύστημα αυτό διέθετε 16 δέσμες και κάλυπτε ένα τομέα πέριξ των 60 ο. Κατασκευάστρια εταιρία ήταν η GIC, ίδια με του προγόνου του Bo Sun το οποίο όπως ήδη αναφέραμε χρησιμοποιούνταν για πιο ρηχά νερά Η εκπεμπόμενες δέσμες κάλυπταν 54 ο εκατέρωθεν της πορείας και 2,67 ο κατά μήκος της πορείας. Οι λαμβανόμενες δέσμες ήταν 20 ο κατά μήκος της πορείας και 2,67 ο καθέτως της πορείας και τεμάχιζε τις εκπεμπόμενες δέσμες σε 16 τετράγωνα-τομείς κατά μήκος μιας λωρίδας βυθού. Από εκείνη ακόμα την εποχή είχε γίνει κατανοητό πως η χρήση της όρασης τριών διαστάσεων θα εκτόπιζε το ηχοβολιστικό μονής ηχητικής δέσμης και θα το καθιστούσε απαρχαιωμένο. Μέχρι σήμερα εξακολουθεί να βελτιώνεται και αποτελεί έναν από τους πλέον αποδοτικούς τρόπους βυθομέτρησης ΣΥΣΤΗΜΑ LIDAR Τελευταία αναπτύχθηκε η τεχνολογία LIDAR. Η σύγχρονη βασισμένη στο laser τηλεσκόπηση ξεκίνησε υπό την αιγίδα της NASA μέσα στην δεκαετία του 1970, και προοριζόταν για ενδεχόμενη διαστημική χρήση. Επίσης στόχευε και σε επιστημονικές χρήσεις όπως η μέτρηση των ιδιοτήτων της ατμόσφαιρας, των ωκεανών και άλλων εφαρμογών εκτός από την τοπογραφική χρήση του. Οι επιστημονικές χρήσεις του συστήματος συνεχίζουν να εξελίσσονται αλλά δεν θα μελετηθούν στην παρούσα εργασία. Έρευνες της εποχής έδειξαν ότι τα συστήματα laser διέθεταν μεγάλη γεωμετρική ακρίβεια. Στα μέσα της δεκαετίας του 1980 όμως δεν υπήρχε κάποια αξιόπιστη εμπορική συσκευή GPS ώστε να είναι δυνατόν να προσδιοριστεί η ακριβής θέση του αισθητήρα. Αυτό αποτέλεσε το κύριο πρόβλημα για την ανάπτυξη των συστημάτων αυτών. 15

17 ΕΙΚΟΝΑ 1.6 ΜΕΘΟΔΟΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΒΑΘΟΥΣ ΜΕ ΣΥΣΤΗΜΑ LIDAR ( Η απαίτηση για συστήματα GPS που θα χρησιμοποιούνταν σε εναέρια φωτογραμμετρία ώθησε την εξέλιξη των συστημάτων GPS. Πολλές εταιρίες οι οποίες κατασκεύαζαν επίγεια συστήματα και υπηρεσίες GPS ανέπτυξαν νέα εναέρια συστήματα. Αποκορύφωμα υπήρξε η άρση του απορρήτου των συσκευών που χρησιμοποιούνταν σε πολλά πυραυλικά συστήματα κατεύθυνσης με αποτέλεσμα την επίτευξη ακόμα μεγαλύτερης ακρίβειας. Έτσι στα μέσα της δεκαετίας του 1990 οι κατασκευαστές μπορούσαν να παρέχουν συστήματα LIDAR ικανά να εκπέμπουν 2000 με παλμούς το δευτερόλεπτο για ιδιωτική και αποκλειστικά τοπογραφική χρήση. Παρόλη την πρώιμη ανάπτυξη, με βάση τα σημερινά δεδομένα, 16

18 τα συστήματα αυτά επικύρωσαν τις μέχρι τότε προσδοκίες πως τα συστήματα LIDAR ήταν το μέλλον, καθώς παρείχαν τεράστιο όγκο πληροφοριών οι οποίες δεν ήταν δυνατόν να επιτύχουν επίγεια συστήματα. Την εποχή που εισαγόταν η τεχνολογία του LIDAR στον χώρο της χαρτογραφίας, χαρτογράφηση υψηλής ανάλυσης γινόταν με χρήση φωτογραμμετρίας. Η επίγεια κάλυψη ενός LIDAR ήταν αντίστοιχη της παραδοσιακής εναέριας κάμερας οπότε δεν θα χρειαζόταν κάποια αλλαγή στον σχεδιασμό πτήσεων και θα μπορούσαν να εφαρμοστούν αυτούσιες στις μεθόδους του LIDAR. Έτσι το LIDAR παρουσίασε μια γρήγορη ακριβής και άμεση μέθοδο δημιουργίας δεδομένων τριών διαστάσεων. Με την σταθεροποίηση, λοιπόν, των οργάνων και των υπηρεσιών, έγινε ταχύτατα μια πολύ ελκυστική μέθοδος χαρτογράφησης. Ταυτόχρονα όμως απαιτήθηκε ανάπτυξη νέων συστημάτων επεξεργασίας και εφαρμογών επεξεργασίας, καθώς τα δεδομένα που παρήγαγαν τα συστήματα LIDAR αυξάνονταν ολοένα και περισσότερο καθιστώντας τα μέχρι τότε συστήματα ανεπαρκή. Έτσι η δεκαετία 2000 χαρακτηρίστηκε από την ταχεία ανάπτυξη των συστημάτων επεξεργασίας και της τεχνολογίας ΙΤ ώστε να μπορούν να ανταπεξέλθουν στα terabytes των δεδομένων που παρήγαγαν τα τελευταίας τεχνολογίας συστήματα. Όσο μεγάλωνε η απαίτηση για την ανάπτυξη των συστημάτων LIDAR τόσο μεγάλωνε και η απαίτηση για ανάπτυξη οδηγών, τεχνικών προδιαγραφών και προτύπων ακρίβειας. Σήμερα υπάρχουν πάνω από 200 συστήματα LIDAR παγκοσμίως και είναι μια τεχνολογία η οποία εξακολουθεί να αναπτύσσεται με ιλιγγιώδης ρυθμούς. 17

19 ΑΝΑΦΟΡΕΣ 1 ΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Ghedhban, S. (2010). A STUDY OF PREDICTION IN SEABED MAPPING. Cardiff: University of Wales Institute. Ανακτήθηκε από: INTERNATIONAL HYDROGRAPHIC ORGANIZATION (2011). MANUAL ON HYDROGRAPHY. Monaco: INTERNATIONAL HYDROGRAPHIC BUREAU %B5%CF%84%CF%81%CE%AF%CE%B

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΠΛΕΥΡΙΚΟ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟ (SIDE SCAN SONAR) 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το πλευρικό ηχοβολιστικό (Side Scan Sonar) είναι μια κατηγορία ηχοβολιστικού που χρησιμοποιείται ώστε να δημιουργήσουμε εικόνες μεγάλων περιοχών του πυθμένα. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ανακάλυψη βυθισμένων αντικείμενών (ιστορικών ναυαγίων ή τοποθεσιών ή ακόμα και ναρκών), χαρτογράφηση του βυθού και ποικίλες άλλες εφαρμογές. ΕΙΚΟΝΑ 2.1 ΣΑΡΩΣΗ ΒΥΘΟΥ ΜΕ ΠΛΕΥΡΙΚΟ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟ (geosci.sfsu.edu) Το πλευρικό ηχοβολιστικό είναι μια από τις ηχοβολιστικές τεχνικές, μαζί με τις μεθόδους του ηχοβολιστικού μονής ηχητικής δέσμης και ηχοβολιστικού πολλαπλής ηχητικής δέσμης. Το πλευρικό ηχοβολιστικό είναι το εργαλείο που επιλέγουμε όταν προτεραιότητα μας είναι η υψηλής ανάλυσης χαρτογράφηση του βυθού με έμφαση στον εντοπισμό των ιδιοτήτων του βυθού, μικρών αντικειμένων και τον καθορισμό της ανακλαστικής υπογραφής τους όπως στην περίπτωση χαρτογράφησης του φυσικού περιβάλλοντος σε παράκτιες περιοχές. Το πλευρικό ηχοβολιστικό επιτρέπει την κάλυψη μεγάλων περιοχών του θαλάσσιου βυθού, γεμίζοντας με ηχητικά κύματα τον υποθαλάσσιο χώρο (insonify) κατά μήκος των ηχητικών ζωνών, οι οποίες εκτείνονται από δεκάδες εώς εκατοντάδες μέτρα πλάτος εκατέρωθεν της πορείας του πλοίου. Η μεγάλης έκτασης κάλυψη επιτυγχάνεται με την χρήση εκπομπών οι οποίοι παράγουν πλατιές δέσμες, εκατέρωθεν της πορείας του πλοίου. 19 Η συγκεκριμένη τεχνολογία δύναται να χρησιμοποιήσει ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Η επιλογή συχνότητας εξαρτάται από τα ζητούμενα που θέτουμε. Για

21 χαρτογράφηση και παρακολούθηση θαλάσσιων οικοσυστημάτων χρησιμοποιούνται κυρίως υψηλές συχνότητες (500kHz) για να μπορέσει να εξάγει αποτελέσματα για διάφορες ιδιότητες του βυθού όπως το είδος του ιζήματος, βραχώδεις προεξοχές, μορφές του πυθμένα όπως και άλλων ειδών κατασκευές οι οποίες εξέχουν από τον πυθμένα. Για να θεωρηθούν τα πλευρικά ηχοβολιστικά συστήματα αξιόπιστα εργαλεία χαρτογράφησης θα πρέπει να συνδυάζονται με μεγάλης ακρίβειας συστήματα προσδιορισμού θέσης. Γενικά κατά την χρήση πλευρικών ηχοβολιστικών για εργασίες χαρτογράφησης θα πρέπει να εφαρμόζονται τα παρακάτω: Καθορισμός των χαρακτηριστικών λειτουργίας του sonar. Οι ρυθμίσεις του συστήματος θα πρέπει να γίνονται, λαμβάνοντας υπόψιν το βάθος της περιοχής που μελετάται και να γίνεται διάκριση αναλόγως του πυθμένα. Σχεδιασμός της έρευνας. Ο χρόνος ενός ηχοβολιστικού σκάφους είναι πολύτιμος και έτσι απαιτείται λεπτομερής σχεδιασμός του τρόπου εκτέλεσης της έρευνας για να μεγιστοποιηθεί η απόδοση στο πεδίο της έρευνας. Προτού ξεκινήσει η διαδικασία θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν η γεωγραφία και το βάθος της εξεταζόμενης περιοχής, ο ρυθμός κάλυψης της επιφάνειας του βυθού, τις περιοχές που είναι επιθυμητό να μελετηθούν σε μεγαλύτερο βάθος, τα ρεύματα και τους ανέμους που επικρατούν στην περιοχή και άλλα. Εκτέλεση της έρευνας. Σε αυτή την φάση γίνεται η συλλογή των δεδομένων από όλη την επιθυμητή περιοχή και με τις κατάλληλες μεθόδους τις οποίες επιλέξαμε κατά την διάρκεια των αρχικών σχεδιασμών. Οι σχεδιασμοί αυτοί δίνουν την δυνατότητα έγκαιρης αντιμετώπισης πιθανών προβλημάτων που θα προκύψουν κατά την έρευνα. Επεξεργασία δεδομένων. Σε αυτό το στάδιο γίνεται επεξεργασία και ανάλυση των δεδομένων μέσω ενός εξειδικευμένου προγράμματος, το οποίο στοχεύει στην διόρθωση και ξεκαθάρισμα των δεδομένων ώστε να είναι δυνατό το επόμενο βήμα, η ερμηνεία και η εξαγωγή αποτελεσμάτων. Συνήθη βήματα κατά την επεξεργασία είναι η αντιστοίχιση της θέσης μας σε ορθό γεωδαιτικό σύστημα, η διόρθωση αποστάσεων και γωνιών των ηχητικών δεσμών. Ερμηνεία. Στο τελικό αυτό στάδιο γίνεται η ανίχνευση της υφής και της φωτεινότητας καθώς και τμηματοποίηση της εικόνας. Ακολουθεί οπτική αναγνώριση ομογενών τμημάτων του βυθού και υποβοηθάται είτε με δείγματα από τον βυθό είτε από ειδικό πρόγραμμα. 20

22 2.2 ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Πλευρικά ηχοβολιστικά συστήματα κατασκευάζονται από ένα μεγάλο αριθμό εταιριών. Τα συστήματα αυτά ποικίλουν σε μεγέθη, εργασιακά και τεχνικά χαρακτηριστικά. Γενικά ένα πλευρικό ηχοβολιστικό σύστημα αποτελείται από (εικόνα 2.1): 1. Έναν υποθαλάσσιο υδροδυναμικό πομποδέκτη ώστε να εκπέμπει και να λαμβάνει ακουστική ενέργεια. 2. Ένα ενισχυμένο ηλεκτρο-μηχανικό καλώδιο για μετάδοση και ρυμούλκηση. 3. Ένα σύστημα προβολής και καταγραφής τορπίλη. ΕΙΚΟΝΑ 2.1 Κύρια μέρη ενός ηχοβολιστικού συστήματος με ηχοβολιστική MeshA ROG Sidescan Sonar ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΛΕΥΡΙΚΟΥ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ Οι μορφομετατροπείς αποτελούνται από ένα σύνολο ακτινικών ακουστικών ομάδων (Ο μορφοτροπέας μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε ακουστική ενέργεια και το αντίστροφο). Υπάρχουν δυο τύποι: οι ενσωματωμένοι στην γάστρα του σκάφους και οι ηχοβολιστικές τορπίλες, οι οποίες ρυμουλκούνται από το σκάφος. Οι πομποί εκπέμπουν ήχο σε δύο διαφορετικούς και συμμετρικούς τομείς με κατεύθυνση προς τον βυθό. Η κατεύθυνση και η ένταση του ήχου εκφράζονται από το σχήμα της δέσμης, το οποίο είναι αποτέλεσμα του σχήματος και των διαστάσεων του πομποδέκτη, καθώς και της συχνότητας εκπομπής. Οι γωνιακές διαστάσεις των

23 δεσμών αυτών σχεδιάστηκαν να είναι, στενές κατά μήκος της πορείας ώστε να επιτρέπουν μεγάλη ανάλυση και πλατιές εκατέρωθεν αυτής για κάλυψη όσο το δυνατόν μεγαλύτερης επιφάνειας βυθού. Η λωρίδα σαρώσεως περικλείει και τους δύο τομείς εκπομπής της ηχητικής δέσμης. (βλέπε εικόνα 2.2) ΕΙΚΟΝΑ 2.2 Αναπαράσταση έρευνας πλευρικού ηχοβολιστικού ( Κάθε φορά που παράγεται ένας παλμός, οι πλευρικές δέσμες επιτρέπουν την πλήρωση με ήχο μιας λεπτής λωρίδας του βυθού, εκατέρωθεν της πορείας του πλοίου (ίχνος). Το σύστημα εκπέμπει τέτοιους διαδοχικούς ηχητικούς παλμούς μέσα στο νερό σε μορφή κυματικών σημάτων και λαμβάνει την ανακλώμενη ενέργεια από κομμάτια του βυθού που βρίσκονται μέσα στην λωρίδα σάρωσης και τα οποία χαρακτηρίζονται από διαφορετική πυκνότητα, υφή και σεισμική ταχύτητα, είτε στην επιφάνεια του είτε σε παρακάτω στρωματά του. Για κάθε εκπεμπόμενο παλμό, λαμβάνεται ένα νέο ίχνος στον μορφοτροπέα, ο οποίος θα αναλυθεί εκτενώς παρακάτω, παραγόμενο από την διεπαφή του με τον βυθό. Η πληροφορία προβάλλεται σε οθόνη ως μια νέα οριζόντια γραμμή πάνω στην εικόνα, κινείται δε κάτω από τα προηγούμενα ηχητικά κύματα για να δημιουργήσει 22

24 το εφέ του τυλιγμένου παπύρου. Τοποθετώντας αυτές τις γραμμές μαζί δημιουργείται σε πραγματικό χρόνο η εικόνα των χαρακτηριστικών και της υφής του βυθού δίνοντας την δυνατότητα στο χειριστή για ερμηνεία και καταγραφή σε πραγματικό πάνω στο πλοίο. Η επίδοση του πλευρικού ηχοβολιστικού μπορεί να οριστεί ως η ικανότητά του συστήματος να αναγνωρίσει ιδιότητες του βυθού στην μονάδα του χρόνου. Η διακριτική ικανότητα του συστήματος (ανάλυση), μετριέται από την ικανότητα του να διαχωρίζει αντικείμενα τα οποία απέχουν πολύ λίγο μεταξύ τους ή, με άλλα λόγια, να εντοπίζει διακριτά ηχητικά κύματα τα οποία επιστρέφουν από ξεχωριστούς στόχους στην επιφάνεια του βυθού. Με βάση τα παραπάνω, ο ρόλος της συχνότητας παίζει καθοριστικό ρόλο, διότι καθορίζει τόσο την ανάλυση όσο και την μέγιστη εμβέλεια που μπορούμε να επιτύχουμε. ΕΙΚΟΝΑ 2.3 Σχέση απόσβεσης συχνότητας για τις διάφορες θερμοκρασίες (Diner and Marchand, 1995) 23

25 Τα ανακλώμενα σήματα είναι κατώτερης ενεργειακής τάξης από τα εκπεμπόμενα σήματα λόγω της απόσβεσης και άλλων παραγόντων. Όπως βλέπουμε και στην εικόνα 2.3 η απόσβεση αυξάνεται δραστικά με αύξηση της συχνότητας, ενώ χαμηλές συχνότητες επιτρέπουν στην ηχητική ενέργεια μεγαλύτερες αποστάσεις μετάδοσης, αλλά παρέχουν μικρότερη διακριτική ικανότητα από τις υψηλές συχνότητες. Έτσι, χαμηλές συχνότητες (της τάξεως μερικών khz, περίπου 5-12 khz) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για έρευνες μεγάλων αποστάσεων ή και μεγαλύτερων βαθών, καλύπτοντας την περιοχή με μεγάλες ζώνες σαρώσεως αλλά μικρότερη ανάλυση σε έναν δεδομένο χρόνο, εκεί που τα συστήματα υψηλών συχνοτήτων (μερικές εκατοντάδες khz) είναι κατάλληλα για έρευνες που απαιτούν λεπτομέρεια (μεγαλύτερη ανάλυση) σε πιο ρηχά νερά και μικρότερες περιοχές. Σήμερα, είναι διαθέσιμα στην αγορά ψηφιακά συστήματα τα οποία επιτρέπουν μεγαλύτερη ελαστικότητα κατά την έρευνα. Μερικά συστήματα έχουν την δυνατότητα να λαμβάνουν και να καταγράφουν και τις δύο συχνότητες ταυτόχρονα. Με χρήση αυτών των συστημάτων ο χρήστης δύναται να χρησιμοποιεί υψηλές συχνότητες για την παραγωγή ακριβέστερων εικόνων σε έρευνα πιο ρηχών νερών και μικρότερων περιοχών. Η συχνότητα (f) και το μήκος κύματος (λ) είναι οι βασικές λειτουργικές παράμετροι του σήματος που παράγεται και χρησιμοποιούνται ως χαρακτηρισμοί του ακουστικού συστήματος. Η σχέση που τα συνδέει είναι: c = λ/f Όπου c είναι η μέση ταχύτητα των ηχητικών κυμάτων. Η ταχύτητα του ήχου στο νερό εξαρτάται από την θερμοκρασία του, την αλατότητα του και την πίεσή του. Κυμαίνεται από 1450 εώς 1550 m/s. Συνήθως για τους υπολογισμούς μας χρησιμοποιούμε την μέση ταχύτητα στο θαλάσσιο νερό που είναι 1500 m/s. Τα πλευρικά ηχοβολιστικά δύναται να κατηγοριοποιηθούν βάση της συχνότητας που χρησιμοποιούν. (εικόνα 2.4) Η ποιότητα και η ακρίβεια προσδιορισμού της θέσης των δεδομένων που συλλέγουμε, και ειδικά των ηχητικών δεδομένων, είναι τεράστιας σημασίας. Σήμερα, οι έρευνες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τα γεωδαιτικά δεδομένα που λαμβάνουν μέσω των δορυφορικών συστημάτων (κυρίως χρησιμοποιούνται τα συστήματα GPS). Η παρεχόμενη ακρίβεια ενός συστήματος GPS μπορεί να βελτιωθεί με χρήση διαφορικού GPS (DGPS), το οποίο επιτρέπει δυναμικό καθορισμό θέσης με ακρίβεια της τάξης από 1-5 μέτρων. 24

