Метод дальнего обнаружения сформированных рыбных косяков маломощными низкочастотными просветными сигналами Текст научной статьи по специальности «Физика»

2006

Известия ТИНРО

Том 146

УДК 639.2.081.7

Е.В. Шевченко, В.А. Тахтеев; П.А. Стародубцев (ТОВМИ им. С.О. Макарова, МГУ им. адм. Г.И. Невельского,

г. Владивосток)

МЕТОД ДАЛЬНЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ СФОРМИРОВАННЫХ РЫБНЫХ КОСЯКОВ МАЛОМОЩНЫМИ НИЗКОЧАСТОТНЫМИ ПРОСВЕТНЫМИ СИГНАЛАМИ

Представлены физические основы, результаты численных и натурных исследований применения низкочастотного просветного метода для дальнего обнаружения акустически слабозаметных движущихся рыбных косяков.

Shevchenko E.V., Takhteyev V.A., Starodubtsev P.A. Method for distant detection of well-formed schools of fish with low-power and low-frequency transmissive signals // Izv. TINRO. — 2006. — Vol. 146. — P. 335-342.

Physical background and results of numerical and experimental investigations are presented of the low frequency transmissive method using for distant detection of moving fish schools. These kind of schools are hard to detect by means of sonars, because increasing the distance requires substantial increase of their power, that leads to increased complexity of hydroacoustic systems and substantial disturbance of biological equilibrium. The proposed method of low-power and low-frequency transmissive signals allows to detect fish concentrations at a distance of several hundred kilometers. The method is based on the phenomenon of water perturbation around moving schools. Transmissive signal interacts with the perturbed water volume that results in phase modulation of the signal. Additional harmonics appear which could be used for detection a presence of the schools. The impacts of moving fish schools and natural turbulence of water environment in distortion of transmissive acoustic signals are modeled. Besides, results of field experiments with tonal signals at the hydroa-coustic barrier between Sakhalin and Iturup islands are analyzed. Methodology of a hydroacoustic system designing for monitoring in offshore waters and its technical parameters are discussed.

Вопросам дальнего обнаружения акустически слабозаметных неоднородно-стей морской среды (НМС), возникших в результате воздействия на нее искусственных объектов и природных явлений, уделялось ранее и уделяется в настоящее время огромное внимание. В 70-80-е гг. прошлого столетия специалистами в области подводной гидроакустики было высказано предположение о возможности применения для обнаружения НМС параметрических просветных акустических методов с формированием в спектре сигнала дополнительных комбинационных частот суммарной и разностной частоты. Большой объем научных исследований по параметрической акустике Мирового океана с целью обнаружения его биологических запасов был проведен Институтом прикладной физики РАН, Акустическим институтом имени академика Н.Н. Андреева РАН, Институтом общей физики имени А.М. Прохорова РАН (Стародубцев, 2004, 2005).

Но практическая реализация идеи создания параметрических, а затем и других вариантов просветного метода гидролокации прошла на гидроакустическом полигоне (г. Владивосток). Она отрабатывалась при проведении морских экспедиций ВМФ, с использованием специального оборудования экспедиционных судов, а также береговых шумопеленгаторных станций в период с 1980 по 1990-е гг. Обширных научных публикаций по этим разработкам не было (Стародубцев, 2005). И только в настоящее время, в связи с проблемой уменьшения рыбных запасов Мирового океана, малыми поисковыми дальностями рыбопромысловой эхолокации, экологической небезопасностью интенсивной гидролокации двойного назначения, а также с достаточно низкой эффективностью формирования комбинационных частот в классических параметрических методах, снова обратились к задаче развития методов дальнего обнаружения НМС, и в первую очередь рыбных косяков (РК).

Представленные в статье новые технические решения и метод дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных движущихся РК с использованием маломощных низкочастотных просветных сигналов являются новым этапом развития просветных методов в рыбопромысловой гидроакустике.

Он структурно базируется на следующих физических явлениях (Стародубцев, Бахарев, 1996):

— в процессе движения и колебания всей массы РК возникает возмущенная область как результат гидродинамического воздействия ее на водную среду, с появлением горизонтальных и вертикальных внутренних волн (как следствие прогиба слоев водной среды) и волны сопровождения (как последствия прилипания и смещения разных по плотности слоев водной среды вокруг РК);

— широкомасштабное интенсивное нелинейное взаимодействие и параметрическое преобразование просветных сигналов возмущенной областью, созданной движущимся РК;

— изменение фазовой скорости просветного сигнала и его фазовой модуляции с появлением в спектре низкочастотного просветного сигнала сдвинутых относительно исходного спектра дополнительных гармоник суммарной и разностной частоты с двумя, четырьмя и более знаками, как результат нелинейного взаимодействия просветного сигнала с возмущенной областью, созданной движущимся РК.

