Разработка гидроакустических методов и аппаратуры для учета рыб в реках и рыбоходах Марколия Анатолий Иванович

Содержание к диссертации

Введение

1. Обзор существующих методов и устройств для оценки количества рыбы в потоке воды 18

1.1. Гидроакустические методы подсчета рыб 18

1.2. Применение гидролокаторов для определения количества рыб в реках, направления их движения и идентификации 25

1.3. Подсчет рыб гидроакустическими устройствами в условиях засоренности водоемов 36

1.4. Механические устройства для учета рыб 46

1.5. Оптические методы и устройства 49

1.6. Электрические методы и устройства 54

1.7. Выводы 60

2. Исследования и разработка принципов построения и имитационной модели гидроакустической аппаратуры 65

2.1. Постановка задачи. Обоснование метода 65

2.2. Имитационная модель гидролокатора для подсчета рыб 68

2.3. Расчет поля гидроакустической антенны 71

2.3.1. Результаты моделирования излучаемого сигнала 84

2.4. Модель траектории движения рыбы 88

2.5. Модель акустических характеристик рыб 94

2.6. Модель потока движущихся рыб 98

2.7. Модель эхо-сигналов от рыб 100

2.8. Основные результаты и выводы 102

3. Разработка гидроакустических устройств для подсчета рыб в реках и рыбоходах 104

3.1. Возможности использования гидролокационного метода для подсчета рыб в ближней зоне антенны 105

3.2. Конструкция антенны 106

3.3. Экспериментальные исследования гидроакустической антенны... 108

3.3.1. Методика измерений 108

3.3.2. Экспериментальные исследования ближнего поля отдельного диска 109

3.3.3. Экспериментальные исследования ближнего поля акустической антенны 113

3.3.4. Электроакустические характеристики антенны 119

3.4. Принципы построения акустического рыбосчетного устройства АРСУ 122

3.5. Технические характеристики устройства АРСУ-5 127

3.6. Акустическое рыбосчетное устройство «Дон-1» 129

3.6.1. Назначение 129

3.6.2. Техническая характеристика 129

3.6.3. Состав изделия «Дон-1» 131

3.6.4. Конструкция акустической антенны 131

3.6.5. Устройство и принцип действия 134

3.7. Акустическое рыбосчетное устройство «Дон-2» 138

3.8. Основные результаты 140

4. Исследования акустических рыбосчетных устройств серий АРСУ 142

4.1. Экспериментальные исследования в бассейне океанариума 142

4.2. Экспериментальные исследования на морском шельфе и в естественных руслах рек 151

4.2.1. Эксперименты на морском шельфе 151

4.2.2. Результаты речных испытаний 153

4.3. Производственные испытания устройства АРСУ-4 в рыбопропускных сооружениях 158

4.4.Натурные испытания акустического рыбосчетного устройства «Дон-1» 164

4.4.1 .Методика испытаний 164

4.4.2.Предварительные испытания на обводном канале Константиновского гидроузла 165

4.4.3.Исиытания на рыбопропускном шлюзе Кочетовского гидроузла 166 4.4.4.Производственные испытания в условиях Константиновского нерестово-обводного канала 168

4.4.5.1 Іроизводственньїе испытания в рыбопропускном шлюзе Кочетовского гидроузла 169

4.4.6.Применение устройства «Дон-1» для исследования поведения и режима хода рыб через рыбопропускной шлюз 183

4.5.О возможности использования устройства «Дон» для управления автоматическим рыбопропускным шлюзом 184

5. Исследования, разработка и результаты испытаний акустических устройств для подсчета молоди рыб 185

5.1. Экспериментальные исследования возможности применения прибора АРСУ-5 для подсчета молоди рыб в трубопроводе рыбонасоса 187

5.2. Акустическое рыбосчетное устройство АРСУ-ТМ 192

5.2.1. Назначение, состав и техническая характеристика 193

5.2.2. Конструкция фокусирующей насадки 197

5.2.3. Устройство прибора и принцип действия 198

5.2.4. Цель и методика натурных испытаний 200

5.2.5. Предварительные испытания устройства АРСУ-ТМ на Кандалакшском рыбоводном заводе Мурманрыбвода 201

5.2.6. Испытания на Александровском рыбоводном заводе Севкаспрыбвода 201

5.2.7. Испытания на Бертюльском осетровом заводе Севкаспрыбвода 202

5.2.8. Производственные испытания устройства АРСУ-ТМ 203

5.2.9. Проработка возможности подсчета личинок осетровых рыб 208

5.3. Акустическое устройство АРСУ-ПМ для подсчета молоди рыб на рыбоводных заводах и рыбопитомниках 209

5.3.1. Разработка экспериментального образца 210

5.3.2. Техническая характеристика устройства АРСУ-ПМ 212

5.3.3. Результаты производственных испытаний 212

5.3.4. Рекомендации по созданию информационной системы для рыбоводных заводов 225

5.4. Разработка и лабораторные испытания пяти канального устройства АРСУ-5М для подсчета молоди рыб 227

5.4.1. Техническая характеристика 227

5.4.2. Устройство и работа прибора АРСУ-5М 228

5.4.3. Результаты лабораторных испытаний 233

Заключение 236

Литература 241

Приложения 257

• Применение гидролокаторов для определения количества рыб в реках, направления их движения и идентификации
• Результаты моделирования излучаемого сигнала
• Экспериментальные исследования ближнего поля акустической антенны
• Производственные испытания устройства АРСУ-4 в рыбопропускных сооружениях

Введение к работе

Необходимость решения научной и прикладной проблемы разработки гидроакустических методов и принципов построения аппаратуры для подсчета рыб в реках и рыбоходах возникла в последние десятилетия прошлого века в связи с бурным развитием в нашей стране в этот период промышленного рыбоводства и увеличения добычи рыбы во внутренних водоемах.

Рхли морское промышленное рыболовство было обеспечено достаточно широкой гаммой отечественных и зарубежных рыболокаторов и поисковых эхолотов, то надежные инструментальные методы и аппаратура для учета количества рыб, проходящих к местам нереста по рекам и рыбоходам плотин, а также у рыбозаградительных и водозаборных сооружений, практически отсутствовали. Не менее важной задачей было проведение учета количества мальков, скатывающихся с естественных нерестилищ вниз по течению рек, и молоди рыб, ежегодно выпускаемой в реки и моря рыбоводными и нерестово-выростными хозяйствами. Это диктовалось не только задачами рационального ведения вылова рыбы, но и необходимостью обеспечить процесс естественного и промышленного воспроизводства лососевых, сиговых, осетровых и других ценных видов рыб.

Проводившиеся с 1970 г. Главрыбводом конкурсы на разработку устройств для учета рыб не дали существенных результатов, так как основные усилия промышленности были направлены на создание рыбопоисковой аппаратуры для морских судов промыслового флота.

В последние годы как в России, так и за рубежом все большее внимание уделяется таким методам решения проблемы учета рыб, которые позволяют производить оценку количества рыб без существенного изменения их естественной среды обитания и нарушения поведенческих мотивов. Для количественной оценки рыб, находящихся в потоке воды, в настоящее время известны довольно разнообразные устройства, основанные на механических, оптических, электрических и гидроакустических методах. Однако широкого практического применения эти устройства не нашли из-за присущих им различного рода существенных недостатков. В нашей стране лишь частично используются механический и оптический (телевизионный) методы, а в остальном -непроизводительный и неточный визуальный подсчет рыб и мальков. За рубежом наибольшее внимание уделяется разработке гидроакустического метода количественной оценки рыб. Так за последние десять лет, в связи с развитием рыболокационной техники, там были созданы научно-исследовательские гидроакустические системы с усовершенствованными акустическими антеннами, с аппаратурой дистанционного определения размерного, состава обнаруживаемых рыб. Существенно расширилось применение акустических методов для определения количества рыб в нерестовых реках, каналах, в зоне плотин, дамб и др. Анализ этих работ показал, что применение исследовательских гидролокаторов для подсчета рыб в реках имеет существенные недостатки: невозможность полностью контролировать (перекрывать) поперечное сечение потока воды, высокий уровень реверберационных помех от дна и поверхности водоема и обусловленную этими факторами, а также наличием в воде посторонних объектов невысокую точность счета. Становится очевидным, что для решения указанных задач необходимо создание специализированных гидроакустических рыбосчетных устройств, со стационарно устанавливаемыми антеннами, которые могут быть приспособлены к конкретным условиям водоема.

Не менее актуальна и проблема учета рыб в рыбопропускных шлюзах и обводных каналах гидроузлов. В частности, задаче пропуска нерестовых рыб через многочисленные гидросооружения рек Волга и Дон придается большое значение из-за важности бассейнов Каспийского и Азовского морей как основного места обитания осетровых рыб (около 80 % мировых запасов). Построенные и строящиеся рыбопропускные сооружения на плотинах и шлюзах: обводные каналы, рыбоподъемники, специальные шлюзы, несмотря на многомиллионные затраты, недостаточно эффективны. Их сравнительная эффективность определяется субъективными оценками специалистов - инструментальные методы подсчета рыб отсутствуют. Кроме того, для оценки ежегодных запасов и допустимых норм вылова ведутся контрольные обловы специальными службами на рыбопропускных сооружениях, что крайне неэффективно и ведет к травмированию и потерям ценных рыб.

Другой важной задачей является учет мальков и молоди рыб, выпускаемых рыбоводными заводами. Сейчас этот вопрос стоит наиболее остро в связи с необходимостью восстановления запасов осетровых рыб Каспийского бассейна. В условиях, когда задача воспроизводства запасов за счет рыбоводства начинает решаться кроме России другими странами, особенно актуальной становится задача объективного учета количества рыб, выпускаемых как российскими осетровыми рыбоводными заводами (ОРЗ) в бассейне Волги, так и в других прикаспийских странах, для справедливого определения квот вылова каждой страной. До настоящего времени здесь применяется метод бонитировочного траления, который зависит от большого количества факторов и может привести к погрешности подсчета молоди до 100% и более.

