Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов поиска и оценки промысловых запасов камчатского краба 17
1.1 Подводные методы, обеспечивающие визуализацию объекта исследования 17
1.2 Гидроакустические методы 21
1.3 Поиск промысловых скоплений камчатского краба традиционными методами 27
1.4 Оценка промысловых запасов камчатского краба 29
2. Скопление крабов как источник шумоизлучения. Мешающие звуковые поля 35
2.1 Характеристика шумового поля камчатского краба 35
2.1.1 Анализ ранее полученных характеристик шумового поліГкамчатского краба 36
2.1.2 Результаты экспериментальных исследований автора 44
2.1.3 Сравнение результатов, выполненных автором экспериментов, с известными данными 52
2.1.4 Модель шумового поля крабовой популяции и крабовых ловушек, заполненных крабом 54
2.2 Помехи работе шумопеленгатора-крабоискателя в районе промысла 58
3. Принципы построения и выбор основных параметров шумопеленгатора-крабоискателя 66
3.1 Способ обнаружения промысловых скоплений камчатского краба и крабовых ловушек по их шумовому полю в реальном времени 66
3.2 Обоснование и выбор основных параметров шумопеленгатора-крабоискателя 69
3.2.1 Рабочая полоса частот 70
3.2.2 Сектор обзора и угловая избирательность 71
3.2.3 Характеристика направленности антенны 74
3.2.4 Выбор размеров приемной антенны и числа чувствительных элементов 75
3.3 Помехоустойчивость шумопеленгатора-крабоискателя 79
3.3.1. Коэффициент концентрации антенны 79
3.3.2. Интервал осреднения 80
3.3.3. Порог обнаружения полезного сигнала 80
3.4 Структурная схема шумопеленгатора-крабоискателя 83
3.4.1 Состав и взаимодействие блоков шумопеленгатора крабоискателя 83
3.4.2 Цифровая реализация этапа пространственно-временной обработки 90
4. Математическое моделирование крабопоисковой системы и анализ результатов численных экспериментов 94
4.1 Описание математической модели 94
4.1.1 Объект промысла 95
4.1.2 Средство поиска 100
4.1.3 Морская среда 104
4.2 Содержание математического моделирования 105
4.3 Содержание и результаты численных экспериментов 113
4.4 Сравнительная характеристика акустического способа определения численности краба и метода траловых съемок 122
4.5 Методика применения шумопеленгатора для обнаружения и оценки запасов камчатского краба 125
4.5.1 Способы обнаружения и учета промысловых запасов камчатского краба 126
4.5.2 Калибровка системы 128
4.5.3 Способы отображения информации 129
4.5.4 Методика обнаружения немаркированных орудий лова 132
Выводы по главе 4 136
Заключение 13 7
Литература , 140
Приложения 147
- Гидроакустические методы
- Помехи работе шумопеленгатора-крабоискателя в районе промысла
- Обоснование и выбор основных параметров шумопеленгатора-крабоискателя
- Содержание математического моделирования
Введение к работе
Актуальность проблемы. Промысел камчатского краба в последние годы характеризовался наращиванием объемов вылова, с одной стороны, и недостатком внимания к проблемам сохранения и воспроизводства промысловых запасов краба, с другой. Естественным результатом этого стало резкое сокращение продуктивного стада камчатского краба. В сложившихся условиях остро встала проблема поиска новых, экологически безопасных технологий, обеспечивающих повышение эффективности поиска и определения координат крабовых скоплений и определения их численности.
Распределение крабов внутри районов является неравномерным. В период кормовых миграций камчатский краб группируется в косяки из десятков и сотней особей. В местах благоприятного обитания скапливаются в промысловые скопления сотнями тысяч на нескольких морских милях. В этих условиях результат промысла зависит от выбора места постановки орудий лова.
Одной из мер государственного регулирования промысла камчатского краба, направленных на обеспечение рационального использования его запасов, является определение объемов допустимых уловов (ОДУ). Для определения ОДУ необходимо знать фактический запас краба.
Актуальной проблемой является также поиск немаркированных1 (утерянных и браконьерских) крабовых ловушек. Анализ результатов работы добывающих предприятий Приморья на крабовом промысле за период с 1995 по 2000 годы показал, что суда теряют за год в среднем до 20% своих орудий лова. В случае обрыва сигнальных вех найти немаркированный «порядок» практически невозможно. Наряду с экономическим ущербом потеря крабовых «порядков» создает реальную угрозу экологическим системам и биологическим ресурсам рыболовства. Экологическая проблема становится все более актуальной по мере дальнейшего развития прибрежного рыболовства. Обусловлено это тем, что промысловые концентрации крабов из года в год наблюдаются, как правило, на одних и тех же достаточно ограниченных участках акватории. Потерянные орудия лова в районах массового обитания крабов, на путях их миграций, нереста становятся «могильниками» крабов. Проблема поиска немаркированных «порядков» становится шире, если учесть, что ежегодно наблюдается рост браконьерства. Браконьеры зачастую используют немаркированные орудия лова.