В стае отдельная рыба занимает строго установленное положение, что определяется законами гидродинамики. При этом каждая стая представляет собой совокупность маленьких формирований, состоящих из 4-5 рыб. Эти формирования занимают положение, соответствующее узлам тетраэдрической решетки, когда количество ближайших соседей равно четырем, что обеспечивает наиболее плотную "упаковку" рыб движущегося РК, причем границы отдельного РК и геометрические размеры в движении резко обозначены.

Для примера, в Охотском море миграция кеты в северном направлении не ограничена прибрежными водами, а охватывает все пространство открытого моря. При этом сформировавшийся РК кеты, по данным многолетних наблюдений, передвигаясь как единое целое, часто имеет вид капли (шара) с большей диагональю от сотен метров до нескольких километров и непрерывно извивающейся в конце лентой в вертикальной плоскости и может состоять из отдельных стай. Если форма сформированного РК меняется, то возникают гидродинамические силы, действующие так, что форма РК станет такой, при которой внешние воздействия станут минимальными.

Если отдельную особь рыбы представить, например, как один из элементов конденсатора, то между ними будут действовать пондемонторные силы по аналогии с действующими между протяженными заряженными телами. Электричес-

кая сила, отнесенная к единице площади АБ с поверхностной плотностью а, в данном случае будет равна:

f = а(Е1 + Е2)/2, (1)

где Е1 и Е2 — векторы напряженности электрического поля с разных сторон заряженной плоскости.

Даже если от такого сформированного РК отобьется отдельная рыба, то пондемонторные силы втянут беглянку в "каплю", подобно тому как движущееся в жидкости или газе тело больших размеров притягивает к себе более мелкие тела. Рыбы при работе плавниками, когда движутся в воде с обычной для себя "крейсерской" скоростью, "пользуются" числом Струхаля из "пикового диапазона" 0,2 < БН < 0,4, которое характеризует одинаковость протекания процессов во времени:

и = т1/и, (2)

где и — характерная скорость течения, I — характерный линейный размер рыбы, t — характерный для нестационарного движения промежуток времени, т — характерная частота (иногда через БН обозначают обратную величину Ш/1).

"Крейсерская" скорость, выработанная в процессе эволюции, лежит в диапазоне, приблизительно равном 20-30 км/ч. Существуют некоторые оптимальные параметры, например у меч-рыбы, позволяющие достичь максимально возможной скорости плавания до 140 км/ч. Мелкие рыбы более выносливы к частым колебаниям, сокращениям всех групп мышц, ответственных за движение, чем крупные. Максимальная частота пропульсивных (двигательных) движений рыб в воде составляет 10X30 Гц. Это и есть частота максимальных спринтерских скоростей плавания рыб.

При этом необходимо отметить, что сила сопротивления воды пропорциональна площади поперечного сечения и квадрату скорости плавания рыбы, а значит, затрачиваемая при движении рыбы мощность прямо пропорциональна кубу скорости плавания (¥^ав). С другой стороны, эта мощность пропорциональна массе рыбы или ее объему. Силу сопротивления воды движущемуся телу рыбы можно измерить экспериментально или рассчитать по формуле:

Я = С - S - р-V2/ 2, (3)

где Я — сила сопротивления (воды), С — безразмерный коэффициент сопротивления (определяется опытным путем), Б — площадь поверхности или площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную к направлению движения, м2, р — плотность воды, кг/м3, V — скорость потока относительно тела, м/с.

В процессе движения и колебания всей массы РК возникает, как было ранее отмечено, возмущенная область, где наибольший интерес представляет волна сопровождения. Физической основой данной волны условно называют перемещение деформаций, созданных гидродинамикой окружающей водной среды. Условность заключается в том, что деформация водной среды является несамостоятельной (неотделимой) частью достаточно устойчивой совокупности смещений частиц пограничного слоя воды вокруг каплевидной формы РК и его продолжения, а также в том, что вызвавший волну процесс в дальнейшем перемещается внутри этой волны вследствие создаваемой ею (самостоятельно или вместе с другими деформациями) неоднородности среды и сам как бы сопровождает ее (Кирегтап, 1998).