26 ΕΙΚΟΝΑ 2.4 Κατηγοριοποίηση πλευρικών ηχοβολιστικών με βάση την συχνότητα λειτουργίας. ( long, 2007). 2.4 ΧΡΗΣΗ ΠΛΕΥΡΙΚΟΥ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ΕΝΤΟΣ ΛΙΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΡΕΥΝΑΣ Το πλευρικό ηχοβολιστικό παρέχει πολύ μεγάλη ακρίβεια στον εντοπισμό μικρών αντικειμένων. Θα ήταν ιδιαίτερα χρήσιμη η χρήση του για την έρευνα της καθαρότητας των υδάτων μέσα στους λιμένες λόγω του μικρού βάθους των λιμένων και των πιθανώς μεγάλων βυθισμάτων των πλοίων, για έρευνα λόγω των αλλαγών της μορφολογίας του βυθού από την συχνή διέλευση τεράστιων πλοίων ή ακόμα και λόγω της μεγάλης διακριτικής τους ικανότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για έρευνα ναρκών οποίες μπορεί να έχουν ποντιστεί υπό μορφή τρομοκρατίας. Παρόλα αυτά η χρήση της πλέον διαδομένης μεθόδου για έρευνα η οποία απευθύνεται σε εντοπισμό μικρών αντικειμένων δεν είναι εφικτή. Το τυπικό ρυμουλκούμενο πλευρικό ηχοβολιστικό δεν γίνεται να χρησιμοποιηθεί σε στενά και χώρους με υψηλή ναυτιλιακή κίνηση διότι το σκάφος έχει πολύ μεγάλο μήκος ρυμούλκιου ( ενδεικτικά είναι περίπου τέσσερεις φόρες το βάθος έρευνας, δηλαδή ακόμα και σε βάθη 20 μέτρων θα έχει 80 μέτρα μήκος) και κατά συνέπεια έχει μεγάλο περιορισμό ελιγμών. Στην ενότητα αυτή θα παρουσιαστεί μια μελέτη που έγινε στο λιμάνι της Γντίνια στην Πολωνία και περιέγραψε την μέθοδο με την οποία καθίσταται δυνατή η χρήση του πλευρικού ηχοβολιστικού σε λιμένες. Η έρευνα αυτή παρουσιάστηκε στο 25

27 Ρότερνταμ της Ολλανδίας τον Απρίλιο του Αυτή η μέθοδος κάνει χρήση του πλευρικού ηχοβολιστικού του οποίου ο μορφοτροπέας είναι τοποθετημένος πάνω σε μια ηχοβολιστική τορπίλη. Αυτόν τον τύπο διαθέτει και η Υδρογραφική Υπηρεσία του Πολεμικού Ναυτικού. Στο τέλος του παρόντος κεφαλαίου θα εξεταστεί η δυνατότητα πραγματοποίησης αυτής της εφαρμογής και από την Υδρογραφική Υπηρεσία του Πολεμικού Ναυτικού. Ξεκινώντας θα πρέπει να γίνει η επιλογή του σκάφους φορέα. Οι λιμένες είναι περιοχές με σχετικά μικρά βάθη, αλλά σχετικά περίπλοκη δομή και αυξημένη ναυτιλιακή κίνηση. Υπό αυτές τις συνθήκες τα ογκώδη υδρογραφικά πλοία τα οποία είναι κατασκευασμένα για έρευνες ανοιχτής θαλάσσης απορρίπτονται. Τα σκάφη που προτιμούνται είναι είτε υδρογραφικές άκατοι είτε σκάφη τύπου RIB λόγω των διαστάσεων τους και της ευκινησίας τους. Όμως θα πρέπει να δοθεί προσοχή στο γεγονός ώστε το μέγεθος να είναι επαρκές: για την τοποθέτηση των απαραίτητων αισθητήρων, κεραιών ή του λοιπού ερευνητικού εξοπλισμού για την παροχή της απαιτούμενης ισχύος στα διάφορα συστήματα. ΕΙΚΟΝΑ 2.5 ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΤΗΣ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΗΣ ΤΟΡΠΙΛΗΣ ΣΤΙΣ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΘΕΣΕΙΣ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΛΟΙΟ (Side Scan Sonar As A Tool For Harbour Basin Bottom Investigation) Σήμερα γίνονται προσπάθειες να επιτευχθεί εγκατάσταση των ηχοβολιστικών τορπιλών στην γάστρα του σκάφους. Η μέθοδος αυτή παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα. Πρώτο πλεονέκτημα είναι ότι η ευκινησία ενός τέτοιου κατασκευάσματος είναι πολύ μεγαλύτερη σε σχέση με την εκδοχή της ρυμούλκησης. Επιπλέον με αυτήν τη προσέγγιση είναι γνωστή η θέση του ηχοβολιστικού από την επιφάνεια και ευκολότερη η παρακολούθηση της θέσης της συσκευής σε σχέση με τον βυθό. Από την άλλη όμως δεν παρέχει μεγάλο εύρος ρύθμισης της βύθισης της 26

28 τορπίλης ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη γεωμετρία και κατ επέκταση το βέλτιστο αποτέλεσμα. Η τοποθέτηση της τορπίλης δίνει την επιλογή ποικίλων θέσεων. Η τοποθέτηση πρύμα της προπέλας απορρίπτεται λόγω του αερισμού του νερού και κατά συνέπεια της μεγάλης μείωσης της εμβέλειας του σόναρ. Γενικά λάθος τοποθέτηση του πλευρικού ηχοβολιστικού σε σχέση με την γάστρα του σκάφους μπορεί να προκαλέσει το φαινόμενο της υδροακουστικής σκιάς και να μειώσει κατά πολύ τις επιχειρησιακές δυνατότητες του. Οι πιθανές θέσεις είναι όπως φαίνονται στην Εικόνα 2.5 και είναι: A. ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΚΑΤΩ ΑΠΟ ΤΗΝ ΤΡΟΠΙΔΑ B. ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΣΕ ΚΑΠΟΙΑ ΠΛΕΥΡΑ (ΕΙΤΕ ΔΕΞΙΑ ΕΙΤΕ ΑΡΙΣΤΕΡΑ) C. ΣΤΗΝ ΠΛΩΡΗ ΤΟΥ ΣΚΑΦΟΥΣ Η πιο δημοφιλής λύση είναι η εγκατάσταση της συσκευής σε ένα χαλύβδινο στύλο στην πλευρά του σκάφους. Σε αυτήν τη θέση έχει μεν μεγάλη ευκολία χρήσης αλλά επιτρέπει την χρήση μόνο του ενός εκ των δύο καναλιών εκπομπής (εξωτερικό κανάλι), καθώς το εσωτερικό κανάλι παρεμποδίζεται από την γάστρα. ΕΙΚΟΝΑ 2.6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΛΕΥΡΙΚΟΥ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ΑΠΟ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΕΙΣ (Αριστερά-Πλώρα-Δεξιά) (Side Scan Sonar As A Tool For Harbour Basin Bottom Investigation) Μια εκτενής μελέτη θετικών και αρνητικών οδήγησε την μελέτη στο συμπέρασμα ότι η βέλτιστη τεχνική τοποθέτησης του πλευρικού ηχοβολιστικού για έρευνα σε ρηχά νερά και νερά λιμένων είναι η τοποθέτησή της στην πλώρη της ερευνητικής πλατφόρμας. Για αυτήν την τεχνική το βέλτιστο αποτέλεσμα επιτυγχάνεται με χρήση ενός στύλου αλουμινίου όπου στην κορυφή του εγκαθίσταται και η κεραία της συσκευής GPS. Έτσι τοποθετείται η κεραία ακριβώς 27

29 πάνω από την τορπίλη και επιλύεται το πρόβλημα αντισταθμίσεων μεταξύ ηχοβολιστικής μονάδας και δορυφορικής κεραίας. Το κύριο πλεονέκτημα είναι εξάλειψη της επίδρασης της λεγόμενης εκτροπής (yawn). Άλλο πλεονέκτημα είναι ότι στην συγκεκριμένη ρύθμιση είναι εύκολος ο έλεγχος του ύψους του σόναρ παρόλο που όπως εξηγήθηκε κι νωρίτερα μια ηχοβολιστική τορπίλη σε σταθερό βάθος παρουσιάζει ένα σοβαρό μειονέκτημα. Δεν υπάρχει δυνατότητα επαρκούς ρύθμισης του βάθους της τορπίλης καθιστώντας αδύνατη την απόκτηση βέλτιστης γεωμετρίας για το παραγόμενο σήμα. Στην συνέχεια παρατίθενται μερικές από τις εμπειρίες που αποκομίσανε οι ερευνητές από την μελέτη στην Γντίνια. Κατ αρχήν οι έρευνες πραγματοποιήθηκαν σε ένα συμβατικό ερευνητικό σκάφος με διαστάσεις 9 μέτρα μήκος, 0,65 βάθος και εκτόπισμα 6,1 τόνων. Το Πολεμικό Ναυτικό διαθέτει μια αντίστοιχη υδρογραφική μονάδα σε λειτουργία την ΑΚΑΤΟΣ 14. Οπότε για αρχή παρατηρείται πως υπάρχει διαθέσιμο σκάφος όπου μπορεί να γίνει η παραπάνω μετασκευή. ΕΙΚΟΝΑ 2.7 ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΣΚΑΦΟΣ ΜΕΛΕΤΗΣ (Side Scan Sonar As A Tool For Harbour Basin Bottom Investigation) ΕΙΚΟΝΑ 2.8 ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΗ ΗΔΗ ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΜΟΝΑ ΤΟΥ Π.Ν. ( /loipa-ploia/ / ) Μια ειδική αλουμινένια βάση σχεδιάστηκε ώστε να επιδέχεται την ηχοβολιστική τορπίλη και εγκαταστάθηκε στην πλώρη του σκάφους. Ο στύλος και τα καλώδια είναι φορητά. Η ηχοβολιστική τορπίλη βιδώθηκε με δύο βίδες στο κάτω άκρο του ιστού και όλο μαζί τοποθετήθηκε στην βάση της πλώρης. Η κεραία του GPS τοποθετήθηκε στην κορυφή ενός δεύτερου ιστού και βιδώθηκε στην ίδια βάση με τον ιστό του σόναρ. Ο στύλος του σόναρ είχε την 28

30 δυνατότητα σταθεροποίησης σε αρκετές θέσεις, επιτρέποντας στον χειριστή ένα μικρό εύρος ρύθμισης του βάθους της συσκευής, με μέγιστο τα 2 μέτρα. Αυτή την κατασκευή δεν την διαθέτουν τα υδρογραφικά σκάφη του Πολεμικού Ναυτικού αλλά ύστερα από σχετική μελέτη είναι δυνατόν να κατασκευαστεί και να τοποθετηθεί. Στην αρχή των πειραμάτων το ύψος ολόκληρης της κατασκευής προέκυπτε προβληματικό και ειδικά σε μεγαλύτερα σκάφη. Το σύστημα ήταν εξαιρετικά εκτεθειμένο σε δονήσεις, κυρίως λόγω του μήκους της κατασκευής, καθιστώντας την διεξαγωγή αποτελεσματικής έρευνας αδύνατη. Η λύση ήταν ορισμένες σχεδιαστικές τροποποιήσεις οι οποίες βελτίωσαν την σταθερότητα της. Για παράδειγμα χρησιμοποιήθηκαν πλεκτά σκοινιά τα οποία προσέδωσαν μια ελαστικότητα στο σύστημα. ΕΙΚΟΝΑ 2.9 ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ ΜΕΡΗ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗΣ ΤΗΣ ΑΥΤΟΣΧΕΔΙΑΣ ΒΑΣΗΣ. (Side Scan Sonar As A Tool For Harbour Basin Bottom Investigation) ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΡΕΥΝΑΣ Για την επικύρωση της ακρίβειας που παρέχει αυτή η πατέντα θα πρέπει να επιτευχθούν οι παρακάτω στόχοι: I. Να γίνει επαλήθευση της κατασκευής της πρωτότυπης αλουμινένιας κατασκευής II. Εκτέλεση υδροακουστικής έρευνας πυθμένα ώστε να επαληθευθεί η μεθοδολογία 29

31 III. Αξιολόγηση της δυνατότητας εντοπισμού και μετρήσεων των ανακαλυφθέντων στόχων IV. Αναγνώριση των προβλημάτων που θα συναντιούνταν και πρόταση της βέλτιστης μεθόδου έρευνας κάνοντας χρήση του τροποποιημένου συστήματος. Παρακάτω παρατίθεται ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε ώστε να γίνει σύγκριση με τον ήδη υπάρχοντα εξοπλισμό της Υδρογραφικής Υπηρεσίας. Ο κύριος εξοπλισμός σόναρ που χρησιμοποιήθηκε ήταν ένα πλευρικό ηχοβολιστικό τύπου KLEIN-3900, υποστηριζόμενο από ένα σύστημα QISy, και έναν δέκτη DGPS τύπου R110. Επιπλέον το σύστημα διέθετε ένα ηχοβολιστικό μονής ηχητικής δέσμης DESO- 25 καθώς και μια μονάδα υπολογισμού του προφίλ ταχύτητας ήχου. Στην παρούσα έρευνα έγινε εκμετάλλευση της υψηλής συχνότητας του συστήματος η οποία δίνει πολύ μεγάλη ακρίβεια και βάθη εώς 50 μέτρα. Οι δέσμες του μορφοτροπέα έχουν πλάτος 0,21 ο στο οριζόντιο επίπεδο και 40 ο στο κάθετο. Η ΑΚΑΤΟΣ 14 διαθέτει ήδη αντίστοιχους εξοπλισμούς με το παραπάνω ερευνητικό σκάφος. Το μόνο που δεν διαθέτει είναι πλευρικό ηχοβολιστικό, το οποίο διαθέτει όμως το Ναυτικό γενικότερα και θα μπορούσε να το διαθέσει στην ΑΚΑΤΟΣ 14. Η διάταξη του συστήματος που πραγματοποίησε την έρευνα ήταν η παρακάτω και είναι αντίστοιχη της ήδη χρησιμοποιούμενης από την Υδρογραφική Υπηρεσία. ΕΙΚΟΝΑ 2.10 ΔΙΑΤΑΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΛΕΥΡΙΚΟΥ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ(Side Scan Sonar As A Tool For Harbour Basin Bottom Investigation) 30

32 2.4.3 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΔΕΣΜΗΣ ΣΤΗΝ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Στο συγκεκριμένο πείραμα η τορπίλη λειτουργούσε 2 μέτρα υπό της επιφάνειας της θάλασσας και από 4 εώς 9 μέτρα πάνω από τον βυθό. Τα πρώτα πειράματα έδειξαν ότι οι τυπικές ρυθμίσεις του πλευρικού ηχοβολιστικού δεν παρείχαν τα αναμενόμενα αποτελέσματα εξαιτίας του μεγάλου θορύβου που προέκυπτε από την κυματώδη κίνηση της επιφάνειας της θαλάσσης. Ακολούθησε η ρύθμιση για την στρέψη του λοβού κατά -15 ο προς τα κάτω. Στην συνέχεια αυξήσανε την στρέψη της κύριας δέσμης του πλευρικού ηχοβολιστικού κατά -25 ο, ώστε να μειώσουνε ακόμα παραπάνω την επίδραση της ανάκλασης από την επιφάνεια, το οποίο οδήγησε στην συλλογή κατά πολύ βελτιωμένων δεδομένων. Η διατάραξη που προκαλούσε η τραχιά θαλάσσια επιφάνεια, περιορίστηκε και έτσι προέκυψαν βελτιωμένες συνθήκες εντοπισμού. Οι υποτυπώσεις του σόναρ απέκτησαν την απαιτούμενα λεπτομέρεια και ακρίβεια. ΕΙΚΟΝΑ 2.11 ΑΠΕΙΚΟΝIΣΗ ΤΩΝ ΛΟΒΩΝ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΣΤΡΕΨΗΣ ΤΟΥΣ (Side Scan Sonar As A Tool For Harbour Basin Bottom Investigation) 31

33 EIKONA 2.12 ΑΔΥΝΑΜΙΑ ΣΩΣΤΗΣ ΥΠΟΤΥΠΩΣΗΣ ΒΥΘΟΥ ΜΕ ΣΤΡΕΨΗ 15 Ο (ΑΡΙΣΤΕΡΑ) ΚΑΙ ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΤΗΣ ΠΑΡΑΠΑΝΩ ΑΔΥΝΑΜΙΑΣ ΜΕ ΣΤΡΕΨΗ 25 Ο. (Side Scan Sonar As A Tool For Harbour Basin Bottom Investigation) ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΟΝ ΛΙΜΕΝΑ Με στόχο την ευκολία χρήσης και την αποδοτικότητα του προτεινόμενου συστήματος δυο μικρά αντικείμενα τοποθετήθηκαν στον πυθμένα της λεκάνης του πυθμένα: ένας μεταλλικός κύλινδρος (ύψος 61cm και διάμετρο 24 cm) και ένας κουβάς χρωμάτων (40 cm επί 30 cm). Αυτά τα αντικείμενα τοποθετήθηκαν στο βάθος των 8 μέτρων, και σε μεταξύ τους απόσταση περί τα 10 μέτρα. Στην παρούσα μελέτη οι πορείες έρευνας σχεδιάστηκαν ώστε να κινείται το πλοίο 10 με 15 μέτρα από τη θέση των αντικειμένων. ΕΙΚΟΝΑ 2.13 ΥΠΟΤΥΠΩΣΗ ΤΩΝ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ ΣΤΟΝ ΒΥΘΟ 32