Анализ публикаций и реального состояния средств и методов обнаружения камчатского краба на промысловых судах показывает, что в настоящее время кроме крабовых ловушек и донных тралов никаких средств обнаружения и оценки запасов крабовых скоплений в распоряжении рыбаков
Немаркированный «порядок» (ловушка) - «порядок», место постановки которого не обозначено на
поверхности моря установленным образом. З РОС НЛІІМПМд а
ВИМИОТЄКА
практически нет. Поиск утраченных порядков крабовых ловушек ведется с использованием «кошек» и является крайне непродуктивным, а поиск браконьерских «порядков» вообще не ведется.
В этой связи создание высокопроизводительных экологически
безопасных методов и средств поиска промысловых крабовых скоплений,
позволяющих отслеживать изменения промысловой обстановки в реальном
времени, определять координаты зоны обитания и численность краба, а <
также решать задачу обнаружения немаркированных орудий лова является актуальной задачей.
Из отечественной и зарубежной литературы известно, что крабовые
скопления являются достаточно мощным источником шумоизлучения. В 4
этой связи большой интерес представляет возможность использования современных гидроакустических технологий, в частности, средств шумопеленгования для поиска крабовых скоплений и немаркированных «порядков» заполненных крабовых ловушек по их шумовому полю.
Актуальность задач обнаружения, определения координат, оценки запасов камчатского краба и улучшения экологического состояния промысла, а также прогресс в развитии вычислительных средств, используемых для построения систем шумопеленгования, сделали актуальной задачу разработки новых методов промысловой разведки с применением современных гидроакустических средств шумопеленгования. Данная работа и посвящена решению этой задачи.
Цель исследований - поиск и разработка эффективных и экологически безопасных способов обнаружения и определения координат крабовых скоплений и оценки их запасов на основе использования современных гидроакустических систем шумопеленгования; разработка структуры и выбор основных параметров системы шумопеленгования, обеспечивающих высокую эффективность поиска.
Для реализации поставленной цели в работе были рассмотрены и решены следующие задачи:
-
Рассмотрены существующие средства и методы поиска и оценки запасов ^ камчатского краба.
-
Проведен анализ биологических особенностей камчатского краба и его промысловых скоплений, определяющих формирование шумового поля.
-
Выполнен анализ описанных в литературе данных по шумоизлучению камчатского краба в традиционных районах промысла.
-
Проведены теоретические и экспериментальные исследования шумов камчатского краба.
-
Разработана модель шумоизлучения одиночного краба, шумового поля крабовых скоплений и шумового поля крабов, находящихся в крабовых ловушках (далее - шумовое поле ловушек).
( ир '<"" ''" '"'** !
-
Предложен экологически безопасный способ обнаружения, определения в реальном времени координат скоплений камчатского краба и оценки их промысловых запасов по шумовому полю крабов.
-
Разработана структурная схема и обоснован выбор основных параметров шумопеленгатора-крабоискателя, реализующего предложенный способ.
-
Проведено математическое моделирование крабопоисковой системы. Проведены численные эксперименты по оценке эффективности предложенного средства поиска и выполнен сравнительный анализ эффективности предложенного и традиционно используемых способов.
-
Разработаны методика организации поиска и оценки промысловых запасов камчатского краба и методика обнаружения немаркированных крабовых ловушек.
Методы исследования. При выполнении работы проводились теоретические, натурные и полунатурные экспериментальные исследования. Использовались статистические методы обработки экспериментальных данных, методы математического моделирования.
Достоверность выносимых на защиту результатов подтверждается применением известных аналитических и численных методов решения задач, согласованностью полученных автором экспериментальных данных с материалами других авторов.
Метрологическая достоверность натурных экспериментов обеспечивалась применением калиброванных измерительных средств.
Обоснованность основных результатов работы подтверждается знакомством с ними научной общественности путем публикации их в отечественных изданиях и представления на международных и отечественных научно-технических конференциях.
Научная новизна. Научной новизной обладают следующие защищаемые в работе результаты:
- способ обнаружения и определения в реальном времени координат
скоплений камчатского краба по шумовому полю крабов, основанный на
использовании экологически безопасных гидроакустических средств
у шумопеленгования;
оценка численности камчатского краба по его шумовому полю;
структура шумопеленгатора-крабоискателя (ШПК) с малогабаритной приемной антенной;
методика выбора основных параметров ШПК, учитывающая акустические характеристики шумоизлучения крабовых скоплений и орудий его лова;
имитационная модель шумового поля крабовых скоплений;
математическая модель крабопоисковой системы, позволяющая выполнить сравнительную оценку эффективности предложенного и традиционных способов оценки численности камчатского краба.