Специфика перемещения волн сопровождения приводит к достаточно сложному возникновению других деформаций водной среды: от простой непропорциональности искривления их траекторий в вертикальной плоскости до достаточно сложной "интерференции" пространственных распределений совместных траекторий с другими волнами, возникающими в результате гидродинамического воз-

действия колебательных процессов от поверхностного волнения, приливов, отливов и нагонов воды из открытого океана.

Суммарный результат воздействия внутренних волн, волны сопровождения, поверхностного волнения, приливов, отливов и нагонов воды из открытого океана настолько велик, что приводит к заметному затуханию просветного акустического сигнала. Сильное поглощение сопровождается дисперсией, когда фазовая скорость распространения звуковой волны становится функцией частоты звука.

Для пояснения данного рассуждения рассмотрим систему уравнений На-вье—Стокса для вязкой теплопроводящей среды, с помощью которых можно рассматривать указанные взаимодействия с учетом скорости частиц V ( г, t), плотности р (г, ?), давления Р ( г, ?), а также тепловых параметров среды, энтропии £ (г, t) и температуры Т ( г, £).

Р др

I + V*

=-VP+nAv+

f п Л

% + — grad (di vv); (4)

3

/

+ div(pv) = 0; (5)

dt

P=P(p, S, T), (6)

где — сдвиговая и объемная вязкости.

Из анализа этих уравнений следует, что изменения в среде (возмущения от движения сформированного РК, поверхностного волнения, приливов, отливов и нагонов воды из открытого океана), описанные в уравнении Невье—Стокса (6), неизбежно приведут к изменению уравнения состояния водной среды (4), которое, в свою очередь, вызовет изменение фазовой скорости распространения просвет-ных сигналов в водной среде. А такой энергоемкий параметр, как упругость среды, выраженный через фазовую скорость, приводит к генерации широкого спектра акустических колебаний в морской среде, т.е. к параметрической генерации упругих волн через изменения скорости звука или состояния водной среды.

Именно эта локально изменяющаяся во времени область может являться:

— параметрическим излучателем упругих волн;

— областью, на которой рассеиваются или возбуждаются гармоники упругих волн, пересекающиеся с возмущенной областью;

— генератором акустических волн, которые создают другую структуру среды с наличием в ней пузырьковой фазы.

Это в конечном счете приводит к появлению в спектре малой интенсивности низкочастотного просветного сигнала большого количества дополнительных спектральных компонент путем фазовой модуляции просветного сигнала более высокочастотными изменениями стратификации водной среды от возмущенной области, созданной результатами ее воздействия на водную среду.

При фазовой модуляции индекс m пропорционален амплитуде высокочастотного сигнала независимо от его частоты. Как следствие этого, девиация частоты при фазовой модуляции линейно увеличивается с ростом частоты, а когда m << l, в спектре сигнала с фазовой модуляцией содержатся несущее колебание и две боковые составляющие (верхняя и нижняя) на частотах (Qq +Q и (Oq — Q.

P(t) - P0(l — У2 m2 sin2 ü.t)cos O01 — P0(m sin ü.t — ^m3 sin3 ü.t)sin o0t, (7)

2

где ©о — значение несущей частоты просветного сигнала; О — значения частот модулирующих сигналов; Ро — исходная мощность низкочастотного просветного сигнала; Р(V) — мощность сигнала на приемном устройстве.

338

Для проверки разработанных физических основ предложенного просветно-го метода было проведено численное моделирование и проанализированы имеющиеся результаты натурных экспериментов на гидроакустической барьерной линии о. Сахалин — о. Итуруп.

1-й этап: моделирование процесса воздействия извивающегося в вертикальной плоскости лентообразного движения сформированного РК на водную среду.

Данный процесс моделировался на основе прогиба упругой прямоугольной изотропной пластины с одной степенью свободы в вертикальной плоскости при действии на нее знакопеременной нагрузки. Основные результаты приведены на рис. 1, где представлены следующие зависимости: ~№тах — сплошная кривая, максимальный Ляпуновский показатель ^СЕ) — пунктирная кривая, шкала, характеризующая характер колебаний рассматриваемой интеграционной системы, частота (Ор соответствует собственной частоте системы (2-20 Гц). На рис. 1 имеются интервалы значений параметра Ор, соответствующие регулярным колебаниям (синхронизация колебаний системы с частотой внешней силы 0 р, а также колебания на частотах 0 р/2 и Юр Между областями синхронизированных колебаний лежат интервалы значений параметра, в пределах которых колебания являются хаотическими, хотя имеются вкрапления периодических колебаний.

