نظرة شاملة لأنظمة Acoustic Positioning Systems

**Mohamed Hashem** · 12-03-2009, 01:37 AM

بسم الله الرحمن الرحيم

نتحدث بإذن الله تعالى عن تحديد الموقع تحت الماء بالموجات فوق الصوتية أو Acoustic for Under water positioning

برغم أن تلك المقالة تهتم فى المقام الأول بأولئك اللذين يعملون فى مجال تطبيقات المساحة الهيدروجرافية لاستخراج البترول من البحر Offshore Oil & Gas industry إلا أننا راعينا أن تكون موجهه أيضا لمن لا يملك خبرة سابقة فى هذا المجال
ولزيادة الفائدة وضعنا glossary of terms فى نهاية المقالة
ومن ناحية أخرى فهى بمثابة مرشد لتقنيات تحديد الموقع تحت الماء وليس للمقارنة بين الأجهزة الموجودة بالسوق حاليا أو المفاضلة بين مميزاتها و أدائها
وإنما هى بمثابة مساعده للمستخدم ليستطيع دائما اختيار أنسب أنواع تلك التقنية للمشروع أو متطلبات عمله وهو ما يقودنا إلى أول سؤال : لماذا نلجأ لمعرفة موقع الأشياء التى تحت الماء ؟
أو بمعنى آخر ما هى تطبيقات تلك التقنية ؟ Applications of Acoustic Positioning under Water

أولا -
Dynamic Position
تحديد الموقع للثبات فى المكان ديناميكيا للسفن أو ما يعرف بـ DP vessels ... وهو عبارة عن تقنية لتوصيل أجهزة تحديد الموقع ( سطحيا من GPS و/أو تحت الماء من HPR) مع حاسوب يتحكم فى ماكينات السفن للمساعدة على الحفاظ على أماكنها بل و الثبات لفترات طويلة بدون حتى تدخل بشرى من ربان السفينة
وقد ظهرت تلك التقنية فى الستينيات من القرن الماضى كحاجه تولدت من زياده الطلب على استخراج البترول والغاز الطبيعى من البحار

.. ومثل هذا النوع من السفن يمكن استخدامه لدعم عمليات مثل:

exploration drilling (core sampling)
production drilling
diver support
pipelay (rigid and flexible pipe)
cable lay and repair
hydrographic survey
wreck survey, salvage and removal
dredging
rockdumping (pipeline protection)
subsea installation & lifting (topsides and subsea)
oceanographical research
seabed mining
platform supply

الجدير بالذكر أن ظروف العمل لتلك السفن تتطلب أن تكون الأنظمة المرجعية لتحديد الموقع system position referenceمستمرة ودقيقة ويعتمد عليها .. لذا فإن استخدام أسلوبين لتحديد الموقع كما سبق بيانه هو من باب تنويع مصادر احداثيات موقع السفينة فكما رأى مطورو تلك النظم أنه من الخطورة الإعتماد على مصدر وحيد للإحداثيات التى تستخدمها السفينة ومن الخطأ الاعتقاد أن إستخدام نظم الـ HPR جنبا إلى جنب مع الـ DGPS هو لزيادة الدقة ... فمن المعروف أن النظام الثانى لتحديد الموقع والذى يعتمد على الأقمار الصناعية يعطى دقة تتراوح من 1-2 مترا فى النظم العادية بينما تقترب دقة النظام الأول الذى يعتمد على الموجات الصوتية من نفس هذا الرقم إلا أنه إذا زاد العمق كثيرا فإن الدقة تقل أيضا ( فى أعماق 1000 متر تتراوح الدقة ما بين 4-10 مترا)

ثانيا -
تحديد موقع الأجهزة المقطورة
Towed Body (tow fish) Positioning
من أمثلة الأجهزة التى يتم قطرها من السفن أثناء أعمال المساحة الهيدروجرافية المتعلقة بصناعة استخراج البترول من البحر :
جهاز المسح الجانبى Side Scan Sonar’s tow fish
مركبات التحكم عن بعد Remotely Operated Vehicle
فى تلك العمليات نحتاج إلى معرفة موقع تلك الأجهزة المقطورة دوما ولكونها تعمل فى الماء فسيستحيل استخدام تقنية GNSS مالم يتم ربطها مع أنظمة الـ HPR
وأحيانا تستخدمها أساطيل الصيد التجارى الضخم للدول المتقدمة لمعرفة أماكن وحالة شباك الصيد بطريقة الجر فيما يعرف بـtrawl monitoring system

ثالثا -
Riser Monitoring
مراقبة الصواعد

جميع المنصات البحرية التى تقوم بإنتاج البترول تنقل الزيت الخام عبر الصواعد risers إلى أماكن تجميع الخام .. تلك الصواعد (وهى مواسير من الصلب) يمكن أن تصاب بأضرار كثيرة من العوامل البيئية كأمواج البحر و/أو التآكل corrosion و غيرها ... استخدام تقنيات الـ HPR يساعد على مراقبتها باستمرار والتأكد من رأسيتها طول الوقت