34 Παρόλο το μικρό μέγεθος των στόχων, άφησαν ξεκάθαρες ακουστικές σκιές, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν για την μέτρηση των γεωμετρικών διαστάσεων των αντικειμένων. Τόσο το ύψος όσο και η διάμετρος βάσης των αντικειμένων που προέκυψαν από τους υπολογισμούς ταυτίστηκαν με τις πραγματικές διαστάσεις των αντικειμένων. Έτσι αποδείχθηκε πειραματικά ότι ένα πλευρικό ηχοβολιστικό το οποίο έχει εγκατασταθεί στην πλώρη του σκάφους έχει την δυνατότητα έρευνας και εντοπισμού στόχων στον θαλάσσιο πυθμένα, μικρότερων του 1 μέτρου. Πραγματοποιήθηκε άλλη μια δοκιμή για την πιστοποίηση της δυνατότητας εντοπισμού του μελετώμενου συστήματος. Δύο αντικείμενα τοποθετήθηκαν στον πυθμένα σε ένα βάθος 10 μέτρων: ένας μικρός ανακλαστήρας ραντάρ (43cm x 36 cm x 38 cm) και ένα δοχείο χρωμάτων. Τα αντικείμενα βρισκόντουσαν μέτρα το ένα από το άλλο. Το πείραμα στέφθηκε με επιτυχία. Το πλευρικό ηχοβολιστικό κατέγραψε τα ηχητικά κύματα προερχόμενα από αυτά τα δύο αντικείμενα με πολύ μεγάλη ακρίβεια ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ ΜΕΛΕΤΗΣ Η Ελλάδα είναι μια χώρα με πάρα πολλά λιμάνια και τεράστια ναυτιλιακή κίνηση. Υπάρχει λοιπόν η απαίτηση συστημάτων υψηλής ακρίβειας και αξιοπιστίας για την βελτίωση ή την συμπλήρωση των έρευνών. Οι νέες δυνατότητες που προσφέρει η παραπάνω Πολωνική τροποποίηση θα μπορούσαν να φανούν εξαιρετικά χρήσιμές στην Υδρογραφική Υπηρεσία. Και στην περίπτωση του Πολεμικού Ναυτικού εκτός από την έρευνα σε λιμένες θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε περιοχές πολύ κοντά στις ακτές για την ανακάλυψη π.χ. νέων σημείων αγκίστρωσης. Έτσι με την μέθοδο και τις τροποποιήσεις που παρατίθενται η έρευνα αυτή θα ήταν δυνατόν η Υδρογραφική Υπηρεσία να αποκτήσει ένα μέσο που θα της παρέχει απίστευτη βοήθεια. Και όπως αποδείχθηκε και παραπάνω διατίθενται η πλειονότητα του εξοπλισμού και μένει μόνο η τροποποίηση και η προσαρμογή του των συστημάτων στην νέα κατάσταση. 2.5 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΛΕΥΡΙΚΟΥ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ Για την βέλτιστη κατανόηση των αποτελεσμάτων θα χρησιμοποιηθεί ως παράδειγμα μια έρευνα του Heriot-Watt από το πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου. Τα 33

35 παρακάτω αποτελέσματα αποκτήθηκαν μέσω επεξεργασίας δεδομένων που ελήφθησαν από πλευρικό ηχοβολιστικό και τα αντίστοιχα δεδομένα πλοηγήσεως. Οι εικόνες αυτές είναι χαρακτηριστικές εικόνες από ένα πλευρικό ηχοβολιστικό. Το συγκεκριμένο σκάφος εκτέλεσε το παραπάνω σχέδιο ώστε να καλύψει μια έκταση μήκους 1150 μέτρων και πλάτους 575 μέτρων. Τα δεδομένα αυτά χρησιμοποιούνται για την δημιουργία ενός μωσαϊκού μεγάλης κλίμακας. ΕΙΚΟΝΑ 2.14 ΕΙΚΟΝΑ ΣΑΡΩΣΕΩΣ ΠΛΕΥΡΙΚΟΥ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ( Με το πλευρικό ηχοβολιστικό παρέχεται η δυνατότητα λήψης πάρα πολλών πληροφοριών σχετικά με τον βυθό, τόσο ως προς την ποιότητά του όσο και ως προς πιθανά αντικείμενα που βρίσκονται επί αυτού. Παρακάτω παρατίθενται ορισμένα χαρακτηριστικά παραδείγματα. 34

36 ΕΙΚΟΝΑ 2.15 ΕΙΚΟΝΑ ΑΜΜΩΔΗ ΒΥΘΟΥ ΟΠΩΣ ΦΑΙΝΕΤΑΙ ΑΠΟ ΠΛΕΥΡΙΚΟ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟ ( ΕΙΚΟΝΑ 2.16 ΕΙΚΟΝΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΝΑΥΑΓΙΟΥ ( 35

37 ΕΙΚΟΝΑ 2.17 ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ ΝΑΡΚΗΣ ΑΠΟ ΠΛΕΥΡΙΚΟ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟ ( Όπως παρουσιάζεται το πλευρικό ηχοβολιστικό είναι ένα σύστημα το οποίο δύναται να εντοπίσει φαινομενικά οποιοδήποτε αντικείμενο και με πολύ καλή ευκρίνεια. Στις Παραπάνω εικόνες μπορούμε να διακρίνουμε την μεγάλη λεπτομέρεια που παρέχει το σύστημα ως προς το σχήμα και την θέση. Είναι εντυπωσιακή η δυνατότητα που δίνει στον εντοπισμό ακόμα και των διχτυών όπως φαίνεται παρακάτω. Πρέπει να τονιστεί ότι το πλευρικό ηχοβολιστικό δεν μας δίνει καμιά πληροφορία σχετικά με το βάθος. Μπορεί να υπολογιστεί βέβαια αλλά δεν παρέχει ιδιαίτερη αξιοπιστία. 36

38 ΕΙΚΟΝΑ 2.18 ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ ΔΙΧΤΥΩΝ ΑΠΟ ΠΛΕΥΡΙΚΟ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟ ( 2.5 ΕΠΙΛΟΓΟΣ Το πλευρικό ηχοβολιστικό είναι ένα πολύτιμο εργαλείο που ήδη διαθέτει και χρησιμοποιεί ευρέως το Πολεμικό Ναυτικό. Παρόλο που αποτελεί το απόλυτο μέσο εντοπισμού αντικειμένων και ιδιοτήτων του βυθού το πλευρικό ηχοβολιστικό δεν έχει την δυνατότητα βυθομέτρησης. Αυτό κατ επέκταση καθιστά αδύνατη την δημιουργία ανάγλυφου του πυθμένα. Για αυτό το λόγο το πλευρικό ηχοβολιστικό χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με κάποια ακόμα μέθοδο. Η Υδρογραφική Υπηρεσία αυτή την στιγμή διαθέτει δύο πλοία με εξοπλισμό πλευρικού ηχοβολιστικού. Το Υ/Γ - ΩΚ ΝΑΥΤΙΛΟΣ το οποίο διαθέτει το πλευρικό ηχοβολιστικό (SSS) Geoacoustics και το Υ/Γ - ΩΚ ΠΥΘΕΑΣ το οποίο διαθέτει 37

39 πλευρικό ηχοβολιστικό (S.S.S. klein 595) με ρυμουλκούμενη μονάδα (tow fish). Περαιτέρω στοιχεία για τις μονάδες της Υδρογραφικής Υπηρεσίας θα δοθούν στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α. 38

40 ΑΝΑΦΟΡΕΣ 2 ΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Intelmann S. and Cochrane R. (2006). Olympic Coast National Marine Sanctuary Habitat Mapping: Survey report and classification of side scan sonar data from surveys HMPR and HMPR Maryland: Olympic Coast National Marine Sanctuary, NOAA Coastal and Marine Geology Program, USGS. Ανακτήθηκε από: Cormack A. (2003). LARGE SCALE SIDE-SCAN SONAR MOSAICS. Edinburgh: SeeByte Ltd. Ανακτήθηκε από: Henriques V. κ.α. (2012). Recommended Operating Guidelines (ROG) for sidescan sonars. MeshAtlantic Grzadziel A., Felski A. and waz M. (2014). Side Scan Sonar As A Tool For Harbour Basin Bottom Investigation. Gdynia: Institute of Navigation and Marine Hydrography, Polish Naval Academy long,

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΗΧΗΤΙΚΗΣ ΔΕΣΜΗΣ (MULTIBEAM ECHO SOUNDER) 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το αντικείμενο του παρόντος κεφαλαίου είναι η παρουσίαση και η ανάλυση του ηχοβολιστικού πολλαπλής ηχητικής δέσμης καθώς και των εφαρμογών του (χαρτογράφηση παράκτιων περιοχών και εγκαταστάσεων, έρευνα βυθού κλπ.). Το ηχοβολιστικό πολλαπλής ηχητικής δέσμης (Multibeam Echo Sounder) είναι προϊόν της σύγχρονης τεχνολογίας και χρησιμοποιείται ευρέως στην θαλάσσια έρευνα μετά το Λειτουργεί με την βασική αρχή του Sonar όπως και το ηχοβολιστικό μονής δέσμης (Single Beam Echo Sounder) εκπέμποντας, όμως ηχητικούς παλμούς σε πολλές δέσμες στο εύρος μιας ζώνης, εγκάρσιας στην πορεία του σκάφους φορέα, καλύπτοντας σε ποσοστό το 100% του πυθμένα με μετρήσεις. Αποτυπώνει την μορφολογία του πυθμένα καταγράφοντας την θέση των ηχοβολιζόμενων σημείων, ενώ παράλληλα μετράει και το πλάτος του ανακλώμενου σε κάθε σημείο, ηχητικού παλμού (Backscatter). 40 ΕΙΚΟΝΑ 3.1 Πλοίο το οποίο εκτελεί έρευνα με ηχοβολιστικό πολλαπλής ηχητικής δέσμης.

42 3.2 ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΗΧΗΤΙΚΗΣ ΔΕΣΜΗΣ Ένα σύστημα ηχοβολιστικού πολλαπλής ηχητικής δέσμης περιλαμβάνει έναν μορφοτροπέα, ένα πομποδέκτη και ένα σύστημα ηλεκτρονικού υπολογιστή (το οποίο ενσωματώνει και χειρίζεται όλες τις παραπάνω συσκευές). Επιπλέον απαιτούνται αισθητήρας προσδιορισμού και προσανατολισμού, καθώς και μια μονάδα αποθήκευσης δεδομένων ΜΟΡΦΟΤΡΟΠΕΑΣ (TRANSDUCER) ΕΙΚΟΝΑ 3.2 Σχηματική απεικόνιση μορφοτροπέα (transducer), εύρους ζώνης (beamwidth) και όριο μισής ισχύος (half power limit). ( Ο μορφοτροπέας μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε ακουστική ενέργεια και το αντίστροφο. Το μέγεθος του μορφομετατροπέα σχεδιάζεται με βάση το απαιτούμενο εύρος ζώνης, το οποίο ορίζεται ως η διπλάσια γωνιακή απόσταση από το ναδίρ εώς το σημείο όπου το διαστελλόμενο κύμα έχει μειωθεί στη μισή από την αρχική ισχύ του (-3dB). Το ηχοβολιστικό πολλαπλής ηχητικής δέσμης λειτουργεί γύρω από μια κεντρική συχνότητα και ο μορφομετατροπέας περιλαμβάνει μία 41

43 συστοιχία στοιχείων. Το μέγεθος αυτής της συστοιχίας καθορίζεται από τον κανόνα που αναφέρει ότι όσο πιο στενό το εύρος ζώνης, τόσο μεγαλύτερη οπή απαιτείται. Τα διαφορετικά στοιχεία της οπής βρίσκονται ανά συγκεκριμένα διαστήματα. Τα διαστήματα αυτά έχουν μέγιστη μεταξύ τους απόσταση μισού μήκους κύματος. Στα συστήματα υψηλών συχνοτήτων, τα στοιχεία είναι μεγαλύτερα από τις μεταξύ τους αποστάσεις. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα τα στοιχεία τοποθετούνται σε σειρές το ένα κάτω από το άλλο. Η συστοιχία του μορφοτροπέα εκπέμπει ένα παλμό ο οποίος είναι εξαιρετικά στενός κατά μήκος της πορείας και πλατύς στο εγκάρσιο του πλοίου. Ενδεικτικά, ένα σύστημα δύναται να έχει εύρος ζώνης εκπομπής, κατά μήκος της πορείας περί τις 3 ο και κατά πλάτος περί των 85 ο εκατέρωθεν της πορείας ΠΟΜΠΟΔΕΚΤΗΣ Ο πομποδέκτης χειρίζεται τόσο την εκπομπή όσο και την λήψη των (ηλεκτρικών) σημάτων και εκεί γίνεται η καθοδήγηση των δεσμών καθώς και η μορφοποίηση τους: οι δύο καθοριστικές λειτουργίες του ηχοβολιστικού πολλαπλής ηχητικής δέσμης. Αναλόγως και της κατασκευής του πομποδέκτη, μπορεί η συσκευή να επιτύχει μέχρι και εξάλειψη του φαινομένου του προνευστασμού, με χρήση σταθεροποιητή δέσμης, κατά την εκπομπή του παλμού. Μια δέσμη εκπέμπεται αλλά ταυτόχρονα δημιουργούνται πολλές περισσότερες ώστε να λάβει την ανακλώμενη ενέργεια από την ερευνώμενη περιοχή από κάθε εκπεμπόμενο παλμό. Το ακόλουθο σχήμα (ΕΙΚΟΝΑ 3.3) δείχνει την μονή εκπομπή δέσμης να διασταυρώνεται με τις λαμβανόμενες δέσμες στις περιοχές όπου ονομάζονται ίχνη. 42

44 ΕΙΚΟΝΑ 3.3 Σχηματική απεικόνιση εκπομπής/λήψης ηχοβολιστικού πολλαπλής ηχητικής δέσμης στον πυθμένα. ( Ίχνος είναι η διασταύρωση της περιοχής που έχουμε γεμίσει με τα ηχητικά κύματα, με τις προβαλλόμενες σε αυτό λαμβανόμενες δέσμες. Ο συνδυασμένος κύκλος εκπομπής-λήψης σχηματίζουν μια λωρίδα. Για να καθοριστεί η ταχύτητα της έρευνας καθώς και να επιτευχθεί 100% κάλυψη θα πρέπει να λάβουμε υπόψιν μας δύο αλληλεξαρτώμενους παράγοντες α) το εύρος ζώνης εκπομπής και β) τον ρυθμό εκπομπής των παλμών. Αν στόχος μας είναι η πλήρης κάλυψη της ερευνώμενης περιοχής, η ταχύτητα της έρευνας δεν θα πρέπει να ξεπερνά την ταχύτητα στην οποία οι διαδοχικοί εκπεμπόμενοι παλμοί δεν επικαλύπτονται, διαφορετικά θα προκαλούνται κενά τα οποία θα οδηγήσουν σε ελλιπή δεδομένα ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΑΘΟΔΗΓΗΣΗ ΔΕΣΜΗΣ Η καθοδήγηση δέσμης μπορεί να εφαρμοστεί τόσο κατά την εκπομπή όσο και κατά την λήψη των παλμών προσανατολίζοντας την δέσμη προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Εισάγοντας χρονική καθυστέρηση στις στοιχειώδεις συνεισφορές της συστοιχίας του μορφοτροπέα, δημιουργείται μια εικονική συστοιχία της οποίας η φάση είναι κάθετη στην επιθυμητή γωνία στρέψης. Καθώς η δέσμη στρέφεται ακόμα παραπάνω, η περιοχή όπου γίνεται η διασταύρωση μεταξύ της δέσμης και του πυθμένα γίνεται πιο πλατιά και αποκτά πλέον παραβολικό σχήμα. Αυξάνοντας την γωνία στρέψης καταλήγει η λαμβανόμενη δέσμη να βλέπει σε ένα πιο ευρύ γωνιακό 43

45 τομέα και συνεπώς τα αντικείμενα τα οποία δύναται να αναλυθούν σε μικρότερες κοντά στο ναδίρ δέσμες χάνονται στις εξωτερικές δέσμες. Επιπλέον παράγοντες που επηρεάζουνε την ανάλυση του συστήματος είναι η επιμήκυνση των ηχητικών κυμάτων με μείωση της οριζόντιας γωνίας και μείωση των επιστροφών από ανάκλαση. Ο όρος σχηματισμός της δέσμης χρησιμοποιείται για να περιγράψει πως οι εκπεμπόμενες και λαμβανόμενες δέσμες, συνδυάζονται για να δημιουργήσουν μακρόστενες δέσμες. Σε ένα σύστημα κατευθυνόμενο ως προς τον άξονα διατοιχισμού της ερευνητικής πλατφόρμας, εκπέμπεται μονός παλμός, ο οποίος γεμίζει με ηχητικά κύματα την περιοχή ακριβώς κάτω από το πλοίο. Η καθοδήγηση αυτή συνήθως επιτυγχάνεται μέσω της άθροισης των χρονοκαθυστερημένων υδροφωνικών κατά μήκος της συστοιχίας του μορφοτροπέα. Ο πομποδέκτης μπορεί να επιτύχει την κατευθυντικότητα των δεσμών μέσω του FFT σχηματισμού δέσμης. Στον FFT σχηματισμό, τα χωρικά μήκη κύματος στο εγκάρσιο της κάθε συστοιχίας, που λαμβάνεται ακαριαία η ηχώς, τους αναλύονται για να καθοριστεί η κατεύθυνση της συνεισφοράς ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ Οι τυπικοί επεξεργαστές στα ηχοβολιστικά πολλαπλής ηχητικής δέσμης είναι: η μονάδα εντοπισμού βυθού και η μονάδα χειρισμού. Η μονάδα εντοπισμού βυθού λαμβάνει τις επιστροφές από τον πομποδέκτη και υπολογίζει τον χρόνο μετάδοσης με δεδομένες τις γωνίες των δεσμών. Οι χρόνοι μετάδοσης στην συνέχεια ενσωματώνονται και ομαδοποιούνται βάση των δεδομένων προσδιορισμού θέσης και προσανατολισμού, τα οποία λαμβάνονται κατά την διάρκεια της εκπομπής του κάθε παλμού. Εφόσον ομαδοποιηθούν, τα δεδομένα αποστέλλονται στον καταγραφέα δεδομένων για αποθήκευση και στην μονάδα χειρισμού για να γίνει έλεγχος της ποιότητας των δεδομένων έρευνας σε πραγματικό χρόνο. Η προετοιμασία των δεδομένων μετά την επεξεργασία, εκτελείται στην συνέχεια, ώστε να φιλτράρουμε τα δεδομένα και να εφαρμόσουμε τις ποικίλες διορθώσεις ΜΟΝΑΔΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΒΥΘΟΥ Τα περισσότερα ηχοβολιστικά πολλαπλής ηχητικής δέσμης χρησιμοποιούν δύο αλγόριθμους για τον εντοπισμό του βυθού. Το ποιος θα χρησιμοποιηθεί εξαρτάται από την οριζόντια γωνία η οποία βρίσκεται μεταξύ του πομποδέκτη και του πυθμένα. Στο κατακόρυφο επίπεδο χρησιμοποιείται η πληροφορία του ύψους, ενώ στις οριζόντιες κατευθύνσεις χρησιμοποιείται η φάση του ανακλώμενου 44