Практическое значение работы. Предложенный способ поиска с применением шумопеленгатора-крабоискателя с заданной структурой, параметрами и перечнем решаемых задач позволяет:
- вести промысловую разведку скоплений камчатского краба и поиск
немаркированных крабовых ловушек с привлечением малотоннажных
судов, составляющих большую часть рыболовного флота;
вести промысловую разведку и поиск немаркированных орудий лова при движении судна, что существенно повышает производительность поиска по сравнению с существующими методами и средствами; определять местоположение промысловых скоплений камчатского краба в реальном времени, и, как следствие, повысить эффективность промысла в целом за счет постановки орудий лова в местах наибольших промысловых скоплений камчатского краба;
- повысить экологическую безопасность промысла камчатского краба за
счет отсутствия физического контакта с объектом в процессе поиска и
обнаружения утерянных и браконьерских орудий лова.
Личный вклад автора. Автору принадлежат разработка и анализ эффективности нового способа обнаружения в реальном времени промысловых скоплений камчатского краба, находящихся на дне моря немаркированных крабовых ловушек по их шумовому полю, разработка методик поиска, а также организация и получение основных результатов экспериментальных исследований, их обработка и анализ.
Автором разработан и изготовлен действующий макет аппаратуры для проведения экспериментальных исследований характеристик шумовых полей крабовых скоплений в натурных условиях. С учетом результатов эксперимента в обеспечение математического моделирования крабопоисковой системы автором разработана имитационная модель шумоизлучения одиночного краба, шумового поля крабовых скоплений и шумового поля крабов, находящихся в крабовых ловушках
На основании результатов математического моделирования крабопоисковой системы и численных экспериментов автором разработаны методические рекомендации по использованию шумопеленгатора-крабоискателя для поиска немаркированных орудий лова, промысловых скоплении камчатского краба и оценки их запасов в реальном времени.
В работах, выполненных в соавторстве, автор принимал равноценное участие в постановке задач, в анализе и интерпретации результатов экспериментов и моделирования.
Апробация работы и публикации.
Основная часть материалов диссертации докладывалась и обсуждалась на международных и отечественных научно-технических конференциях и семинарах в период с 1999 по 2004 гг., в частности, на:
- международной научной конференции «Рыбохозяйственные
исследования Мирового океана» (г. Владивосток, 1999 г.);
шестой международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (г. Санкт-Петербург, 2002 г.);
международной научно-практической конференции «Рыбохозяйственное образование Камчатки в XXI веке» (г. Петропавловск-Камчатский, 2002 г.).
- седьмой международной конференции «Прикладные технологии
' гидроакустики и гидрофизики» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.);
региональной научно-практической конференции «Экономические, социальные и экологические проблемы Охотского моря и пути их решения» (г. Петропавловск-Камчатский, 2004 г.);
международных научных чтениях «Приморские зори - 2005», посвященные 10-летию со дня основания ТАНЭБ (г. Владивосток, 2005 г.).
Инновационный проект «Шумопеленгатор-крабоискатель» был представлен на III международном салоне инноваций и инвестиций (г. Москва, 4-7 февраля 2003 г.) и получил там награду «Золотая медаль Салона» и диплом.
На 2-й международной рыбопромышленной выставке «Рыбные ресурсы
- 2003» в г. Москве инновационный проект «Шумопеленгатор-
крабоискатель» получил диплом.
Получен патент на изобретение: Шумопеленгатор для поиска скоплений крабов [Текст]: Пат. 2240577 Рос. Федерация: МПК7 G 01 S 15/02, 15/96 / И.В.Красников, Я.С.Карлик- №2002132913; Заяв. 06.12.02; Опубл. 20.11.04, Бюл. № 32.- 4 с, 2 л. ил.
По материалам диссертации опубликованы 21 работа, в том числе 12 докладов на научно-технических конференциях. В этих работах автором выполнены теоретические расчеты и модельные исследования; все экспериментальные исследования выполнялись при непосредственном и активном участии автора.
Структура н объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка
используемой литературы и приложений. Ее общий объем составляет 184
^ страницу, включая 35 рисунков, 21 таблицу и список литературы из 98
наименований.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработан способ, позволяющий обнаруживать и определять в
реальном времени координаты скоплений камчатского краба и производить
оценку их промысловых запасов по шумовому полю крабов, основанный на
использовании экологически безопасных гидроакустических средств
шумопеленгования.
2. Разработана структура шумопеленгатора-крабоискателя с
малогабаритной приемной антенной, позволяющей размещать его на
малотоннажных судах.
