Zasadniczo echosonda EA400 składa się z jednego lub dwóch przetworników, zespołu nadawczo-odbiorczego GPT (General Purpose Transceiver) oraz standardowego komputera przenośnego. Przetworniki są dostępne na zakres częstotliwości od 38 do 710 kHz. Dostępne są także przetworniki podwójne do jednoczesnej pracy na dwóch częstotliwościach. Zespół GPT zawiera układy elektroniki nadajnika i odbiornika. Mogą one być konfigurowane do pracy jedno lub dwu kanałowej. Moc wyjściowa każdego kanału wynosi 300 W. Nisko szumowe odbiorniki nigdy nie ulegają nasyceniu ponieważ posiadają układ natychmiastowo reagujący w bardzo dużym zakresie dynamiki amplitudy sygnału wejściowego. Wszystkie echa od celów, od najmniejszego pojedynczego planktonu do silnego echa od dna na płytkiej wodzie, są właściwie mierzone i wyświetlane. Do prezentacji echogramów oraz obsługi echosondy służy przenośny komputer pracujący pod systemem operacyjnym Microsoft NT z wykorzystaniem grafiki systemu Windows. Solidna walizka mieści w sobie zarówno zespół nadawczo-odbiorczy GPT jak i przenośny komputer. Oba te urządzenia mogą być zasilane albo ze standardowego akumulatora samochodowego (12 VDC), albo z sieci (115-230 VAC). Krótki kabel Ethernet w formie pary skrętek łączy GPT z przenośnym komputerem. Dlatego też dystans pomiędzy komputerem a zespołem GPT może być łatwo wydłużony do 100 metrów. Odpowiednie algorytmy oprogramowania realizują większość funkcji echosondy. Dla każdego kanału częstotliwościowego zaimplementowane są w oprogramowaniu odpowiadające im algorytmy detekcji dna. Dla wyjściowych telegramów o głębokości, dla wejściowych danych nawigacyjnych oraz dla danych wejściowych z czujników wahań pionowych dostarczone są odpowiednie interfejsy. Może być podłączony także dodatkowy przycisk do ręcznego oznaczania początku /końca każdej trasy pomiarowej.

Propagacja fal

Prędkość propagacji fali dźwiękowej w morzu zmienia się lekko w zależności od temperatury, zasolenia oraz ciśnienia. W płytkiej wodzie morskiej te zmiany prędkości zawierają się w granicach od 1440 do 1520 m/s. Na głębokości rzędu 1000 m można spodziewać się prędkości około 1480 m/s. W słodkiej płytkiej wodzie prędkość wynosi około 1430 m/s. Przeciętnie za prędkość w okienku dialogowym komputera ?Environmental? można przyjmować 1470 m/s.
Echosonda wysyła do wody fale impulsów dźwiękowych o dużej energii. Płaskie dno morza odbija nadawane fale jak gdyby było lustrem. Podczas propagacji fal w kierunku do dna i echa z powrotem do góry, energia rozprasza się na coraz większej powierzchni. Za każdym podwojeniem przebytej odległości energia ta rozprasza się na czterokrotnie większej powierzchni. Duże ławice ryb podobnie odbijają fale dźwiękowe. Ten typ rozpraszania jest powiązany z kwadratowym prawem propagacji lub rozpraszaniem wg zależności 20 log TVG (Time Varying Gain). Sytuacja jest nieco różna gdy obserwujemy echa od pojedynczej ryby. Wysyłana fala podlega kwadratowemu prawu propagacji w kierunku od źródła w dół do ryby. Pęcherz pławny ryby rozrzuca małe drobiny energii we wszystkich kierunkach. Poruszając się od ryby z powrotem w kierunku powierzchni morza, rozpraszanie fali podlega ponownie kwadratowemu prawu propagacji lub rozpraszania. W efekcie takiego zjawiska następuje zwiększenie stopnia rozpraszania energii aż do potęgi czwartej, co wymaga w odbiorniku uwzględnienia zmiany wzmocnienia według zależności 40 log TVG.

Straty propagacyjne spowodowane absorpcją są dużo większe w wodzie morskiej niż w słodkiej. Absorpcja wzrasta także z częstotliwością. Przy 38 kHz absorpcja wynosi 0.5 dB/km w słodkiej wodzie i 10 dB/km w słonej. Przy 200 kHz absorpcja wynosi 10 dB/km w wodzie słodkiej i 50 dB/km w słonej. Aby te straty skompensować właściwie, echosonda musi znać aktualny rodzaj wody. Jednostki decybele (dB) mają długą tradycję w akustyce podwodnej i innych działach fizyki. Jest to miara logarytmiczna pomiaru stosunku dwóch wielkości.