46 σήματος. Μεταξύ των δύο αυτών άκρων βρίσκεται μια πιο ισορροπημένη λύση η οποία ακολουθεί συνδυασμό των παραπάνω μεθόδων. Εύρεση ύψους και φάσης εφαρμόζονται διαδοχικά σε κάθε δέσμη και στην συνέχεια το λογισμικό σύστημα επεξεργασίας επιλέγει την βέλτιστη λύση ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΘΕΣΗΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Ύστερα από κάθε εκπομπή, ο κεντρικός επεξεργαστής παίρνει τους σχετιζόμενους με το σόναρ χρόνους και γωνίες από την μονάδα εντοπισμού βυθού, από τις οποίους αφαιρούνται οι αλλοιώσεις ώστε να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της θέσης το πλοίου με την βέλτιστη δυνατή ακρίβεια. Οι πληροφορίες της θέσης του σκάφους θα πρέπει να συνδυάζουν οριζοντιογραφική θέση, υψόμετρο, προσανατολισμό τριών διαστάσεων και τις ιδιότητες του νερού καθ όλο το βάθος (για υπολογισμό της ταχύτητας του ήχου στα διάφορα στρώματα χρειάζονται πολλές πληροφορίες όπως θερμοκρασία, αλατότητα, πίεση κλπ.). Οι ιδιότητες του νερού υπολογίζονται εν μέρη μέσω ενός ανιχνευτή ταχύτητας ο οποίος είναι εγκατεστημένος στο πλοίο (Εικόνα 3.8) και θα γίνει περαιτέρω εξέταση του θέματος σε παρακάτω κεφάλαιο. Ο προσδιορισμός θέσης, ύψους και προσανατολισμού του πλοίου θα αναλυθούν παρακάτω. Η οριζοντιογραφική θέση του πλοίου προσδιορίζεται σχεδόν πάντα με χρήση είτε: Κλασικής ναυτιλίας Απαιτεί την γνωστή εξαγωγή στίγματος FIX ανά συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα. Η ακρίβεια του μπορεί να κυμαίνεται λόγω των πολλών παραγόντων από τους οποίους εξαρτάται (κλίμακα χάρτη, χρήση σωστού χρόνου, ικανότητα ναυτιλομένου κλπ.). Μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο πλησίον των ακτών. Η τοποθέτηση των μετρήσεων θα πρέπει να γίνει χειροκίνητα. Παγκόσμιου Συστήματος Προσδιορισμού Θέσης (GPS) Είναι εξαιρετικά λειτουργική η χρήση του GPS κατά την έρευνα. Πέραν του γεγονότος ότι παρέχει πολύ μεγάλη ακρίβεια της τάξης 1-10 μέτρων έχει ένα επιπλέον: πλεονέκτημα την αντιστοίχιση των δεδομένων με την θέση. Όπως προαναφέρθηκε μέσω του κεντρικού επεξεργαστή εξάγονται οι ακριβείς χρόνοι των μετρήσεων. Εάν το σκάφος διαθέτει σύστημα GPS οι χρόνοι αυτοί εισάγονται απευθείας στο σύστημα και γίνεται αυτομάτως η ταύτιση των μετρήσεων με την σωστή θέση. Η συσχέτιση αυτή είναι συνεχής. Διαφορικού Παγκόσμιου Συστήματος Προσδιορισμού Θέσης (DGPS) 45

47 Το DGPS συνδυάζει όλα τα πλεονεκτήματα του συμβατικού GPS με αυξημένη ακρίβεια μερικών εκατοστών του μέτρου. Αυτό το επιτυγχάνει με χρήση επίγειων σταθμών οι οποίοι μετρούν το σφάλμα που θα παρουσίαζε ένα συμβατικό σύστημα GPS και στέλνουν διορθώσεις στο DGPS του σκάφους. Συνδυασμό των παραπάνω Αν το πλοίο δεν έχει δυνατότητα χρήσης υψηλής ακριβείας DGPS όπου παρέχει κατακόρυφη ακρίβεια περί το μισό μέτρο ή λιγότερο, η φυσική μέθοδος υπολογισμού ύψους περιλαμβάνει χρήση της επιφάνειας της θάλασσας. Έτσι απαιτούνται πέντε διορθώσεις: 1. Το ύψος της παλίρροιας 2. Την απόσταση μεταξύ μορφοτροπέα και το επίπεδο της θάλασσας. Σε περιπτώσεις όπου ο μορφοτροπέας δεν βρίσκεται πάνω στο σκάφος αλλά χρησιμοποιείται ηχοβολιστική τορπίλη, η απόσταση του από την επιφάνειά του υπολογίζεται με έναν αισθητήρα πιέσεως μεγάλης ακριβείας. 3. Υπολογισμός του squat (η τάση της πρύμνης του σκάφους να κινείται προς τα κάτω). ΕΙΚΟΝΑ 3.4 Το φαινόμενο squat Η ταχύτητα του ήχου. Θα πρέπει να γίνονται οι διορθώσεις εάν η ταχύτητα του ήχου αλλάζει στα διάφορα στρώματα του νερού. 5. Διατοιχισμός, προνευστασμος, ανάπαλση και πορεία, διορθώνονται για τις δυναμικές της ερευνητικής πλατφόρμας.

48 ΕΙΚΟΝΑ 3.5 Εποπτική παράσταση βαθυμετρικής αποτύπωσης από σκάφος (NSFW) ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Τα ηχοβολιστικά πολλαπλής ηχητικής δέσμης παράγουν έναν τεράστιο όγκο δεδομένων. Έτσι θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν η απαίτηση για μεγάλες αποθηκευτικές μονάδες όπως σκληροί δίσκοι και οπτικοί δίσκοι. Τα σημερινά συστήματα είναι ασύγχρονης καταγραφής των διάφορων επιμέρους μηχανημάτων ενώ τα παλαιότερα σε κάθε παλμό κατέγραφαν το σύνολο όλων των επιμέρους στοιχείων Motion Reference Unit (MRU) Το MRU είναι ένας αισθητήρας ο οποίος παίρνει μετρήσεις για τον διατοιχισμό, προνευστασμό και το ύψος της ισάλου. Όποτε αυτό είναι δυνατό το MRU θα πρέπει να τοποθετείται στον διαμήκη άξονα του πλοίου και όσο πλησιέστερα γίνεται είτε στο κέντρο βάρους του σκάφους, είτε στην τομή των αξόνων του διατοιχισμού και του προνευστασμού. Επιπλέον θα πρέπει να χρησιμοποιεί και ο μορφοτροπέας τις ίδιες γωνίες στήριξης (ο άξονας χ του MRU θα πρέπει να ταυτίζεται με τον άξονα χ του μορφοτροπέα). 47

49 ΕΙΚΟΝΑ 3.6 Αισθητήρας MRU (Courtesy Kongsberg Simrad Ltd) ΕΙΚΟΝΑ 3.7 Άξονες διατοιχισμού (roll) προνευστασμού (pitch) και ανασήκωμα (heave). (personal.maths.surrey.ac.uk) ΠΟΡΕΙΑ Για τις αποστολές με ηχοβολιστικά πολλαπλής ηχητικής δέσμης απαιτείται πολύ μεγάλης ακριβείας αισθητήρες κατεύθυνσης. Ενώ στα ρηχά νερά 0.5 ο σφάλμα μπορεί να θεωρείται αμελητέο σε μεγάλα βάθη, πχ 2000 μέτρα, θα είχε ως αποτέλεσμα οι εξωτερικές δέσμες να παρεκκλίνουν πάνω από 18 μέτρα. Θα πρέπει να τονίσουμε ότι ως σημείο αναφοράς της πορείας μας χρησιμοποιείται ο αληθής βορράς. Υπάρχουν δύο τρόποι για ακριβή υπολογισμό της πορείας μας: 1. Γυροπυξίδα. Είναι η συμβατική μέθοδος και παρέχει ακρίβεια από 0.5 ο εώς 1 ο. Είναι σημαντικό να βρίσκουμε το σφάλμα μεταξύ του διαμήκη άξονα του πλοίου και της γυροπυξίδας. 2. Αισθητήρες GPS. Η παρεχόμενη ακρίβεια είναι μικρότερη της 0.1 ο. Όταν επιχειρεί σκάφος σε νερά με βάθη μεγαλύτερα των 500 μέτρων αυτά τα συστήματα παρέχουν σημαντική βελτίωση τόσο στην κατευθυντικότητα όσο και στην ευθυγράμμιση των δεσμών. 48

50 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ ΛΟΓΩ ΔΙΑΘΛΑΣΗΣ Τα ηχοβολιστικά πολλαπλής ηχητικής δέσμης έχουν την δυνατότητα να συλλέγουν πλάγια ηχητικά κύματα. Αυτό τους δίνει την δυνατότητα να αυξάνουν την κάλυψη σε σχέση με τους προκατόχους τους, τα ηχοβολιστικά μονής ηχητικής δέσμης. Το κέρδος αυτό όμως το αποκομίζει με ένα κόστος, την εισαγωγή σφαλμάτων λόγω διάθλασης. Η ταχύτητα του ήχου δεν παραμένει σταθερή σε όλη στήλη των ερευνώμενων υδάτων με αποτέλεσμα οι δέσμες να καμπυλώνουν. Αν κάποιος υποθέσει ότι οι δέσμες αυτές κινούνται σε μια ευθεία, η διαφορά της πραγματικής διαδρομής της δέσμης με την υποθετική μπορεί να προκαλέσει αρκετά μεγάλα σφάλματα. Αρχικά θα πρέπει να αναλυθεί συνοπτικά το φαινόμενο της διάθλασης. Σε ένα ομογενές μέσο το ηχητικό κύμα κινείται σε μια ευθεία. Όταν, όμως, το κύμα αυτό περάσει κατά την διάδοσή του από δύο διαφορετικά μέσα τότε αλλάζει η ταχύτητα μετάδοσής του, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα να αλλάζει και η πορεία του και ως συνέπεια το κύμα να μην διαδίδεται πλέον ευθύγραμμα αλλά να καμπυλώνει (Εικόνα 3.8). Με την αλλαγή των ιδιοτήτων του νερού (αλατότητα, θερμοκρασία, πίεση) στα διάφορα βάθη αλλάζει η ταχύτητα του ήχου και έτσι προκαλείται το φαινόμενο της διάθλασης. Μέσω του νόμου του Snell μπορεί να υπολογιστεί βάση της αλλαγής ταχύτητας, η αλλαγή της κατεύθυνσης. Έτσι αποδεικνύεται ότι το ηχητικό κύμα τείνει να καμπυλώσει προς το στρώμα νερού χαμηλότερης ταχύτητας. ΕΙΚΟΝΑ 3.8 ΔΙΑΔOΣΗ ΤΟΥ ΗΧΟΥ ΔΙΑΜΕΣΟΥ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ ΝΕΡΟΥ ( 49

51 Από τα παραπάνω συμπεραίνεται ότι αυτό το πρόβλημα μπορεί να διορθωθεί άμεσα με μέτρηση των μεταβαλλόμενων τιμών της ταχύτητας του νερού ανά τα διάφορα βάθη και να χρησιμοποιηθεί αυτή η μέτρηση για την μοντελοποίηση της διαδρομής του ήχου στο νερό. Η μέτρηση όμως αυτή οφείλει να είναι συχνή καθώς η ταχύτητα του νερού επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες και η χρήση ενός προφίλ ήχου βασισμένο σε παλαιότερες και πλέον μη έγκυρες μετρήσεις να δημιουργήσει ακόμη μεγαλύτερα σφάλματα. Ο χειριστής του συστήματος είναι υπεύθυνος για την συχνή λήψη μετρήσεων ώστε να εντοπιστούν οι αλλαγές. ΕΙΚΟΝΑ 3.10 ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ ΛΟΓΩ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΕΥΘΕΙΑΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΤΟΥ ΗΧΟΥ ΣΤΟ ΝΕΡΟ ( Sound-Velocity-Environmental-Instrumentation-Home/How-does-Accurate- Sound-Velocity-Impact-Accuracy) Το πρόβλημα είναι πως δεν υπάρχει κάποιος κανόνας ή οδηγός ο οποίος να καθορίζει πόσο συχνά θα πρέπει να παίρνονται μετρήσεις, και ειδικά σε δυναμικό περιβάλλον που σχετίζεται με ωκεανογραφικές έρευνες πλησίον παράκτιων περιοχών. Χωρίς ήδη υπάρχουσας γνώσης των ωκεανογραφικών παραγόντων της συγκεκριμένης περιοχής, ο ερευνητής θα πρέπει να κάνει μια προσεγγιστική παρακολούθηση των προφίλ του ήχου που θα συλλέξει και να διαπιστώσει αν είναι 50

52 επαρκή. Αυτή είναι μια εξαιρετικά υποκειμενική διαδικασία και είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την εμπειρία του χρήστη. Στην χειρότερη δυνατή περίπτωση το πρόβλημα μπορεί να μην εντοπιστεί μέχρι την μετέπειτα τελική επεξεργασία, οπού δεν μπορούν να υπάρξουν παρά μόνο μερικές εμπειρικές επιδιορθώσεις. Υπάρχουν δύο είδη συστήματα δημιουργίας προφίλ. Τα πρώτα είναι τα στατικά συστήματα τα οποία απαιτούν ακινητοποίηση του σκάφους για την συλλογή των στοιχείων. Οι χειριστές της έρευνας θα πρέπει να ισορροπήσουν την απώλεια του χρόνου έρευνας για την συλλογή επαρκών προφίλ ταχύτητας ήχου με την βελτιωμένη ακρίβεια. Αυτή η ισορροπία είναι δύσκολο να επιτευχθεί λόγω της υποκειμενικής προσέγγισης του προβλήματος. Τα συστήματα τα οποία δύναται να κάνουν μετρήσεις κατά την διάρκεια της έρευνας συχνά οδηγούνται στην λήψη περισσότερων δειγμάτων από όσα απαιτούνται. Και αυτό όμως γεννά ένα τελείως διαφορετικό πρόβλημα. Η εκτενής χρήση του συστήματος δημιουργεί επιταχυνόμενες φθορές στο υλικό δημιουργίας προφίλ με αποτέλεσμα η κάθε μέτρηση του να είναι και λιγότερο αξιόπιστη. Το ηχοβολιστικό πολλαπλής ηχητικής δέσμης είναι ένα σύστημα το οποίο απαιτεί πολύ μεγάλη λεπτομέρεια στον υπολογισμό των σφαλμάτων ώστε να έχει και την απαιτούμενη ακρίβεια. Η οποιαδήποτε μείωση της ακρίβειας θα σήμαινε μείωση της αξιοπιστίας του συστήματος κάτι μη αποδεκτό αν αναλογιστεί κανείς τα είδη στα οποία ειδικεύεται (π.χ. βυθομέτρηση λιμένων, καναλιών υψηλής ναυτιλιακής κίνησης κ.α.). Σήμερα αναπτύσσονται ακόμα και συστήματα τα οποία βασίζονται στην χρήση λογισμικών και αλγορίθμων για τον υπολογισμό των προφίλ ήχου ώστε να περιορίσουμε ακόμα περισσότερο το μέγεθος και την πιθανότητα του σφάλματος. Η Υδρογραφική Υπηρεσία χρησιμοποιεί για την εύρεση της ταχύτητας του ήχου στα διάφορα στρώματα την συσκευή SV PLUS. Η συσκευή αυτή ποντίζεται στο νερό στα διάφορα βάθη των στρωμάτων και παίρνει μετρήσεις τόσο της ταχύτητας του ήχου, όσο και των διάφορων χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων των υδάτων. Στην συνέχεια γίνεται χρήση των συλλεγόμενων δεδομένων και πραγματοποιείται η σύνθεση της εικόνας του προφίλ της ταχύτητας του ήχου. Αξίζει να παρατηρηθεί ότι ο ρυθμός μεταβολής της ταχύτητας του ήχου τείνει να σταθεροποιηθεί κάνοντας γραμμική την μεταβολή της ταχύτητας του ήχου με την αύξηση του βάθους, όπως φαίνεται και στην εικόνα 3.13, τα οποία αποτελούν δυο ενδεικτικά δείγματα της ταχύτητας του ήχου στα διάφορα βάθη. Η ταχύτητα του ήχου κυμαίνεται από 1400 εώς 1550 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. 51

53 Το σφάλμα αυτό αφορά εκτός από τα ηχοβολιστικά πολλαπλής ηχητικής δέσμης και τα άλλα δύο συστήματα. Ειδικά το σύστημα LIDAR το οποίο βασίζεται σε μετρήσεις υψηλής ακρίβειας και είναι αντίστοιχης φιλοσοφίας του ηχοβολιστικού πολλαπλής ηχητικής δέσμης οφείλει να το λάβει υπόψιν του. Όμως όπως είπαμε το φαινόμενο παρουσιάζεται στις πολύ πλάγιες δέσμες κυρίως οπότε για το σύστημα LIDAR δεν απαιτείται τόσο μεγάλη ακρίβεια. Το πλευρικό ηχοβολιστικό από την άλλη με τις εξαιρετικά πλάγιες δέσμες δεν επηρεάζεται από το φαινόμενο καθώς η φιλοσοφία λειτουργείας το δεν περιλαμβάνει μετρήσεις ακριβείας. ΕΙΚΟΝΑ 3.11 ΣΦΑΛΜΑ ΠΟΥ ΠΡΟΚΥΠΤΕΙ ΑΠΟ ΕΛΛΕΙΨΗ ΕΝΗΜΕΡΩΜΕΝΟΥ ΠΡΟΦΙΛ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΗΧΟΥ ( EIKONA 3.12 ΣΥΣΚΕΥΗ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΗΧΟΥ SV PLUS ( 52

54 ΕΙΚΟΝΑ 3.13 ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΑ ΠΡΟΦΙΛ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΗΧΟΥ ( 3.3 ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΗΧΗΤΙΚΗΣ ΔΕΣΜΗΣ Ένα ηχοβολιστικό πολλαπλής ηχητικής δέσμης μπορεί να είναι είτε ενσωματωμένο στα ύφαλα του πλοίου είτε να ρυμουλκείται και να είναι σε ηχοβολιστική τορπίλη ή ακόμα και σε μη επανδρωμένο όχημα. Ενσωματωμένο στο πλοίο ΕΙΚΟΝΑ 3.14 Σκάφος με σύστημα ηχοβολιστικού πολλαπλής ηχητικής δέσμης. ( 1) Πορεία 2) Δορυφορικό σύστημα προσδιορισμού θέσης 53