-
Разработана методика выбора основных параметров шумопеленгатора-крабоискателя, учитывающая акустические характеристики шумоизлучения крабовых скоплений и орудий его лова.
-
Выполнена сравнительная оценка эффективности предложенного и традиционных способов определения численности камчатского краба на основе разработанной математической модели крабопоисковой системы и проведенных численных экспериментов.
Гидроакустические методы
Попытки решить проблему обнаружения камчатского краба с использованием гвдгхэакустических средств предпринимались рядом авторов. Так, известны немецкая краблупа (электронный отметчик) фирмы ЭЛАК и японский крабоискатель с самописцем и электронным отметчиком [85].
Японский крабоискатель работает на частоте 200 кГц, имеет пьезоэлектрический излучатель из титанатобариевой керамики с острой характеристикой направленности (0 = 6,6), вследствие чего обеспечивается большая концентрация энергии в излучаемом импульсе. При помощи такого крабоискателя обнаруживали и фиксировали на самописце с электрохимической бумагой не только скопления придонной рыбы, но и крабов, находящихся на расстоянии 20 см от морского дна.
Краблупа ЭЛАК представляет собой эхолот, работающий на частоте 30 кГц, с электронным отметчиком, имеющим обзорный диапазон 125 м и позволяющий просматривать слои воды толщиной до 5 м. Эффективный угол направленности излучателя по ДП - 12, перпендикулярно ДП - 20.
В результате проведенных экспериментов [68] было определено, что в диапазоне частот от 50 до 300 кГц коэффициент отражения ультразвука от краба в 2-3 раза превышает коэффициент отражения ультразвука от камбалы в тех же условиях.
Несмотря на относительно высокую отражающую способность краба, методы активной эхолокации не нашли применения при разведке крабовых скоплений. Даже на ультразвуковых частотах (300 кГц), где эхосигналы от краба наиболее интенсивны, а небольшие промысловые глубины благоприятствуют применению сигналов этих частот, эхолокация крабов не дает желаемого эффекта, так как промысловые концентрации крабов являются крайне разреженными, а это означает, что непроизводительно искать одиночные экземпляры крабов гидролокатором с узкой характеристикой направленности, перекрывающей при глубине 50 м полосу дна всего лишь в 3 м. Кроме того, даже при исключительно высокой разрешающей способности эхолота (0,2 м) зарегистрировать краба можно лишь в случае, если он будет ходить на вытянутых ногах; в противном случае в условиях донной реверберации обнаружить крабов не удается.
Ввиду низкой эффективности обнаружения краба средствами активной локации возникла необходимость биоакустических исследований с целью выяснения возможности обнаружения крабов по издаваемым ими шумам. Подобные исследования были проведены в 1969 году на СРТМ «Космический» в шельфовых водах, восточного и западного побережий Камчатки [87,88,90].
Изучение шумов камчатского краба являлось лишь частью широкомасштабных экспериментов по изучению шумовых полей гидробионтов, выполненных в 60-70-е годы прошлого столетия. Возможность и эффективность пеленгования морских биошумов была доказана в результате опытной эксплуатации первого промышленного образца рыбошумопеленгатора (РШП) «Чайка», установленного в 1971 году на гидроакустическом судне «Поиск».РШП «Чайка» был предназначен для изучения биоакустических полей различных морских бассейнов и проработки задач, связанных с проблемой использования принципов пассивной гидролокации для поиска объектов морского и океанического промысла: обнаружения и прослушивания шумов моря, определения направления на шумо излучающие объекты, определения оптимальных диапазонов частот для разных промысловых объектов, излучающих шумы, классификации биосигналов на слух.РШП «Чайка» обеспечивал одновременный обзор подводных шумов в пределах 360 в режиме «Обзор» и определение угла места в пределах 0-90 вертикальной плоскости в любом из четырех квадрантов, В РШП «Чайка» были применены 4 акустических приемника, ориентированных по направлениям: нос, корма, правый борт, левый борт. Пятый приемник был ориентирован в сторону дна и предназначен для определения угла места. Определение пеленга и угла места на источник шумо излучения осуществлялось со средней погрешностью не более 10. Пеленгование в РШП «Чайка» обеспечивалось в диапазоне от 4 до 30 кГц. Пятиканальная система усиления РШП имела усиление до 80 дБ. РШП имел также звуковую индикацию. Усилитель прослушивания мог быть подключен к любому их пяти каналов в двух режимах: без преобразования частоты в диапазоне от 0 до 30 кГц и с преобразованием частоты в диапазоне от 10 до 30 кГц. Электронная аппаратура РШП «Чайка» имела 6 рабочих диапазонов частот: один обзорный и пять частотных диапазонов, выбранных соответственно частотным спектрам акустически активных морских гидробионтов (таб. 1.2). Пеленгование в РШП «Чайка» обеспечивалось в диапазоне от 4 до 30 кГц.