رابعا -
Pipelay Positioning
تحديد الموقع أثناء إنزال الخطوط البحرية
فى جميع عمليات مد وإنزال خطوط النفط pipeline (أو الكابلات البحرية marine cables ) نحتاج دائما لمعرفة موقع نقط تقاطع الخطوط البحرية بعضها البعض crossover points

خامسا -
Construction Positioning
تحديد موقع المنشآت البحرية الغاطسة
من أهم المنشآت البحرية التى تتم تحت سطح الماء : وضع أرجل تثبيت المنصات البحرية وفيها يتم تثبيت البيكونات beacons على المنشآت لضمان وضعها فى مواقعها المخطط لها

والآن .. دعونا نبدأ من البداية .. طاقة الصوت Acoustic Energy
وللحديث بقية ..

**ALY ELSAYED** · 12-03-2009, 01:49 AM

الف شكر ليك يا بشمهندس محمد

علي المعلومات الجميله والمفيده

وان شاء الله اتابع مع حضرتك باقي الموضوع

جزاك الله كل خير

**Mohamed Hashem** · 12-04-2009, 07:59 AM

أعزائي الأعضاء الكرام
مقالتنا اليوم – استكمالا لموضوعنا - عن أساسيات تحديد العمق تحت الماء the basics of underwater positioning systems
وبرغم أن موضوع فيزياء طاقة الصوت وخصائص انتشاره خارج مجال اهتمام المقالة إلا أننا سنلقى الضوء سريعا على بعض المفاهيم الأساسية..

تبلغ سرعة الموجات الصوتية في الماء (ماء البحر sea water) بحوالي 1500 متر/ثانية وهى قيمة غير ثابتة .. تتغير من مكان لآخر بل ومن وقت لآخر في نفس المكان .. هذا التغير غير كبير ولكنه مؤثر جدا على كيفية حركة وانتقال الموجات عبر ماء المحيط وبشكل عام تتغير سرعة الصوت فى الماء بسبب ثلاثة مؤثرات : الحرارة والملوحة والضغط (العمق)

ارتفاع الحرارة 1 درجة مئوية يعنى ارتفاع السرعة بمقدار 4 متر/ثانية
ارتفاع الملوحة بمقدار 1 جزء فى المليون يعنى ارتفاع السرعة بمقدار 1.4 متر/ثانية
ارتفاع العمق (الضغط) بمقدار 1000 متر يعنى ارتفاع السرعة بمقدار 17 متر/ثانية

إن القياس الدقيق لسرعة انتشار الموجات الصوتية فى المحيط من أهم عوامل رفع دقة أجهزة تحديد الموقع تحت الماء
هناك وسيلتان – فى الوقت الحاضر – لقياس سرعة الصوت فى الماء :
الأولى جهاز يسمى Sound Velocity Profiler يقيس السرعة بحساب الزمن الذى تستغرقه نبضه صوتية - يطلقها الجهاز بنفسه – ولمسافة محددة معلومة ومن ثم تحسب السرعة
الثانية جهاز يسمى Conductivity, temperature & Depth probe واختصارا CDT يقوم بقياس درجة الحرارة والملوحة والعمق ومن ثم يتم حساب سرعة الصوت عن طريق المعادلة الآتية

Principles of Distance Measurement
أنظمة تحديد العمق تحت الماء تقيس المسافة والإتجاه من الجهاز المثبت على السفينة إلى الهدف المراد تحديد موقعه تحت الماء وذلك عن طريق قياس سرعة الموجات الصوتية ..
وللحديث بقية ..

**Navigator_Hisham** · 12-04-2009, 02:00 PM

[موضوع جميل جدا بارك الله فيك

**ALY ELSAYED** · 12-04-2009, 02:06 PM

الله ينور يا هندسه

وتدعيم الموضوع بالصور جمل وسهل الموضوع جدا

وفي انتظار باقيه الحديث

جزاك الله كل خير

**mahmoud mohamed** · 02-23-2010, 08:40 PM

جزاك الله كل خير عالمجهود

**Mohamed Hashem** · 03-06-2010, 02:53 AM

نستكمل معا باقى القصة ..
انظمة تحديد الموقع تحت الماء تعتمد على قياس المسافة والأتجاه من خلال نقطة مرجعية هى السفينة إلى الهدف المراد تحديد موقعه وبالطبع هذا الهدف مثبت عليه البيكون