55 3) Ανιχνευτής ταχύτητας ήχου (π.χ. συσκευή SV PLUS) 4) Σύστημα MRU 5) Ηχοβολιστικό σύστημα πολλαπλής ηχητικής δέσμης 6) Σύστημα μέτρησης ταχύτητας ήχου σε πραγματικό χρόνο (μετράει τον ήχο που παράγεται από το ηχοβολιστικό μας και ελέγχει αν μπορεί να πραγματοποιήσει την έρευνα) 3.4 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΗΧΗΤΙΚΗΣ ΔΕΣΜΗΣ. Για τη μελέτη των αποτελεσμάτων θα χρησιμοποιήσουμε στοιχεία από μια έρευνα που έχει διεξαχθεί στο Recherche Archipelago το 2005 με ένα σύστημα ηχοβολιστικού πολλαπλής ηχητικής δέσμης. Στην Εικόνα 3.15 παρουσιάζεται η τοπογραφία του πυθμένα της ερευνώμενης περιοχής από τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από το σύστημα. Η ακριβής πλοήγηση και οι διορθώσεις σχετικά με την κίνηση του σκάφους δίνουν την δυνατότητα ενοποίησης των ζωνών έρευνας και την μείωση φαινομένων κινήσεων. Η πλαγιά προς την παράκτια περιοχή φαίνεται καθαρά στην δεξιά πλευρά. Μέσω της μελέτης μπορούμε να εντοπίσουμε τους υφάλους και λόγω της υψηλής ανάλυσης μας δίνεται η δυνατότητα ανακάλυψης των πολλαπλών χαρακτηριστικών των υφάλων. 54

56 ΕΙΚΟΝΑ 3.15 ΑΝΑΓΛΥΦΟ ΕΡΕΥΝΜΕΝΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ( _06v_1.pdf) Στην εικόνα 3.16 το επίπεδο των επιστροφών των μέσων-παλμών διαφαίνεται μέσω του ανάγλυφου του πυθμένα. Μερικές ιδιότητες του βυθού μπορούν να ανακαλυφθούν, χωρίς να υπάρχει κάποια άμεση σχέση με τοπογραφικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, η ισχύς επιστροφής στο βόρειο επίπεδο τμήμα είναι εξαιρετικά υψηλότερη από το νότιο τμήμα ενώ όμως το βάθος παραμένει σχεδόν σταθερό. Από αυτό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η επίπεδη άμμος σε εκείνο το τμήμα του βυθού είναι καλυμμένη με θαλάσσια φυτά το οποίο αύξησε σημαντικά τα επίπεδα ανακλάσεως. Έτσι ανακαλύπτεται η ύπαρξη διάχυτων βλαστήσεων στον πυθμένα, καθώς υπολογίζεται και η πυκνότητα των βλαστήσεων αυτών. ΕΙΚΟΝΑ 3.16 ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΒΥΘΟΥ ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΕΠΙΣΤΡΟΦΩΝ ( _06v_1.pdf) 55

57 3.5 ΕΠΙΛΟΓΟΣ Το ηχοβολιστικό πολλαπλής ηχητικής δέσμης αποτελεί ένα από τα πλέον αξιόπιστα εργαλεία βαθυμετρίας και είναι ένα εξαίρετο εργαλεία δημιουργίας ανάγλυφου. Μέσα από ένα μεγάλο πλήθος τεχνολογικών βελτιώσεων μας δίνει τεράστια ακρίβεια και αρκετά μεγάλη κάλυψη σε ένα σχετικά μικρό κόστος καθιστώντας ως ένα από τις κορυφαίες επιλογές, για όποιον αναζητά ένα σύστημα οικονομικά αποδοτικό και με πολλαπλές επιχειρησιακές χρήσεις. Τέλος αξίζει να σημειωθεί ότι από τα συστήματα που αναλύονται σε αυτήν την διατριβή είναι το μοναδικό το οποίο θα μπορούσε να ολοκληρώσει μια έρευνα χωρίς την χρήση άλλου συστήματος και χωρίς να μειωθεί η αξιοπιστία της έρευνας. Η υδρογραφική υπηρεσία διαθέτει τα παρακάτω συστήματα ηχοβολιστικών πολλαπλής ηχητικής δέσμης τα οποία είναι και αυτά τοποθετημένα στα πλοία Υ/Γ - ΩΚ ΝΑΥΤΙΛΟΣ και Υ/Γ - ΩΚ ΠΥΘΕΑΣ. Τα συστήματα αυτά είναι το Simrad EM 2000 και το Simrad EM Πρόσφατα αποκτήθηκε και ένα σύστημα ηχοβολιστικού πολλαπλής ηχητικής δέσμης της εταιρίας RESON για έρευνα μέχρι βάθους 130 μέτρων. 56

58 ΑΝΑΦΟΡΕΣ 3 ΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ IMCA (2006). Guidelines for the Use of Multibeam Echosounders for Offshore Surveys. IMCA. Ανακτήθηκε από: National Oceanic and Atmospheric Administration (2013). NOS HYDROGRAPHIC SPECIFICATIONS AND DELIVERABLES. U.S. Department of Commerce Gavrilof A., Siwabessy P. and Bicker A. (2005). Multibeam echo sounder backscatter analysis. Recherche Archipelago: Cooperative Research Centre for Coastal Zone Estuary and Waterway Management. Ανακτήθηκε από: 6v_1.pdf Beaudoin J. (2010). Real-time Monitoring of Uncertainty Due to Refraction in Multibeam Echo Sounding. Fredericton: University of New Brunswick. Ανακτήθηκε από:

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΝΑΕΡΙΑΣ ΥΔΡΟΓΡΑΦΗΣΗΣ LIDAR 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εναέρια υδρογράφηση με χρήση τεχνολογία LIDAR είναι μια σχετικά νέα τεχνική η οποία αποβλέπει στην αύξηση της παραγωγής ναυτικών χαρτών και την υποτύπωση του υποθαλάσσιου ανάγλυφου σε ρηχές παραθαλάσσιες περιοχές. Η δυνατότητα των ακτίνων laser που εκπέμπονται από κάποιο εναέριο μέσο και να διεισδύουν στο νερό σε βάθη εώς και 50 μέτρα (εξαρτάται πάντα και από την καθαρότητα του νερού) έχει κινήσει το ενδιαφέρον σε πολλές εταιρίες παγκόσμιου βεληνεκούς τις τελευταίες δεκαετίες. Ήδη από το 1992 τόσο ο αμερικάνικος στρατός όσο και ο αυστραλιανός ξεκίνησαν να αναπτύσσουν προγράμματα (SHOALS και LADS αντίστοιχα) βασιζόμενα καθαρά σε αυτήν την τεχνολογία. ΕΙΚΟΝΑ 4.1 Χαρτογράφηση με τεχνολογία LIDAR ( obtains-a-bathymetric-lidar-to-unlock-the-mysteries-off-nova-scotias- shores.php) Το κίνητρο για την ανάπτυξη της τεχνολογίας LIDAR σε επιχειρησιακό επίπεδο είναι διττό: 1. Η επιτάχυνση των ερευνητικών διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα στις διάφορες υδρογραφικές υπηρεσίες. 2. Η οικονομία που επιτυγχάνεται με βάση το πολύ χαμηλό κόστος ανά μονάδα ερευνώμενης περιοχής. 58

60 Τα εκατομμύρια τετραγωνικά χιλιόμετρα αχαρτογράφητων νερών με βάθη μικρότερα των 50 μέτρων, που ακόμα υπάρχουν ανά τον κόσμο, θα απαιτούσαν εκατοντάδες χρόνια για να χαρτογραφηθούν με συμβατικές ακουστικές μεθόδους. Εκτός αυτού πολλές ήδη ερευνημένες περιοχές απαιτούν συνεχή ή ανά τακτά χρονικά διαστήματα έρευνα λόγω της συχνής αλλαγής του ανάγλυφου του πυθμένα τους. Τέλος λόγω της ιδιότητας της ότι είναι εναέρια παρέχει την δυνατότητα ευέλικτων ομάδων σε απομακρυσμένες περιοχές με μικρές επιχειρησιακές δυνατότητες, η σε πολύ ρηχά και επικίνδυνα ύδατα όπου δεν είναι δυνατό να ερευνήσουν πλοία. ΕΙΚΟΝΑ 4.2 Σύγκριση τεχνολογίας LIDAR και συμβατικών ακουστικών μεθόδων (Lidar Bathymetry Technology and applications Oct 24rd, Netanya, Israel) 59

61 4.2 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ LIDAR ΕΙΚΟΝΑ 4.3 Ανάκλαση υπέρυθρης δέσμης στην επιφάνεια της θάλασσας και της πράσινης δέσμης στον πυθμένα ( Η εναέρια βαθυμετρία με λέιζερ είναι μια σχετικά νέα και αναπτυσσόμενη και εξαρτάται από την τελευταία λέξη της τεχνολογίας στους τομείς των λέιζερ, της οπτικής και των ηλεκτρονικών. Η γενική τεχνική του LIDAR περιλαμβάνει την χρήση ενός εκπομπού παλμών λέιζερ του οποίου οι ακτίνες είναι πράσινες και υπέρυθρες. Οι πράσινες ακτίνες επιλέγονται για τον εντοπισμό του πυθμένα καθώς το μήκος κύματος του πράσινου φωτός δύναται να διαπεράσει τα συνήθη παράκτια ύδατα με την ελάχιστη απόσβεση. Το υπέρυθρο φως από την άλλη διεισδύει ελάχιστα στο νερό και χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό της επιφάνειας του νερού. Ανάλογα με το σύστημα η υπέρυθρη δέσμη μπορεί να παραλληλίζεται και σαρώνεται συ γραμμικά με την πράσινη δέσμη, ή μπορεί να είναι ευρύτερο και να περιορίζεται στο τομέα του ναδίρ. Οι εκπεμπόμενοι παλμοί λέιζερ ανακλώνται μερικώς από την υδάτινη επιφάνεια και τον θαλάσσιο πυθμένα και επιστρέφουν στον δέκτη του αεροσκάφους. Στην πραγματικότητα, οι αποστάσεις από την επιφάνεια της θάλασσας και τον πυθμένα μπορούν να υπολογιστούν μετρώντας τον χρόνο πτήσης των παλμών σε αυτές τις τοποθεσίες. Για να γίνουν οι απαραίτητοι υπολογισμοί θα πρέπει να είναι γνωστή η ταχύτητα του φωτός στο νερό και στον αέρα. Τα βάθη προκύπτουν από την χρονική διαφορά και τις απαραίτητες διορθώσεις γνωστών στον χειριστή σφαλμάτων όπως για παράδειγμα η χρονική καθυστέρηση στα ηλεκτρονικά του συστήματος. Παρακάτω βλέπουμε την επιστροφή που λαμβάνει ο δέκτης από μια δέσμη πράσινου λέιζερ. 60

62 ΕΙΚΟΝΑ 4.4 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΠΛΑΤΟΥΣ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΟΝ ΧΡΟΝΟ ΕΠΙΣΤΡΟΦΩΝ ΠΡΑΣΙΝΗΣ ΔΕΣΜΗΣ ΛΕΙΖΕΡ. (MEETING THE ACCURACY CHALLENGE IN AIRBORNE LIDAR BATHYMETRY, June 16 17, 2000) Οι πράσινες και οι υπέρυθρες δέσμες εσκεμμένα επεκτείνονται σε μια διάμετρο μερικών τουλάχιστον μέτρων ώστε να είναι ασφαλή για τα μάτια κατά την λειτουργία. Περαιτέρω διασπορά προκαλείται από τα από τα οπτικά φαινόμενα των κυμάτων στις γωνίες διάθλασης στην επιφάνεια του νερού. Όμως σε πολύ ρηχά νερά η περισσότερη από την διασπορά συμβαίνει στην στήλη του νερού. Παρόλο που όλοι φανταζόμαστε τις δέσμες λέιζερ να είναι εξαιρετικά παραλληλισμένες και με μικρή διατομή, αυτό δεν συμβαίνει στο νερό. Στο νερό η διασπορά οδηγεί ακόμα και την πιο στενή δέσμη να διαστέλλεται σε έναν κώνο το οποίου η διατομή αυξάνεται ταχύτατα όσο αυξάνεται το βάθος. Έτσι οι διαστρεβλώσεις που προκαλούνται από την διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων θα πρέπει να διορθώνονται. Ο δέκτης αποτελείται από ένα τηλεσκόπιο, ποικίλα οπτικά φίλτρα και ρυθμιστές οπτικού πεδίου, ανιχνευτές φωτός, ενισχυτές, επιφάνεια λογικής ανίχνευσης αναλογικού σήματος και αναλογικό σε ψηφιακό μετατροπέα. Όλα τα συστήματα ρυθμίσεων και καταγραφής των παραπάνω συσκευών λειτουργούν σε 61

63 υπολογιστικό περιβάλλον. Εξαιτίας της πολυπλοκότητας του περιβάλλοντος και των αλληλεπιδράσεων της οπτικής δέσμης με το περιβάλλον αυτό δεν είναι δυνατόν να γίνει ο υπολογισμός του βάθους με ακρίβεια και αξιοπιστία σε πραγματικό χρόνο. Προσεγγιστικά υπολογίζονται κάποια βάθη επιτόπου για ποιοτικό έλεγχο αλλά ακριβής μέτρηση, η οποία να περιλαμβάνει πιο λεπτομερείς υπολογισμούς και περιορισμένο αριθμό χειροκίνητης παρέμβασης για δύσκολες περιπτώσεις, υπολογίζονται μετά την πτήση με χρήση των αποθηκευμένων στοιχείων. Το συνηθισμένο υψόμετρο πτήσης κυμαίνεται στα 200 με 500 μέτρα. Ένας οπτικός σαρωτής παρέχει κάλυψη ευρείας ζώνης κατά το εγκάρσιο της πορείας του αεροσκάφους. Τα προφίλ έρευνας διαφέρουν από σύστημα σε σύστημα. Η μέγιστη γωνία ως προς το κατώτατο σημείο είναι 15 ο με 20 ο : αυτό οδηγεί οι ερευνώμενες λωρίδες να έχουν πλάτος μικρότερο του μισού υψομέτρου πτήσης. Μεγαλύτερες γωνίες θα οδηγούσαν σε μη αποδεκτά σφάλματα χρονισμού. Η κάλυψη είναι πυκνή: για τα περισσότερα συστήματα οι βολιδοσκοπήσεις γίνονται αραιωμένες σε πλέγματα 4 με 5 μέτρων. Αυτή η πυκνότητα επιτυγχάνεται με ρυθμούς επανάληψης παλμών λέιζερ που κυμαίνονται από 400 εώς 1000 ανά δευτερόλεπτο. Αν εγκαταστήσουμε έναν σαρωτή με δυνατότητα προγραμματισμού, μπορούμε να επιτύχουμε μεγαλύτερη πυκνότητα βολιδοσκοπήσεων για ειδικές εφαρμογές, με δεδομένα το υψόμετρο και τον ρυθμό εκπομπής, μειώνοντας το πλάτος της λωρίδας. Προσεγγιστικά ο μεικτός ρυθμός κάλυψης για ένα αεροσκάφος με ταχύτητα 100 κόμβων και 110 μέτρα πλάτος ζώνης καλύπτει 5000μέτρα/δευτερόλεπτο. Ο καθαρός όμως ρυθμός υπολογίζεται συνυπολογίζοντας παράγοντες όπως τις επικαλύψεις ζωνών και τον χρόνο που σπαταλάται κατά τις στροφές. Στο παραπάνω παράδειγμα, για μια επιχείρηση 6 ωρών με 65% καθαρή επιφάνεια έρευνας, θα κάλυπτε μια επιφάνεια περί τα 70 km 2. Με πιο πλατιά λωρίδα έρευνας και γρηγορότερο αεροσκάφος θα πετυχαίναμε ακόμα μεγαλύτερους ρυθμούς κάλυψης έχοντας ως μοναδικό περιοριστικό παράγοντα τον ρυθμό εκπομπής δεσμών λέιζερ. 62

64 ΕΙΚΟΝΑ 4.5 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ ΜΕΤΑΞΥ ΔΙΑΔΟΧΙΚΩΝ ΔΙΑΔΡΟΜΩΝ Α,Β ΚΑΙ Γ ( 4.3 ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΚΑΘΑΡΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ Ένας από τους σημαντικότερους περιορισμούς στα συστήματα LIDAR είναι η διαύγεια των υδάτων, η οποία περιορίζει το μέγιστο βάθος έρευνας. Το μέγιστο βάθος έρευνας είναι το μεγαλύτερο βάθος, σε δεδομένο χρόνο και τοποθεσία, για το οποίο υπάρχει δυνατότητα απόκτησης μετρήσεων οι οποίες να πληρούν τα απαιτούμενα στάνταρτ. Αυτό προϋποθέτει ότι οι επιστροφές από τον βυθό είναι σχετικά δυνατές και χωρίς υπέρμετρο θόρυβο. Το μέγιστο βάθος έρευνας εξαρτάται από έναν αριθμό παραγόντων όπως υπολογιστικές μονάδες και λογισμικό καθώς και οι περιβαλλοντικές συνθήκες. Τα πρώτα περιλαμβάνουν και αντικείμενα όπως η ενέργεια του πράσινου λέιζερ, το εύρος ζώνης του δέκτη, την οπή και πεδίο οράσεως, η αποδοτικότητα του οπτικού συστήματος και το υψόμετρο πτήσης. Τα τελευταία είναι κυρίως η διαύγεια των υδάτων και η ανακλαστικότητα του πυθμένα. Από τους περιβαλλοντικούς παράγοντες, η καθαρότητα των υδάτων είναι ο πιο καθοριστικός γιατί εισάγεται ως ένας αρνητικός εκθετικός παράγων, ενώ η ανακλαστικότητα του πυθμένα είναι γραμμικός παράγων. Για ένα τυπικό σύστημα, το οποίο πληροί τις προϋποθέσεις ασφαλείας για τα μάτια, το μέγιστο βάθος έρευνας κυμαίνεται σε βάθη μεγαλύτερα των 50 μέτρων σε πολύ καθαρά νερά και βάθη μικρότερα των 10 μέτρων για λασπώδης παράκτιες περιοχές. 63