Прослушивать биошумы можно было также с помощью глубоководного (до 100 м) гидрофона, входящего в РШП «Чайка».Чувствительность приемников акустической антенны на частоте 4 кГц была не менее 5 мкВ-см /дин [89]. В результате биологических исследований было установлено, что РШП «Чайка» соответствует своему назначению как прибор для исследования биологических шумов моря. Автор публикации приводит результаты эффективного пеленгования дельфинов, китообразных, алфеусов. Никаких положительных результатов по обнаружению крабов не приводится, хотя такая возможность предполагается. Как уже отмечалось, шумопеленгаторы «Чайка» не получают дальнейшего развития и на промысловых судах не устанавливаются.
В конце 70-х годов прошлого столетия начались работы по использованию методов нелинейной гидроакустики для оценки промысловых запасов. По мнению авторов работы [4] эффективное решение задач мониторинга промысловых крабовых скоплений может быть достигнуто за счет комплексного использования параметрических излучающих антенн (обладающих высокой направленностью, широкополосностью излучения и низким уровнем бокового поля), параметрических приемных антенн, автономных акустических и гидрофизических датчиков с передачей информации по радиоканалу, а также
Помехи работе шумопеленгатора-крабоискателя в районе промысла
Эффективность обнаружения промысловых скоплений камчатского краба по их шумовому полю в значительной степени зависит от параметров акустических помех в районе промысла. Районы обитания камчатского краба прибрежные, имеющие относительно небольшие глубины.
Шумы в мелководных прибрежных районах подвержены резким изменениям во времени и пространстве. В каждый данный момент времени и в каждом данном пункте уровень окружающего шума будет определяться текущей комбинацией источников шума. Поскольку комбинации изменяются во времени, это приводит к значительным изменениям как уровня окружающих шумов, так и их спектров, что существенно усложняет выбор технических параметров шумопеленгатора, а также обнаружение и идентификацию интересующих нас сигналов. Основными источниками акустических помех в этих районах являются:- динамические шумы моря;- технические шумы;- шумы биологических организмов. Помеховая обстановка в районе промысла складывается из совокупности источников помех, а уровень помех в районе установки приемной антенны ШПК может быть описан формулой:где Рпшм — уровень помех, обусловленных шумами моря;Рпсн — уровень помех, обусловленных шумами судна носителя;Рпш- уровень помех, обусловленных шумами биологическихорганизмов. Помеха, обусловленная шумами моря, может быть определена по кривым Кнудсена, и составляет при волнении 4 балла порядка 2-Ю"3 Па/ Гц (рис. 2.6).
То обстоятельство, что на частотах свыше 1 кГц шум моря приходит главным образом со стороны поверхности, а ХН приемной антенны ориентирована вертикально вниз, дает возможность предположить, что его влияние может быть уменьшено за счет выполнения экранировки антенны со стороны поверхности моря. В результате приемной антенной будет приниматься отраженный и рассеянный донной поверхностью шум. При этом интенсивность шума уменьшится в десятки раз и может быть принята равной величине менее чем 2-Ю"4 Паї\[Гц .
Наибольший вклад в суммарную помеху работе ШПК вносят шумы судна носителя. Звуки и вибрация, создаваемые источниками каждого вида шума, приходят к антенне ШПК разными путями (рис. 2.7).Траектория А - путь, лежащий целиком в корпусе судна, по которому помеха, создаваемая машинами и механизмами, гребным валом и самим винтом, достигает района размещения акустической антенны Эти шумы лежат в основном в диапазоне низких звуковых и инфразвуковых частот.
Траектория В - путь, по которому помеха распространяется в воде от винта до акустической антенны.
Траектория С - путь, по которому проходит помеха от винта после отражения объемными рассеивателями, находящимися в толще моря.
Траектория Д - путь, по которому помеха достигает места установки акустической антенны после отражения от дна.
Приведенное значение помехи, обусловленной шумами судна носителя, составляет от 1.1 до 2 Па! [Гц . Учитывая, что для краболовов, работающих на мелководье, основной вклад в уровень помехи на частотах более 2 кГц будет вносить звук винта, распространяющийся по траектории Д [79], уровень этой помехи будет уменьшаться примерно в 130 раз и составит в точке приема от 8.5-10"3 до 1.5-1 О 2 Па! Гц
На малых скоростях поискового хода (порядка 5-6 узлов) превышение корабельной помехи над шумом моря незначительно. Уровень корабельной помехи на данных скоростях определяется, в основном, шумами механизмов, спектр которых лежит в области низких звуковых частот (ниже 2 кГц). Уменьшить влияние низкочастотных шумов можно путем экранирования антенны со стороны корпуса судна.
