جهاز قياس الأعماق متعدد الحزم

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
يُستخدم السونار متعدد الحزم لرسم خريطة قاع المحيط

جهاز قياس الأعماق متعدد الحزم ( MBES ) هو نوع من أجهزة السونار يُستخدم لرسم خرائط قاع البحر . يُصدر هذا الجهاز موجات صوتية على شكل مروحة أسفل جهاز الإرسال والاستقبال الخاص به . ويُستخدم الوقت الذي تستغرقه الموجات الصوتية للانعكاس عن قاع البحر والعودة إلى جهاز الاستقبال لحساب عمق الماء. وعلى عكس أجهزة السونار وأجهزة قياس الأعماق الأخرى ، يستخدم جهاز MBES تقنية تشكيل الحزمة لاستخلاص معلومات اتجاهية من الموجات الصوتية العائدة، مما يُنتج نطاقًا واسعًا من قياسات العمق من نبضة واحدة.

التاريخ والتطور

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

أنظمة السونار متعددة الحزم، والمعروفة أيضًا باسم "سواث" (بالإنجليزية البريطانية) أو "سواث" (بالإنجليزية الأمريكية) ، نشأت في الأصل للاستخدامات العسكرية. بدأ المفهوم في نظام رادار كان مُصممًا لطائرة الاستطلاع عالية الارتفاع لوكهيد يو-2 ، لكن المشروع توقف عندما أسقط صاروخ سوفيتي الطائرة التي كان يقودها غاري باورز في مايو 1960. وقُدِّم اقتراح إلى البحرية الأمريكية لاستخدام تقنية تشكيل الحزمة "ميلز كروس" المُكيَّفة للاستخدام مع سونار رسم خرائط قاع البحر. كان من المفترض أن تُعالَج البيانات من كل نبضة سونار تلقائيًا، مع إجراء تصحيحات لحركة السفينة وسرعة الصوت في عمق المحوّل وتأثيرات الانكسار، ولكن في ذلك الوقت لم تكن سعة تخزين البيانات الرقمية كافية، لذلك كان يتم تحويل البيانات إلى خريطة شريطية لخطوط الكنتور وتخزينها على فيلم متصل. [ 1 ] طُوِّر نظام سونار المصفوفة الصوتية (SASS) في أوائل الستينيات من القرن الماضي من قِبَل البحرية الأمريكية ، بالتعاون مع شركة جنرال إنسترومنت، لرسم خرائط لمساحات واسعة من قاع المحيط بهدف مساعدة غواصاتها في الملاحة تحت الماء . [ 1 ] [ 2 ] جُرِّب نظام SASS على متن حاملة الطائرات يو إس إس كومباس آيلاند (AG-153) . ثم رُكِّب النظام النهائي، المُكوَّن من 61 شعاعًا بزاوية درجة واحدة وعرض مسح يبلغ حوالي 1.15 ضعف عمق الماء، على متن سفن الإمداد يو إس إن إس بوديتش (T-AGS-21) ، ويو إس إن إس داتون (T-AGS-22) ، ويو إس إن إس ميكلسون (T-AGS-23) . ​​[ 1 ]

في الوقت نفسه، طورت شركة هاريس إيه إس دبليو جهاز قياس الأعماق بالصدى ذي الحزمة الضيقة (NBES) باستخدام 16 حزمة ضيقة، وتم تركيبه على سفن المسح Surveyor و Discoverer و Researcher . أصبحت هذه التقنية فيما بعد تُعرف باسم Sea Beam. تم تسجيل بيانات الحزمة المركزية العمودية فقط أثناء عمليات المسح. [ 1 ]

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

يُعرف أول جهاز مسح متعدد الحزم تجاريًا باسم SeaBeam Classic، وقد دخل الخدمة في مايو 1977 [ 3 ] على متن سفينة المسح الأسترالية HMAS Cook. كان هذا النظام يُنتج ما يصل إلى 16 حزمة ضوئية على قوس بزاوية 45 درجة. وقد صِيغ مصطلح "SeaBeam Classic" (وهو مصطلح مُشتق من اسم الشركة المصنعة ) بعد أن طورت الشركة أنظمة أحدث مثل SeaBeam 2000 وSeaBeam 2112 في أواخر ثمانينيات القرن الماضي.