Таким образом, до настоящего времени не решались достаточно эффективно вопросы обеспечения надежными инструментальными методами задачи учета рыб в реках, каналах, рыбопропускных сооружениях, а также подсчета молоди рыб, выпускаемых рыбоводными предприятиями. Учитывая актуальность и большое народно-хозяйственное значение темы, целью диссертационной работы было определено решение научной и прикладной проблемы разработки гидроакустических методов и принципов построения аппаратуры для подсчета рыб, в том числе молоди, в реках и рыбоходах.

Достижение поставленной цели обеспечивается путем проведения теоретических исследований и имитационного моделирования специальной гидроакустической антенны и рыбосчетной аппаратуры, разработки методов ее построения, создания экспериментальных образцов акустических рыбосчетчиков и их всесторонней проверки в лабораторных, натурных и производственных условиях. Для достижения указанной цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи: разработать и исследовать принципы построения гидроакустической рыбосчетной аппаратуры и методы обработки в ней информации для взрослых особей и молоди рыб; найти вариант построения антенной системы, удовлетворяющей требованиям подсчета рыб в поперечном сечении потока воды; разработать и исследовать способ и выполнить теоретический расчет акустического поля, создаваемого антенной, в ближнем поле излучения, для осевых и неосевых направлений; разработать имитационную модель гидроакустического устройства, с учетом характеристик среды и объектов счета; разработать экспериментальные образцы акустических рыбосчетных устройств, удовлетворяющих условиям подсчета рыб в реках и рыбоходах, а также молоди рыб в трубах и трубопроводах рыбонасосов; выполнить экспериментальные исследования акустических рыбосчетчиков в условиях их возможного практического применения.

Основные положения диссертации, выводы и рекомендации обоснованы теоретическими расчетами, имитационным моделированием, сравнением с известными данными, результатами экспериментальных исследований и натурных испытаний. Разработанные физические и математические модели имеют наглядную интерпретацию и проверены экспериментально. Экспериментальные исследования проводились на шельфе Японского моря, в реках Приморья и Камчатки, в Миусском лимане Азовского моря, в реках Дон и Терек, рыбоводных заводах Мурманскрыбвода и Севкаспрыбвода, а также в бассейне океанариума и в измерительном гидроакустическом бассейне. Достоверность измерений обеспечивалась имеющейся метрологической базой, соответствующей обработкой результатов, данными визуальных наблюдений и контрольных обловов рыб.

Результаты проведенных автором теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок легли в основу принципов построения двух типов акустической рыбосчетной аппаратуры: гидролокаторов с линейной плоской антенной, работающей в ближней зоне излучения, для подсчета рыб в реках и рыбопропускных сооружениях; приборов, основанных на теневом методе, в том числе с фокусирующей акустической насадкой, для подсчета молоди рыб в трубопроводах рыбонасосов и сбросных трубах рыбоводных прудов. Оба типа устройств используют предложенную автором логическую схему обработки сигналов. Соответственно разработаны и изготовлены два типоряда акустических рыбосчетных устройств:

АРСУ-1 - АРСУ-5 и "Дон-1" - "Дон-2" для подсчета взрослых рыб; АРСУ-ТМ, АРСУ-ПМ и АРСУ-5М для подсчета молоди. Устройства проверены в лабораторных условиях и измерительных бассейнах, прошли натурные и производственные испытания. І Іаучная и практическая значимость работы определяется новым подходом к решению задачи эхолокации и поштучного подсчета рыб в потоке воды в сложных, с акустической точки зрения, ситуациях и состоит в разработке методов расчета и принципов построения гидроакустических приборов, основанных на эхолокации и теневом методе; разработке, конструировании и изготовлении экспериментальных образцов двух типорядов акустических рыбосчетных устройств; разработке методик их использования в рыбопропускных сооружениях и на рыбоводных предприятиях; выработке рекомендаций по созданию автоматизированной информационной системы; разработке технического предложения по автоматизации процесса перевода рыб на рыбопропускных шлюзах гидросооружений.

На зашиту выносятся следующие научные результаты и положения:

Принципы построения гидролокатора для подсчета рыб в потоке воды.

Имитационная модель работы гидроакустического рыбосчетного устройства, включающая частные модели и методики расчета: излучаемого сигнала, траекторий движения рыб, акустических характеристик рыб, модели эхо-сигналов от рыб.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований акустического поля плоской линейной антенны в ближней зоне.

Результаты разработки и практической реализации акустических рЕ>юосчетных устройств для рек, рыбоходов, каналов и рыбопропускных сооружений.

Принципы построения акустического устройства для подсчета молоди рыб, основанного на теневом методе.

Результаты разработки и экспериментальных исследований акустических устройств для подсчета молоди рыб в условиях рыборазводных предприятий.

Рекомендации по созданию автоматизированной информационной системы для рыбоводных заводов и автоматизации перевода рыб через рыбопропускные шлюзы гидросооружений.

Разработанные в диссертации методы, модель, алгоритмы, конструктивные решения и полученные автором результаты теоретических и экспериментальных исследований использовались в научно-исследовательских работах, в том числе выполнявшихся по постановлениям Правительства и директивных органов: "Мортира", "Макрель-МСГГ, "Луфарь-Г, "Луфарь-2", "Дон-1", "Кама-Г', "Кама", "Бахтемир", в которых автор был исполнителем, ответственным исполнителем либо научным руководителем. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, внедрены на предприятиях и в организациях: Акустический институт (г. Москва), ВНИРО (г. Москва), НИИ "Бриз" (г. Таганрог), Азовский НИИ рыбного хозяйства (г. Ростов-на-Дону), Камчатское отделение ТИНРО (г. Петропавловск-Камчатский), ООО "Фирма СуперБест" (г. Москва), при разработке, изготовлении и испытаниях макетов и экспериментальных образцов гидроакустической рыбосчетной аппаратуры.

По результатам исследований, проведенных в рамках темы диссертационной работы, издана монография, опубликована 31 научная работа, в том числе 20 статей и тезисов докладов, создано 11 изобретений. Кроме того, автор принимал участие в выполнении ряда научно-исследовательских работ по теме диссертации, по которым в ВИНИТИ зарегистрировано 14 научно-технических отчетов.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 257 страниц, содержит 57 рисунков и 14 таблиц, список литературы включает 152 наименования отечественных и зарубежных источников.

Во введении излагается проблема, обоснована актуальность выбранной темы, определена цель работы. Сформулированы основные научные результаты и положения, выносимые на защиту, рассмотрена их научная новизна и практическая значимость. Кратко излагается содержание диссертации.

Первая глава содержит обзор известных методов и устройств для ^ количественной оценки молоди и взрослых рыб в потоке воды, основанных на разных физических принципах. Выполнен анализ этих устройств, дана оценка их технологических и метрологических качеств. Отмечены зарубежные промышленные приборы для учета молоди рыб, основанные на оптическом принципе. Анализ известных методов показал преимущества гидроакустического способа подсчета рыб, как бесконтактного, наиболее точного и технологичного. Большое внимание в обзоре уделяется анализу зарубежных публикаций по подсчету мигрирующих рыб в реках и зонах гидросооружений, особенностям их

Ф идентификации в условиях засорённости водоемов с использованием современных исследовательских гидролокаторов. Сформулированы требования, предъявляемые к специализированным гидроакустическим приборам для подсчета рыб.

Во второй главе предложена и исследована имитационная модель гидролокатора, предназначенного для подсчета рыб в потоке воды. Рассмотрены возможности использования известных аналитических * методов расчета акустических полей плоских круглых излучателей.

Приведено обоснование выбора как самой антенны, удовлетворяющей сформулированным в первой главе требованиям к акустическим рыбосчетчикам, так и приемлемого метода расчета поля в ближней и дальней зонах, для осевых и неосевых направлений. В связи со спецификой задачи — необходимостью создания антенны с зоной действия, приближающейся по своей форме в вертикальной плоскости к геометрии поперечного сечения потока воды, отдано предпочтение мгюгоэлементной синфазной решетке, работающей в ближней зоне, а относительно метода расчета ее акустического поля - имитационному моделированию.

Определены основные задачи, возникающие при разработке имитационной модели: расчет акустического поля антенны в любой точке пространства; определение акустических характеристик рыб - объектов локации; выбор алгоритма обработки сигналов. Выделены структурные элементы модели. Выполнен расчет амплитуды и фазы акустического давления, создаваемого антенной в ближней зоне. Результаты имитационного моделирования сигнала для конкретной антенны, реализованной в опытном образце рыбосчетчика, сравниваются с экспериментальными данными, полученными в измерительном бассейне. Подробно рассмотрена модель траектории движения рыбы, определяемой ее поведенческой мотивацией в наблюдаемой зоне, диапазоном скоростей движения, степенью волнообразности движения и средним временем равномерного прямолинейного движения. На основе обобщения данных по акустическим характеристкам рыб выбран вид аппроксимирующей функции для эквивалентного радиуса рассеяния, заложенной в акустическую модель рыб. Модель потока движущихся рыб построена в предположении пуассоновского распределения рыб в наблюдаемом объеме пространства и с использованием модели траектории их движения. На основании перечисленных частных моделей создана модель эхо-сигналов от рыб. Выполненные по этой модели расчеты сравниваются с экспериментальными данными, полученными в контролируемых условиях. Сформулированы также предложения по использованию имитационной модели излучаемого сигнала для решения задачи уменьшения неравномерности ближнего поля акустической антенны.

