מבוא

סביבות ימיות הקוטב הן בין האזורים המורכבים ביותר מבחינה אקוסטית על פני כדור הארץ.מערכות סונר - בין אם הן פרוסות למיפוי ים מדעי, גילוי צוללות ימי, או מדידה עובי קרח - יש להתמודד עם כיסוי קרח קר, דינמי, ותנאים ייחודיים להפצת קול.האתגרים התפעוליים הם עצום: גלי בנאר יכולים להיות מפוזרים על ידי קמצלי קרח קשים, נספגים על ידי קרח, או מעוות על ידי שינויים מהירים במים מהירים ובדיקת מים יעילים, בדיקה בטוחה, ואפקטיבית, ואפקטיביים, על ידי שיטות מחקר בטוח, ואפקטיביים, ואפקטים, ואפקטיביים, על ידי בטיחותיים, ואפקטים של מים, ואפקטים, ואפקטיביים, בדיקה סביבתית, ואפקטיביים של אנרגיה, בדיקה בטוחה של אנרגיה, על ידי בטיחותית, ואפקטים של אנרגיה, על ידי בטיחותית, ואפקטים של אנרגיה, ואפקטים של אנרגיה, ואפקטים של מים קריטי של מים קריטי של אנרגיה, בדיקות אקלים, ואפקטים של אנרגיה, ואפקטים, ואפקטים של אורדקנים, ואפקטים של אנרגיה, הוא חקר אקלים קריטי של אנרגיה, בדיקה בטוחה של אנרגיה, ואפקטים,

בסביבה אקוסטית ייחודית של Polar Waters

התפשטות סאונד באוקיינוסים הקוטביים מתנהגת בצורה שונה מאוד מאשר בים ממוזג או טרופי.עמודת המים קר – לעתים קרובות קרוב להקפאת – יצירת פרופיל מהירות קול ייחודי שיכול למלכוד אנרגיה אקוסטית בדלפק פני השטח או לגרום לתגובת כלפי מטה.

מהירות סאונד ונקמה

ברוב האוקיינוסים, מהירות הקול עולה עם עומק עקב הלחץ.אבל ליד פני השטח באזורים הקוטביים, המים קרים מאוד, צמצום מהירות הקול ויצירת ⁇ שלילית.לאחר כמה מטרים, הטמפרטורה עלולה לעלות מעט בשל חימום השמש בקיץ או פולשניות של מים אטלנטיים חמים יותר, ייצור מדחום חזק.מבנה זה מתפתל למטה או משנה את טווחי הראייה האלה - כדי לשנות את אזורי חשבון חום כל הזמן, כמו גם להחליף אותם.

סליחות ו-Clutter From Ice

קרח הים אינו שכבתי חלקה, שטוחה.הוא כולל קרח שטוחה בשנה הראשונה, קרח רב שנתי, מוביל פתוח, ופוליניאס refrozen.כל סוג מתפזר צליל שונה.תחת הקרח לעתים קרובות קשה עם קטלים המשתרעים על פני 10-30 מטר עמוק. keels אלה פועלים כמו רפיחים אקוסטיים חזקים, ומייצרים ריברציה גבוהה כי מתחת לקרחות חלשות יותר ממטרות קרקעיות או מקודמות, מופיעים כאובייקטים.

Multipath Interference

הקול הקפץ בין תחתית הקרח לבין קרקעית הים יוצר נתיבי הגעה מרובים.אפקט רב-פת זה חמור במיוחד במדפים הקוטביים הרדודים (למשל, ים הבופורט, מדפים סיביים) שבו עומק המים הוא רק 50-200 מטר. מטרה אחת יכולה לייצר רכבת ארוכה של הדים, מה שמפיל את היכולת להבחין בין אובייקטים אמיתיים מרוחות רפאים.

סוגי ואופינים של קרח הקוטב

כדי לעצב מערכות בנאר יעילות ולפרש את הנתונים שלהם, המפעילים חייבים להבין את סוגי הקרח השונים שנפגשו באזורי הקוטב.