Значительное увеличение уровня собственных шумов происходит при увеличении скорости движения. Это увеличение составляет приблизительно 1.5 дБ/узел и связано, в основном, с растущими гидродинамическим шумом и шумом винта. Значительное снижение собственных шумов судна достигается выбором оптимального режима хода, что позволяет выбрать скорость поискового режима.
Помеха, обусловленная биологическими шумами, может оказаться наиболее сложной для учета в нашем случае. Биологические звуки моря для решения нашей задачи представляют наибольший интерес, поскольку районы обитания камчатского краба характеризуются значительным количеством морских биологических объектов (МБО). МБО, издающие звуки,можно разделить на 3 основные группы:- беспозвоночные. К этой группе относятся раки, крабы, креветки и т.д., а такжеморскиеежи и мидии;- рыбы; - млекопитающие. К этой группе относятся морские свиньи, дельфины,
Интенсивность издаваемых МБО звуков, а также характер их звучания весьма разнообразны, У всех трех видов объектов встречаются сигналы одинаковые по форме и звучанию. Для сигналов МБО характерна неустойчивость их характеристик во времени.
В результате проведенных в 1969 году биоакустических исследований в промысловых районах было записано большое количество биоакустических сигналов, которые оказалось возможным классифицировать по характеру звучания на 28 типов [87]. Шумы биологического происхождения высокой интенсивности создают значительную помеху в широком спектре частот, изменяющуюся во времени случайным образом. В результате воды в районах промысла, богатые биологическими объектами, оказываются шумной и весьма изменчивой средой для работы гидроакустических систем.
Анализ спектральных характеристик биологических шумов показывает, что в основном биологические шумы сосредоточены в диапазоне частот ниже 2 кГц.
Наиболее близкими по характеристикам спектра излучения к камчатскому крабу являются шумы горбы левых рыб, раков-трескунов и креветок (рис. 2.6). При этом уровни их шумов соизмеримы или даже выше. Положительным является то, что зоны обитания камчатского краба, раков-щелкунов и креветок разнесены территориально, а единство районов обитания с горбылевыми носит сезонный, ограниченный во времени период (период хода последних на нерест). Выше сказанное дает основание предполагать, что наибольший уровень помех биологического происхождения в зонах промысловых скоплений крабов будет иметь место на частотах ниже 2 кГц.
Следует отметить, что все перечисленные источники акустических помех работе ШПК в принципе могут присутствовать в районе проведения акустической разведки (промысла) промысловых скоплений камчатского краба, что естественно усложняет поисковые работы. Комбинации источников могут существенно изменяться как от района к району, так и во времени. Этот факт в значительной степени затрудняет прогнозирование и моделирование акустических условий в районе. Учитывая изложенное выше, можно вести речь лишь о некоторых осредненных характеристиках шумовых полей. Такой усредненный график спектрального уровня шумов по результатам многочисленных наблюдений разных авторов [3, 25, 70] приведен на рисунке 2.6. Там же приводятся усредненные характеристики шумового поля камчатского краба, полученные в результате проведенных экспериментов.
С учетом вышеизложенного суммарный помеховый сигнал в районе установки приемной антенны будет определяться преимущественно уровнем собственных шумов носителя ШПК и, без учета вклада биологических объектов, может достигать 1.5-10" na/-J7\f. Данный уровень помехи в точкеприема почти на 2 порядка превышает уровень полезного сигнала краба. Обнаружить сигналы краба при подобном соотношении сигнал/шум можно лишь за счет высокого коэффициента концентрации антенны и оптимального выбора параметров временной обработки сигнала.
Обоснование и выбор основных параметров шумопеленгатора-крабоискателя
В основе выбора основных параметров ШПК лежат особенности объекта поиска и характеристики среды его обитания, изложенные в предыдущих разделах работы.
Дальность действия ШПК определяется при подобном подходе глубинами обитания камчатского краба (наклонной дальностью по границе внешних ХН веера). Требования к дальности действия ШПК в зависимости от промысловой глубины приведены в табл. 3.1.
В результате анализа годового жизненного цикла краба [Приложение А] было установлено, что камчатский краб западно-камчатского шельфа наибольшее время в период кормовых миграций находится на глубинах около 60 м, поэтому именно эта глубина используется далее для выполнения конкретных расчетов и описаний. Следует, однако, отметить, что изложенная ниже методика выбора основных параметров ШПК имеет общий характер и может быть применена и для других условий.
Небольшие глубины обитания, спектральные характеристики и уровни шумовых полей крабовых скоплений определяют выбор основных технических параметров ШПК, таких как: рабочая полоса частот; сектор обзора и угловое разрешение приемной антенны; помехоустойчивость; время осреднения.