65 4.3.2 ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΜΙΚΡΩΝ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ Η χρήση για την οποία το LIDAR δεν είναι κατάλληλο, είναι η απόδειξη ότι πέραν οποιασδήποτε αμφιβολίας, ένα κανάλι πλοήγησης είναι καθαρό από αντικείμενα στον πυθμένα με μέγεθος της τάξεως ενός κυβικού μέτρου ή μικρότερο. Είναι είτε εξαιρετικά δύσκολο είτε αδύνατο, και εξαρτάται από το τμήμα της δέσμης που προσκρούει στο αντικείμενο, και να το εντοπίσει ως μικρό στόχο με την παρουσία της κατά πολύ ισχυρότερης επιστροφής από τον αμέσως επικείμενο πυθμένα. Για να υπάρχει δυνατότητα εντοπισμού του ο στόχος θα πρέπει να βρίσκεται στο τμήμα του βυθού που φωτίζεται και όσο το δυνατόν πλησιέστερα στο αεροσκάφος. Αύξηση των πιθανοτήτων εντοπισμού του μικρού αντικειμένου μπορεί να αυξηθεί με σημαντική αύξηση της πυκνότητας έρευνας, αλλά ούτε αυτή η τεχνική είναι αλάθητη και έχει πολύ μεγάλο κόστος. Γενικά όμως αντικείμενα με μεγαλύτερη επιφάνεια και μικρότερα ύψη εντοπίζονται ευκολότερα από αντικείμενα μικρότερης επιφανείας και μεγαλύτερου ύψους. 4.4 ΖΗΤΗΜΑΤΑ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ Η σχεδίαση ενός συστήματος LIDAR είναι εξαιρετικά πολύπλοκη διότι εμπλέκει λέιζερ, μηχανισμούς, οπτική, αισθητήρες, ηλεκτρονικά και ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Υπάρχει ένας αριθμός προβλημάτων και οι τρόποι επίλυσης τους ποικίλουν. Είναι υψίστης σημασίας οι αποφάσεις που θα παρθούν να είναι ορθές καθώς πολλές από αυτές είναι καθοριστικές και μη ανακλήσιμες. Παρακάτω θα αναφερθούν οι κυριότερες ιδιότητες που θα πρέπει να έχει ένα τέτοιο σύστημα, ώστε να επιτευχθεί η απαραίτητη ακρίβεια, να μειωθεί η ευαισθησία σε αναπόφευκτες περιβαλλοντικές επιδράσεις για την παραγωγή ενός συγκροτημένου και οικονομικά αποδοτικού συστήματος LASER Απαιτείται η πράσινη δέσμη για εντοπισμό του βυθού και η υπέρυθρη η οποία χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό της επιφανείας. Η ανάγκη για τα δύο μήκη κύματος καλύπτεται με έναν διπλασιαστή συχνότητας. Απαιτείται ένας ρυθμός εκπομπής παλμών από τουλάχιστον 400 παλμούς ανά δευτερόλεπτο ώστε το σύστημα να παρέχει επαρκή πυκνότητα βολισμάτων σε τυπικά πλάτη ζωνών. Επίσης θα πρέπει να έχει σχετικά μικρή περίοδο παλμού για να μπορέσει να παρέχει την απαιτούμενη ακρίβεια χρονισμού και ανάλυση, σε ρηχά νερά. Η επιθυμητή τιμή της περιόδου του παλμού είναι μικρότερη των 7ns ενώ μια περίοδος περί τα 6ns μπορεί να παρέχει ακρίβεια εκατοστού. Παρόλο που η διαπερατότητα σε βάθος αυξάνεται σημαντικά με την αύξηση της ισχύς του παλμού, μια βασική προϋπόθεση του συστήματος είναι να παρέχει ασφάλεια για τα μάτια στα υψόμετρα που επιχειρεί. Η δέσμης σαρώσεως θα πρέπει 64

66 διασταλεί το πολύ σε διάμετρο 2 με 3 μέτρα προτού τα γεωμετρικά αποτελέσματα δημιουργήσουν προβλήματα ως προς την ακρίβεια ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ Μεγάλη προσοχή, τόσο στην σχεδίαση όσο και στην εφαρμογή, θα πρέπει να δοθεί στην ακρίβεια των μετρήσεων των γωνιών και των χρονισμών. Οι οπτικές και ηλεκτρονικές χρονικές καθυστερήσεις μέσα στο σύστημα, σταθερές και μεταβλητές, θα πρέπει να καθοριστούν με μεγάλη προσοχή και είτε να εξαλειφθούν είτε να διορθωθούν μέσω λογισμικού. Οι χρονικές καθυστερήσεις θα πρέπει να έχουν κατανοηθεί και ο χειρισμός τους οφείλει να είναι λεπτός. Η χρονική βαθμονόμηση πρέπει να μετράται και να διορθώνεται με ακρίβεια υπό-νάνο-δευτερόλεπτου. Οι γωνίες εγκατάστασης του συστήματος, οι γωνίες προσανατολισμού του αεροσκάφους, και η γωνία που σχηματίζεται με το ναδίρ, θα πρέπει να είναι γνωστές με πολύ μεγάλη ακρίβεια για κάθε παλμό διότι οι επιδράσεις τους πολλαπλασιάζονται από το υψόμετρο του αεροσκάφους. Για παράδειγμα στο υψόμετρο των 400 μέτρων και ονομαστική γωνία ως προς το ναδίρ, ένα σύστημα με γωνιακό σφάλμα 0.05 ο το οποίο ισοδυναμεί σε σφάλμα 0.1 ο ως προς το ναδίρ το οποίο συνεπάγεται 0.25 εκατοστά σφάλμα στην κατακόρυφη μέτρηση του αεροσκάφους, σφάλμα μη αποδεκτό για ποικίλες εφαρμογές. Το μέγιστο επιθυμητό σφάλμα είναι 5 εκατοστά και κατ επέκταση γωνιακό σφάλμα συστήματος 0.01 ο. Επειδή τέτοιες ακρίβειες δεν είναι δυνατόν να επιτευχθούν σε ένα αεροσκάφος εν πτήση συλλέγουμε τα δεδομένα και μέσω λογισμικού εφαρμόζουμε τις βαθμονομήσεις ΧΕΙΡΙΣΜΟΣ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΠΛΑΤΟΥΣ Το πλάτος από μία επιστροφή η οποία προέρχεται από την επιφάνεια του, που προσομοιάζει καθρέφτη, και ανακλάται πλησίον του ναδίρ μπορεί να έχει ισχύ ίση με 2% της αρχικής ισχύος εκπομπής. Αυτό το σήμα θεωρείται πολύ ισχυρό. Ο παλμός λέιζερ μέσα στο νερό όμως εξασθενεί εκθετικά. Η εξασθένιση αυτή εξαρτάται από την διαύγεια των υδάτων και λαμβάνει χώρα στη διαδρομή του φωτός διαμέσου της επιφάνειας του νερού μέχρι τον βυθό και πίσω. Μόνο ένα πολύ μικρό ποσοστό της εκπεμπόμενης ενέργειας ανακλάται από τον βυθό και επιστρέφει στον δέκτη. Η επιστροφή του πυθμένα λοιπόν είναι, λαμβάνοντας υπόψιν μας και τον θόρυβο που επιστρέφει με το σήμα, έξι με εφτά τάξεις μεγέθους μικρότερη από την ενέργεια επιστροφής της επιφανείας. Αυτό το εύρος πλάτους αλλάζει σε μερικά εκατοστά των νανοδευτερολέπτων. Αυτό αποτελεί μια από τις βασικότερες προκλήσεις για έναν δέκτη LIDAR. Αν το δυναμικό εύρος ενός δέκτη είναι περιοριστικός κατασκευαστικός παράγοντας τότε μπορεί είτε: α) να συμβιβαστεί ο χειριστής στην τοποθέτηση των χαμηλών πλατών σε ένα η περισσότερα κανάλια είτε β) τον κορεσμό κάποιων κυματομορφών. 65

67 Μερικές προσεγγίσεις του προβλήματος περιλαμβάνουν στρατηγικές όπως λογαριθμικοί ενισχυτές, φωτό-πολλαπλασιαστές μεταβλητού κέρδους, οριοθέτηση της ελάχιστης γωνίας ναδίρ και την χρήση δύο καναλιών πράσινου φωτός, ένα υψηλού κέρδους και ένα χαμηλού κέρδους. Πρέπει να σημειωθεί ότι δεν υπάρχει ούτε μοναδική αλλά ούτε και βέλτιστη λύση. Θα πρέπει να γίνει συνδυασμός των παραπάνω τεχνικών για βέλτιστο αποτέλεσμα. Ο συνδυασμός αυτός απαιτεί μεγάλη προσοχή καθώς οι παραπάνω μέθοδοι είναι μη γραμμικές μεταξύ τους και υπάρχει περίπτωση να επιφέρουν μη επιθυμητές παρενέργειες, όπως χρονικές καθυστερήσεις. Αν αυτές με την σειρά τους δεν διορθωθούν θα προκαλέσουν σφάλματα στην μέτρηση του βάθους ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΚΥΜΑΤΟΜΟΡΦΩΝ Παρόλο που ακριβείς μετρήσεις βάθους μπορούν να γίνουν σε πραγματικό χρόνο, θεωρείται απαραίτητη και η παράλληλη καταγραφή των κυματομορφών που λαμβάνονται ώστε να κάνουμε αναλυτικό υπολογισμό των βαθών μεταγενέστερα. Ένας λόγος είναι ότι στο παρελθόν δεν ήταν δυνατή η τοποθέτηση μιας υπολογιστικής μονάδας στο αεροσκάφος, αρκετά αποδοτικής ώστε να μπορεί να υπολογίσει σε πραγματικό χρόνο τα απαιτούμενα δεδομένα. Σήμερα ο κύριος λόγος αποθήκευσης όλων αυτών των δεδομένων, είναι η αναγκαιότητα σε ορισμένες περιπτώσεις περαιτέρω χειροκίνητης εξέτασης και επεξεργασίας ώστε να αποκομίσουμε καλύτερα αποτελέσματα. Δεν θα ήταν σοφό ούτε οικονομικά αποδοτικό να αποθηκεύονται μόνο τα αποτελέσματα τα οποία μπορεί να περιέχουν σφάλμα και να πετιούνται έτσι οι πολύτιμες κυματομορφές. Λόγοι εκ νέου επεξεργασίας των δεδομένων μπορεί να είναι περιβαλλοντικοί παράγοντες όπως κοπάδι ψαριών ή κίνδυνοι στον βυθό. Έτσι περιστασιακά μπορεί να απαιτείται εκ νέου ρύθμιση των παραγόντων επεξεργασίας για να χειριστούμε τις νέες συνθήκες. Αν και επιχειρησιακά θα ήταν αποδοτικότερο να γύριζε το αεροσκάφος από μια έρευνα και να ήταν έτοιμα τα αποτελέσματα, εκ των πραγμάτων αυτό το σενάριο δεν είναι ακόμα πραγματοποιήσιμο. Η δυνατότητα εντοπισμού βράχων και άλλων σχετικά μικρών κινδύνων απαιτεί ψηφιοποίηση της κυματομορφής σε εξαιρετικά μεγάλη ανάλυση τόσο ως προς το πλάτος όσο και προς τον χρόνο. Τέτοιες συσκευές με τόσο υψηλές προδιαγραφές δεν είναι ακόμα εύκολο να αποκτηθούν ΣΑΡΩΤΗΣ Ο σαρωτής δύναται να είναι ένας γυροσκοπικά-σταθεροποιημένος περιστρεφόμενος καθρέφτης είτε ένας καθρέφτης ο οποίος τελεί υπό ενός συστήματος ηλεκτρονικού υπολογιστή. Ο ηλεκτρονικός υπολογιστής ελέγχει την κίνηση σε δυο άξονες ώστε να παράγει το επιθυμητό υπόδειγμα. Ένας προγραμματιζόμενος σαρωτής παρέχει μεγαλύτερη ευελιξία. Είναι σημαντικό να 66

68 αντισταθμίζει ενεργά κατά την σάρωση τον διατοιχισμό και προνευστασμό του αεροσκάφους ώστε τα όρια της ζώνης να παραμένουν σωστά ανεξάρτητα από την συμπεριφορά του αεροσκάφους. Έτσι μειώνεται το ποσοστό επικάλυψης που απαιτείται μεταξύ των σαρώσεων καθώς και η πιθανότητα εμφάνισης κενών στην έρευνα μεταξύ των ζωνών. Ο σαρωτής είναι ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία του συστήματος. Πρέπει να είναι εξαιρετικά σταθερός και αξιόπιστος ΚΟΝΣΟΛΑ ΧΕΙΡΙΣΤΗ Για αποδοτική συλλογή πληροφοριών, ο χειριστής θα πρέπει να έχει εικόνα και πρόσβαση στα κάτωθι: α) ψηφιακές ακτογραμμές και όρια ερεύνης β) το ίχνος του αεροσκάφους μαζί με την πορεία του γ) τις τιμές όλων των διαθέσιμων παραμέτρων δ) ένα υποσύνολο κυματομορφών σε πραγματικό χρόνο ε) σφάλματα και ειδοποιήσεις στ) και τέλος δείγματα του μετρούμενου βάθους σε πραγματικό χρόνο. Για ευκολία χρήσης, όλες η επιλογές του δέκτη θα πρέπει να είναι ελεγχόμενες από ηλεκτρονικό υπολογιστή σε ένα φιλικό προς τον χρήστη λειτουργικό περιβάλλον ΑΛΛΑ Θα πρέπει να αποφεύγονται αλλοιώσεις κυματομορφών και άγνωστες καθυστερήσεις. Το λέιζερ και γενικότερα το οπτικό σύστημα θα πρέπει να προσαρμόζονται στο δύσκολο περιβάλλον του αεροσκάφους το οποίο έχει κραδασμούς, δονήσεις θερμοκρασιακές μεταβολές ώστε να είναι απολύτως σταθερό. Όλες οι παράμετροι θα πρέπει να καταγράφονται και να αποτελούν μέρος της συνολικής καταγραφής της αποστολής. Τα ύψη των LIDAR θα πρέπει να παρουσιάζονται στους πιλότους για ακριβή έλεγχο του αεροσκάφους. Μια βιντεοκάμερα με κατεύθυνση προς τα κάτω και με σημειωμένα τα στοιχεία πτήσης, μπορεί να παρέχει πολύτιμες πληροφορίες στην μετέπειτα επεξεργασία. 67

69 4.5 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ LIDAR Αυτήν τη στιγμή υπάρχει πληθώρα συστημάτων από πολλές κατασκευαστικές εταιρίες LIDAR. Οι βασικότερες από αυτές είναι η Optech, AHAB, Furgo και βασίζονται κυρίως πάνω στο αμερικάνικο σύστημα SHOALS. Παρακάτω θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα που δίνονται από τα συστήματα SHOALS και AHAB. Το υλικό και το λογισμικό των SHOALS έχει σχεδίαση η οποία του επιτρέπει την παραγωγή τόσο βαθυμετρικών όσο και τοπογραφικών ερευνών. Και στις δύο περιπτώσεις η απόδοση του είναι εξαιρετική. Με την χρήση των συ γραμμικών πράσινων και υπέρυθρων δεσμών έρευνας, και των δύο ανεξάρτητων καναλιών που διαθέτει (κόκκινο Ramman και υπέρυθρο), το σύστημα προβάλει υψηλή ακρίβεια και αξιοπιστία στον εντοπισμό της επιφανείας. Αυτά τα δεδομένα είναι αληθή για όλο το εύρος ζώνης κάτω σχεδόν από οποιεσδήποτε συνθήκες. Οι δέσμες του κόκκινου καναλιού διαπερνούν το σπρέι της θάλασσας και το sea smoke για τον εντοπισμό της αληθούς θέσης της επιφανείας της θαλάσσης. Πρέπει να σημειωθεί ότι στο εν λόγω σύστημα το μέγιστο μήκος κύματος νερού που δύναται να εντοπιστεί δεν επηρεάζεται από τον άνεμο, την κατάσταση της επιφανείας ή το πλάτος της ζώνης. Οι επιχειρήσεις χαρακτηρίστηκαν επιτυχής ακόμα και υπό την ύπαρξη ελαφριάς αντηλιάς. Ένας ψηφιοποιητής υψηλής ανάλυσης επιτρέπει την διάκριση μικρών χαρακτηριστικών του βυθού. Οι πρώτες έρευνες αποκάλυψαν ότι παρέχει πολύ υψηλή απόδοση, με χρήση ελάχιστων μόνο μικρό ρυθμίσεων. Παράλληλα τα αποτελέσματα υπολογισμού βάθους ήταν εξαιρετικά σε σύγκριση με τα αποτελέσματα από έρευνες με ηχοβολιστικά σε επιχειρήσεις της National Ocean Service. Οι τυπικές αποκλίσεις των βαθών κυμαίνονται από 13 εκατοστά εώς 20, ενώ η ακρίβεια σε τοπογραφικές έρευνες είναι επιβεβαιωμένες με πολλαπλά τεστ. Για να παραμείνει ακρίβεια σε επιχειρησιακά επίπεδα θα πρέπει να γίνονται συχνοί έλεγχοι των χρονισμών του συστήματος και των ρυθμίσεων των γωνιών. Τα σφάλματα στις μετρήσεις βάθους τα οποία οφείλονται στην υποθαλάσσια διάδοση του φωτός έχουν προβλεφθεί ποσοτικά μέσω της προσομοίωσης του Monte Carlo. Οι επιτυχημένες συγκρίσεις δείχνουν ότι αυτές οι προβλέψεις παράγουν ακριβή βάθη τα οποία δεν εξαρτώνται από το βάθος, την γωνία ναδίρ ή τις ιδιότητες οπτικής στο νερό. Υπάρχει μια λανθασμένη γενική αντίληψη ότι όταν συγκρίνουμε αποτελέσματα από ένα σύστημα LIDAR με αποτελέσματα παλιότερων μεθόδων 68

70 βαθυμετρίας, τα πρώτα είναι λάθος. Αυτό δεν είναι απαραίτητα ορθό. Στην πραγματικότητα πολλά σφάλματα παλαιότερων μεθόδων έχουν εντοπιστεί μέσω του LIDAR. Παρακάτω παρουσιάζονται ορισμένες εικόνες από αποτελέσματα ερευνών LIDAR. ΕΙΚΟΝΑ 4.7 Μη επεξεργασμένα δεδομένα LIDAR ( ΕΙΚΟΝΑ 4.8 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΜΕΝΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ LIDAR ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΑΝΑΓΛΥΦΟΥ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ( 69

71 ΕΙΚΟΝΑ 4.9 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΧΑΡΤΗ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΠΑΡΑΠΑΝΩ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ( Όπως βλέπουμε το LIDAR δεν περιορίζεται μόνο στην δημιουργία ανάγλυφου βυθού αλλά έχει δυνατότητα δημιουργίας και ανάγλυφου της ξηράς. Στο ανάγλυφο ξηράς όμως χρησιμοποιείται άλλο σύστημα LIDAR. Αν και δεν αποτελεί την βέλτιστη λύση θα μπορούσε να γίνει και τοπογραφική μελέτη από ένα βαθυμετρικό LIDAR ενώ το αντίστροφο δεν γίνεται. Ένα τοπογραφικό παρέχει μεγαλύτερη ακρίβεια, με μεγαλύτερη κάλυψη, μικρότερη ισχύ ενώ το κόστος του κυμαίνεται στα 200$/km 2 έναντι του βαθυμετρικού με 1700$/km 2. Παρακάτω παρατίθεται ενδεικτικά ένας πίνακας σύγκρισης ενός τοπογραφικού συστήματος και ενός βαθυμετρικού καθώς η τοπογραφική έρευνα μπορεί να παρουσιάσει επιχειρησιακό ενδιαφέρον για το πολεμικό ναυτικό (πχ σχεδίαση μιας αποβατικής ενέργειας). 70