4

3,5 3

2,5 2

1,5 1

0,5 0

-0,5 -1

-1,5'

20

Рис. 1. Основные результаты численного эксперимента Fig. 1. The main findings of numeric experiment

Также имеются области перехода от гармонических колебаний к хаотическим — зоны бифуркаций Хопфа. Вкрапления гармонических колебаний в зоны хаоса четко отслеживаются на графике максимального Ляпуновского показателя (меняет знак с плюса на минус).

2-й этап: моделирование процесса влияния среды распространения на параметры просветных акустических сигналов при проведении численного моделирования на протяженной трассе "о. Сахалин — о. Итуруп".

Поверхностное волнение представляет собой суперпозицию ветрового волнения, обусловленного ветром на данной акватории (с масштабами А ~ 100 км) и океанической зыбью, приходящей из отдаленных штормовых районов и поэтому слабо коррелирующей с локальными параметрами ветра. Из усредненных по шести часовым реализациям текущих спектров сигнала было видно, что однократно рассеянная компонента, сосредоточенная вблизи /шах порядка 0,1 Гц (относительно значения частоты излучения), доминирует над двукратно рассеянной

компонентой. В качестве основных характеристик модельного спектра S(f) были рассмотрены (кроме его качественного вида) коэффициент асимметрии спектра, определяемый отношением максимумов, соответствующих положительным и отрицательным частотам, и интегральная энергия однократно рассеянной компоненты спектра.

На рис. 2 приведены нормированные спектры высокочастотной компоненты просветного сигнала при рассеянии на зыби с параметрами AS = 1 м, TS = 10 c и

различными углами распространения aS. Здесь и далее AS =<Zl >/2. Видно, что

спектр является узким и повторяет форму частотного спектра зыби. При a = ^

спектр симметричен, при a = 0 и а = к для коэффициента асимметрии K имеем значение 4,0 и 0,25.

Рис. 2. Нормированные спектры высокочастотной компоненты просветного акустического сигнала при рассеянии: А — на зыби поверхности моря, Б — при ветровом волнении

Fig. 2. Normalized spectra of high frequency components of luminal acoustic signal at the dispersion: А — choppy sea, Б — breeze roughness

3-й этап: анализ результатов натурных экспериментов с тональными сигналами на гидроакустической барьерной линии о. Сахалин — о. Итуруп.

В экспериментах с тональными сигналами вклады двух компонент проявляются в спектре: отраженная компонента формирует узкий высокий пик на несущей частоте, а другая — остальную часть спектра. Отраженная компонента содержит в себе и переизлученную компоненту как результат прохождения низкочастотного просветного сигнала через возмущенную область от движения сформированного РК.

Ширина центрального пика определяется характерными временными масштабами изменения объемных неоднородностей среды (в том числе и РК) и составляет несколько герц. Результаты экспериментов показывают, что низкочастотная часть центрального пика переносит существенную часть энергии принимаемого сигнала, иногда более 70 %. При этом ширина рассеянной компоненты совпадает с шириной спектра поверхностного волнения, имеет конечную ширину и составляет несколько десятых долей герц. Вклад этой компоненты можно рассматривать как некую шумовую добавку. Важный момент заключается в том, что эта "шумовая" компонента импульсного сигнала не будет сжиматься при корреляции с репликой и, следовательно, окажется "размазанной"

по всей длительности исходного импульса. Приведенное на рис. 3 сопоставление сжатых импульсов, зарегистрированных на глубокий гидрофон, свидетельствует об устойчивом разрешении нескольких приходов в начальной части импульса.

1,0 0,9 -

Рис. 3. Временная структура сжатых импульсов сигналов с шириной полосы 10 Гц и манипуляцией фазы на П: сигнал с гидрофона: 1 — с мелкого, 2 — с глубокого

Fig. 3. Temporal structure of compressed signal pulse with the band width of 10 hertz and phase manipulation at П: signal from hydrophone: 1 — shallow position, 2 — deep position

4

о

►я" so о я и s о я d> s-д

5

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,5 1,5 2,5

Время, с

Опыт аналогичных расчетов в других волноводах, в которых скорость звука ниже оси растет с глубиной по линейному закону, показывает, что максимумы в начальной части принятого сигнала обычно формируются вкладами крутых лучей, точки заворота которых находятся далеко от оси канала. Максимум в конце сигнала, наоборот, обычно формируется приосевыми лучами по глубинам, где и находятся РК.