В третьей главе изложены принципы построения, особенности конструкции и алгоритмы обработки информации акустических устройств для подсчета рыб в потоке воды. Особое внимание уделено конструкции акустической антенны и экспериментальному исследованию в измерительном бассейне ее рабочих характеристик. Отмечено удовлетворительное совпадение полученных результатов с расчетами по имитационной модели. Анализируются три вида возможных ошибок принятой в рыбосчетчике схемы логической обработки эхо-сигналов в различных ситуациях. Приведена техническая характеристика последней модели из пяти разработанных акустических рыбосчетных устройств серии ЛРСУ - прибора ЛРСУ-5 (отмеченного медалью ВДНХ). В двух последних моделях - "Дон-1" и "Дон-2" автором реализована многоканальная (256 каналов) обработка информации, селекция их по амплитуде и длительности. Показана возможность использования этих параметров для определения размерного состава рыбных скоплений и распределения рыб по пространству в облучаемой зоне.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям и решениям практических задач, выполненным автором в широком классе условий. Для рыбосчетных устройств серии ЛРСУ описаны результаты испытаний в бассейне океанариума, где исследованы рабочие характеристики прибора в контролируемых визуально условиях; эксперименты на морском шельфе, контролировавшиеся подводной теле-фотоустановкой; натурных испытаний в естественных руслах рек, где особенно проявились преимущества акустической антенны, работающей в ближней зоне; данные по контролю миграции рыбы в рыбопропускном пролете плотины Миусского лимана; результаты длительных производственных испытаний в автоматическом режиме на рыбоучетном пункте Камчатского отделения ТИНРО. Наиболее полно представлены результаты испытаний устройства "Дон-Г" при контроле прохождения рыб через рыбопропускные шлюзы и нерестово-обводпой канал на гидросооружениях реки Дон.

В пятой главе рассмотрено решение проблемы подсчета молоди рыб, выпускаемой рыбоводными заводами. Предложен новый способ регистрации рыб, основанный на теневом акустическом методе, наиболее приемлемый для условий учета рыб в трубопроводе рыбонасоса и в сбросной трубе выростного пруда осетрового завода. Разработана оригинальная конструкция фокусирующей акустической насадки, повышающей чувствительность метода. Приведены описания, конструктивные особенности и технические характеристики трех моделей рыбосчетчика для молоди рыб: АРСУ-ТМ, АРСУ-ПМ, и АРСУ-5М. В последней модели реализована конструкция многоканальной антенны в виде квадратного каркаса, встраиваемого в магистраль донного водопуска рыбоводного выростного пруда. Описаны результаты натурных и производственных испытаний рыбосчетных устройств в условиях рыбоводных предприятий. Приведены рекомендации по созданию автоматизированной информационной системы для рыбоводных заводов.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

В приложении приведены акты внедрения результатов работы, а также наиболее значимые акты натурных и производственных испытаний.

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОЦЕНКИ КОЛИЧЕСТВА РЫБЫ В ПОТОКЕ ВОДЫ

Известны различные способы и устройства, предназначенные для подсчета молоди и взрослых рыб в потоке воды. По принципу действия их можно разделить на следующие группы: гидроакустические, механические, оптические и электрические. Ниже анализируются перечисленные методы и некоторые из устройств, в той или иной мере применяемых или предлагаемых для использования в рыбном хозяйстве, отмечены их технические особенности, достоинства и недостатки. Особое внимание уделено гидроакустическим методам. Отдельно рассмотрены особенности подсчета рыб гидроакустическими устройствами в часто встречающихся на практике условиях засоренности водоемов.

1.1. ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОДСЧЕТА РЫБ

Известны попытки применить для подсчета рыб в реках гидролокационный метод с использованием выпускаемых промышленностью эхолотов. Еще в 60-х годах в России исследовалась возможность использования промерного эхолота "Река" и рыбопоисковых приборов "Окунь" и ХАГ-240 для учета лососевых, идущих на нерест (Ганьков и др. [1]). Метод был основан на подсчете эхо-сигналов от рыб, проходящих зону действия гидроакустической антенны, при боковом аспекте облучения рыб, когда эхо-сигнал имеет наибольший уровень. При этом эхо-сигналы регистрировались самописцем. Результаты контролировались с помощью подводной фотокамеры со вспышкой. Акустические антенны эхолотов, примененных в данных опытах, имели довольно широкую характеристику направленности (ХИ) - (20-30), вследствие чего наблюдался высокий уровень реверберации от дна и поверхности реки. Реверберационные помехи маскировали эхо-сигналы от рыб. Кроме того, были обнаружены пропуски в подсчете рыб, проходивших вблизи акустической антенны в неозвученных участках. По результатам проведенных экспериментов авторы сделали заключение о неприменимости существующих рыбопоисковых приборов для оценки количества рыбы в потоке воды.

Устройство для количественного учета рыб в потоке воды, реализованное в Великобритании фирмой National Research Development Соф. [2, 3], содержит две акустические антенны с веерообразными XII, передающий и приемный блоки и схему обработки эхо-сигналов. Акустические антенны установлены на противоположных берегах. При этом одна антенна находится на дне, а вторая - на поверхности воды. При изменении уровня воды перемещается и антенна, находящаяся на поверхности. Акустические оси обеих антенн наклонены таким образом, что они совместно перекрывают почти все поперечное сечение потока воды. Эхо-сигналы, принятые акустическими антеннами, усиливаются, после чего поступают к детекторам и специальным цепям, которые пропускают входные сигналы только с длительностью, равной длительности излучаемого сигнала. Далее эхо-сигналы поступают на обрабатывающий блок, который состоит из селекторного блока, стробирующего устройства и счетчика. Число каналов селекторного блока выбирается равным предположительному максимальному количеству рыб, движущихся параллельно одна другой. Селекторный блок направляет импульс (эхо-сигнал), полученный в любом цикле работы (излучение-прием), в первый канал, после чего стробирующее устройство закрывает вход к нему. Следующий принятый импульс направляется на второй канал и т.д. Каждый канал имеет задерживающую цепь, которая обеспечивает задержку на один цикл. Импульсы с каждого канала подаются на обрабатывающий блок, который показывает количество прошедшей рыбы.

Недостатком данного устройства является невысокая точность счета, которая зависит не только от разрешающей способности гидролокатора. В каждом цикле работы гидролокатора может быть получено точное определение числа рыб, находящихся в зоне действия акустической антенны лишь в случае полного совпадения во времени каждого эхо-сигнала с одним селекторным импульсом. Если при наличии одного селекторного импульса получено два эхо-сигнала, либо один эхо-сигнал находится на границе двух соседних селекторных импульсов, результат счета будет ошибочным. Таким образом, точность счета зависит от временных соотношений эхо-сигналов и селекторных импульсов. Кроме того, необходимость деления дистанции счета на отрезки с помощью селекторных импульсов не только исключает универсальность по отношению к изменению ширины потока воды и размерного состава рыб, но и усложняет устройство, поскольку число ячеек, необходимое для обработки эхо-сигналов, должно быть равно максимальному числу рыб, плывущих параллельно одна другой. Другим недостатком описанного выше устройства является неполное перекрытие потока воды из-за наличия зон "тени^-" вблизи берегов, что обусловлено принятым здесь расположением акустических антенн. В этих зонах рыба не попадает в акустический луч, что и приводит к ошибкам счета гидролокатора.

Устройство для подсчета мигрирующих рыб в водоеме [4] фирмы Bendix Corporation (CILIA) содержит серию акустических антенн, проложенных по дну поперек направления движения рыбы. Антенны электрически соединены в группы. Каждая антенна имеет ширину XII 90. Акустическая ось каждой антенны наклонена под углом 45 к горизонту и перекрывает часть потока воды, а все антенны вместе перекрывают всю ширину потока. Счетчик содержит управляющий механизм, вырабатывающий периодические импульсы. Последние задают временной цикл для каждой группы антенн попеременно. Поэтому соседние антенны не будут считать одну и ту же рыбу дважды. В течение каждого цикла эхо-сигналы принимаются каждой антенной со своего участка и затем обрабатываются. Обработка производится путем накопления поступающих импульсов на конденсаторе. Напряжение на конденсаторе, пропорциональное числу импульсов, регулирует выходную частоту генератора, связанного с электромеханическим счетчиком импульсов. Недостатком этого устройства является необходимость установки на дне канала массивной рамы, на которой закреплены антенны. При этом требуется, чтобы дно канала было ровным. В противном случае его необходимо предварительно выровнять. Все это приводит к тому, что раму с акустическими антеннами необходимо ежегодно устанавливать и снимать, что осложняет эксплуатацию устройства. Кроме того, установка рамы в потоке с сильным течением и ее удержание там — довольно сложная задача.

Устройство, созданное в США [5, 6], предназначено для количественной оценки скоплений лососей в морских условиях. Отличительной чертой этого устройства является использование буйковой системы, которая разрабатывалась с учетом того, что большая часть лососей концентрируется на глубине не менее 10 м. Был применен свободно плавающий буй с подвесным излучателем и автономной электронной аппаратурой. В состав аппаратуры буя входит акустическая система, обеспечивающая сбор данных о количестве и распределении рыб по глубине, логическая система обработки и запоминания этих данных и телеметрическая система передачи данных на судно. Акустическая система работает на частоте 265 кГц. Длительность излучаемого сигнала 0,2 мс. Принятые эхосигналы до подсчета селектируются по амплитуде и длительности. Система обнаружения поверхности автоматически определяет окончание выборки таким образом, что эхо-сигналы от поверхности и приповерхностные пузырьки не подсчитываются. После сбора и запоминания данных последние автоматически передаются на судно по телеметрическому каналу. Это устройство можно использовать также в речных условиях, расположив излучатель на дне реки.

Развитие и совершенствование рыболокационной техники в 80-е и последующие годы обусловило создание научно-исследовательских гидроакустических эхолокационных систем, в том числе имеющих акустические антенны с малым уровнем боковых лепестков. Была разработана аппаратура для дистанционного определения размерного состава обнаруживаемых рыб со специальными антеннами: с так называемым "двойным" лучом, "расщепленным" лучом, с "квазиидеальными" XII (с "плоской вершиной") и т. д. [7]. Это привело к существенному расширению применения акустического метода для определения количества рыб в потоке воды: в реках, в зоне плотин, дамб и др. Duncan Л. и Kubecka I [8, 9] сообщают об использовании горизонтально ориентированного акустического рыболокатора в пяти районах вдоль 34-километрового участка реки Темзы в июле и сентябре 1993 г. Они применяли исследовательскую аппаратуру американской фирмы BioSonics Model 102, работающую на частоте 420 кГц с двумя акустическими антеннами "двойного" луча: одна имела апертуру в виде круга (ХН - 6 и 15) а вторая - эллиптическую: узкую (7 х 10) и широкую (7 х 21).