72 ΕΙΚΟΝΑ 4.10 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΚΟΥ ΚΑΙ ΒΑΘΥΜΕΤΡΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ LIDAR (The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. Part B8. Beijing 2008) 4.6 ΙΔΙΑΙΤΕΡΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ LIDAR Πέραν της ταχύτητας του το LIDAR υστερεί ακόμα σε μια έρευνα που απαιτεί μεγάλη ακρίβεια. Μεγαλύτερος όμως παράγοντας απόρριψης του εν λόγω συστήματος είναι η τιμή του. Είναι εξαιρετικά ακριβό σε σχέση με οποιοδήποτε άλλο υδρογραφικό σύστημα. Όμως διαθέτει πλεονεκτήματα που δεν διαθέτουν τα άλλα συστήματα και παρουσιάζουν πολύ μεγάλο ενδιαφέρον για το Πολεμικό Ναυτικό όχι σε υδρογραφικό αλλά σε επιχειρησιακό επίπεδο. 71

73 4.6.1 ΤΟΠΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ LIDAR Το σύστημα LIDAR για την βαθυμετρία χρησιμοποιεί μια πράσινη και μια υπέρυθρη ακτίνα λέιζερ όπως αναφέρθηκε και στο τέταρτο κεφάλαιο. Αν όμως γίνει χρήση μόνο της υπέρυθρης ακτίνας είναι δυνατή η χρήση του ως τοπογραφικό εργαλείο για την δημιουργία ανάγλυφου ενός χερσαίου τμήματος. Συγκεκριμένα για το σύστημα SHOALS 1000 που αναφέραμε και παραπάνω υπάρχει διαθέσιμη μετασκευή η οποία δίνει την δυνατότητα στον χειριστή για χρήση του είτε ως τοπογραφικό είτε ως βαθυμετρικό. Η μετασκευή αυτή όπως αναφέρθηκε εκπέμπει υπέρυθρο λέιζερ συχνότητας 10 khz και σε πτήσεις που κυμαίνονται από 300 εώς 700 μέτρα μπορούμε να επιτύχουμε οριζόντια ακρίβεια της τάξης των 2 μέτρων και κατακόρυφης των 0,25 μέτρων. Με χρήση και της βιντεοκάμερας υψηλής ανάλυσης που διαθέτει το σύστημα μπορεί να παρέχει ταυτοποίηση σημείων ενδιαφέροντος με τα οποία δύναται να αυξηθεί και η οριζόντια ακρίβεια. Επιπλέον από την ισχύ του σήματος επιστροφής μπορούμε να εξάγουμε συμπεράσματα για την ποιότητα της επιφάνειας. Ένα τέτοιο εργαλείο θα μπορούσε να φανεί εξαιρετικά χρήσιμο για τον σχεδιασμό αποβατικών ενεργειών και άλλων αμφίβιων επιχειρήσεων. Μια λεπτομερής σάρωση της περιοχής θα μπορούσε να εμφανίσει τακτικά πλεονεκτήματα ή μειονεκτήματα ενός εγχειρήματος, καθώς και ακριβέστερο και ταχύτερο σχεδιασμό σεναρίων. Σε συνδυασμό με την φορητότητα του και την ταχύτητα του θα μπορούσε να αποτελέσει ένα εργαλείο κλειδί. Βεβαίως αυτό το εργαλείο αποδεικνύεται ότι είναι και διακλαδικό. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για σχεδιασμό χερσέων αποστολών και έρευνα με υποτύπωση. Με αυτό τον τρόπο θα μπορούσαν να ερευνηθούν διεξοδικά διάφορα αμυντικά σενάρια ή και σχεδιασμοί φρουρίων και άλλων. Η χρήση αυτού του συστήματος θα ήταν εξαιρετικά χρήσιμη σε καταστάσεις που απαιτούν αστραπιαίες κινήσεις και το κάθε λεπτό μετράει ΤΑΚΤΙΚΟ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑ Το LIDAR είναι ένα εναέριο σύστημα. Ένα από τα αποδοτικότερα ναυτικά όπλα είναι η νάρκη. Η νάρκη είναι ένα εξαιρετικά επικίνδυνο όπλο με μεγάλη καταστρεπτικότητα ενώ παράλληλα είναι φθηνό και πανεύκολο να ποντιστεί από οποιαδήποτε πλατφόρμα. Σε περίπτωση πολέμου αναμένεται το Αιγαίο Πέλαγος να γεμίσει με νάρκες καθιστώντας την ναυσιπλοΐα εξαιρετικά επικίνδυνη. Η έρευνα με ναρκαλιευτικά και ναρκοθηρευτικά είναι αποδοτική αλλά εξαιρετικά χρονοβόρα. 72 Πρόσφατα συστήματα με πολύ μεγάλη ακρίβεια δείχνουν να αποκτούν πολύ μεγάλη διακριτική ικανότητα. Συγκεκριμένα η εταιρία ΑΗΑΒ ισχυρίζεται πως έχει

74 αναπτύξει ένα σύστημα LIDAR όπου εντοπίζει πολύ μικρά αντικείμενα. Συγκεκριμένα κάνει λόγο για εντοπισμό ψεύτικων ναρκών ακόμα και σε ρηχά νερά. Για να το εξηγήσουμε καλύτερα θα γίνει χρήση ενός γενικού παραδείγματος. Έστω μια ελληνική, εν μέσω κρίσης, φρεγάτα με πρόθεση να διασχίσει το ταχύτερο δυνατόν μια θαλάσσια περιοχή για την οποία υπάρχει αμφιβολία ύπαρξης ναρκών. Εάν διαθέτει ελικόπτερο με τοποθετημένο σύστημα LIDAR θα μπορέσει να το στείλει για μια πολύ σύντομη έρευνα και θα έχει έτσι μια ικανοποιητική εικόνα της θαλάσσιας περιοχής και των κινδύνων που επιφυλάσσει. ΕΙΚΟΝΑ 4.11 ΕΙΚΟΝΙΚΗ ΝΑΡΚΗ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΑ ΠΡΩΤΥΠΑ ΤΟΥ ΝΑΤΟ ΚΑΙ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΠΟ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ LIDAR (Anders Ekelund, Lidar Bathymetry Technology and applications,oct 24rd) Τέλος όταν ναρκοθετείται μια περιοχή, συνήθως εκείνος που εκτελεί την ναρκοθεσία αφήνει ένα διάδρομο ώστε όταν θελήσει να διέλθει να έχει την δυνατότητα ασφαλούς περάσματος. Με μια εναέρια έρευνα είναι πολύ πιθανό να εντοπιστεί αυτό το μονοπάτι και να διέλθει κάποιος χωρίς να χρειαστεί να εξουδετερώσει όλες αυτές τις νάρκες που θα ήταν ένα εγχείρημα χρονοβόρο και επικίνδυνο. 73

75 4.7 ΕΠΙΛΟΓΟΣ-ΣΥΜΕΡΑΣΜΑΤΑ Σήμερα η βαθυμετρία με χρήση συστημάτων LIDAR μπορεί να είναι ακριβής, και οικονομικά αποδοτική τεχνική η οποία προσφέρει έναν μεγάλο αριθμό προϊόντων και υπηρεσιών σε παράκτια νερά. Τα συστήματα αυτά μπορούν να πραγματοποιήσουν έρευνα με ασφάλεια εκεί όπου δεν μπορεί το σόναρ, περιλαμβανόμενης και της ξηράς, αλλά προς το παρών τα συστήματα αυτά δεν υποκαθιστούν τα συστήματα σόναρ. Το LIDAR περιορίζεται από την διαύγεια των υδάτων, και επίσης δεν μπορεί να εντοπίσει με βεβαιότητα κίνδυνο πλησίον του πυθμένα ο οποίος να έχει μέγεθος μικρότερο της τάξης ενός κυβικού μέτρου. Οι τομείς που τα LIDAR και σόναρ συνυπάρχουν δεν θα πρέπει να θεωρούνται ως περιοχές ανταγωνισμού αλλά συνεργασίας. Είναι σχετικά εύκολο να στηθεί ένα σύστημα LIDAR το οποίο να εντοπίζει το βυθό. Συνεχίζει όμως να είναι δύσκολη η δημιουργία ενός συστήματος ακριβής βαθυμετρίας. Η ακρίβεια επιτυγχάνεται μέσω προμελετημένης σχεδίασης των δυνατοτήτων του υλικού και των αλγορίθμων του λογισμικού και την θέσπιση διαδικασιών για τις περιορισμένες χειροκίνητες παρεμβάσεις στα δεδομένα. Το πολύπλευρο σύστημα SHOALS έχει πλέον αποδεδειγμένα την ικανότητα πραγματοποιεί γρήγορη, ακριβής και οικονομικά αποδοτική έρευνα μεγάλων παράκτιων περιοχών, καναλιών πλοήγησης, παράκτιων κατασκευών και άλλων. Η φιλοσοφία σχεδιασμού του έχει επικυρωθεί από την εξαίρετη απόδοση του και την μεγάλη του επιτυχία επί του έργου. Όλες οι στρατηγικές, επί του υλικού και του λογισμικού, οι οποίες ήταν αναγνωρισμένες για την βελτίωση της ακρίβειας και της επιχειρησιακής απόδοσης των LIDAR συστημάτων ενσωματώθηκαν κατά την κατασκευή του συστήματος SHOALS. Έτσι δημιουργήθηκε ένα από τα πληρέστερα συστήματα LIDAR. Η μεταγενέστερη μελέτη των δεδομένων αυξάνει την πιθανότητα εντοπισμού ενώ μειώνει την πιθανότητα σφαλμάτων. Στο LIDAR, η ακρίβεια μέτρησης βάθους διατηρείται με περιοδικές βαθμονομήσεις των χρονισμών του συστήματος και των γωνιών, με συνεχή παρακολούθηση των κυρίων παραμέτρων. Επίσης επιτυγχάνεται με περιστασιακή σύγκριση των αποτελεσμάτων με αυτά συστημάτων σόναρ. Σήμερα τα συστήματα LIDAR χρησιμοποιούνται από όλο και περισσότερες Υδρογραφικές Υπηρεσίες για έρευνες μεγάλων εκτάσεων. Οι Η.Π.Α. και η Αυστραλία χρηματοδότησαν προγράμματα για την δημιουργία LIDAR ήδη από το 1992 (τα SHOALS και LADS αντίστοιχα) ενώ σήμερα τα εμπιστεύονται όλο και περισσότερες χώρες. Ήδη το έχει ενταχθεί πλήρως στην Καναδική Υδρογραφική Υπηρεσία ενώ το Ισραήλ έχει εισαχθεί ακόμα και στην παραγωγή δικού του συστήματος μέσω 74

76 ιδιωτικού φορέα το οποίο εμπορεύεται κιόλας. Η Ελλάδα μέχρι σήμερα δεν έχει χρησιμοποιήσει την τεχνολογία LIDAR. Παρόλα τα πλεονεκτήματα του συστήματος και σε συνάρτηση με το δημοσιονομικό πρόβλημα της χώρας το κόστος του καθιστά απαγορευτική την απόκτησή του. Παρόλα αυτά δεν είναι απαγορευτική και η χρήση του. Υπάρχουν πάρα πολλές εταιρίες οι οποίες νοικιάζουν τις υπηρεσίες τους και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη των αναγκών μας σε μια πιο ρεαλιστική για τα ελληνικά δεδομένα τιμή. 75

77 ΑΝΑΦΟΡΕΣ 4 ΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. Part B8. Beijing 2008 Quadros N., Collier P. and Fraser C. (2006). INTEGRATION OF BATHYMETRIC AND TOPOGRAPHIC LIDAR: A PRELIMINARY INVESTIGATION. Melbourne: The University of Melbourne Ekelund A. (2014). Lidar Bathymetry Technology and applications. Airborne Hydrography AB Guenther C. κ.α. (2000). MEETING THE ACCURACY CHALLENGE IN AIRBORNE LIDAR BATHYMETRY. Dresden: NOAA, Optech Incorporated Ventura D. (2012). Airborne Bathymetric Lidar and Examples of NIOHC-type environment IHO Order 1 Specification Coastal Surveys. Colombo, Sri Lanka: Colombo, Sri Lanka. Ανακτήθηκε από: Bathymetric-Lidar-Fugro.pdf Costello G (2011). Bathymetric LiDAR for Hydrographic Charting. Canadian Hydrographic Service. Ανακτήθηκε από:

78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΤΡΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΕΞΑΓΩΓΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΩΝ. 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στα προηγούμενα κεφάλαια έγινε επιγραμματική ανάλυση των τριών συστημάτων. Η ανάλυση αυτή περιλάμβανε την περιγραφή των επιμέρους μερών των συστημάτων, των περιορισμών, των δυνατοτήτων τους και των προϋποθέσεων λειτουργίας τους. Αυτή ανάλυση περιλάμβανε τη θεωρητική προσέγγιση αυτής της διατριβής. Στόχος αυτού του κεφαλαίου είναι να εξάγουμε πρακτικά συμπεράσματα με χρήση όλων των παραπάνω στοιχείων. Τα συμπεράσματα αυτά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την επιλογή ενός συστήματος ή όχι. Αυτή η επιλογή μπορεί να αφορά είτε την απόκτηση του συστήματος είτε την ενοικίαση του. 5.2 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ Για την σύγκριση των χαρακτηριστικών έχει επιλεγεί ενδεικτικά από ένα εμπορικό σύστημα. Στην προκειμένη περίπτωση για το πλευρικό ηχοβολιστικό έχει επιλεχθεί το KLEIN 5000 το οποίο προέρχεται από την εξαιρετικά αξιόπιστη και καινοτόμο στο χώρο εταιρία. Το συγκεκριμένο μοντέλο που επιλέχθηκε, δεν είναι το βέλτιστο της εταιρίας αλλά καλύπτει ικανοποιητικά τις ανάγκες μιας έρευνας. Για ηχοβολιστικό πολλαπλής ηχητικής δέσμης επιλέχθηκαν τα συστήματα GeoSwath Plus Compact και EM Τα δύο αυτά συστήματα παρέχονται από την εταιρία KONGSBERG και παρέχεται ακόμα και προς ενοικίαση. Επιλέχθηκαν δύο διαφορετικά μοντέλα λόγω της διαφορετικής χρήσης τους. Αν και τα δύο έχουν την δυνατότητα κάλυψης ικανοποιητικών ζωνών και βαθών, όπως θα δούμε και παρακάτω το GeoSwath Plus Compact ενδείκνυται για χρήση σε μικρά εώς μεσαία βάθη, με σχετικά μεγάλες ζώνες και πολύ μικρά σφάλματα. Το EM 2040 από την άλλη εστιάζει στην έρευνα σε μεγαλύτερα βάθη (της τάξης των 600 μέτρων) με μειωμένη ζώνη και ακρίβεια. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα ηχοβολιστικά πολλαπλής ηχητικής δέσμης σήμερα φτάνουν μέχρι και τα 3000 μέτρα βάθος με την τιμή τους να εκτοξεύεται αναλόγως (ξεπερνάει το 1 εκατομμύριο δολάρια) Το αντιπροσωπευτικότερο δείγμα συστήματος LIDAR είναι το σύστημα SHOALS Το σύστημα αυτό αναπτύχθηκε το 1992 επ ωφελεία των ενόπλων δυνάμεων των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής. Σήμερα έχει δεχθεί πολλαπλές βελτιώσεις και αποτελεί ένα από τα πλέον αξιόπιστα και δοκιμασμένα εμπορικά συστήματα LIDAR. 77

79 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ KLEIN 5000 GeoSwath Plus SHOALS 1000 Compact Συχνότητα 455 khz 125/250/500 khz 1000 Hz Μεγ. Βάθος 250 m 200/100/50 m 65 m * Ελ. Βάθος Ν/Α 0.3 m 0.2 m Πλάτος ζώνης 500 m 780/390/195 m 215 m ** Ταχύτητα 2-10 kn 7 kn kn * εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την καθαρότητα των υδάτων ** εξαρτάται από την επιλογή ανάλυσης (στο παρών παράδειγμα είναι με ανάλυση 4x4m) Μεγάλη διαφορά παρουσιάζουν τα συστήματα στην ακρίβεια. Το LIDAR έχει κατακόρυφη ακρίβεια 0,25 μέτρα ενώ το ηχοβολιστικό πολλαπλής ηχητικής δέσμης μόλις 0,07 μέτρα. Το πλευρικό ηχοβολιστικό δεν έχει δυνατότητα μέτρησης κατακόρυφης απόστασης (βάθος). Η οριζοντιογραφική ακρίβεια ενός ηχοβολιστικού πολλαπλής ηχητικής δέσμης σε ένα μέσο βάθος είναι περί 0,5 μέτρα εκεί όπου το LIDAR έχει 2,5 μέτρα. Το πλευρικό ηχοβολιστικό όμως έχει πάρα πολύ μεγάλη οριζόντια ανάλυση τόσο ως προς το εγκάρσιο (0,2m), όσο και κατά μήκος της πορείας μας(0,035m). Αυτό του δίνει την δυνατότητα για ακριβή τοποθέτηση των αντικειμένων. 5.3 ΑΠΟΔΟΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Με χρήση των παραπάνω τεχνικών στοιχείων και συγκρίσεων θα εξαχθούν κάποια συμπεράσματα της απόδοσης των συστημάτων πάνω σε διάφορους τομείς ΒΑΘΥΜΕΤΡΙΑ-ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΑΝΑΓΛΥΦΟΥ Για να εξεταστεί η απόδοση των συστημάτων σε αυτόν τον τομέα θα πρέπει να οριστούν ορισμένα στάνταρ. Ο οργανισμός IHO έχει δημιουργήσει ορισμένα στάνταρ (S-44) τα οποία ακολουθούνται από την πλειονότητα των υδρογράφων. 78

80 Συνοπτικά το εγχειρίδιο S-44 χωρίζει την υδρογραφία σε τέσσερεις τάξεις: Ειδική Τάξη (SPECIAL ORDER) Είναι η τάξη με τα αυστηρότερα κριτήρια ακρίβειας και αφορά περιοχές όπου η καθαρότητα των υδάτων είναι υψίστης σημασίας (λιμάνια, στενά). Η ειδική τάξη φτάνει μέχρι τα 40 μέτρα. Σε αυτήν την τάξη λοιπόν απαιτείται πλήρης έρευνα του βυθού. 1 η Τάξη (1 ST ORDER) Είναι η τάξη οποία έχει βάθος το οποίο είτε με φυσική αλλά είτε με τεχνητή παρέμβαση να ενδιαφέρει τους ναυτιλομένους. Μια γενική περιγραφή του βυθού θεωρείται επαρκής για αυτά τα βάθη τα οποία δεν ξεπερνούν τα 100 μέτρα. Η πρώτη τάξη χωρίζεται σε δύο υποκατηγορίες: Τάξη 1α η οποία απαιτεί πλήρη έρευνα του βυθού Τάξη 1β για την οποία δεν υπάρχει η απαίτηση πλήρους έρευνας βυθού 2 η Τάξη (2 ND ORDER) Απευθύνεται σε βάθη ακόμα μεγαλύτερα των 100 μέτρων και απαιτεί πολύ μικρή ακρίβεια. Σε αυτή την τάξη επιθυμείται μια πολύ γενική εικόνα του βυθού. Δεν απαιτείται πλήρης έρευνα. Με βάση τις παραπάνω τάξεις το ηχοβολιστικό πολλαπλής ηχητικής δέσμης μπορεί να πραγματοποιήσει έρευνα και στις τέσσερεις, ακόμα και χωρίς την υποβοήθηση άλλου συστήματος. Διαθέτει και την κατάλληλη ακρίβεια για την ειδική τάξη αλλά και την υπερκάλυψη του βάθους ακόμα και για την δεύτερη τάξη. Το LIDAR διαθέτει την απαιτούμενη ακρίβεια και την δυνατότητα για έρευνα μόνο πρώτης τάξης βάση του μέγιστου βάθους του. Αν και έχει αρκετά υψηλή ακρίβεια δεν εμφανίζει ακόμα την απαιτούμενη αξιοπιστία για έρευνα ειδικής τάξης. Το πλευρικό ηχοβολιστικό δεν μπορεί να πραγματοποιήσει υδρογραφική έρευνα καμίας τάξης. Το πλευρικό ηχοβολιστικό δεν διαθέτει την δυνατότητα μέτρησης βάθους με ακρίβεια με αποτέλεσμα να μην μπορεί να δημιουργήσει ανάγλυφο του πυθμένα. Στον τομέα αυτό την καλύτερη απόδοση διαθέτει το ηχοβολιστικό πολλαπλής ηχητικής δέσμης με δεύτερο το LIDAR. Για βέλτιστο αποτέλεσμα όμως συνίσταται η χρήση συνδυασμένων τεχνικών. Μια από τις ευρέων χρησιμοποιούμενες τεχνικές είναι αυτή που φαίνεται στην Εικόνα 5.1 με ταυτόχρονη χρήση ηχοβολιστικού 79