فى الشكل السابق المسافة المائلة R تحسب عن طريق معرفة الزمن الذى أستغرقته الموجه الصوتية فى رحلتها بدءا من السفينة أو Transducer وحتى الهدف Transponder ثم العودة ثانية للسفينة وذلك بمعرفة العمق Z
سنعود مرة أخرى لتفصيل ذلك ولكن بعد أن نستعرض مكونات الجهاز وبعض التعاريف الهامة
المكونات العامة لتركيب تلك الأنظمة :
1- بيكون أو مصدر لإنشاء الموجات الصوتية عالية التردد يمكنه أن يثبت على الهدف (SSS tow fish or ROV ..etc) ويكون بمثابة المرسل فى المنظومة
2- مستقبل لإستقبال الاشارات التى يرسلها بيكون الهدف وسنطلق عليها هيدروفون Hydrophone وبالطبع لابد من تثبيته بجانب السفينة بشرط أن يكون مغمورا فى الماء (راجع الفيديو السابق)
3- وحدة معالجة البيانات تسمى surface control unite وتثبت على السطح ويتم توصيلها بواسطة كابل مع الهيدروفون وهو بمثابة القلب فى المنظومة حيث يحتوى على المعالج وكروت الفلترة ومحول الطاقة ويستطيع التعامل (تتبع) حتى أربعه أهداف فى نفس الوقت ويوضع فى غلاف يحميه من الماء
4- برنامج مساحى مرافق على كمبيوتر منفصل .. وفى أحيان كثيرة يكون البرنامج المساحى والحاسوب ووحده معالجة البيانات جهازا واحدا
التعريف الهامة
البيكون الذى يتم توصيله على الهدف قد يكون من النوع Responder أى المستجيب ويستخدم بشكل أساسى مع انظمة الـ ROV وهو يظل فى حالة "إستماع" حتى يتلقى الإستثارة من خلال اشارة كهربية تصله عبر كابل الاتصال بالمركبة ROV umbilical فيقوم بالرد عليها باشارة صوتية acoustic wave تمر فى الماء حتى تصل للهيدروفون المثبت بجانب السفينة

وقد يكون من النوع Transponder وهو يختلف عن النوع السابق فى أنه يظل فى حالة الإستماع أيضا إلى أن تصله الإستثارة عن طريق موجه صوتية من الهيدروفون فيقوم بالرد عليها بموجه صوتية أيضا ذات تردد مختلف
وقد يكون من النوع البنجر Pinger وهو يقوم بإرسال موجات صوتية ذات تردد معين بإستمرار وعلى فترات زمنية قصيرة

عامل المفاضلة بين الأنواع الثلاث السابقة - كأهداف – تتحدد فى ضوء الدقة المطلوبة فى المشروع والتكلفة فمثلا دقة الريسبوندر تفوق الانواع كلها بينما لا يصلح للعمل مع أجهزة SSS وفى حين أن البنجر أقلهم فى الدقة إلا أنه يصبح ذو فائدة كبيرة فى إستعادة ROV فى حالة قطع كابل الاتصال والتحكم بهم !!

الشكل التالى يوضح رسم تخطيطى لأحد الاجهزة موصلا بالهيدروفون ووحدة السطح وحاسوب

هناك العديد من القواعد والاحتياطات التى يجب اتباعها أثناء تركيب تلك النوعية من الاجهزة سنتناولها بعد قليل .. ولكن دعنا الآن نتحدث مرة أخرى عن ماهية النظام ..أو ماذا داخل الهيدروفون ؟
تستخدم تلك الأجهزة تقنية الكريستالات sound transdusing elements وهى عناصر مذبذبة تقوم بارسال اشارة كهربية اذا ما تعرضت لضغط نتيجة الموجات الصوتية وبالعكس
يتركب الهيدروفون من ثلاث عناصر كل عنصر مثبت على رأس مثلث متساوى الاضلاع طول ضلعه أقل من نصف الطول الموجى وتسمى بالمصفوفة
وعندما تكون الموجة الصوتية القادمة للهيدروفون على وشك الارتطام بالمصفوفة فانها تضرب أحد عناصر المصفوفة أولا ثم أقرب جار له ثم الثالث انظر الشكل التالى

بهذه الطريقة "يشعر" كل عنصر فى المصفوفة بالموجة الصوتية بشكل منفرد مما يؤدى إلى أن تكون الإشارة المتولدة فى أى عنصر مختلفة فى الطور عن الإشارة المتولدة فى العنصر الآخر
هذا الفرق فى الطور – الفروقات فى زمن الوصول - يمدنا بالمعلومات لحساب متجه ثلاثى الابعاد من المصفوفة إلى البيكون أو بمعنى آخر لرسم هرم فى الفراغ قاعدته مثلث متساوى الاضلاع مكون من three transducing elements وقمته هى الهدف ومن هنا يمكن تحديد مسافة واتجاه الهدف النسبى

هذا ليس كل شئ .. فتلك البداية فقط .. فلابد من معرفة أنواع النظام المختلفة LBL, SBL, USBL
وللحديث بقية ..