Аппаратура работала с частотой повторения импульсов 20 Гц при их длительности 0,4 мс и ширине полосы пропускания 5 кГц. Регистрировались принимаемые эхосигналы с использованием временной автоматической регулировки усилителя (ВАРУ) по закону 40 log R (для счета рыб и оценки их размеров) и 20 log R (для эхоинтегрирования).

Озвучивание водного пространства производилась с бота перпендикулярно течению реки. Из-за высокого уровня помех диапазоны обзора ограничивались расстоянием 10-20 м. Наиболее надежные оценки в июле были на дистанциях от бота 6-12 м, в сентябре - 4-12 м.

Авторы отмечают полезность указанной акустической аппаратуры для определения количества рыб в обследованной зоне, но указывают на необходимость дополнительных исследований применительно к условиям реки Темзы.

Как указывает Ransom В. II. и др. [10], в последние 20 лет рыбохозяйственные организации и производители электроэнергии в бассейне реки Колумбия (СШЛ) все более полагаются на гидроакустические подсчета мигрирующей вниз по течению молоди анадромных видов лососевых при оценке проектов обводных каналов плотин ГЭС и определении эффективности уже имеющихся. Уже более 20 лет стационарно устанавливаемая гидролокационная техника используется для мониторинга характеристик распределения и поведения молоди рыб при проходе их через плотины в бассейне реки Колумбия [11]. Было выполнено 100 основных гидроакустических наблюдений [12]. В общем случае использовалась однолучевая аппаратура с частотой 420 кГц, так как молодь характеризовалась относительно однородным размерным распределением и необходимо было получать относительные оценки прохода рыбы. Наиболее ограничивающим фактором являлась недостаточная величина отношения сигнал-шум (ОСШ). Скорости течения воды были достаточно высоки, так что фактически вся наблюдаемая молодь находилась в потоке. Проводилось сравнение гидроакустических оценок с сетными уловами. Авторы отмечают, что корреляция между акустическими определениями и уловами была статистически значимой.

Горизонтально-сканирующую акустическую аппаратуру с "расщепленным"" лучом использовали Steig Т. W. и Johnson S. V. [13] весной и летом 1994 г. для контроля и учета скатывающейся молоди лососевых в зоне Rocky Reach — дамбы на реке Колумбия (штат Вашингтон, США). Цель исследования состояла в изучении характера прохода молоди в районе дамбы. Работы проводились с помощью аппаратуры фирмы HTI Model 240 - цифровой системы с "расщепленным" лучом, работающей на частоте 200 кГц с четырьмя одинаковыми акустическими преобразователями. На заключительной стадии экспериментов была использована дополнительная система с двумя акустическими преобразователями. Все преобразователи с эллиптическими сечениями XII (2,9 х 9,8; 2,9 х 10,5; 2,8 х 10,3; 2,7 х 10,7; 3,9 х 9,9; 4,1 х 9,8) были установлены на стационарной барже с наклоном 10 вниз (от поверхности воды) и с различными направлениями излучения, в том числе по течению, против течения и перпендикулярно ему.

Основные оіраничения применяемой до 1992 г. при исследованиях в указанной зоне однолучевой акустической аппаратуры и приборов с "двойным" лучом заключались в сложности определения направления перемещения рыбы (вверх или вниз по течению). Аппаратура с "расщепленным" лучом позволила избавиться от указанного недостатка благодаря возможности определения с ее помощью скорости движения рыб и траекторий их перемещения. Результаты исследований были использованы для определения оптимального проекта отводного канала. Tarbox К. Е. и Thorne R. Е [14] приводят результаты использования гидроакустического метода и соответствующей техники для учета прохода взрослых лососевых на нерест в реки Аляски. Предварительные исследования были выполнены Thorne и Salomone в июле 1992 г. [15]. В своих экспериментах они применяли стационарную установку акустических систем с лоцированием снизу-вверх (к поверхности воды), использовали размещение акустических трактов на параване с лоцированием вверх и буксируемые акустические системы бокового обзора, т. е. с излучением импульсов в направлении, перпендикулярном траектории движения носителя. Последний вариант дал наиболее обещающие результаты и был выбран для последующих исследований. Основной особенностью нерестовой миграции лососевых в изучаемых районах является то обстоятельство, что большая часть рыб перемещается вблизи поверхности и вдоль фронтальных зон. Tarbox К. Е. и Thorne R. Е применяли акустическую аппаратуру фирмы BioSonics Inc. Model 102 - двухчастотную (120 и 420 кГц) систему с "двойным'" лучом. Оба акустических преобразователя были установлены на буксируемом устройстве для работы в режиме траверзного обзора. Ширина XII составляла 7 (на частоте 120 кГц) и 6 — на частоте 420 кГц, диапазоны обзора - 100 м. За период исследовательских работ проведены три акустических съемки: первая - в июне 1993 г., вторая и третья - в июне 1994 г. Возможности обнаружения ограничивались поверхностной реверберацией, т. е. существенно зависели от состояния поверхности воды. Авторы указывают, что результаты проведенных съемок подтверждают целесообразность применения акустического метода для учета прохода лососевых к местам нереста.

1.2. ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРОЛОКАТОРОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА РЫБ В РЕКАХ, НАПРАВЛЕНИЯ ИХ ДВИЖЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ

В статье Ransom В. П., Johnson S. V., Steig Т. W. [16] дается обзор результатов применения акустической аппаратуры с "расщепленным" лучом при учете рыб (лососевых) в 14 реках Северной Америки и Европы, начиная с 1992 г. Глубины в районах мониторинга находились в пределах от 1 до 20 м при ширине рек от 12 до 500 м. Средняя скорость воды была порядка 1-2 м/с (обычно более низкая - вблизи берегов). Авторы указывают, что использование гидроакустической аппаратуры для мониторинга взрослых лососевых в реках Северной Америки и Европы началось еще в 60-е годы, а подсчет мигрирующих рыб в реках является одним из наиболее сложных применений промысловой гидроакустики. В отличие от условий типичных морских мобильных эхометрических съемок, мигрирующие рыбы в реках проходят зону действия стационарных акустических преобразователей через относительно небольшой объем воды, ограниченный отражающими звук границами - поверхностью реки и ее дном. Реки обычно отличаются высокими уровнями реверберации, неровным дном и неламинарными течениями и требуют "интеллектуальной" аппаратуры, качественного расположения акустических антенн и калибровки. Характеристики течения могут быстро меняться, изменяя условия для миграции рыбы и параметры окружающих фоновых помех. Кроме того, характеристики движения рыбы, ее ориентации и положения в реке могут быть весьма изменчивыми.

Четыре основных условия, которым должно уделяться серьезное внимание для обеспечения надежного счета лососевых в реках, включают гидроакустическое оборудование и технику, выбор места для подсчета, размещение акустических преобразователей и поведение рыбы.

Для подсчета взрослых лососей в реках обычно применяется стационарно устанавливаемое оборудование. Ряд авторов, к примеру, Johnson и др. [17], Mesiar и др. [18], сделавшие обзоры по использованию однолучевой акустической техники и аппаратуры с "двойным" лучом для учета рыб в реках, показали, что для некоторых применений они могут быть адекватными. В то же время эхолокационная аппаратура с "расщепленным" лучом предлагает ряд преимуществ по сравнению с вышеуказанной техникой применительно к использованию в речных условиях [19]. Первоначально техника с "расщепленным" лучом была разработана для получения оценок in-situ силы цели TS для масштабирования шкалы на выходе эхоинтеграторов при мобильных эхометрических съемках. Она имеет более качественные результаты в присутствии помех, обеспечивая получение более точных и менее вариабельных оценок TS по сравнению с системами с "двойным" лучом.

В начале 90-х годов гидролокаторы с "расщепленным" лучом были применены для мониторинга рыбы в речных условиях. Благодаря более совершенному пространственному разрешению они позволили повысить качество оценок TS, а также определять направление перемещения рыбы, обеспечивая различение рыб, мигрирующих вверх по течению, от рыб, мигрирующих вниз (так как однолучевые эхолоты и системы с "двойным" лучом не обеспечивают получение однозначной информации о направлении движения рыбы). Кроме того, аппаратура с "расщепленным" лучом позволяет получить оценку скорости рыбы, траекторий ее перемещения и других поведенческих характеристик. Это дает возможность для решения задач размерной и видовой классификации рыб [20, 21].

В исследованиях, приведенных ниже, использовалась аппаратура HTI Model 240/243 Split-Beam Digital Echo Sounder, Model 340/343 Digital Hcho Processor, Model 540 Split-Beam Trunsducers, а также дистанционно-управляемые поворотные устройства для установки положения акустических антенн. Все системы работали на частоте 200 кГц, в основном использовали акустические преобразователи с малым уровнем боковых лепестков и ХН эллиптического сечения (к примеру, 3 х 10). Для минимизации сбора эхолокационной информации частота повторения импульсов лоцирования достигала 40 Гц.

При плотностях скоплений рыб, наблюдаемых в реках, компьютерная обрабатывающая система была способна считать мигрирующих лососей и обеспечивать слежение за ними в реальном времени. В некоторых работах использовалось ручное сопровождение целей. Большое внимание должно уделяться выбору места мониторинга. Оно должно быть с ровным профилем дна и относительно равномерным течением. Минимальные глубины предпочтительно должны находиться в пределах 2-5 м, идеальным было бы место с акустически "мягким" грунтом, с минимальной турбулентностью и без пузырьков воздуха. Скорость воды должна быть достаточно высокой. В некоторых случаях дно реки в зоне работ искусственно выравнивалось для облегчения обнаружения рыбы вблизи него. При работе с "эллиптическими" антеннами большая ось эллипса располагалась в горизонтальной плоскости. Малая ось направляется таким образом, чтобы максимально охватывать пространство вблизи дна при минимизации интерференционных явлений, связанных с поверхностью воды и структурой донного грунта. В случае средних и больших рек обычно используется установка систем на каждом берегу. Взрослые лососи должны активно мигрировать через зону акустического мониторинга. Так как поведение рыб может изменяться в зонах влияния течений, такие места целесообразно не использовать для акустического контроля. Авторы приводят результаты анализа полученных данных и делают вывод, что акустическая аппаратура с "расщепленным" лучом эффективно использовалась для мониторинга взрослых лососевых в большинстве указанных рек. Контролировались темп прохода рыб, направление миграции, распределение и скорости.