81 πολλαπλής ηχητικής δέσμης και πλευρικού ηχοβολιστικού. Με αυτόν τον τρόπο καθίσταται δυνατή η εκμετάλλευση τις υδρογραφικές δυνατότητες του πρώτου και τις εντοπιστικές δυνατότητες του δεύτερου όπως θα αναλυθεί και παρακάτω. ΕΙΚΟΝΑ 5.1 ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ΠΟΛΛΑΠΛΗΣ ΗΧΗΤΙΚΗΣ ΔΕΣΜΗΣ ΚΑΙ ΠΛΕΥΡΙΚΟΥ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ( a/multi_sonar.html) ΠΙΘΑΝΟΤΗΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ Το σύστημα που εμφανίζει την μεγαλύτερη πιθανότητα εντοπισμού ενός αντικειμένου είναι το πλευρικό ηχοβολιστικό. Η δυνατότητα του αυτή δεν έγκειται τόσο στον εξοπλισμό του ή στην ποιότητα εκπομπής του αλλά στην φύση και την φιλοσοφία του συστήματος. Όπως μπορούμε να δούμε και από την Εικόνα 5.2 ένας έμπειρος υδρογράφος μπορεί να βγάλει συμπεράσματα από την ανάκλαση του στόχου αλλά μπορεί να βγάλει ακόμα περισσότερα από τον ίσκιο που δημιουργείται λόγω της πρόσπτωσης του ήχου από τα πλάγια του στόχου. Με τον ίσκιο πολλές 80

82 φορές αντιλαμβανόμαστε ακόμα και το σχήμα του στόχου. Ο δύτης στο συγκεκριμένο παράδειγμα φαίνεται με τεράστια λεπτομέρεια. ΕΙΚΟΝΑ 5.2 ΠΩΣ ΑΝΤΙΛΑΜΒΑΝΕΤΑΙ Ο ΧΕΙΡΙΣΤΗΣ ΠΛΕΥΡΙΚΟΥ ΗΧΟΒΟΛΙΣΤΙΚΟΥ ΕΝΑΝ ΔΥΤΗ ( Πολύ μεγάλη πιθανότητα εμφανίζει και το ηχοβολιστικό πολλαπλής ηχητικής δέσμης. Τα περισσότερα συστήματα σήμερα προσεγγίζουν αρκετά την ακρίβεια των πλευρικών ηχοβολιστικών αυξάνοντας την ως προς το εγκάρσιο του πλοίου. Παρόλη την δυνατότητα των σημερινών ηχοβολιστικών πολλαπλής ηχητικής δέσμης να δημιουργούς ψευτο-απεικονίσεις παραπλήσιες των πλευρικών ηχοβολιστικών, δεν έχουν καταφέρει ακόμα να εξαλείψουν την ανάγκη των πλευρικών ηχοβολιστικών και ιδιαίτερα σε έρευνες που απαιτούν εντοπισμό πάρα πολύ μικρών αντικειμένων. Τελευταίο σε αυτήν την κατηγορία έρχεται το LIDAR όπου η πιθανότητα εντοπισμού ενός αντικειμένου μειώνεται δραστικά όσο μικραίνει το μεγέθους του και όσο πλησιέστερα βρίσκεται αυτό στο βυθό ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΚΑΛΥΨΗΣ ΜΙΑΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ Στον τομέα αυτό υπερέχει το σύστημα LIDAR. Λόγω της μεγάλης ταχύτητας έρευνας σε σχέση (150kn>>7kn) με τα άλλα συστήματα και με λίγο μικρότερο πλάτος ζώνης μας δίνει πολλαπλάσια κάλυψη σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. 81

83 Τα άλλα δυο συστήματα καλύπτουν σχετικά γρήγορα μια περιοχή αλλά σε καμία περίπτωση δεν συγκρίνονται με το LIDAR. Παρόλα αυτά όμως καλύπτουν όλα τα βάθη πράγμα που δεν μπορεί να επιτύχει ένα σύστημα LIDAR. ΕΙΚΟΝΑ 5.3 ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΚΑΛΥΨΗ ΠΟΥ ΠΑΡΕΧΕΤΑΙ ΑΠΟ ΤΑ MBES ΚΑΙ LIDAR ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ( 82

84 ΕΙΚΟΝΑ 5.4 ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΚΑΛΥΨΗ ΣΕ 2 ΔΕΥΤΕΡΟΛΕΠΤΑ ΠΟΥ ΠΑΡΕΧΕΤΑΙ ΑΠΟ ΤΑ MBES ΚΑΙ LIDAR ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ( ΚΟΣΤΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΠΡΟΣΩΠΙΚΟ Το κόστος ενός πλευρικού ηχοβολιστικού εξαρτάται από την χρήση. Υπάρχουν συστήματα τα οποία κυμαίνονται από 10 εώς 50 χιλιάδες δολάρια αλλά απευθύνονται κυρίως σε ιδιώτες. Για την αγορά ενός συστήματος το οποίο να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις της Υδρογραφικής Υπηρεσίας θα κοστίσει γύρω στα 100 με 150 χιλιάδες δολάρια. Στο κόστος του συστήματος θα πρέπει να συμπεριληφθεί και το κόστος που απαιτείται για μια έρευνα. Η έρευνα απαιτεί υδρογραφικό πλοίο. Άρα απαιτείται πλήρης επάνδρωση του πλοίου που σημαίνει καταβολή πλεύσιμων τα οποία θα πρέπει να συμπεριληφθούν στο κόστος. Επιπλέον τα αποτελέσματα ενός πλευρικού ηχοβολιστικού θα πρέπει να μελετηθούν από εξιδεικευμένο προσωπικό για να εξαχθούν αποτελέσματα. Τέλος η κεφαλή του μορφοτροπέα απαιτεί συντήρηση και καθαρισμό μια φορά το χρόνο. Όλα αυτά κοστίζουν. Γενικά πάντως το πλευρικό ηχοβολιστικό θεωρείται ένα σύστημα ούτε εξαιρετικά φθηνό αλλά ούτε και ακριβό. Το ηχοβολιστικό πολλαπλής ηχητικής δέσμης είναι ένα σύστημα σαφώς ακριβότερο. Αν και οι τιμές του κυμαίνονται από 75 εώς 300 χιλιάδες η απόκτηση ενός αξιόπιστου συστήματος θα κυμανθεί λίγο χαμηλότερα από τις 300 χιλιάδες. Σε όλα αυτά θα πρέπει να συμπεριληφθούν και οι παράγοντες που αναφέρθηκαν παραπάνω. Τα κόστη λειτουργίας είναι παραπλήσια καθώς και αυτό απαιτεί πλήρη επάνδρωση πλοίου και επιστημονικό προσωπικό για την ανάλυση των δεδομένων. Ένας επιπλέον παράγοντας είναι ότι, η οικονομική απόδοση του συστήματος αυτού μειώνεται δραστικά με την μείωση του βάθους. Αυτό είναι συνέπεια της μείωσης της περιοχής κάλυψης λόγω της μείωσης του βάθους. Τέλος η κεφαλή του μορφοτροπέα απαιτεί συντήρηση και καθαρισμό μια φορά το χρόνο. Γενικά θεωρείται μια τεχνική υψηλού κόστους. Για να μειωθεί το κόστος και να αυξηθεί η αξιοπιστία της έρευνας, και εφόσον διατίθενται και το ηχοβολιστικό πολλαπλής δέσμης και το πλευρικό ηχοβολιστικό μπορούν να χρησιμοποιηθούν ταυτόχρονα (βλέπε εικόνα 5.1) μιας και το πλοίο θα έχει ούτως ή άλλως τα λειτουργικά κόστη. Το σύστημα LIDAR είναι μια μέθοδος η οποία έχει αποδειχθεί οικονομικά αποδοτική. Αυτή η μέθοδος έχει υπολογιστεί ότι μπορεί να επιτύχει 25% οικονομία σε βάθη από 10 εώς 15 μέτρα σε σχέση με μια έρευνα ηχοβολιστικού πολλαπλής 83

85 ηχητικής δέσμης. Το μεγάλο μειονέκτημα είναι το υψηλό κόστος απόκτησης καθώς απαιτεί όργανα εκατομμυρίων και έτσι καθιστά αδύνατη την απόκτηση του από την Υδρογραφική Υπηρεσία. Σαν κόστος έρευνας το θετικό είναι ότι δεν απαιτεί μεγάλο πλήρωμα και επιχειρεί για μικρό χρονικό διάστημα. Επιπλέον ο εξοπλισμός δεν υπόκειται σε μεγάλες φθορές. Για να κάνει χρήση αυτής της τεχνολογίας η Ελλάδα το καλύτερο σενάριο θεωρείται η ενοικίαση ενός τέτοιου συστήματος. Έτσι γλιτώνει τόσο το κόστος αγοράς του LIDAR αλλά και το κόστος απόκτησης αεροσκάφους φορέα, εκπαίδευσης προσωπικού κ.α.. Ενδεικτικά το κόστος ενός συστήματος SHOALS κυμαίνεται στα 3500 με 3900 δολάρια ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΘΕΣΗΣ Και τα τρία έχουν απαίτηση συστήματος προσδιορισμού θέσης. Ειδικά για τα ηχοβολιστικά πολλαπλής ηχητικής δέσμης και τα συστήματα LIDAR υπάρχει απαίτηση συστήματος προσδιορισμού θέσης εξαιρετικά μεγάλης ακρίβειας το οποίο οφείλεται στην φιλοσοφία λειτουργείας τους. Τόσο το ηχοβολιστικό πολλαπλής ηχητικής δέσμης όσο και το LIDAR εκτελούν μέτρηση για το κάθε σημείο το οποίο αντιστοιχούν στην θέση που λαμβάνου από το DGPS. Η σύνθεση όλων των σημείων μας δίνει το ανάγλυφο του πυθμένα. Αν για κάποιο λόγο το σύστημα προσδιορισμού θέσης δεν παρέχει την απαιτούμενη ακρίβεια τότε το ανάγλυφο θα εξαχθεί αλλοιωμένο και μπορεί να οδηγήσει στην αδυναμία εξαγωγής συμπερασμάτων ( π.χ. αν φανταστεί κανείς τις αλλοιώσεις που μπορεί να προκαλέσει στην απεικόνιση ενός ναυαγίου.). Το πλευρικό ηχοβολιστικό απαιτεί GPS υψηλής ακρίβειας αλλά δεν επηρεάζεται τόσο λόγω ότι το πλευρικό εκτελεί σύνθεση διαδοχικών παλμώνεικόνων σε πραγματικό χρόνο. 5.4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΕΠΙΛΟΓΟΣ Φτάνοντας στο τέλος αυτής της διατριβής διαπιστώνουμε ότι κάθε σύστημα έχει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Κανένα από τα παραπάνω συστήματα δεν μπορούμε να ισχυριστούμε ότι αποτελεί την χρυσή τομή. Το καθένα με τα πλεονεκτήματά του καλύπτει ελαττώματά του άλλου. Έτσι διαπιστώνουμε ότι τα συστήματα αυτά δεν είναι αντίπαλα καθώς ο συνδυασμός τους είναι πολύ πιο αποδοτικός και επιφέρει πολλαπλάσια αποτελέσματα σε σχέση με το κόστος. 84

86 Θα παρουσιαστούν συνοπτικά τα στοιχεία των συστημάτων συγκριτικά για την καλύτερη επεξήγηση των συμπερασμάτων. 1. Αρχικά τα βασικά πλεονεκτήματα του κάθε συστήματος: a) Πλευρικό Ηχοβολιστικό. Αυτό το σύστημα είναι εξαίρετα εργαλεία για έρευνα σε ρηχά νερά διότι διαθέτουν πολύ μεγάλη ζώνη έρευνας (μεγαλύτερη από τα ηχοβολιστικά πολλαπλής ηχητικής δέσμης) ακόμα και σε νερά βάθους μικρότερου των 30 μέτρων. Σε βάθη 10 μέτρων μπορεί να επιτύχει ζώνη πλάτους 100 εώς 200 μέτρων. Παράλληλα είναι η μόνη τεχνολογία η οποία μπορεί να παρέχει συνεχόμενη απεικόνιση σε όλα τα βάθη. b) Ηχοβολιστικό Πολλαπλής Ηχητικής Δέσμης. Έχει την δυνατότητα να αποκτήσει μεγάλη ποσότητα ηχητικών δεδομένων με λίγες μόνο διαδρομές καθώς μπορεί να λαμβάνει και την απεικόνιση του πυθμένα με τον ίδιο αισθητήρα. Το σύστημα αυτό έχει αυξήσει δραστικά την ικανότητα απόκτησης συνεχούς και υψηλής ανάλυσης δεδομένων βάθους σε μεγάλες περιοχές. c) LIDAR. Αποδοτικό σε σημεία όπου δεν έχουν πρόσβαση πλοία. Παρέχει τεράστιο όγκο δεδομένων ακόμα και σε εξαιρετικά ρηχά νερά. Επίσης αποτελεί μια οικονομικά αποδοτική και ταχύτατη μέθοδο για την έρευνα ρηχών νερών με καλή διαύγεια υδάτων. 2. Προϊόντα Συστημάτων: a) Πλευρικό Ηχοβολιστικό. Το σύστημα παρέχει την τοπογραφία του πυθμένα καθώς και δυνατότητα παροχής πολλών άλλων χαρακτηριστικών όπως γεωλογικούς σχηματισμούς, είδη βυθών και υποστρωμάτων. Αν και δεν διαθέτει βαθυμετρικές δυνατότητες διαθέτει πάρα πολύ καλής ποιότητας δεδομένα όσον αφορά τον εντοπισμό στοιχείων τόσο του πυθμένα, όσο και των υποστρωμάτων του. Τέλος διαθέτει άριστη ανάλυση και πιθανότητα εντοπισμού της τάξης των 20 εκατοστών του μέτρου. b) Ηχοβολιστικό Πολλαπλής Ηχητικής Δέσμης. Διαθέτει τεράστιες δυνατότητες στην παροχή μορφολογίας-ανάγλυφου του πυθμένα καθώς και στον εντοπισμό χαρακτηριστικών της επιφανείας του βυθού. Η βαθυμετρία είναι το μεγάλο του πλεονέκτημα στην οποία παρέχει και τεράστια ανάλυση. Η ακρίβεια του ως προς το βάθος είναι της τάξης μερικών εκατοστών ενώ η οριζόντια ακρίβεια του κυμαίνεται στο ένα μέτρο και λιγότερο. 85

87 c) LIDAR. Διαθέτει πολύ καλές δυνατότητες για έρευνα σε πολύ καθαρά νερά αλλά η διαύγεια των νερών επηρεάζει σε πολύ μεγάλο βαθμό τις δυνατότητές του πράγμα που δεν ισχύει για τα άλλα δύο συστήματα. Σε καλές συνθήκες μπορεί να παρέχει ακρίβεια καλύτερη του μισού μέτρου ως προς τον βυθό ενώ η οριζόντια ακρίβειά του είναι περί τα δύο μέτρα. Συνοψίζοντας θα υπενθυμίσουμε ότι το πληρέστερο σύστημα υδρογραφίας είναι το ηχοβολιστικό πολλαπλής ηχητικής δέσμης, το σύστημα με την μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα είναι το πλευρικό ηχοβολιστικό ενώ ταχύτατη κάλυψη σε ελάχιστο χρόνο επιτυγχάνεται με το σύστημα LIDAR. Ο καθένας ανάλογα με τις ανάγκες του επιλέγει το σύστημα ή τον συνδυασμό των συστημάτων που επιθυμεί. 86

88 ΑΝΑΦΟΡΕΣ 5 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ Ernstsen B. κ.α.(2006). Precision of high-resolution multibeam echo sounding coupled with high-accuracy positioning in a shallow water coastal environment. IHO (2008) STANDARDS FOR HYDROGRAPHIC SURVEYS (S-44) Special Publication No. 44 5th Edition. MONACO: International Hydrographic Bureau A7C1256BCD0023C0E5?OpenDocument 2CC125762A004F48A5?OpenDocument 48C12575E500276CA4?OpenDocument khz.html _Precision_of_high-resolution_multibeam_echo_sounding_coupled_with_highaccuracy_positioning_in_a_shallow_water_coastal_environment/file/9fcfd50f b9a.pdf multi_sonar.html

89 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΥΔΡΟΓΡΑΦΙΚΗ ΥΠΗΡΕΣΙΑ Θεωρείται σκόπιμο σε αυτό το σημείο να γίνει μια συνοπτική παρουσίαση των υδρογραφικών μέσων που διαθέτει σήμερα το Πολεμικό Ναυτικό. Η Υδρογραφική Υπηρεσία διαθέτει 4 πλοία τα οποία θα παρουσιαστούν αναλυτικότερα παρακάτω. Η αποστολή της είναι: Υποστήριξη των επιχειρησιακών απαιτήσεων της Εθνικής Άμυνας. Συνεισφορά στην Ασφάλεια της Ναυσιπλοΐας στις Ελληνικές και τις γειτονικές θαλάσσιες περιοχές. Συμμετοχή στην ανάπτυξη της Ελληνικής Οικονομίας. Προαγωγή των Θαλάσσιων Επιστημών. Τα πλοία που διαθέτει για την επίτευξη αυτών των αποστολών είναι: 1. Υ/Γ - ΩΚ ΝΑΥΤΙΛΟΣ 2. Υ/Γ - ΩΚ ΠΥΘΕΑΣ 3. Υ/Γ ΣΤΡΑΒΩΝ 4. Άκατος 14 ΕΙΚΟΝΑ Α.1 ΥΔΡΟΓΡΑΦΙΚΑ ΣΚΑΦΗ ΥΔΡΟΓΡΑΦΙΚΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ ( 88