Гидролокационные средства на борту автономных подводных роботов

Нет необходимости доказывать, что современные интеллектуальные робототехнические комплексы немыслимы без систем технического зрения (СТЗ). Традиционно считается, что главный параметр СТЗ – разрешающая способность. По этому параметру в большинстве систем технического зрения внеконкурентными считаются фототелевизионные средства. Однако развитие подводной робототехники заставляет всё чаще пересматривать эту истину. Да, в большинстве случаев фотоснимок морского дна или исследуемого подводного объекта, сделанный камерой подводного робота (ПР), действительно является решающим идентификационным аргументом в ходе обзорно-поисковых работ. Но малая дальность действия фотосистем (3-10 м) при обследовании обширных акваторий чем-то напоминает «поиск иголки в стогу сена». Иногда же (особенно при обследовании прибрежных акваторий) высокая замутнённость воды может сделать подводную фотокамеру практически «слепой».

Удобным переносчиком информации, пока ещё непревзойдённым по способности действовать под водой на больших расстояниях, являются, как известно, звуковые волны. Акустические системы связи, эхолотирования, шумопеленгования и навигации известны давно. Позднее, уже во 2-й половине 20-го века, появились первые обзорно-поисковые системы акустического зрения (САЗ). Они работали на ультразвуковых частотах ниже 100-150 кГц, обладали невысокой разрешающей способностью, но зато позволяли производить высокопроизводительный подводный поиск на дистанциях сотни и тысячи метров. Благодаря большой дальности действия они оказались хорошим дополнением к фотосистемам высокого разрешения и рассматривались в качестве первичных средств поиска и целеуказания. Все виды гидролокаторов постепенно усложнялись, улучшались их тактико-технические характеристики, приобретались новые принципиальные и эксплуатационные качества. Появились мощные (хотя и весьма дорогие) моноимпульсные сонары на базе фазированных антенных решеток (ФАР), позволяющие за единственный цикл зондирования получать детальную информацию о гидролокационной обстановке в зоне обзора. Батиметрические гидролокаторы, позволяющие с высокой точностью получать 3D-изображения морского дна, стали почти обязательным атрибутом обзорно-поисковых комплексов. Особую нишу в гидролокации заняли акустические профилографы (АП), позволяющие с помощью звука «заглянуть» в толщу морского дна на многие метры. Удивительное сочетание высокой разрешающей способности и большой дальности действия свойственно сонарам с синтезированной апертурой (SAS), но, к сожалению, ввиду сложности и дороговизны они пока ещё не стали массовой продукцией на рынке.

Типичными представителями САЗ являются гидролокаторы бокового обзора (ГБО). Благодаря компактности, простоте, малому энергопотреблению, высокой разрешающей способности и чрезвычайно высокой производительности, очень широкое применение ГБО получили на малогабаритных подводных роботах и особенно на роботах автономных (АПР). Примерно то же можно сказать о гидролокаторах секторно-кругового обзора (ГСО). При необходимости ГБО совместно со спутниковыми навигационными приёмниками могут использоваться и в составе буксируемых картографических комплексов. Нет смысла подробно останавливаться на принципе действия ГБО и ГСО, поскольку они не раз описывались в специальной, научно-популярной литературе и в интернете (в том числе в публикациях ИПМТ, а также в газете «ДВ учёный» за апрель 2008 года). Уместно повторить лишь замечание о том, что употребление в аббревиатуре САЗ термина «зрение» неслучайно, поскольку, в отличие от информации широко распространённых навигационных эхолотов и гидролокаторов, выходная информация САЗ представляется в весьма наглядном виде, визуально похожем на привычные фотографии, или аэрофотоснимки и легко доступном для восприятия даже не специалистам.

Начальный опыт ИПМТ ДВО РАН по разработке и использованию экспериментальных образцов, буксируемых ГБО, относится к 1978 году, а с 1982 года автономными вариантами ГБО оснащались все созданные в институте АПР. В зависимости от предназначения ГБО могут быть низкочастотными (НЧ) и высокочастотными (ВЧ). На больших АПР класса «Клавесин» в САЗ, как правило, включается комплекс из НЧ ГБО с дальностью действия до 500-600 м и ВЧ ГБО повышенного разрешения с дальностью действия до 150 м. Кроме того в САЗ этих АПР входят АП и батиметрические ГБО. Как правило, НЧ ГБО дальнего действия выполняют функции первичного средства поиска и целеуказания. Для ориентирования и более детального обследования участков дна и донных объектов, включая протяжённые объекты и другие подводные сооружения, используются высокочастотные ГБО и ГСО. При этом значения их дальности действия выбираются промежуточным между величинами дальности действия НЧ ГБО и фотосистем. На более компактных АПР класса «Галтель» САЗ чаще бывает представлена только высокочастотными ГБО, которые во многих применениях (когда размеры искомых объектов не слишком малы) способны давать настолько детальную информацию о форме и свойстве объектов, что для их идентификации может и не потребоваться привлечение фотосистем.