קרח השנה הראשונה מול קרח רב-שנתי

קרח השנה הראשונה, בדרך כלל פחות מ 2 מטרים עבה, יש מעט מאוד מתחת לפני פחות בועות אוויר מוטבע.זה משדר צליל טוב יותר מאשר קרח רב הרץ שנים. קרח רב שנתי, מצד שני, עובר מחזורי היתוך מרובים, רכישת משטח מעומק עם רכסי קרח עמוקים וערוצי אוויר פנימיים רבים.

ראשי התיבות של Polynyas, and Ice-Free Zones

גם בחורף, האוקיינוסים הקוטביים מכילים אזורים של מים פתוחים: מוביל (מדפים) ופוליניאס (פתחים בולטים) אלה הם שונים באופן אקוסטי מאוד מאזורים מכוסים קרח.מים פתוחים מאפשר לנרנר לפעול יותר קונבנציונלי, אבל המעבר החד בין קרח למים יוצר אפקטים חזקים קצה ו diffraction.

תצורת קרח ואפקטים

רכסים נוצרים כאשר floes התנגשות קרח.הם יכולים להרחיב 15-20 מטרים מעל פני השטח ו 20-40 מטרים מתחת.עבור מפעילי נואר, ridge הוא יעד מסיבי וקשה שיכול לחסום אותות לחלוטין או לייצר קלואנט חזק, נייח. במבצעי חיל הים, רכסים משמשים צוללות כמו מקומות מסתירים כיסוי; זיהוי צוללת ליד ridge דורש מחסנית מתקדמת דופלר וניתוח מטרה.

אתגרים טכניים עבור Sonar Systems

הסביבה הקשה של הקוטב משפיעה ישירות על חומרת סונר, אלקטרוניקה, עיבוד אותות.

חוסר מודעות ב- Extreme Cold

סונר טרנסקינגס, כבלים ומחברים חייבים לסבול טמפרטורות נמוכות כמו −50 מעלות צלזיוס במהלך הפריסה. Batteries לאבד את היכולת במהירות; חבילות ליתיום-יון המשמשות ב AUVs עשויים לדרוש חימום פעיל. אלמנטים טרנסדוקר יכולים סדק אם צורות קרח על פני המערך. Icing של dome או כלי רכב להגדיל את הרעש ולהפחית את הרגישות.

המונחים: low Signal-to-Noise Ratio

רמות רעש Ambient באוקיינוסים הקוטביים משתנות באופן נרחב.תחת קרח מוצק, רוח ורעש גל מדוכאים, אבל צלילים ביולוגיים (מחותמים, walruses, לווייתנים) ורעש אנתרוגני (שבורים, סקרים סיסמיים) יכולים להיות משמעותיים. סדקים קרח ו calving לייצר צלילים פס רחב כי מסיכה חוזרת.

Doppler and Motion Compensation

במהירות של floes קרח (עד כמה קילומטרים ליום) לגרום שינויים תדרים בדים בנארי (אפקט דופלר) כדור קרח נעים לכיוון מערך נואר יכול להופיע כהמטרה עם מהירות יחסית גבוהה. בדומה, פלטפורמת הסונר עצמו (ספינת, AUV, או צוללת) ביחס לתותחי הקרח.

מידע ומטרות שווא

מגעים סוודרים מתחת לקרח קשה לשמצה. ridge קרח תת-קרקעי, ממאמל ימי, ואובייקט מעשה ידי אדם יכול לייצר הדים דומים.אופרות מסתמכות על תכונות מרובות: כוח מטרה, עומק, היסטוריה תנועה, ותוכן ספקטרלי. אלגוריתמי למידת מכונה משמשים יותר ויותר לשיפור הסיווג, אבל הכשרת נתונים מסביבות הקוטביות נשארות בקושי.

אסטרטגיות מייגציה וטכנולוגיות

בעשורים האחרונים, חוקרים ו- navies פיתחו ערכת כלים של אסטרטגיות כדי להתגבר על אתגרים בנארי הקוטב.

מערכות Sonar

סוגים מסוימים של בונאר בנויים בכוונה למים מכוסים קרח:

  • (ב) ויקרא י"א: ויקרא י"א): "[ה], נדרים מתבוננים למעלה על מסווה] משתמשים בתדרים נמוכים (5-15 kHz) אשר מעבירים דרך קרח דק כדי למדוד את עוביו.
  • (FLT:0) Synthetic Aperture Sonar (SASOVA) 1 משתמש במספר pings מפלטפורמת הנעה כדי ליצור תמונות ברזולוציה גבוהה עם פחות רגישות למגפת קרח.
  • (ב) [15] מרביבאם מהדהד את פלארמב"ד:1) עם זוויות רחבות וזיהוי בזמן אמת יכול למפות את קרקעית הים אפילו בנוכחות רעש קרח, בתנאי שהפלטפורמה שומרת על גישה יציבה.
  • (ב) ניתן לפרוס את הדגים ב[[1924]], אך הם דורשים פריסה זהירה כדי להימנע מנפיחות במחסנים.

עיבוד אותות

בנארים מודרניים משתמשים בזייף אדפטי כדי לבטל את ההתערבות מכיוונים ספציפיים (למשל, קסטל קרח חזק) תדירות ההיגוי מתפשט את האנרגיה המועברת על פני כמה להקות, צמצום ההשפעה של רעש פס צר משברים קרח.זמן-מנוחה רווח (TVG) מתאים כדי לקחת בחשבון עבור ריבוי מערכות עכשיו לשלב הכרה אוטומטית בזמן אמת (TR) בין אובייקטים מעשה ידי אדם כדי להבדיל בין אובייקטים קרח.

חיישנים Fusion ו- Multi-Platform Accesses

אף חיישן יחיד אינו פועל באופן מושלם תחת קרח.שלב בנאריק עם מדידות אחרות משפרות מאוד את המודעות למצב:

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0 מ"מממנטרים" 1 (ה) עוזרים לזהות חפצים מתכתיים (למשל, הרס, כבלים) שקשה לזהותם של בניר בלבד.
  • (ב) ,0) ,(א) ,(א) ,(א) ,(א) , ⁇ ) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מבצע תזמון ו- Seasonal Windows

סקרים רבים בנארים הארקטי נערכים בסוף הקיץ (אוגוסט-ספטמבר) כאשר היקף הקרח ועובי הם מינימליים. שוברי קרח הם נתיבים ברורים עבור כלי מחקר, ו- AUVs פועלים מתחת לקרח עם תמיכה מקבוצות פני השטח.

מחקרים ויישומים

תרחישים אמיתיים בעולם מראים את הקשיים ואת חוסר ההתאמה החל על פעולת נואר הקוטב.

ניווט תחת אש

הצי האמריקאי ביצע פעולות תחת צדק במשך עשרות שנים, בעיקר במהלך תוכנית SCICEX (1993–1999) ואימון קרח שנתי (ICEx) תת-צוללות כמו USSFLT:0HartfordveFLT:1 ו- USS (FLT:2ConnecticutFLT 3: 3) , כדי לזהות תכונות קרח ולהימנע מהתנגשות ב-2021, כדי למקם את הביצועים של הצי הצפוניים של 3 LT5 מטרדמן:

ים מדעי מפה

כלי מחקר כגון USCGCGCFLT:0 [HeavinlyFLT] 1 ו-RVFLT:2SikuliaqofLT 3] עורכים סקרים רבבים כדי למפות את קרקעית הים הארקטי כחלק מרמת ה-FLT:4NOAA הארקטי CardFLT:5 סקרים אלה משתמשים לעתים קרובות בשילוב של ריצוף קרקעי ונופיד להורדת חומרים מ-FARK, ו-Ric DataCIRFIRFIRECTSECIFAR, אשר השתמשו ב-FLT: 7.

כלי תת-קרקעי אוטונומיים (AUVs) תחת קרח

(ה) ,5 ,5 ,2 , ; ; ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

משלוחים ומקורות משאבים

כמו נסיגת קרח הים הארקטי, נתיבי המשלוח כמו כביש הים הצפוני הופכים להיות יותר בר קיימא. מפעילי מסחריים משתמשים בנראות צופה קדימה (FLS) על כלי שיט מכווצים קרח מצופים כדי לזהות סיכונים תת-קרקעיים ורדודים.תעשיית הנפט והגז מבצעת סקרים סיסמיים כדי למפות גיאולוגיה תת-קרקעית, אך מערכות זרם קונבנציונליות הן פגיעות לקרח.

כיוונים עתידיים

האבולוציה של טכנולוגיית בנאר הקוטב מאיצה, מונעת על ידי שינויי אקלים, פעילות אנושית מוגברת והתקדמות חישובית.

למידה עבור Target Classification

רשתות עצביות מהפכתיות (CNN) המוכשרות בתמונות סוינטטיות ומדדות של ביאר יכולים להבחין בין רכסי קרח מהריסות או צינורות עם דיוק גבוה.קבוצות מחקר רבות מתפתחות נתונים קוד פתוח מניסויים ארקטיים בעשור הבא, AUVs יכול לסווג באופן אוטונומי מטרות נונאריות ללא התערבות אנושית, שיפור דרמטי של יעילות הסקר.

כוח נמוך, Broadband Sonars

חומרים חדשים טרנספורמטיביים מאפשרים שידור פס רחב מ 1-50 kHz, המאפשר הדמיה במקביל ברזולוציה גבוהה וגילוי לטווח ארוך. מרצים אלה צורכים פחות כוח, מה שהופך אותם אידיאליים עבור משימות AUV ארוכות טווח. חברות כמו קונגסברג ו Teledyne הם מחסנים מערכות הדור הבא המיועדות לפעילות קוטבית.

אינטגרציה עם Satellite Remote Sensing

נתונים לוויין בזמן אמת על תנועת קרח ועובי יכולים להיות מוזנים לאלגוריתמים לעיבוד בנארים כדי לחתימות של קרח-קלוטר.הקבוצת RADARSAT של נאס"א/CSA הארקטית תספק עדכונים יומיים, מה שיאפשר למפעילי סונר לתכנן טרנזיטים באמצעות אזורים עם התערבות מינימלית של קרח.

שיתוף פעולה בינלאומי וסטנדרטים

תחת האמנה של חוק ים'רמב"א (FLT:0) , מדינות ממפות מדפים יבשתיים מורחבים בקו הארקטי.זה דורש סקרים רב-לאומיים בתנאים מאתגרים.קבוצות העבודה של המועצה הארקטית וארגונים כמו ארגון הידרוגרפי הבינלאומי מקדם את שיטות העבודה הטובות ביותר עבור פעולות נונאריות הקוטב, כולל הימנעות מקרח, בקרת איכות נתונים ובטיחות.

מסקנה

פעולת סונר בסביבות ימיות הקוטב נותרה אחד האתגרים האקוסיביים התובעניים ביותר.שילוב של כיסוי קרח, הדבקה קרה ומורכבת של קול דורש חומרה מיוחדת, עיבוד אותות הסתגלות ואסטרטגיות תפעוליות גמישות.אך הצורך בנתונים סונרים אמינים מעולם לא היה גדול יותר - שכן הבנה של שינוי האקלים המהיר, הבטחת ניווט בטוח במים שנפתחו לאחרונה, והגנה על האינטרסים הביטחוניים הלאומיים בצפון-ידי המשך ההשקעה במערכות של בני אדם, ופלטפורמות מתקדמות יותר, הן אינטגרציה, הן אטומיות יותר, הן אטומיות יותר, ומכשולים, הן אטומיים, והן ממערכות מתקדמות יותר, והן ממערכות אוויריות, הן אטומיות, ומכשולים, הן עמוקות יותר, והן ממערכות אוויריות, עם מגבלות אוויריות, עם מגבלות אוויריות, וסודות עמוקים יותר, עם מגבלות אוויריות, עם מגבלות אוויריות, וסודות עמוקים יותר, ואוויריים, ומנגנוני אטומיות, עם גבולות, עם מגבלות אוויריות, ומנגנוני אטומיים, עם מגבלות אוויריות, והגנתיות, הן גבוהות יותר, עם מגבלות אוויריות, והגנתיות, הן גבוהות יותר, הן גבוהות יותר, והגנתיות, הן על פני כדור הארץ, והגנתיות, הן על פני כדור הארץ, והגנתיות, ו