Для обнаружения РК в составе такой гидроакустической системы предлагается использовать технические средства активного зондирования в широком диапазоне длины волны, а также визуальное наблюдение. С учетом этого тактико-технические характеристики гидроакустической системы подводного наблюдения следующие (Мироненко и др., 1986).

1. Система обнаружения содержит разнесенные на противоположные границы контролируемой акватории высокочастотные (низкочастотные) излучающие и приемные тракты, формирующие протяженную низкочастотную гидроакустическую барьерную линию (ГАБЛ) или круговую высокочастотную для небольших бухт или проливных зон. В таком варианте ГАБЛ решает задачу определения факта присутствия биологических объектов в районе, высокочастотная система — определения их пространственного местоположения.

2. Конструктивные особенности излучающих и приемных трактов обеспечивают их постоянную и длительную работу на глубинах от 150 до 2500 м в различных гидрологических и метеорологических условиях.

3. Излучающий тракт системы обнаружения исполняется в вариантах:

— стационарном — стационарные излучающие системы (ГАБЛ "о. Сахалин — о. Итуруп") и донные акустические станции;

— дрейфующем — с использованием активных радиогидроакустических буев. Все варианты комплектации излучающего тракта обеспечивают двухстороннюю локацию водного пространства акватории.

4. Излучающий тракт системы формирует малой интенсивности низкочастотные гармонические и сложные просветные сигналы в диапазоне частот 150...400 Гц с уровнем звукового давления, способным обеспечивать отношение сигнал/помеха не менее 10.15 дБ в полосе 1 Гц, а также высокочастотные — в

диапазоне частот от 2,3 до 3,0 кГц для обеспечения двухстороннего режима освещения обстановки в проливах, заливах и закрытых бухтах.

5. Излучающий тракт системы представляет собой два канала, позволяющие формировать и излучать простые и сложные сигналы.

Анализ существующей ситуации в Мировом океане показывает, что решение функциональных задач описанной системой должно осуществляться как в ближней зоне с удалением до 600 км от побережья России, так и в дальней морской зоне с удалением от побережья РФ до 15 тыс. км. Это обусловлено значительными дальностями применения предлагаемого метода и путями миграции РК.

Также необходимо отметить, что проведенная оценка эффективности работы системы показала, что площадь, освещаемая парой приемник — излучатель, равна, по критерию Ci (стоимость 1 км2 освещаемой площади в год), при предполагаемых геометрических размерах возмущения а = 30 км, протяженности просвечиваемой трассы 200 км, примерно St = 6124 км2. Данное значение освещаемой площади в несколько десятков раз превосходит все имеющие результаты эффективности существующих рыбопромысловых гидроакустических средств рыболовецких судов. Для отслеживания путей миграции сформированных РК в Охотском море с вероятностью 90 % на дистанции менее 130 км необходимое количество комплектов такой системы (комплект = 3 приемника + 2 излучателя) для района площадью Sp = 2 млн км2 составит 11 ГАБЛ.

Литература

Мироненко М.В., Клименко Н.А., Рокотов С.П. К вопросу акустического контроля размеров экранов дифракционным способом // Распространение акустических волн: Сб. докл. 4-й Дальневост. акуст. конф. — Владивосток: ДВПИ, 1986. — С. 142-144.

Стародубцев П.А. Акустическая томография в процессе обнаружения подводных объектов. — Владивосток: МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2005. — 190 с.

Стародубцев П.А. К вопросу возможности применения просветных акустических сигналов для обнаружения морских биологических объектов // Изв. ТИНРО. — 2004. — Т. 136. — С. 339-350.

Стародубцев П.А., Бахарев С.А. Параметрический приемник, как элемент модуля системы подводного наблюдения // 38-я межвуз. науч.-техн. конф.: Сб. докл. — Владивосток: ТОВВМУ, 1996. — Т. 3. — С. 7-11.

Kuperman W.A. Phase Conjugation in the ocean: Experimental Demonstration of an acoustic time-reversal mirror // JASA. — 1998. — Vol. 103(1).

Поступила в редакцию 20.06.06 г.