Использование обзорно-поисковых локаторов на борту автономных роботов накладывает ряд дополнительных функциональных требований к ним, которые состоят в необходимости:

– запоминания (накопления) на борту больших объёмов информации;

– полной автоматизации процесса получения и накопления гидролокационных данных;

– обеспечения долговременной бесподстроечной работы всех узлов в изменяющихся условиях гидролокационного обзора;

– «привязки» к потоку гидролокационных данных текущей навигационной информации от комплексированной навигационной системы (КНС) подводного робота;

– ускоренного отображения (визуализации) и документирования накопленной информации в камеральных условиях после подъёма АПР на поверхность.

Указанные функции реализуются с помощью развитой системы бортовой первичной обработки эхосигналов на базе скоростных сигнальных процессоров и высокопроизводительных бортовых компьютеров, а также не менее развитого программного обеспечения, работающего на борту обеспечивающего судна.

За период с 1980 года по настоящее время специалистами ИПМТ в сотрудничестве с ВМФ СССР и РФ, а также рядом гражданских организаций был проведено множество крупномасштабных экспедиций по поиску затонувших объектов в Тихом, Атлантическом и Северном Ледовитом океанах, по инспекции стратегически важных подводных инженерных сооружений в портах России и зарубежных стран. Ниже, в качестве иллюстраций приведены некоторые примечательные фрагменты эхограмм ГБО.

Атлантика, 1982 год. Глубина места 5300 м. Полоса обзора НЧ ГБО 2×750 м. Первые глубоководные эхограммы ГБО были получены в режиме буксировки. Главная трудность заключалась в стабильном удержании буксируемого устройства на заданной глубине, что и дало толчок к последующему переносу ГБО на борт АПР.

Фрагмент эхограммы НЧ ГБО с эхо-изображением затонувшего судна длиной 75 м, полученный на борту АПР. Баренцево море, 2001 год. Разрешение невелико, но достаточно для надёжной идентификации объекта без подтверждения фотосъёмкой.

Северный Ледовитый океан, 2008 год. Фрагмент эхограммы с гидролокационным изображением объектов невыясненного происхождения. Скопления этих объектов зарегистрированы на площадях до нескольких кв. км. Неплохо бы продолжить эти исследования с участием морских биологов.

Секторно-круговой обзор с борта АПР. Бухта Патрокл, зал. Петра Великого. На эхограмме видны гидролокационные изображения подводной растительности с характерными для секторного обзора радиальными тенями. Мелкие объекты правильной формы представляют собой изображения мусора техногенного происхождения, что впоследствии подтверждено фотосъёмкой. Маневренные возможности АПР позволили получать подобные эхограммы и без помощи специализированного ГСО-привода, используя ГБО-обзор в сочетании с плавным вращением АПР вокруг вертикальной оси.

Мониторинг состояния подводного кабеля. Слева – участки провисания кабеля, справа – следы смещения кабеля от своего начального положения. Во многих случаях акустическая тень несёт больше информации, чем собственно изображение объекта.

Эхограмма ВЧ ГБО. Шельф о. Сахалин. Разрешающая способность достаточна для того, чтобы, не привлекая специалистов-геологов, определить, где дно моря образовано песчаными дюнами, где отложениями ила, а где – скалистыми обнажениями.

Фрагменты эхограмм ВЧ ГБО с гидролокационными изображениями ПЛ. Сверху – обзор со стороны правого борта, снизу – обзор со стороны носовой части ПЛ. Ещё один пример, когда результаты гидролокационной съёмки с высоким разрешением не требуют последующей идентификации с помощью фотосистемы.

Эхограммы ВЧ ГБО с изображениями свисающего троса (сверху), якоря и якорной цепи (снизу)

С помощью разработанной в ИПМТ программы «Мозаика» гидролокационную информацию, полученную ГБО-съёмкой не нескольких галсах, можно выложить на координированный электронный планшет. Эта же программа способна конвертировать ГБО-файлы, из формата ИПМТ в международный формат «XTF».

  

Владимир Витальевич ЗОЛОТАРЁВ

    Буксируемые ГБО сейчас используются нечасто. С помощью изображённого на этой фотографии буксируемого устройства, несущего антенны низкочастотного ГБО, выполнялся поиск останков русского крейсера «Рюрик», погибшего во время русско-японской войны 1904-1905 гг. Работа выполнялась при поддержке КТОФ с борта яхты-буксировщика «Искра». 

   Помимо изображенного на этой фотографии буксируемого низкочастотного ГБО, в ИПМТ есть и более совершенные ВЧ-локаторы повышенного разрешения.

Владимир ЗОЛОТАРЁВ, 

заведующий лабораторией гидролокационных систем ИПМТ ДВО РАН, 

кандидат технических наук