Много проблем, связанных с акустическим мониторингом взрослых лососей, уже преодолено благодаря совершенствованию аппаратуры и техники обработки сигналов, повышению квалификации операторов, более ответственному подходу к выбору зон контроля. Не решена проблема, связанная с тем, что мигрирующие вверх по течению лососевые часто двигаются вблизи дна. Подобно всей акустической технике аппаратура с "расщепленным" лучом чувствительна к высокому уровню реверберации.

Если место мониторинга выбрано неудачно, турбулентность потока и воздушные пузырьки могут ограничивать полезность гидроакустики. Другое ограничение состоит в отсутствии непосредственной идентификации видов. Тем не менее, часто можно использовать поведенческие параметры, характеристики распределения и периодические обловы рыб для оценки видового состава контролируемых объектов.

Потенциальные усовершенствования техники применительно к речному мониторингу включают введение квадратурной демодуляции для улучшения пространственного разрешения, а также внутриимпульснои частотной модуляции (ЧМ) для увеличения ОСШ с целью минимизации как смещения оценок, так и их вариабельности. Nealson Р. Л. и Gregory I. [22] останавливаются на проблеме гидроакустического различения взрослых атлантических лососей и водных водорослей в реке Wye (Уэльс, Великобритания) при учете лососевых во время их миграций. Они отмечают, что гидролокаторы с "расщепленным" лучом используются для подсчета атлантических лососей в указанной зоне уже с 1994 г. [23].

Скопления водорослей сезонно присутствуют в контролируемой зоне реки и совпадают с нахождением атлантических лососей. Периодически они отрываются от дна, увлекаются потоком воды и, в связи с наличием в них воздушных пузырьков, имеют силу цели TS, нередко сравнимую с силой цели взрослых лососей. Обычно акустические наблюдения за этими скоплениями с помощью аппаратуры с "расщепленным'" лучом свидетельствуют об их статическом положении или движении вниз по течению с потоком воды, однако аморфная структура таких концентраций нередко результируется в ошибочные показания прибора о том, что, во всяком случае, часть их прослеживается как бы в виде целей, движущихся вверх по течению. Поэтому использование таких характеристик акустической оценки, как сила цели или перемещение объекта вверх / вниз по течению, не всегда достаточно для достоверной классификации целей и выделения рыб. Следует однако учитывать, указывает автор, что данные гидроакустической аппаратуры с "расщепленным" лучом включают ряд дополнительных параметров, которые в указанной зоне не использовались в аспекте различения типа цели. В частности, это относится к длительности принимаемых эхосигналов, которая, по мнению ряда ученых [24, 25J, может быть одной из важных характеристик при идентификации видов рыб.

В связи с вышеизложенным основная цель изучения возможности классификации целей состояла в определении признаков параметров эхосигналов для различения взрослых лососей и водорослей в смешанных концентрациях. После установления существенных классификационных признаков (если они имеются), вторая задача состояла в нахождении граничных значений критериев для каждого из существенных параметров с целью максимизации различения двух групп целей. Для определения возможности распознавания лососей среди водорослей с помощью гидроакустических средств, базируясь на других характеристиках, были собраны репрезентативные данные в рамках программы гидроакустического мониторинга реки Wye. Индивидуальные цели (лососи или водоросли) визуально идентифицировались с помощью видеозаписей.

В качестве гидроакустической аппаратуры при этом использовалась система MTI Model 243 Split-Beam американской фирмы Hydroacoustic Technology Jnc, обеспечивающая слежение за индивидуальными целями. Наблюдаемые параметры: скорость цели, количество отраженных сигналов, движение цели по осям х, у и z, акустическая сила цели и другие. В указанной системе применялся акустический преобразователь с эллиптической ХН (4 х 10) и центральной частотой 200 кГц. Акустическая антенна располагалась с горизонтальным направлением излучения поперек реки таким образом, чтобы широкая ХН (10) была ориентирована в плоскости течения. Для максимизации соотношения сигнал-шум применялись импульсы излучения с внутриимпульсной ЧМ в диапазоне между 198,75 и 201,25 кГц при длительности 0,18 мс.

По результатам анализа и обработки для 23 лососевых рыб и 48 образцов водорослей, идентифицированных визуальными методами, было установлено следующее. Стандартная девиация длительности эхосигналов на уровнях амплитуды —6 и -12 дБ была определена как наиболее пригодная для различения лососей и водорослей. Это согласуется с данными Buimen и Fleischman [26], которые определили уровень -12 дБ в качестве наиболее эффективного параметра для различения двух видов тихоокеанских лососей в реке Kenai. Водоросли показали большую вариабельность стандартной девиации длительности эхосигнала по сравнению с лососями. Это может указывать на то, что они являются менее идеальными точечными отражателями звука, чем взрослые лососи. Использование в качестве критерия уровня -18 дБ не улучшило общую разрешаемость в части исключения водорослей, что могло быть связано с влиянием помех даже при излучении импульсов с внутриимпульсной ЧМ. Исследователи полагают, что применение в будущих работах более узких ХН позволит увеличить ООП и использовать для решения задачи классификации также и уровень -18 дБ. Они указывают, что при последующих исследованиях необходимо получить большее количество информации для анализа, в которую должны быть включены также репрезентативные данные о поведении лососей (как мигрирующих вверх по течению, так и вниз), применены более узконаправленные в вертикальной плоскости акустические антенны, а именно с ХН 2 х 10 эллиптического сечения для минимизации реверберационных помех, а также должна более широко использоваться контрольная видеотехника.

О результатах своего первого применения акустической техники с "расщепленным"" лучом при горизонтальном лоцировании для оценки количества атлантического лосося, мигрирующего на нерест в реку Tornionjoki (Финляндия) сообщают Romakkaniemi Л. и др. [27]. Для решения указанной задачи они использовали аппаратуру HTI Model 243 (США), работающую на частоте 200 кГц, с акустическими антеннами, имеющими XII (эллиптического сечения) 2,8 х 10 и 4 х 10. Длительность излучаемых импульсов составляла 1,25 мс, выходная мощность - 25 Вт и частота повторения импульсов — от 3 до 8 Гц. Сбор гидроакустической информации проводился с начала июня по август 1997 и 1998 г.г. и до конца июля 1999 г., то есть в течение полного периода нерестовой миграции лосося. Четыре акустических преобразователя были стационарно установлены с излучением поперек реки. Длина зоны обзора изменялась от 32 до 65 м. Максимальная глубина реки в районе работ составляла 10 м. Гидроакустическим мониторингом перекрывалось 40-50% поперечного сечения реки. В целом было зафиксировано 7700, 5300 и 4300 "лососево-подобных" целей (с TSa -29 дБ), движущихся вверх по течению, соответственно в 1997, 1998 и 1999 гг. К сожалению, корреляции с информацией, полученной другими способами, в основном, не наблюдалась. Было ясно, что значительное количество рыб "ускользнуло" от акустического мониторинга, используя зоны, не перекрываемые акустическими лучами, такие как "ямы" на дне и поверхностные слои воды вблизи берегов. Более того, было выяснено, что различение видов, базирующееся лишь на силе цели TS, не адекватно реальной ситуации в многовидовых концентрациях. Авторы, тем не менее, считают, что при дальнейшем совершенствовании гидроакустический подсчет балтийских лососей в реках Финляндии может быть наиболее важным и достоверным. Dawson и др. [28] отмечают, что гидролокаторы с "расщепленным" лучом позволяют наблюдать ряд аспектов поведения рыбы, особенно направление их движения. Однако некоторые виды лососевых при миграциях движутся вблизи берега реки, а также нередко в непосредственной близости от акустической антенны. По результатам своих наблюдений, в том числе визуальных, авторы отмечают, что в этом случае оценка положения рыбы часто не соответствует фактическому положению цели. Указанные неточности создают проблемы при определении направления движения рыбы. Авторы полагают, что эти погрешности обусловлены двумя факторами: размером цели (рыбы) относительно ширины ХН акустической антенны и сложным (комплексным) характером рассеяния звука рыбой. В результате возникает эффект "ближнего" поля, в пределах которого искажаются фазы эхосигналов. Приводятся примеры наблюдаемых траекторий перемещения обнаруженных рыб в ближнем и дальнем поле, подтверждающие наличие неточностей оценок. Экспериментальные данные от подвешенных сфер и комплексных сложных целей показывают увеличение искажений при усложнении целей и их приближении к антенне.

Натурные эксперименты проводились авторами на Аляске (реки Kenai и Wood) в июне и июле 1999 г. с использованием исследовательского гидролокатора DT 600 фирмы BioSonics (США), работающего на частоте 420 кГц при длительности излучаемых импульсов 0,2 мс и частоте их повторения 4-15 Гц. Акустические антенны были установлены на двухосевом поворотном устройстве. Глубина воды составляла 2-4 м. В качестве искусственной цели использовалась сфера диаметром 33 мм. Комплексная цель представляла собой баллон диаметром 2 см и длиной 28 см, размещенный в пластиковом корпусе, и была спроектирована с учетом обеспечения примерного соответствия рассеивающим свойствам взрослого лосося. Измерения выполнялись при низком уровне окружающих помех и минимальном течении. Сфера и комплексная цель подвешивались на буе для обеспечения их нахождения на постоянной глубине. Была предусмотрена возможность их перемещения по горизонтали вдоль оси акустической антенны. С помощью поворотного устройства акустический луч также мог перемещаться, имитируя движения цели.

Вначале работали с преобразователем, имеющим круговую апертуру с шириной XII 2, затем повторили измерения с преобразователем, имеющим эллиптическую апертуру и ХН 2 х 6 (более широкую в горизонтальной плоскости) при направлении оси антенны параллельно поверхности воды. Исследования были проведены как с искусственными целями, так и непосредственно с рыбой. В качестве примера в статье приведены "планшеты" определения положения рыбы (лосося) при нахождении ее на большом расстоянии от антенны — 41 м и малом — 3 м (при работе со второй антенной). В первом случае направление перемещения рыбы было более очевидным, чем во втором. Определенный вклад в изменчивость результатов оценки положения вносит и то обстоятельство, что на малых расстояниях от антенны размеры рыбы фактически превышали номинальный диаметр луча. Также приводятся планшеты определения положения искусственных целей (для второй антенны) при разных дистанциях от антенны — 8 и 2 м. В случае комплексной цели разброс оценок положения весьма существенен, хотя на дистанции 8 м можно достаточно четко видеть направление перемещения цели, тогда как на дистанции 2 м оценить его достаточно проблематично. Для сферы же разброс данных весьма невелик.

В заключение следует отметить, что имеется ряд работ, в которых приведены результаты применения методов нелинейной акустики для решения изложенных выше задач. Здесь значительных успехов в вопросах практических разработок и применения параметрических приборов в промысловой гидроакустике добилась Таганрогская научная школа профессора В. И. Тимошенко [29-32]. Эксперименты, выполненные с параметрическим трактом малогабаритного рыбопоискового комплекса "Пескарь" при горизонтальной локации и в режиме траверзного обзора в мелководных районах [31], показали, что благодаря практическому отсутствию боковых лепестков и узкой ХН подобная аппаратура также может быть использована для подсчета рыб в потоке воды. Указанные экспериментальные работы проводились в 1982-83 г.г. в Цимлянском водохранилище и Керченском проливе и показали положительные результаты.

Диденкулов и др. [33] из ИНГУ теоретически рассматривают возможность использования другого метода нелинейной акустики для учета рыб в реках. Они предположили, что нелинейные акустические отклики от рыб являются существенно более сильными, чем от воды. Это даст возможность селектировать полезный сигнал от реверберации, так как в данном случае частота нелинейного рассеяния от рыбы отличается от зондирующих частот, а реверберационный сигнал имеет те же самые частоты. Известно, что очень высокой акустической нелинейностью обладают газовые пузырьки в жидкости. С другой стороны, значительная часть рыб обладает плавательным пузырем, нелинейные акустические свойства которого делают его похожим на газовый пузырь. На основании этого можно предположить существование повышенной нелинейности плавательного пузыря рыб и рассмотреть возможности применения нелинейных акустических методов для обнаружения рыб. С точки зрения частотной отстройки от реверберации наилучшими возможностями обладает метод разностной частоты.

Авторы предлагают практическую реализацию рассмотренного метода, которая включает установку на противоположных берегах реки двух высокочастотных излучателей звука, лучи которых направлены навстречу друг другу, под некоторым углом к вектору скорости течения реки. ХН излучателей могут быть не слишком узкими в вертикальной плоскости. При этом река оказывается перегороженной акустической "сетью". Для приема рассеянных сигналов низкочастотный гидрофон может быть установлен вблизи одного из берегов реки. Принцип обнаружения рыб состоит в следующем. Когда рыба пересекает акустическую "сеть", она попадает в зону действия двух звуковых пучков. При этом вследствие акустической нелинейности плавательного пузыря появляется сигнал на разностной частоте, который регистрируется гидрофоном. Принимаемый низкочастотный сигнал имеет доплеровский сдвиг частот, пропорциональный проекции скорости рыбы на ось ХН. В отличие от полезного сигнала на разностной частоте реверберация наблюдается на частотах первичных пучков и поэтому легко может быть отфильтрована.

Приведя в статье соответствующие расчеты, авторы делают вывод о возможности указанным способом определять направление движения рыбы (вверх или вниз по течению), а также скорость рыб и тем самым осуществлять их селекцию по скоростям движения.

Проведенный анализ показывает, что акустические методы являются наиболее универсальными применительно к решению задач учета рыб в потоке воды в самых различных условиях практического применения. Хотя нельзя сказать, что отработаны все вопросы их реального (конкретного) использования. В то же время эти методы характеризуются большим разнообразием реализаций.

1.3. ПОДСЧЕТ РЫБ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИМИ УСТРОЙСТВАМИ В УСЛОВИЯХ ЗАСОРЕННОСТИ ВОДОЕМОВ

1.3.1. В рыбосчетных устройствах используются различные принципы счета, обладающие общим недостатком. Следует иметь в виду, что в реках, прудах и рыбоходах, как правило, встречаются инородные предметы и организмы, например, куски дерева, тина, листья, земноводные, которые, попадая в рыбосчетный канал, приводят к значительным погрешностям в счете рыб. В некоторых устройствах с целью отделения рыб от посторонних предметов и организмов на входе рыбосчетного канала устанавливается сеть. Такой способ имеет недостатки: сеть забивается; посторонние предметы и организмы одинакового размера с рыбой проходят через сеть; для каждой размерной группы рыб, подлежащей счету, необходимо устанавливать сети с различными размерами ячейки.

В работах [34-37] рассмотрены способы и устройства, повышающие точность гидроакустических рыбосчетных устройств в условиях засоренности водоема.

Принцип, по которому рыбосчетное устройство дифференцирует рыбу от помехи, должен основываться на комплексе свойств, характерных только для рыб. Прежде всего, следует использовать одно из главных отличий живого от неживого - способность к целенаправленному поведению. Реализация целенаправленного поведения предполагает воздействие на рыбу некоторого управляющего фактора. 11а этапе выбора типа воздействия были определены различия реагирования на него рыб и земноводных [34]. Наиболее простой оказалась дифференцировка рыб и земноводных по их поведенческим реакциям на электрораздражение. Чувствительность рыб на воздействие импульсных электрических полей выше таковой у земноводных почти на порядок, что указывает на возможность разделения рыб и земноводных в потоке воды путем электровоздействия (рис. 1.1).

Устройство [35] (рис. 1.2) представляет собой канал для прохода рыбы, образованный стенками 1 и 2. На входе А и на выходе Г канала установлены заградительные крупноячейные сети 3 и 4, а в средней части - продольная перегородка 5. На участке канала Б между разделительной перегородкой 5 и стенкой 1 размещены две пары вертикальных электродов

6 и 7, подключенных к генератору импульсов 9. На участке канала В между разделительной перегородкой 5 и стенкой 2 установлен рыбосчетчик 10. По обеим сторонам от участка В попарно смонтированы мелкоячейные направляющие сетки 11-14, одни концы которых прикреплены под углом к стенке 2 канала, а другие соединены между собой. Вертикальные размеры стенок 1 и 2 канала, заградительных сетей 3 и 4, направляющих 11-14, разделительной перегородки 5 и электродов 6 и

7 выбирают так, чтобы канал перекрывался от дна до уровня, превышающего уровень поверхности воды.

При движении рыб по течению воды на вход А в канал поступают рыбы, посторонние предметы и живые организмы. Крупные посторонние предметы удерживаются сетью 3, а рыбы, инородные предметы и организмы отводятся направляющей сеткой 11 к участку канала Б, на входе которого между электродами 6 создается импульсное электрическое поле. Уровень импульсного электрического поля подбирают так, чтобы оно не оказывало действия на земноводных, но отпугивало рыбу. Под воздействием электрического поля рыба направляется в участок канала В, где просчитывается счетчиком 10. Неживые предметы и инородные живые организмы проходят по участку канала Б и счету не подвергаются.

Для создания необходимой напряженности импульсного электрического поля в устройстве использован генератор прямоугольных импульсов с регулируемой амплитудой, которая выбирается в зависимости от предельной напряженности электрического поля. Частота повторения импульсов 2-5 Гц, длительность - 3-1 Оме. В указанных условиях величина напряженности электрического поля Е находилась в пределах 0,2-2 В/см.

Графики энергетической оценки уровня двигательной реакции рыб (а) и лягушек (б) при воздействии импульсным электрическим полем ^₀₀₀^-^^ а

0,8 Е В/см

Е В/см

Рис. 1.1

Схема устройства, повышающего точность подсчета рыб в потоке воды

1,2

Рис. 1.2 - боковые стенки канала; крупноячейные заградительные сети;

Применение гидролокаторов для определения количества рыб в реках, направления их движения и идентификации

Известны попытки применить для подсчета рыб в реках гидролокационный метод с использованием выпускаемых промышленностью эхолотов. Еще в 60-х годах в России исследовалась возможность использования промерного эхолота "Река" и рыбопоисковых приборов "Окунь" и ХАГ-240 для учета лососевых, идущих на нерест (Ганьков и др. [1]). Метод был основан на подсчете эхо-сигналов от рыб, проходящих зону действия гидроакустической антенны, при боковом аспекте облучения рыб, когда эхо-сигнал имеет наибольший уровень. При этом эхо-сигналы регистрировались самописцем. Результаты контролировались с помощью подводной фотокамеры со вспышкой. Акустические антенны эхолотов, примененных в данных опытах, имели довольно широкую характеристику направленности (ХИ) - (20-30), вследствие чего наблюдался высокий уровень реверберации от дна и поверхности реки. Реверберационные помехи маскировали эхо-сигналы от рыб. Кроме того, были обнаружены пропуски в подсчете рыб, проходивших вблизи акустической антенны в неозвученных участках. По результатам проведенных экспериментов авторы сделали заключение о неприменимости существующих рыбопоисковых приборов для оценки количества рыбы в потоке воды.

Устройство для количественного учета рыб в потоке воды, реализованное в Великобритании фирмой National Research Development Соф. [2, 3], содержит две акустические антенны с веерообразными XII, передающий и приемный блоки и схему обработки эхо-сигналов. Акустические антенны установлены на противоположных берегах. При этом одна антенна находится на дне, а вторая - на поверхности воды. При изменении уровня воды перемещается и антенна, находящаяся на поверхности. Акустические оси обеих антенн наклонены таким образом, что они совместно перекрывают почти все поперечное сечение потока воды. Эхо-сигналы, принятые акустическими антеннами, усиливаются, после чего поступают к детекторам и специальным цепям, которые пропускают входные сигналы только с длительностью, равной длительности излучаемого сигнала. Далее эхо-сигналы поступают на обрабатывающий блок, который состоит из селекторного блока, стробирующего устройства и счетчика. Число каналов селекторного блока выбирается равным предположительному максимальному количеству рыб, движущихся параллельно одна другой. Селекторный блок направляет импульс (эхо-сигнал), полученный в любом цикле работы (излучение-прием), в первый канал, после чего стробирующее устройство закрывает вход к нему. Следующий принятый импульс направляется на второй канал и т.д. Каждый канал имеет задерживающую цепь, которая обеспечивает задержку на один цикл. Импульсы с каждого канала подаются на обрабатывающий блок, который показывает количество прошедшей рыбы.

Недостатком данного устройства является невысокая точность счета, которая зависит не только от разрешающей способности гидролокатора. В каждом цикле работы гидролокатора может быть получено точное определение числа рыб, находящихся в зоне действия акустической антенны лишь в случае полного совпадения во времени каждого эхо-сигнала с одним селекторным импульсом. Если при наличии одного селекторного импульса получено два эхо-сигнала, либо один эхо-сигнал находится на границе двух соседних селекторных импульсов, результат счета будет ошибочным. Таким образом, точность счета зависит от временных соотношений эхо-сигналов и селекторных импульсов. Кроме того, необходимость деления дистанции счета на отрезки с помощью селекторных импульсов не только исключает универсальность по отношению к изменению ширины потока воды и размерного состава рыб, но и усложняет устройство, поскольку число ячеек, необходимое для обработки эхо-сигналов, должно быть равно максимальному числу рыб, плывущих параллельно одна другой. Другим недостатком описанного выше устройства является неполное перекрытие потока воды из-за наличия зон "тени-" вблизи берегов, что обусловлено принятым здесь расположением акустических антенн. В этих зонах рыба не попадает в акустический луч, что и приводит к ошибкам счета гидролокатора.

Устройство для подсчета мигрирующих рыб в водоеме [4] фирмы Bendix Corporation (CILIA) содержит серию акустических антенн, проложенных по дну поперек направления движения рыбы. Антенны электрически соединены в группы. Каждая антенна имеет ширину XII 90. Акустическая ось каждой антенны наклонена под углом 45 к горизонту и перекрывает часть потока воды, а все антенны вместе перекрывают всю ширину потока. Счетчик содержит управляющий механизм, вырабатывающий периодические импульсы. Последние задают временной цикл для каждой группы антенн попеременно. Поэтому соседние антенны не будут считать одну и ту же рыбу дважды. В течение каждого цикла эхо-сигналы принимаются каждой антенной со своего участка и затем обрабатываются. Обработка производится путем накопления поступающих импульсов на конденсаторе. Напряжение на конденсаторе, пропорциональное числу импульсов, регулирует выходную частоту генератора, связанного с электромеханическим счетчиком импульсов. Недостатком этого устройства является необходимость установки на дне канала массивной рамы, на которой закреплены антенны. При этом требуется, чтобы дно канала было ровным. В противном случае его необходимо предварительно выровнять. Все это приводит к тому, что раму с акустическими антеннами необходимо ежегодно устанавливать и снимать, что осложняет эксплуатацию устройства. Кроме того, установка рамы в потоке с сильным течением и ее удержание там — довольно сложная задача.

Результаты моделирования излучаемого сигнала

В рыбосчетных устройствах используются различные принципы счета, обладающие общим недостатком. Следует иметь в виду, что в реках, прудах и рыбоходах, как правило, встречаются инородные предметы и организмы, например, куски дерева, тина, листья, земноводные, которые, попадая в рыбосчетный канал, приводят к значительным погрешностям в счете рыб. В некоторых устройствах с целью отделения рыб от посторонних предметов и организмов на входе рыбосчетного канала устанавливается сеть. Такой способ имеет недостатки: сеть забивается; посторонние предметы и организмы одинакового размера с рыбой проходят через сеть; для каждой размерной группы рыб, подлежащей счету, необходимо устанавливать сети с различными размерами ячейки.

В работах [34-37] рассмотрены способы и устройства, повышающие точность гидроакустических рыбосчетных устройств в условиях засоренности водоема.

Принцип, по которому рыбосчетное устройство дифференцирует рыбу от помехи, должен основываться на комплексе свойств, характерных только для рыб. Прежде всего, следует использовать одно из главных отличий живого от неживого - способность к целенаправленному поведению. Реализация целенаправленного поведения предполагает воздействие на рыбу некоторого управляющего фактора. 11а этапе выбора типа воздействия были определены различия реагирования на него рыб и земноводных [34]. Наиболее простой оказалась дифференцировка рыб и земноводных по их поведенческим реакциям на электрораздражение. Чувствительность рыб на воздействие импульсных электрических полей выше таковой у земноводных почти на порядок, что указывает на возможность разделения рыб и земноводных в потоке воды путем электровоздействия (рис. 1.1).

Устройство [35] (рис. 1.2) представляет собой канал для прохода рыбы, образованный стенками 1 и 2. На входе А и на выходе Г канала установлены заградительные крупноячейные сети 3 и 4, а в средней части - продольная перегородка 5. На участке канала Б между разделительной перегородкой 5 и стенкой 1 размещены две пары вертикальных электродов 6 и 7, подключенных к генератору импульсов 9. На участке канала В между разделительной перегородкой 5 и стенкой 2 установлен рыбосчетчик 10. По обеим сторонам от участка В попарно смонтированы мелкоячейные направляющие сетки 11-14, одни концы которых прикреплены под углом к стенке 2 канала, а другие соединены между собой. Вертикальные размеры стенок 1 и 2 канала, заградительных сетей 3 и 4, направляющих 11-14, разделительной перегородки 5 и электродов 6 и 7 выбирают так, чтобы канал перекрывался от дна до уровня, превышающего уровень поверхности воды. При движении рыб по течению воды на вход А в канал поступают рыбы, посторонние предметы и живые организмы. Крупные посторонние предметы удерживаются сетью 3, а рыбы, инородные предметы и организмы отводятся направляющей сеткой 11 к участку канала Б, на входе которого между электродами 6 создается импульсное электрическое поле. Уровень импульсного электрического поля подбирают так, чтобы оно не оказывало действия на земноводных, но отпугивало рыбу. Под воздействием электрического поля рыба направляется в участок канала В, где просчитывается счетчиком 10. Неживые предметы и инородные живые организмы проходят по участку канала Б и счету не подвергаются. Для создания необходимой напряженности импульсного электрического поля в устройстве использован генератор прямоугольных импульсов с регулируемой амплитудой, которая выбирается в зависимости от предельной напряженности электрического поля. Частота повторения импульсов 2-5 Гц, длительность - 3-1 Оме. В указанных условиях величина напряженности электрического поля Е находилась в пределах 0,2-2 В/см. 41 рыбосчетное устройство АРСУ-4 (разработанное автором [38]) и акустический рыбосчетчик с доплеровской фильтрацией эхо-сигналов (разработка Л. Г. Ковалюка, КБ "Шторм" при Киевском политехническом институте) [35-37]. При значительной засоренности воды отделение рыб от посторонних предметов и организмов позволило снизить погрешность счета на 80-90 %. С рыбосчетчиком А. Г. Ковалюка был проведен эксперимент, в котором осуществлялась доплеровская фильтрация эхо-сигналов от рыб и от искусственно вносимых посторонних предметов и лягушек, плывущих со скоростью течения. При этом для увеличения скорости рыб производилось их вспугивание с помощью электрического поля в зоне действия рыоосчетного устройства. Благодаря этому погрешность подсчета рыбы уменьшилась на 60-90 % при полной ошибке 100 % [34]. Выше уже отмечались некоторые особенности подсчета рыб в условиях засоренности водоемов с использованием эхолотов с расщепленным лучом [22, 24, 26]. В этих работах предлагается для различения взрослых особей атлантических лососей и водорослей в качестве классификационного признака использовать длительность эхо-сигналов, измеренную на уровне амплитуды -12дБ.

Экспериментальные исследования ближнего поля акустической антенны

Существующие устройства для количественной опенки рыбы в потоке воды, основанные на использовании различных механических методов, отличаются большим разнообразием. В одних устройствах определение количества рыбы происходит по косвенным показателям, таким как суммарный объем рыбы или уровень воды в контролируемой емкости. В других - производится прямой подсчет рыб посредством контакта тела рыбы с системой механического счетчика или же частичный визуальный подсчет. Приведем примеры их практической реализации.

На определении суммарного веса рыбы основано устройство для количественной оценки молоди рыб, разработанное Елисеевым [45]. Оно состоит из четырех частей: приемного раструба, сливного лотка и прибора для взвешивания молоди рыб. Прибор для взвешивания содержит конусообразную бадью, изготовленную из оцинкованной сетки, дугу и динамометр. В просветах шлюза устанавливают устройство, через которое происходит сброс воды. При этом скатывающаяся молодь отделяется от основной струи и попадает в бадью, подвешенную на динамометре. Как только бадья наполнится молодью, ее на блоках поднимают из воды. При этом через сетчатые стенки бадьи стекает вода, а в бадье остается только молодь рыбы. Рыбу взвешивают и выпускают в реку. Исходя из полученного суммарного веса и веса одной особи, вычисляют количество выпущенной в реку рыбы.

На определении суммарного объема рыб основан аппарат для учета молоди рыб, разработанный Титаренко [46]. Этот аппарат выполнен в виде горизонтально устанавливаемого в толще воды приемного короба с сетчатыми стенками. На конце короба установлена подъемная камера с откидным дном. Короб имеет сменные стенки, что позволяет производить очистку его от засорения. Учетная камера снабжена шкалой для отсчета количества молоди рыбы по ее суммарному объему. Этот отсчет производят после поднятия камеры из воды.

На измерении уровня воды в контролируемой емкости основан аппарат для учета молоди рыбы, предложенный Гофманом и др. [47], который выполнен в виде двух сообщающихся сосудов различных диаметров. Узкий сосуд служит для измерения уровня воды, а широкий -для опускания в него сетчатого сачка с рыбой, количество которой требуется определить. Ишерение количества рыбы производится по измерению уровня воды в узком сосуде. Узкий сосуд снабжен измерительным механизмом, состоящим из поплавка, связанных с ним шестерен и шкалой с указательной стрелкой.

Непосредственный контакт тела рыбы с системой механического счетчика использован в устройстве, разработанном Гайдуковичем [48] и предназначенном для учета рыб, идущих на нерест через рыбоходы. Это устройство представляет собой ряд специальных рамок. Каждая рамка имеет две поворотные около горизонтальных осей створки с мелкими отверстиями для пропускания воды. В месте смыкания створок предусмотрено отверстие овальной формы, соответствующее поперечному сечению рыбы. Проходя через это отверстие, рыба раскрывает створки, которые в свою очередь воздействуют на механические счетчики, установленные над поверхностью воды.

Частичный визуальный подсчет используется в устройстве, разработанном Тюктяевым и др. [49] для количественного учета личинок. Это устройство представляет собой резервуар цилиндрической формы со специальным приспособлением для создания равномерного распределения личинок в объеме внутри цилиндра. В днище цилиндра высверлено несколько отверстий. Одно из них служит для выпуска личинок в трубопровод, где их просчитывают визуально. Затем полученное количество личинок умножают на число отверстий.

Игнатьев [50] описывает устройство для подсчета личинок при отправке их из инкубационого цеха.

Личинок, предназначенных для загрузки одного пакета, количество которых определяется визуально, вместе с водой помещают в мерный бак, затем доливают чистую воду до отметки 20 л. Учетчик размешивает воду для равномерного распределения личинок и черпаком отбирает одну пробу. Таким же образом отбирают пробы при загрузке каждого пакета. В результате образуется общая проба, из которой затем отбирают пять черпаков с личинками, подсчитывают количество личинок в каждом и вычисляют среднее арифметическое. Умножив эту величину на количество черпаков в 20 л, определяют среднюю загрузку пакетов в партии. Однако не всегда достигается одинаковая плотность загрузки пакетов. Это влияет на погрешность подсчета.

Недостатками механических методов оценки количества рыб в потоке воды являются малая производительность, невысокая точность, возможность травмирования рыбы и неприспособленность к изменениям условий работы (вариации уровня и скорости воды, наличие в потоке посторонних предметов и т. п.).

Эти методы могут быть разделены на две группы: основанные на измерении оптической прозрачности воды с помощью светового луча, падающего на фотоэлемент, и на применении телевизионных датчиков. Оптический метод с фотоэлементами используется, в частности, в устройстве, разработанном в АзНИИРХ и предназначенном для подсчета молоди рыбы. Это устройство состоит из рамы с набором каналов с отверстиями диаметром 30 мм, в которых вмонтированы фотоэлектрические датчики. Рама устанавливается поперек потока воды. Выходы электрических датчиков подключены к схемам формирования коротких импульсов.

Выход узла формирования через делитель и схему расширения импульсов подключен к электромеханическому счетчику. Устройство работает при условии, что сопротивление освещенного фотоэлемента на порядок ниже затемненного. Основные технические характеристики устройства:

Производственные испытания устройства АРСУ-4 в рыбопропускных сооружениях

Электрические методы учета рыб основаны на измерении разности электропроводности воды без рыбы и водорыбной смеси. На этом принципе основаны, в частности, разработанные в ФРГ способ и устройство для подсчета рыбы в рыбонасосах [61]. Количество рыбы, перекачиваемой рыбонасосом, определяется путем сравнения величин электрической проводимости транспортируемой смеси и чистой воды. Измерительная база, установленная в трубопроводе рыбонасоса, и сравнительная база, находящаяся вне системы трубопровода, соединены в мостовую схему. Сигнал рассогласования усиливается и подается на индикатор. Чтобы устранить влияние изменений проводимости воды, используется специальный блок, который работает от сравнительной базы и управляет коэффициентом усиления. Благодаря этому изменения электрической проводимости воды не влияют на результат подсчета.

Алымовой и др. [62] разработано устройство для подсчета скатывающейся молоди. Оно состоит из пары сетчатых электродов, пропускающих рыбу в межэлектродное пространство, и измеряет электропроводность водорыбной смеси. С целью предотвращения влияния внешних факторов (колебаний температуры, солености воды и т. д.) установлены контрольные электроды, отгороженные сетчатой перегородкой, препятствующей подходу к ним молоди рыбы. Устройство пересчитывает значения электропроводности смеси в количество скатывающейся молоди рыб.

В ФРГ разработаны способ и устройство для подсчета рыб в потоке воды [63J. В этом устройстве с помощью трех электродов создаются двухэлектродные пары, которые соединены по мостовой схеме. При этом измеряется дифференциальный ток между электродами. Электродные пары прокладываются поперек потока воды. Для компенсации разбаланса мостовой схемы используются дополнительные электродные пары. С помощью счетчика сигналы рассогласования переводятся в количество рыб.

Долгопол и др. [64, 65] предложен способ и разработано устройство для подсчета рыб путем регистрации изменения проводимости счетного промежутка с дальнейшей обработкой полученного сигнала, что дает возможность регистрировать раздельно рыб различных видов и размеров. Для повышения точности и надежности количественного учета и определения размерного состав учитываемых рыб оно снабжено дифференциальным блоком и несколькими счетными каналами. Устройство включает в себя источник питания, датчик с электродами и суммирующий счетчик. Электроды смонтированы в корпусе, две противолежащие стенки которого выполнены открытыми и подключены к мостовой схеме. При прохождении рыбой регистрирующего промежутка между электродами сопротивление его меняется, что вЕ,пывает появление импульса напряжения. По временному сдвигу переднего и заднего фронтов определяется длина рыбы, а по амплитуде сигнала - поперечное сечение рыбы. По этим параметрам можно установить и видовую принадлежность рыб. Регистрация сигнала проводится стандартным пересчетным устройством.

Экспериментально установлено, что поскольку величина напряжения питания определяет и величину полезного сигнала, на электроды следует подавать максимально возможный потенциал, равный потенциалу отпугивания рыб шаговым напряжением.

Для различения сигналов, возникающих при прохождении рыб, от сигналов, соответствующих сопутствующим объектам, на кафедрах ихтиологии и физики Астрыбвтуза разработан следующий способ [66]. Необходимые скорости потока воды v2 создают, помещая щитки в водостоке ската рыб перед регистрирующим промежутком. Щитки направляют течение S\ водостока до S2 - S\ - v\ I v2, где V — скорость потока воды в свободном пространстве; v2 - скорость потока внутри регистрирующего промежутка. Сопутствующие водные организмы и сор сносятся через счетный промежуток за время t\ = сі] I v2. Рыбы проходят тот же промежуток за время t2 = d21 (v2 - vKp cp), где d\ - длина сопутствующих объектов, d2 - длина рыб, vKptp - средняя критическая скорость рыб, находящихся в данном водоеме, v2 — (1,5-2) vKpcp.

Анализ показывает, что длительности сигналов от рыб и от нерыбных объектов различны. Следовательно, с помощью электронных схем можно отделить сигналы малой длительности, соответствующие неживым и малоподвижным объектам, от сигналов большей длительности, соответствующих рыбам. Это позволяет проводить учет рыб с разделением их по видам и без сопутствующих объектов.

Сухановым [67] было разработано устройство для учета количества рыб в потоке воды, которое, с целью повышения точности подсчета молоди рыб при ее пассивном стайном скате, оснащено лагом для определения скорости потока воды и эталонными электродами для пересчета показаний рабочего и контрольного электродов.

Другой вариант разработанного Сухановым устройства для учета рыб [68], включает учетный канал и установленные на дне датчики, подсоединенные к счетчику для регистрации количества рыб. С целью повышения надежности работы и точности отсчета рыб, учетный канал представляет собой желоб, на дне которого выполнены продольные гофры, при этом высота гофр возрастает от входного участка желоба к выходному, а датчики размещены в каждом гофре. В другом варианте устройства, для обеспечения точного учета рыб при изменении уровня потока воды с рыбой, устройство снабжено лотком для приема потока воды с рыбой, а желоб смонтирован в лотке на поплавках и оснащен сеткой из гибкого материала [69].

Разработанное Павловым и др. [70] устройство для регистрации рыб в потоке воды, предназначенное преимущественно для использования в магистральных каналах после водозаборных станций, состоит из размещенных в учетном канале электродов, усилителя, регистратора и блока питания. Для исключения влияния на регистрацию рыб внешних факторов оно снабжено корпусом, выполненным из диэлектрика с ограждающим экраном для снижения воздействия магнитного поля Земли. Внутри корпуса, в зоне экрана, расположены постоянные магниты, которые установлены так, что их магнитное поле перекрывает по вертикали весь поток воды, проходящий внутри корпуса.

Похожие диссертации на Разработка гидроакустических методов и аппаратуры для учета рыб в реках и рыбоходах

Разработка метода расчета характеристик рассеяния звука на вытянутых телахТэтюхин, Михаил Юрьевич

Разработка методов и средств повышения информативности ультразвуковых измерений с помощью дефектоскопов общего назначенияКурков Александр Валентинович

Разработка методов повышения точности гидроакустических систем подводной навигацииБорисов Алексей Алексеевич

Разработка метода решения задач распространения и взаимодействия акустических волн в средах с изменяющейся скоростью звукаПашков Геннадий Геннадьевич

Разработка метода распознавания рыбных скоплений по гидролокационным сигналам на фоне донных отраженийНгуен Тьен Тай

Исследование и разработка методов гидроакустического поиска малоразмерных заиленных объектов в условиях мелководья Ишутко Анатолий Григорьевич

Разработка метода и cредcтв экcпреcc-контроля электроакуcтичеcких пьезокерамичеcких преобразователейКлючников Сергей Николаевич

Разработка метода повышения точности позиционирования подводных объектовГолов, Александр Александрович

Разработка методов и средств снижения вибрации и шума гидравлических приборов систем управления техническими средствами.Берестовицкий, Эрлен Григорьевич

Исследование и разработка методов проектирования одно- и двумерных ультразвуковых технологических волноводов сложной формы с оптимальными характеристикамиВьюгинова, Алена Александровна