Echo od dna

Płaskie twarde dno odbija wysyłany sygnał tak, jak gdyby to dno było lustrem. Wysłany impuls uderza w obszar dna objęty promieniowaną wiązką prawie jednocześnie i sygnał echa pochodzący od różnych punktów tego obszaru wraca w kierunku powierzchni wody także prawie jednocześnie. Odebrany sygnał echa jest właściwie stłumioną kopią krótkiego impulsu nadawanego. Sygnał echa od pochylonego dna charakteryzuje się wydłużonym czasem trwania oraz łagodniejszym zboczem narastania i opadania. Wysyłany impuls najpierw uderza w zbocze dna w punkcie A i w miarę upływu czasu punkt odbicia przesuwa się po zboczu dna aż do punktu B. W wielu miejscach dno nie jest zbyt twarde. Często jest ono kompozycją poziomów mułu, gliny i piasku co daje się zaobserwować w postaci wstęgi barw na monitorze echosondy.

Oprogramowanie echosondy zawiera specjalne algorytmy detekcji dna. Kanały o różnych częstotliwościach posiadają różniące się algorytmy. Algorytmy te są opracowane na takim poziomie niezawodności, aby nigdy nie było możliwości fałszywej detekcji dna. Gdy tylko jakość detekcji jest kwestionowana, na wyjściu pojawia się głębokość 0.00 aby zaznaczyć, że uzyskano detekcję dna, która nie budzi zaufania. Algorytm w echosondzie EA400 obsługuje wiele trudnych sytuacji. Obsługuje on tryb synchronizacji względem dna w przypadku skoków w głębokości dna. Zapobiega przed fałszywą detekcją dna przy występowaniu ławicy ryb o dużej gęstości. Gdy struktura dna składa się z kilku poziomów, wybiera zawsze górną granicę pierwszego poziomu.

Algorytm detekcji dna wyszukuje pierwsze dobre odbicie od dna. W przypadku pochylonego dna głębokość punktu A zostanie rozpoznana jako właściwa, a nie inne głębokości pomiędzy punktami A i B. W takich przypadkach, dla zachowania marginesu bezpieczeństwa, głębokość wykryta zawsze będzie mniejsza niż głębokości mieszczące się w obszarze promieniowanej wiązki sygnału.

Skanowanie boczne

Do skanowania bocznego w firmie Simrad został opracowany specjalny przetwornik o wadze zaledwie 6.5 kg. Pracuje on na częstotliwości 120 kHz. Gdy przetwornik zostanie obrócony prawie poziomo, prezentowany będzie na ekranie monitora echosondy obraz sonarowy wynikający ze skanowania powierzchni dna. Przy szerokości charakterystyki w pionie 50^o oraz w poziomie 2 ^o sektor skanowania jest dostatecznie wąski aby znacznie szybciej wykryć stosunkowo małe ale dostatecznie szerokie obiekty leżące na dnie, niż podczas sondowania używając normalnego przetwornika echosondy. Wzniesienia dna akwenu oraz obiekty na dnie są natychmiast rozpoznawalne na kolorowym monitorze echosondy. Technika skanowania bocznego może być wykorzystywana przy poszukiwaniu wraków oraz wykrywaniu przeszkód podczas badania spławności kanałów. Inny rodzaj zastosowań to monitorowanie wałów rzecznych, miejsc erozji, zejść z lądu do wody, nanosów osadów dennych spowodowanych przepływem wody oraz innych podobnych potrzeb.

Zakresy obserwacji

W słonej wodzie absorpcja ultradźwięków dramatycznie rośnie ze wzrostem częstotliwości. Dla maksymalnych zasięgów należy wybierać niższe częstotliwości pracy, większe przetworniki oraz maksymalne moce nadajników.

Typowe zakresy obserwacji pokazane są na rysunku. Stosując przetwornik Simrad 38-7 (38 kHz, 7^o x 7^o , 300W) można osiągnąć zakres głębokości do 2100m. Jednakże detekcja dna staje się zawodną dla większych głębokości niż 500m przy stosowaniu przetworników Simrad 50/200 (200 kHz, 7^o x 7^o, 300W).

Te kalkulacje są ważne dla normalnego zasolenia (3.5%) i temperatury (+10 ^o ), średniego rozproszenia dna (siła rozproszenia powierzchniowego = -20dB) oraz typowego poziomu szumów pochodzących od statku prowadzącego badania.

Specyfikacja