В результате экспериментальных исследований установлено (см. гл. 2), что основной уровень шумоизлучения крабовых скоплений сосредоточен в диапазоне частот от десятков герц до 9 кГц. На этих частотах при требуемых дистанциях обнаружения (таб. 3.1) затуханием сигнала за счет его поглощения средой можно пренебречь. Основным критерием выбора рабочего диапазона частот является наилучшее отношение сигнал / помеха и наличие в этом диапазоне частот характерных особенностей спектра сигналов (дискретные составляющие, модуляции и т.д.), позволяющих выполнить их классификацию. На выбор частотного диапазона влияют и ограничения на геометрические размеры приемной антенны. Ограничение на массогабаритные характеристики приемной антенны связано с возможностями размещения ШПК с такой антенной на малотоннажных судах, составляющих большую часть крабодобывающего флота. И здесь мы сталкиваемся со следующим противоречием.
Для решения задачи определения структуры крабовых скоплений, их границ, плотности и др. желательно использовать более высокочастотную часть спектра шумоизлучения, ибо при этом необходимая пространственная избирательность достигается при минимальных геометрических размерах приемной антенны. Высокая пространственная избирательность требуется также при решении другой важной задачи — при поиске немаркированных крабовых ловушек. В то же время для решения задач классификации обнаруженных объектов желательно использовать весь частотный диапазон шумоизлучения крабовых скоплений. Но при ограниченных размерах приемной антенны это приведет к ухудшению пространственной избирательности.
Для преодоления указанного противоречия предлагается организовать два режима работы ШПК: режим «Поиск» и режим «Классификация». В режиме «Поиск» задача обнаружения крабовых скоплений и ловушек решается в диапазоне частот от 5 до 9 кГц, что, как будет показано ниже, обеспечивает требуемую помехоустойчивость и пространственную избирательность при приемлемых габаритах приемной антенны. В этом случае среднегеометрическая частота рабочего диапазона в поисковом режиме составляет 6.7 кГц.
В режиме «Классификация» используется весь диапазон частот - до 9 кГц, ограниченный снизу частотой 2 кГц с целью уменьшения влияния шумов биологического происхождения и шумов механизмов судна-носителя.
Увеличение производительности поиска при реализации предложенного способа обнаружения крабовых скоплений достигается путем формирования веера узких ХН в плоскости, перпендикулярной ДП судна. Очевидно, что увеличение сектора обзора ШПК в этой плоскости приводит к расширению полосы и, как следствие, производительности поиска. Однако с расширением сектора обзора и увеличением угла компенсации ХН происходит рост наклонной дальности до дна (объекта поиска) и возрастает затухание сигнала. Кроме того, с ростом угла компенсации падает коэффициент концентрации антенны, и появляются нежелательные дополнительные максимумы ХН. С учетом сказанного сектор обзора ШПК в направлении, перпендикулярном диаметральной плоскости, выбран равным ±45 по осям ХН. Угловая избирательность приемной антенны ШПК является одним из определяющих параметров, она должна обеспечивать эффективное определение координат немаркированных ловушек, пространственных координат и структуры крабовых скоплений.
Крабовое скопление представляет собой совокупность отдельных особей и крабовых косяков, распределенных на некоторой площади дна случайным образом. Координаты отдельных особей интереса не представляют, а скопления крабов наблюдаются в больших угловых секторах. Поскольку одной из основных задач ШПК является поиск немаркированных «порядков» крабовых ловушек, то выбор угловой избирательности продиктован необходимостью решения именно этой задачи.
Крабовая ловушка, заполненная крабами, может рассматриваться как точечный источник интенсивных акустических сигналов. Для определения координат крабовой ловушки угловая избирательность ШПК должна обеспечивать раздельное наблюдение отдельных ловушек в «порядке». Расстояние между конусными ловушками в крабовых «порядках» составляет от 10 до 23 м (именно эти ловушки преобладают на промысле). С учетом того обстоятельства, что ориентация крабового порядка заранее неизвестна, установлены следующие требования к угловой избирательности:1) Угловая избирательность по направлению ДП судна должна обеспечить раздельное обнаружение и отображение на блоке индикации ловушек крабового «порядка», выставленного вдоль курса судна (рис. 3.2). Расстояние между ловушками принимается равным средней величине - 16 м.Расчет необходимой угловой избирательности производится по формуле:
Содержание математического моделирования
Задача математического моделирования состояла в расчете оценки количества особей краба N (L) в обследуемой полосе предложенным акустическим способом с использованием ШПК, статистической обработке результатов расчета и определении погрешности метода в зависимости от различных факторов. По результатам расчета оценок N (L) определялся коэффициент пересчета Кп, показывающий во сколько раз полученная акустическим способом численная оценка N (L) отличается от фактического количества краба в обследуемой полосе для различных условий функционирования крабопоисковой системы.