تم تركيب نظام SeaBeam Classic الثاني على متن سفينة الأبحاث الفرنسية جان شاركو. تضررت مصفوفات SB Classic على متن شاركو نتيجة جنوح السفينة، وتم استبدال نظام SeaBeam بنظام EM120 في عام 1991. وعلى الرغم من أن نظام SeaBeam Classic الأصلي لم يُستخدم على نطاق واسع، إلا أن الأنظمة الأخرى استُخدمت بكثرة، وتم تركيب أنظمة لاحقة على العديد من السفن.

تم تركيب أنظمة SeaBeam Classic لاحقًا على سفن الأبحاث الأكاديمية الأمريكية USNS Thomas Washington (T-AGOR-10)   ( معهد سكريبس لعلوم المحيطات ، جامعة كاليفورنيا )، و USNS Robert D. Conrad  ( مرصد لامونت-دوهيرتي للأرض التابع لجامعة كولومبيا ) و RV Atlantis II  ( مؤسسة وودز هول لعلوم المحيطات ).

في عام 1989، قامت شركة أطلس إلكترونيكس (بريمن، ألمانيا) بتركيب الجيل الثاني من نظام المسح متعدد الحزم للأعماق البحرية، المعروف باسم "هايدروسويب دي إس"، على متن سفينة الأبحاث الألمانية "ميتيور". وقد أنتج نظام "هايدروسويب دي إس" (HS-DS) ما يصل إلى 59 حزمة ضوئية على امتداد 90 درجة، وهو ما مثّل تحسناً كبيراً، كما أنه مُعزز بطبيعته لمقاومة الجليد. تم تركيب أنظمة "هايدروسويب دي إس" الأولى على متن سفن الأبحاث "ميتيور" (1986)  (ألمانيا)، و" بولارستيرن"  (ألمانيا)، و " موريس إيوينغ"  (الولايات المتحدة)، و " ساغار كانيا  " (الهند) في عامي 1989 و1990، ثم لاحقاً على عدد من السفن الأخرى، بما في ذلك " توماس جي. طومسون  " (الولايات المتحدة) و " هاكوري مارو"  (اليابان).

مع ازدياد ترددات الصوت متعددة الحزم وانخفاض تكلفة مكوناتها، ازداد عدد أنظمة المسح متعددة الحزم العاملة عالميًا بشكل ملحوظ. ويتناقص الحجم المادي المطلوب للمحول الصوتي المستخدم لتوليد حزم متعددة عالية الدقة مع ازدياد تردد الصوت متعدد الحزم. ونتيجة لذلك، أدى ارتفاع ترددات تشغيل أجهزة السونار متعددة الحزم إلى انخفاض كبير في وزنها وحجمها. كانت أنظمة السونار متعددة الحزم القديمة الأكبر حجمًا ذات التردد المنخفض، والتي تتطلب وقتًا وجهدًا كبيرين لتركيبها على هيكل السفينة، تستخدم عناصر محول تقليدية من نوع "تونبيلز" ، والتي توفر نطاق تردد قابل للاستخدام يبلغ حوالي ثلث أوكتاف. أما أنظمة السونار متعددة الحزم الأحدث والأصغر حجمًا ذات التردد العالي، فيمكن تركيبها بسهولة على قارب مسح أو سفينة مساعدة. تُتيح أجهزة قياس الأعماق متعددة الحزم للمياه الضحلة، مثل تلك التي تُنتجها شركات Teledyne Odom وR2Sonic وNorbit، والتي تتضمن مستشعرات لقياس حركة المحوّل وسرعة الصوت بالقرب منه، للعديد من شركات المسح الهيدروغرافي الصغيرة الانتقال من أجهزة قياس الأعماق التقليدية أحادية الحزمة إلى أجهزة قياس الأعماق متعددة الحزم. كما أصبحت أنظمة المسح متعددة الحزم الصغيرة منخفضة الطاقة مناسبة الآن للتركيب على المركبات الآلية تحت الماء (AUV) والسفن الآلية السطحية (ASV).

قد تتضمن بيانات جهاز قياس الأعماق متعدد الحزم بيانات قياس الأعماق ، والانتثار الصوتي الخلفي، وبيانات عمود الماء. (تُسمى أعمدة الغاز التي يتم تحديدها الآن بشكل شائع في بيانات جهاز قياس الأعماق متعدد الحزم في المياه المتوسطة بالتوهجات).

تُستخدم عناصر محولات الطاقة الكهروإجهادية المركبة من النوع 1-3، [ 4 ] في جهاز قياس الأعماق متعدد الأطياف ومتعدد الحزم لتوفير نطاق ترددي قابل للاستخدام يتجاوز 3 أوكتافات. ونتيجة لذلك، أصبح من الممكن إجراء مسوحات قياس الأعماق متعددة الأطياف ومتعددة الحزم باستخدام نظام سونار واحد، يقوم خلال كل دورة إرسال بجمع بيانات قياس الأعماق متعددة الأطياف، وبيانات التشتت الخلفي متعددة الأطياف، وبيانات عمود الماء متعددة الأطياف في كل مسار. [ 5 ]

جهاز قياس الأعماق متعدد الحزم يُظهر مصفوفة الإرسال (مستطيل أسود كبير) ومصفوفة الاستقبال (مستطيل أضيق) - أودوم MB1

الاستخدامات العلمية الحديثة

مع تطور التكنولوجيا في ثمانينيات وتسعينيات القرن الماضي، طُوّرت أنظمة ذات ترددات أعلى توفر خرائط عالية الدقة في المياه الضحلة، وتُستخدم هذه الأنظمة اليوم على نطاق واسع في المسح الهيدروغرافي للمياه الضحلة لدعم رسم الخرائط الملاحية . كما تُستخدم أجهزة قياس الأعماق متعددة الحزم بشكل شائع في البحوث الجيولوجية والمحيطية ، ومنذ تسعينيات القرن الماضي في استكشاف النفط والغاز البحري وتمديد الكابلات في قاع البحر. ومؤخرًا، تُستخدم هذه الأجهزة أيضًا في قطاع الطاقة المتجددة ، مثل مزارع الرياح البحرية. [ 6 ]

أتاحت تقنية المسح متعدد الحزم لعلماء المحيطات العمل بسرعة أكبر بكثير في رسم خرائط قاع البحر، حيث تم إنجاز رسم خرائط بنسبة 26.1% من قاع البحر. [ 7 ] وقد أدت هذه الزيادة في السرعة إلى فهم أعمق لمجموعة واسعة من المواضيع، ولا سيما علوم المناخ وعلم الأحياء البحرية، مما أدى أيضاً إلى إطلاق مبادرة قاع البحر 2030 ، التي تهدف إلى رسم خريطة كاملة لقاع البحر بحلول عام 2030. [ 8 ]

نظرية التشغيل

جهاز قياس الأعماق متعدد الحزم هو جهاز يستخدمه عادةً مساحو المياه لتحديد عمق المياه وطبيعة قاع البحر. تعمل معظم الأنظمة الحديثة عن طريق إرسال نبضة صوتية عريضة على شكل مروحة من محول طاقة مصمم خصيصًا عبر كامل المسار العرضي، مع مسار عرضي ضيق، ثم تشكيل حزم استقبال متعددة ( تشكيل الحزمة ) تكون أضيق بكثير في المسار العرضي (حوالي درجة واحدة حسب النظام). من هذه الحزمة الضيقة، يتم حساب زمن انتقال النبضة الصوتية ذهابًا وإيابًا باستخدام خوارزمية للكشف عن القاع. إذا كانت سرعة الصوت في الماء معروفة لكامل عمود الماء، فيمكن تحديد عمق وموقع الإشارة العائدة من زاوية الاستقبال وزمن الانتقال ذهابًا وإيابًا.

لتحديد زاوية الإرسال والاستقبال لكل شعاع، يتطلب جهاز قياس الأعماق متعدد الحزم قياسًا دقيقًا لحركة السونار بالنسبة لنظام إحداثيات ديكارتية. وتشمل القيم المقاسة عادةً الارتفاع، والميل، والدوران، والانعراج ، والاتجاه.

وللتعويض عن فقدان الإشارة الناتج عن الانتشار والامتصاص، تم تصميم دائرة كسب متغيرة مع الزمن في جهاز الاستقبال.

بالنسبة لأنظمة المياه العميقة، يلزم وجود شعاع إرسال قابل للتوجيه لتعويض الميل. ويمكن تحقيق ذلك أيضاً باستخدام تقنية تشكيل الشعاع.

مراجع

  1. ١ ٢ ٣ ٤ ألبرت إي. ثيبرج الابن ونورمان ز. تشيركيس (٢٢ مايو ٢٠١٣). "ملاحظة حول خمسين عامًا من تقنية الحزم المتعددة" . مجلة هايدرو إنترناشونال. مؤرشف من الأصل في ١٤ يوليو ٢٠١٤. تم الاطلاع عليه في ٣٠ يونيو ٢٠١٤ .
  2. ↑ مختبر الأبحاث البحرية الأمريكي/فرع الفيزياء البحرية (الرمز 7420). "مشروع رسم خرائط المحيطات العالمي (GOMaP)" . مختبر الأبحاث البحرية الأمريكي. مؤرشف من الأصل في 2 يوليو 2014. تم الاطلاع عليه في 30 يونيو 2014 .{{cite web}}: صيانة CS1: الأسماء الرقمية: قائمة المؤلفين ( رابط )
  3. ↑ فار، هارولد ك. (يناير 1980). "سونار قياس الأعماق متعدد الحزم: شعاع البحر والخريطة الهيدرولوجية". الجيوديسيا البحرية . 4 (2): 77-93 . Bibcode : 1980MarGe...4...77F . doi : 10.1080/15210608009379375 .
  4. ^ أوشينو، كينجي، أد. (2017). المواد الكهرضغطية المتقدمة . دوى : 10.1016/C2015-0-01989-X . رقم ISBN 978-0-08-102135-4.
  5. ↑ براون، كريغ جيه؛ بودوان، جوناثان؛ بريسيت، مايك؛ غازولا، فيكي (12 مارس 2019). "الانتثار الخلفي لجهاز قياس الأعماق متعدد الأطياف متعدد الحزم كأداة لتحسين توصيف قاع البحر" . علوم الأرض . 9 (3): 126. Bibcode : 2019Geosc...9..126B . doi : 10.3390/geosciences9030126 .
  6. ↑ "جهاز قياس الأعماق متعدد الحزم MS8200 يلعب دورًا كبيرًا في فحص أساسات ركائز مزارع الرياح" . geo-matching.com . 13 يوليو 2022. تاريخ الاطلاع: 18 يونيو 2025 .
  7. ↑ "ما هي نسبة المحيط التي تم استكشافها؟: حقائق استكشاف المحيطات: مكتب استكشاف وبحوث المحيطات التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي" . oceanexplorer.noaa.gov . تاريخ الاسترجاع: 18 يونيو 2025 . 
  8. ↑ وزارة التجارة الأمريكية، الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي. "رسم خرائط الثغرات في معرفتنا بالمحيطات باستخدام مشروع قاع البحر 2030" . oceanservice.noaa.gov . تاريخ الاطلاع: 18 يونيو 2025 .

للمزيد من القراءة

  • لؤي م. أ. جلول وسام ب. أليكس، "منهجية تقييم وأداء نظام IEEE 802.16e"، عُرضت على جمعية IEEE للاتصالات ومعالجة الإشارات، فرع مقاطعة أورانج المشترك (ComSig)، في 7 ديسمبر 2006. متاح على الرابط التالي: https://web.archive.org/web/20110414143801/http://chapters.comsoc.org/comsig/meet.html
  • فان فين، ب.د.؛ باكلي، ك.م. (أبريل 1988). "تشكيل الحزمة: نهج متعدد الاستخدامات للترشيح المكاني". مجلة IEEE ASSP . 5 (2): 4-24 . doi : 10.1109/53.665 .
  • فان تريز، هاري ل. (2002). المعالجة المثلى للمصفوفات . doi : 10.1002/0471221104 . ISBN 978-0-471-09390-9.
  • "مقدمة في تشكيل الحزمة الرقمية" بقلم توبي هاينز، 26 مارس 1998
  • "ما هو تشكيل الحزمة؟" بقلم جريج ألين.
  • كريم، هـ.؛ فيبرغ، م. (يوليو 1996). "عقدان من أبحاث معالجة الإشارات المصفوفية: المنهج البارامتري". مجلة معالجة الإشارات IEEE . 13 (4): 67-94 . Bibcode : 1996ISPM...13...67K . doi : 10.1109/79.526899 .