CC BY
72
УДК. 534.222.2
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОНИТОРИНГА РЫБНЫХ ЗАПАСОВ И СПОСОБЫ РАБОТЫ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ РЫБОПОИСКОВЫХ СРЕДСТВ
П.А. Стародубцев; В.В. Карасев, Дальрыбвтуз, Владивосток
В статье представлен анализ технических возможностей современных высокочастотных эхолотов для обнаружения рыбных скоплений (РС). Определена их целевая неперспективность для решения задачи широкомасштабного мониторинга морских биоресурсов на протяженных морских акваториях. Приведены основные принципы формирования РС и возможность их обнаружения с использованием бистатической локации. Показаны результаты экспериментальных исследований, полученных в рамках проекта по изучению новых технологий широкомасштабного обнаружения РС Николсом Макрисом из Северо-Восточного университета США, и их теоретические пояснения.
В рыбном промысле возможны случаи как недолова возможного количества рыбных запасов, так и их перелова. Это объясняется безответственностью человечества при освоении запасов Мирового океана и несовершенством технологии контроля наличия данных о развитии рыбных запасов. Именно эти факторы привели к практически полному уничтожению мирового стада китов, значительному уничтожению тихоокеанской сельди и баренцево-морской трески [1].
При наличие высокоорганизованных и развитых технологий и 1 технических средств в настоящее время не разработаны эффективные инженерные технологии и средства мониторинга рыбных запасов в масштабах как Мирового океана, так и отдельных морей и регионов. Это приводит к необоснованному определению и распределению квот вылова РС, а также к неточному определению сроков наполнения рыбными запасами разрешенных районов лова, а это, в свою очередь, к значительным экономическим потерям рыболовецкого флота и перерабатывающих предприятий.
Академик В.В. Шулейкин показал [2], что перемещение рыбных скоплений разных размеров происходит с определенной для них скоростью, которая зависит от плотности рыб в РС и его размеров. Для устойчивости РС рыбы должны удерживать определенные расстояния, зависящие от скорости. Для уменьшения
гидродинамических сил рыбы занимают определенное положение относительно друг друга подобно тому, как занимают положение журавли в клине. В свою очередь, расстояние между рыбами -параметр, определенный размером рыб и их скоростью. Это устанавливает свойство РС как акустической системы. Оно [3], с этой точки зрения, является объемной дифракционной решеткой, а расстояние между рыбами устанавливает период для какой-то частоты. Так как Рс в течение суток [4] мигрируют по глубине, поднимаясь к поверхности ночью и днем опускаясь на глубины, то резонансная частота рассеяния на таком возмущении водной среды изменяется в соответствии с [3]
где р - плотность воды; Р - давление на горизонте нахождения РС (отдельных рыб); у = Пр / п¥ = 1/4 - отношение удельных
теплоемкостей газа в пузыре; ц - модуль сдвига окружающих пузырь тканей, Иср - радиус сферы, равной по объёму полости пузыря. В качестве природных аналогов для дальнейших биофизических и биотехнических разработок можно использовать ряд стереотипов поведения гидробионтов.
Еще Токарев А.К. в 1958 г. обратил внимание на тот факт, что жизненно важные биологические акты сельдей сопровождаются характерными звуками. Он сделал предположение, что благодаря этим звукам нагульная сельдь, рассеивающаяся вдоль поверхности в вечерние часы и скапливающаяся у дна в утренние часы, сохраняет свои сформировавшиеся скопления по возрастному и размерному принципам. Эти вертикальные 2перемещения сельди сопровождаются выбросом струй газа. В вечерние часы, поднимаясь из глубины к поверхности плотным образованием в виде «столба», сельдь рассыпается вдоль поверхности для кормления, затем в предутренние часы, снова концентрируясь, она уходит на глубину. Сельдевые относятся к планктоноядным рыбам. Данный фрагмент поведения связан с устойчивыми пищевыми мотивациями. В летний период нагула сельди ее вертикальные перемещения связаны с вечерним подъемом планктона к поверхности воды и предутренним уходом на глубину.
На рис. 1 приведены графики изменения резонансных частот с глубиной для рыб L = 30 см, из чего видно, что частота возрастает с
1_____ 3 уР + 4^
Яар У Р
глубиной. Спектр искаженного РС просветного сигнала (ПС) условно можно разделить на три характерных области.
Средние спектры шумов в глубоком море:
1. Волнение моря менее 6 баллов.
2. Волнение моря более 6 баллов.
3. Спектр искаженного зыбью сигнала.
Ре, кГц 2
1.6
1
0,6
О 200 400 600 800 Ь, м
СО
Зависимость резонансной частоты пузыря рыбы от глубины погружения
Рис. 1. Г рафики изменения резонансных частот с глубиной для рыб А. = 30 см
Область высоких частот находится на нижнем пределе, когда длина волны становится равной размерам рассеивателей, а при дальнейшем увеличении частоты Л<< Яср, Л<б, Я<Л. При этом РС
как акустическая система приобретает свойство гетерогенной. Сопротивление такой системы несколько увеличивается за счет дифракции на рассеивателях и поглощения ими энергии колебания.
На рис. 1 начало области высоких частот обозначено Рв, в которой усиливается слой спектра. Измерив эту частоту, можно определить размеры рассеивателя, а следовательно, и размеры рыб в РС.
Область средних частот: длина волны меньше расстояния между рассеивателями, размеры пузырей меньше длины волны, геометрические размеры РС превышают длину волны, т.е. Л<< Яср,
Л> Иср, 2<б, 2<Л. При этом РС представляется плоской или
объёмной решёткой. Эффект затенения на средних частотах меньше, чем на резонансе. Строгое математическое решение задачи дифракции в такой структуре крайне затруднительно, особенно если условия соответствуют дифракции Френкеля. При средних частотах происходят огибания рассеивателей и образование тах и т'т флуктуаций просветных сигналов, когда по измеренной частоте флуктуаций можно определить период дифракций решетки б.
Область низких частот: Л> Иср, Я<б, Л<Л, длина волны
больше радиуса рассеивателя или расстояния между рассеивателями, но меньше горизонтальных размеров РС. Начинается область низких частот с резонансной частоты рыбного пузыря. Верхним пределом является частота, величина которой пропорциональна концентрации воздушных пузырей или других рассеивателей и их пространственной плотности. На рис. 1 эта частота обозначена как Рот- Далее приведен коэффициент пропорциональности 0 = Гот /Г0 для рыб размером 30
см. По характерным точкам Ро и Рот, изменявшимся в процессе затенения спектра поверхностных шумов, существует возможность обнаружения РС и определения резонансной частоты, а следовательно, размеров рыб и пространственной плотности косяка. В этих условиях Рс представляет собой объект площадью (Л х в) и неопределенную галогенную среду с большим акустическим сопротивлением. Величина затенения определяется соотношением горизонтальной площади сечения ДН и его горизонтальной площадью в этом секторе.
Для контроля хода РС на миграционных путях (на нерест, нагул, к местам зимовки), учета накопления традиционных районов промысла можно и нужно использовать сплошные линии обнаружителей. Обнаружение наиболее эффективно на низких частотах, где спад может составлять до 10 дБ, если площадь РС в пространстве диаграммы направленности (ДН) вблизи поверхности составляет 10 м2. На больших глубинах данный эффект больше.
Достаточно интересным для обнаружения РС [4-5] является способ Павлова Ю.К. «Определение параметров рыбных скоплений в воде». Это изобретение относится к гидроакустике, в частности, к определению параметров рыбных скоплений с помощью гидроакустических сигналов. Целью изобретения является получение дополнительной информации о параметрах рыбных скоплений по
результатам ослабления просветного сигнала при прохождении РС между излучателем и приемником. Затеняющий РС в горизонтальной плоскости представляет собой дифференциальную решетку с изменяющимися в определенных пределах параметрами, а именно расстоянием между рыбами в боковом ракурсе и их толщиной, а также с расстоянием между рыбами по линии движения и их длиной. В результате явления дифракции на решетке будут усилены составляющие спектра на тех частотах, для которых длина волны меньше расстояния между рыбами и ослаблены более низкие частоты. Амплитуда спектральных составляющих в полосах спектра гребенчатого фильтра 5 (рис. 2) фокусируются анализатором спектра 6.
излучатель
приёмник
Рис. 2. Общая схема способа Павлова Ю.К. [4]
При обнаружении РС анализируют изменения различных частот спектра сигнала и судят о величинах отдельных особей и расстояний между ними. Для работы такой упрощенной системы из отдельных приемников формируют линии необходимой протяженности на пути миграции РС, в которой приёмник - многоэлементный, полоса приёма
и, 20-200 кГц, усилитель 2 - широкополосный [6].
Исследователи США нашли новый способ освещения подводного пространства океана, который может помочь окончательно определять, сжимаются ли РС. Разработанная профессором прикладной механики Николсом Макрисом в Северо-Восточном университете и Военно-морской научно-исследовательской лаборатории система удалённых датчиков позволяет ученым отслеживать огромные популяции рыбы, небольшие скопления, а также мелкие косяки на площади более 10000 км2. Это значительное усовершенствование технологии добычи рыбы [7], которая в данное время даёт возможность обнаружения РС на площади около 100 км2. Новая система удалённых датчиков, описанная 3 февраля 2006 г. в научном бюллетене, поможет правительственным агентствам упорядочить разведку рыбных запасов (рис. 3).
Мировые запасы рыбы истощаются, и эта проблема усугубляется неточным учётом лова рыбы и её запасов. Одна из причин неточного учета - это непрозрачность океанской толщи.
Рис. 3. Испытания системы OAWRS в 2003 г. [8-9]
Существующие методы освещения сильно зависимы от различных ограничений, потому что получены они на тихоходных исследовательских судах, обеспечивающих малое количество данных только о больших скоплениях рыбы. Это похоже на способ «Касабланка», так как можно увидеть всего одну отметку, которая движется поперек экрана.
Невозможно определить форму того, что движется под водой, так как это происходит слишком медленно. И новые, и старые способы предполагают звуковую локацию [8-9], с помощью которой определяется местонахождение РС (рис. 4). Существующая техника использует высокочастотные звуковые волны, которые рассеиваются в океане подобно свету от прожектора, направленного в затемненное место. Напротив, новая система использует низкую звуковую частоту, которая может пройти большие расстояния и возвращаться с нужной 05 информацией при значительно меньшем интенсивном сигнале.
Этот способ эффективнее исследует обширные площади океана, приблизительно в миллион раз больше чем те, что могли быть изучены старыми способами. Изображения РС могут быть обновлены каждую минуту, давая возможность непрерывно контролировать малые скопления рыбы, поскольку они могут изменяться в размере и форме через какое-то время.
Макрис также отметил, что рыбы часто собираются в РС в форме песочных часов с тонким «мостом», соединяющим два конца. Исследователи также заметили, что формы, отмеченные в маленьком масштабе, проявляются и в больших масштабах -десятки метров против десятков километров - фрактальные модели. Плотность населения модели может быть средством связи. Ученые
7
наблюдали волны плотности, которые распространяются быстро через РС. Макрис отметил, что в этой ситуации информация очень быстро передаётся с этими волнами.
35 і
301
25
Рыбное скопление (макрель)
201
§ 151
О
(О
о 5
Ьш
ч-
0)
О
«
Q
/ ;9У
/80 m
-15
100 m
'120 ш
-201
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15
Distance from source (km)
20
25
30
Рис. 4. Результаты обнаружения рыбных скоплений и их пространственное перемещение [8-9]
Библиографический список
1. Загадка природы или чья-то халатность? Две версии одного экологического происшествия // Советский Сахалин. 2000. 11 февр.
2. Большая Российская энциклопедия, М., 2001.
3. Кузнецов Ю.А. Некоторые вопросы промысловой биоакустики // Рыб. хоз-во. М. 1971. № 9.
4. Стародубцев П.А. Двухсторонний «просветный» метод гидролокации в решении задач томографии морских акваторий // Акустика океана: Сб. докл. 9-й науч. школы-семинара академика Л.М. Бреховских, совмещенной с 12-й сессией РАО. М.: ГЕОС, 2002. С. 370-378.
5. Шевченко Е.В. Фазовая скорость просветного сигнала и физические основы ее изменения на неоднородностях морской среды и сформированных рыбных косяках // Научные труды Дальрыбвтуза. Владивосток: Дальрыбвтуз, 2006. Вып. 16. С. 21-25.
6. Андреева И.Б. и др. О вертикальной структуре акустических характеристик звукорассеивающих слоев океана // Акустический журн. 2000. Т. 47. № 5.
7. Стародубцев П.А. Измерительные технологии акустического просветного метода гидролокации в решении задач мониторинга и освоения запасов морских акваторий // Инновации в рыбопереработке: Сб. докл. региональной науч. конф. 27 июня 2003. Владивосток, 2003. С. 15-22.
8. Архипов А.Г., Седлецкая В.А. Межгодовые и сезонные
изменения численности и распределения ихтиопланктона у атлантического побережья Африки от мыса Спартель до мыса Кап -Блан // Гидробиологические исследования в бассейне Атлантического океана: Тр. АтлантНИРО. Т. 2. Морская
гидробиология. 2003. С. 48-65.
9. Физики нашли волны и фракталы в косяках рыб // По материалам: Лента.ги. 03.02.2006.