Коэффициент пересчета Кп для предложенного акустического способа с использованием ШПК является аналогом коэффициента уловистости для способа донного траления. Знание коэффициента пересчета применительно к условиям «акустического траления» позволяет свести к минимуму погрешности определения численности краба, при определении ее предложенным способом.Определение коэффициента пересчета выполнялось методами численного моделирования [40, 50, 54]. Для моделирования крабопоисковой системы и проведения численных экспериментов была разработана и реализована на PC программа, позволяющая рассчитать характеристики эффективности предложенного способа в зависимости от различных параметров [Приложение Д]. Программа разработана в среде Delhi на языке Object Pascal и реализована на PC Pentium 4. Для выполнения расчетов оператором должны быть введены следующие исходные данные:Н, - глубина в районе поиска, м;V — скорость судна, узл;ДТ - время «акустического траления», мин;Nst - число статистических расчетов;Pier — плотность крабового скопления, экз/км ;(jA - СКО значения амплитуды акустического давления шумов крабов;А, — среднее по времени значение амплитуды акустического давленияшумов і-го краба; аа— СКО среднеквадратических отклонений эталонных амплитудакустического давления шумов крабов; То — эталонное время акустической активности крабов; fi —среднее время акустической активности і-го краба; тт - СКО эталонного времени акустической активности крабов; т0 - эталонное время «молчания» крабов; сгг, - СКО эталонного времени «молчания» крабов; т- - среднее время «молчания» і-го краба; ст тг aat СКО среднеквадратических отклонений эталонных интерваловвремени акустической активности и «молчания» крабов соответственно;ап - уровень помехи (СКО помеховой составляющей случайногопроцесса).
Ширина обследуемой полосы ШПК при принятой глубине расположения крабовых скоплений 60 м определяется шириной сектора обзора шумопеленгатора и в данном случае составляла около 160 м. Длина полосы L рассчитывалась по формуле (4.14) для заданных скорости судна V и интервала времени акустического траления Д7\ Так, при скорости V = 6 узл, времени ДТ = 30 мин длина полосы L равна трем милям. В общем случае ширина Н и длина L обследуемой полосы ШПК рассчитываются по формулам:где Н- ширина обследуемой полосы ШПК, м; //, — глубина под приемной антенной ШПК, м;а-угоп компенсации внешней ХН веера ХН ШПК (рис. 3.2), град; 07- острота направленного действия внешней ХН веера, град; L — длина обследуемой полосы, м; V— поисковая скорость судна, узл; AT— время «акустического траления», мин. При этомгде hj - ширина полосы для j-ой ХН веера (рис. 4.2), м;«о Угол компенсации j-ой ХН веера ХН І1ІПК (рис. 3.2), град;о, - острота направленного действия j-ой ХН веера (рис. 3.2), град;/ — длина обследуемой полосы веера ХН ШПК (рис. 4.2), м;
Плотность крабового скопления в пределах обследуемой полосы задавалась оператором, а фактическое количество краба в обследуемой полосе рассчитывалось по заданной плотности скопления:где N(L) - фактическое количество особей краба в обследуемой полосеШПК, экз;Ркг - плотность крабового скопления в обследуемой полосеШПК, экз/км2.
Для каждой особи краба с использованием генератора случайных чисел задавались:— координаты (х, у) внутри обследуемой полосы ШПК (определяются функцией распределения К (х, у));— параметры шумоизлучения на весь интервал времени акустического траления (интенсивность шумоизлучения, доля акустической активности и характер их изменения во времени A t(t).
При наличии в зоне действия пространственного канала нескольких особей краба ( і = 1....І ) полезная сигнальная составляющая процесса при условии независимых сигналов описывается функцией: і Амплитуда сигнала на выходе каждого пространственного канала из сектора обзора ШПК зависит от количества акустически активных особей, оказавшихся в зоне обследования дна данным каналом, уровня акустического сигнала особей и положения этих особей внутри зоны обследования. Расчет амплитуды сигнала каждой особи на выходе ХН с учетом положения особей в зоне обследования канала и вида угловой зависимости ХН производился по формуле: где А І - амплитуда сигнала і-ой особи краба на выходе ХН; А ,- - амплитуда сигнала і-ой особи краба в точке приема; Rz — характеристика направленности приемной антенны в направлении продольной плоскости судна (рис. 4.4); Ry - характеристика направленности приемной антенны в направлении поперечной плоскости судна (рис. 4.3). Rz и Ry для продольной и поперечной плоскостей соответственно с учетом (3.8) рассчитывались по формулам:
