Loading color scheme

nav@navionika.com | 02098, Україна, Київ, пр-т Тичини, 4

Технології та конструкція датчиків Lowrance StructureScan

Перегляди: 82
Стаття від Сергія Нікуліна, рибалки-спортсмена

Як влаштовані різні датчики структурсканера? Як вони працюють і в чому їх відмінності? Як розвивається технологія?

Можливо, ви бачили рентгенівський знімок датчика Lowrance StructureScan HD, який гуляв в соцмережах, викликаючи бурхливі обговорення з приводу його влаштування? Мене завалили питаннями з цього приводу.

Рентгенівський знімок датчика StructureScan HD
Рентгенівский знімок датчика StructureScan HD

Датчик Lowrance StructureScan HD
Датчик Lowrance StructureScan HD


Тема дійсно цікава. Спробуємо розібратися настільки, наскільки це можливо завдяки інформаціїї, яка є у відкритих джерелах.

Конструкція обладнання та алгоритми його роботи є комерційною таємницею виробника. У такому висококонкурентному середовищі, як рибопошукове і навігаційне обладнання, зберігання своїх секретів вельми актуально. Виробники педантично ставляться до своїх розробок і часто судяться з цього приводу. Отримати вичерпну інформацію неможливо.

Збір інформації для цієї статті виявився нетривіальним завданням. Зібрана інформація явно неповна, а десь може бути навіть неточна. Виходячи з публічної інформації про розробки компанії, можна судити про варіанти виготовлення тих чи інших датчиків. Порівнявши дати виходу розробок і обладнання, а також конструктивні особливості, я отримав загальне уявлення про принципи роботи і конструкцію датчиків StructureScan.

Прошу враховувати, що дана стаття підготовлена тільки на основі відкритих джерел інформації, а також, що виробник може вносити зміни в конструкцію свого обладнання. Я не є розробником подібних систем або фахівцем в гідроакустике. Думаю, фахівцям в цій області матеріал здасться дуже простим, примітивним, а місцями навіть неточним і грубим. Прошу не судити строго.

Загальні принципи роботи датчиків

У перетворювачах датчиків ехолотів використовується п'єзоелектричний ефект. Чутливий елемент (перетворювач) датчика деформується під тиском звукової хвилі, що призводить до виникнення електричної напруги, яке знімається приймачем. Це прямий ефект. При зворотньому ефекті напруга, прикладена до елементу, деформує його з певною частотою, що в свою чергу викликає механічні коливання води.

Важливо також знати, п'єзоелектричні речовини, з яких виготовляється чутливий елемент, мають одночасно і прямий, і зворотній п'єзоефект. Тому не обов'язково в одному датчику використовувати два елементи. Як мінімум, потрібен один, який буде і передавати, і приймати відбитий від об'єктів підводного світу сигнал.

Датчиком надсилається потік звукових коливань. Звукова хвиля поширюється в воді, відбиваючись від об'єктів в товщі води і від донних поверхонь. Відбиті коливання повертаються, потрапляючи на чутливий елемент. Отримані дані обробляються процесором і виводяться на екран.
Принцип роботи ехолота
Принцип роботи ехолота

Чи відіб'ється сигнал від об'єкта під водою або ні залежить від розміру об'єкта і довжини звукової хвилі. Чим вище частота, тим менше довжина хвилі і менше розмір об'єкта, від якого відіб'ється сигнал, а значить детальнішє зображення на екрані. Також потрібно знати, що якщо розмір об'єкта дорівнює довжині хвилі, то хвиля повністю відіб'ється від нього. Якщо елемент на порядок (в 10 разів) менше, то хвиля повністю огинає об'єкт. Довжина хвилі на різних частотах представлена в таблиці.

Довжина хвилі на різних частотах

Інший важливий параметр - загасання. З ростом частоти зростає загасання сигналу, тому, чим вище частота, тим менше відстань сканування.

Загасання звуку в воді в залежності від частоти
Загасання звуку в воді в залежності від частоти

Так на частоті 400кГц загасання складає близько 0,04 дБ/м, а на частоті 1,3 МГц вже близько 1,1 дБ/м! На початковому етапі розвитку структурсканеров виробники збільшували частоту для підвищення деталізації зображення. Однак, зростаюче затухання не дозволяє користуватися цим методом до нескінченності

Далі заглиблюватися не будемо. Цього буде достатньо для розуміння подальшого матеріалу.

StructureScan HD

Типовий перетворювач створює діаграму спрямованості у вигляді сигналу, який виходить від невеликого джерела і потім розширюється при видаленні від джерела. Наприклад, круговий перетворювач (циліндричний кристал з круговою поверхнею) зазвичай створює конічну форму.

Форма променя кругового перетворювача датчика сонара
Форма променя кругового перетворювача датчика сонара

Історично склалося так, що ці типи гідролокаційних систем з циліндричним п'єзоелементом в першу чергу аналізували товщу води під човном. З появою технологій бокового огляду рибалкам була надана можливість розглядати не тільки товщу води під судном, але і переглядати воду по обидва боки на значній відстані.

Гідролокаторі бокового огляду (ГБО) по різному проектуються і працюють з різнною роздільною здатністью. Багато систем ГБО привернули увагу громадськості до їхньої роботи в місцях затоплення кораблів і для надання дуже докладних зображень океанського дна, але такі системи є дорогими і складними. У деяких випадках ГБО розробляються з використанням багатопроменевих гідролокаційних систем. Такі багатопроменеві гідролокаційні системи зазвичай складаються з безлічі вузько сфокусованих звичайних кругових перетворювальних елементів, які розташовані поруч один з одним для створення масиву суміжних конічних променів, які разом забезпечують безперервну діаграму спрямованості. Багатопроменеві ГБО вимагають дуже складних систем для підтримки безлічі перетворювачів, що значно збільшує їх вартість.

Принцип роботи багатопроменевих гідролокаторів бокового огляду
Принцип роботи багатопроменевого ГБО


Були розроблені керамічні елементи бокового огляду з променем спрямованим в одну сторону від судна. Відповідно, дві сторони покриваються двома елементами. Ці елементи мають прямокутну форму, а не кругову, як звичайні.

Для технології нижнього сканування, також спочатку використовувалося кілька циліндричних елементів, але вони забезпечували зображення  низької якості.

У 2009 р компанія Lowrance отримала патент на перетворювачі прямокутної форми для цілей нижнього сканування, якими зараз користуються і інші компанії. Приблизно в цей же час був представлений датчик StructureScan HD, який об'єднав в собі технології бокового і нижнього сканування з використанням цих перетворювачів.

Розміщення перетворювачів прямокутної форми в корпусі датчика структурскана
Розміщення перетворювачів прямокутної форми в корпусі датчика

В корпус датчика Lowrance StructureScan HD вбудовано три перетворювача витягнутої прямокутної форми, кожен з яких, виконаний так, що ширина променя в поздовжньому напрямку значно менше, ніж в поперечному напрямку. Два елементи спрямовані в сторони з боків, один вниз під човен. Кожен з перетворювачів може приймати і передавати звуковий сигнал.

Форма променів датчика Lowrance Lowrance StructureScan HD
Форма променів датчика StructureScan HD


Технологія бокового огляду та нижньюго сканера StructureScan HD використовує дві частоти на вибір – 455 кГц або 800 кГц. На частоті 455 кГц вище дальність огляду і більше глибина сканування. На частоті 800 кГц зображення більш високої роздільної здатності на невеликій відстані від човна і невеликих глибинах. Користувач може вибрати, що важливіше на даний момент, дальність огляду або чіткість зображення.

TotalScan

Щоб уникнути впливу інтерференції (накладення звукових хвиль однієї частоти від різних джерел, що викликає посилення або ослаблення коливань в різних точках середовища) Lowrance розробив схему з одним перетворювачем, який випромінює, з широкою діаграмою спрямованості.

При даній архітектурі бокові перетворювачі тільки приймають сигнал, а нижній працює як на передачу, так і на прийом.

Схема датчика TotalScan з одним випромінюючим перетворювачем
Схема з одним випромінюючим перетворювачем

Також, в один корпус був доданий класичний круглий приймаючий / передающий перетворювач.



Розміщення перетворювачів в корпусі датчика TotalScan
Розміщення перетворювачів в корпусі

Судячи з усього, така схема застосована в датчику Lowrance TotalScan. Датчик надає можливість одночасно користуватися технологіями сканування на високих частотах 455 та 800 кГц і класичним сонаром 83 та 200 кГц, а також High та Medium CHIRP.

StructureScan 3D

У той час, як традиційні бокові сканери використовують тільки по одному перетворювачу по обидві сторони для прийому бокових променів, технологія Lowrance StructureScan 3D використовує, щонайменше, два перетворювача на кожну сторону. Щоб уникнути перешкод між перетворювачами, кожен з них розташований в паралельних монтажних пазах з поглинаючого матеріалу в єдиному корпусі з відбиваючого матеріалу. Прямокутні перетворювачі в масиві розташовуються на заданій відстані один від одного. Для прийому і передачі можуть використовуватися відразу кілька перетворювачів в різних комбінаціях.

Точна кількість елементів, їх розмір, відстань між ними, які використовуються на даний момент, на жаль, мені не відомо. За наявними у мене даними їх може бути до 12 штук в одному датчику.

Схема розташування прямокутних перетворювачів в корпусі датчика SructureScan 3D

Схема розташування прямокутних перетворювачів в корпусі 3D датчика

На даний момент StructureScan 3D використовує тільки одну частоту 455 кГц. На 455 кГц досягається неймовірно широкий огляд при дуже високій деталізації завдяки надмірності даних, що приймаються від декількох перетворювачів.

Архітектура датчика StructureScan 3D:

1. Дозволяє використовувати методи інтерферометрії для отримання повноцінного тривимірного зображення поверхні дна.

Тривимірна картина донного рельєфу - StructureScan 3D
Тривимірна картина донного рельєфу

2. Дозволяє одночасно реалізувати функціонал:
  • створення 3D-зображення,
  • створення зображення класичного 2D бокового огляду,
  • створення класичного зображення нижнього сканера,
  • пошук та виділення риби в 3D-режимі.

Зграя «білої» риби в 3D-режимі - StructureScan 3D
Зграя «білої» риби в 3D-режимі

3. Використання декількох сіток даних з різних приймаючих перетворювачів при побудові зображення класичних 2D-сканерів на частоті 455 кГц дозволяє:
  • збільшити деталізацію зображення на всьому діапазоні бокового сканування без підвищення частоти, яке призвело б до зниження дальності огляду,
  • збільшити деталізацію зображення нижнього сканера без скорочення глибини сканування,
  • збільшити дальність бокового огляду. Практичний поріг в умовах р. Волга становить 100м в одну сторону в теплій чистій воді,
  • низька залежність дальності огляду від глибини і велика ширина огляду на малих глибинах менш ніж 4 м,
  • більш чітке зображення в каламутній воді.

Для того, щоб наочно простежити еволюцію зображення технології StructureScan подивимося на скріншоти одного і того ж місця на Волзі під Самарою, зроблені в 2014 і в 2018 рр. Скріншоти зроблені на одній і тій же частоті – 455 кГц.

Нижній сканер StructureScan HD на ехолоті HDS-9 Gen2 Touch
Нижній сканер StructureScan HD на ехолоті HDS-9 Gen2 Touch

Нижній сканер StructureScan 3D на ехолоті HDS-12 Carbon
Нижний сканер StructureScan 3D на ехолоті HDS-12 Carbon

Боковий огляд StructureScan HD на ехолоті HDS-9 Gen2 Touch
Боковой обзор StructureScan HD на эхолоте HDS-9 Gen2 Touch

Боковой обзор StructureScan 3D на ехолоті HDS-12 Carbon
Боковий огляд StructureScan 3D на ехолоті HDS-12 Carbon

Для прикладу розглянемо ще кілька скріншотів з використанням датчика StructureSсan 3D:

Висока деталізація бокового огляду для чіткого розуміння мікроструктур і жорсткості дна.
Висока деталізація бокового огляду для чіткого розуміння мікроструктур і жорсткості дна

Скріншот з використанням датчика Lowrance StructureSсan 3D

Скріншот з використанням датчика Lowrance StructureSсan 3D

Скріншот з використанням датчика Lowrance StructureSсan 3D

Скріншот з використанням датчика Lowrance StructureSсan 3D

Скріншот з використанням датчика Lowrance StructureSсan 3D
Чітке зображення риби різного виду і розміру на різній відстані від дна і різній глибині на боковому огляді


Замита покришка - Lowrance StructureSсan 3D
Замита покришка

Четкая сепарация рыба-дно-структуры на нижнем сканере - Lowrance StructureSсan 3D
Четкая сепарация рыба-дно-структуры на нижнем сканере

На мій погляд, зараз датчик Lowrance StructureSсan 3D з представлених на ринку рибопошуковою електроніки найбільш ефективний. Для детального пошуку риби, її видовий ідентифікації, розуміння мікроструктур і жорсткості дна він забезпечує високу якість зображення класичних 2D-сканерів на дуже великій відстані сканування і глибині. Розуміння макроструктур, рельєфу дна і пошук стайнях скупчень забезпечує комбінація 2D і 3D зображення.

Технічні можливості датчика StructureScan 3D закладені конструкційно, судячи з усього, ще повністю не використані. Lowrance продовжує вдосконалювати програмне забезпечення. Навесні 2018 р вийшло оновлення, що значно підвищило чіткість зображення. Чекаємо, що ще запропонує Lowrance в нових версіях програмного забезпечення. Наприклад, датчик 3D може значно розширити можливості створення батіметріческіх карт, зокрема карт глибин, в режимі реального часу.
Нікулін Сергій, рибалка-спортсмен