CC BY
33
НОВЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ НА СЛУЖБЕ РЫБОДОБЫВАЮЩЕГО ФЛОТА
Я. С. Карлик (ЦНИИ «Морфизприбор», г Санкт-Петербург),
И.В. Красников (КамчатГТУ)
В статье рассматриваются возможности повышения эффективности промысла морских гидробионтов на примере камчатского краба с использованием гидроакустических технологий. Впервые приводится информация о разрабатываемом шумопеленгаторе-крабоискателе.
In paper the possibilities of effective rise of marine hydrobionts craft, on an example of the Kamchatka crab, with usage of hydroacoustic technologies are considered. The information of a developed direct-listening crab-searching sonar system, given for the first time.
На рыбодобывающих судах в течение длительного времени используются активные гидроакустические средства промысловой разведки. В настоящее время развитие средств активной локации идет по пути совершенствования пользовательского интерфейса, создания трехмерных гидролокаторов. Современные промысловые гидроакустические средства позволяют наглядно отображать на средствах визуализации обнаруженные в пелагиали стаи рыб, образующие плотные скопления. Данные технические средства хорошо известны и получили широкое распространение.
Последнее десятилетие отмечено активным внедрением в народное хозяйство достижений военной промышленности. Использование новых акустических технологий позволяет не только обнаруживать скопления гидробионтов, но и решать ряд нетрадиционных задач:
- обеспечение сохранности орудий лова от утраты и хищения;
- регулирование поведения гидробионтов;
- обнаружение объектов промысла, не образующих плотных скоплений.
Возможности новых технологий можно проиллюстрировать на примере добычи такого ценнейшего объекта промысла, как камчатский краб.
Обеспечение сохранности орудий лова от утраты и хищения
С 1979 г. добыча краба ведется с применением ловушек. При ведении промысла ловушки объединяются в порядки. Типовой порядок ловушек состоит из: ловушек, вех, радиобуя, световых буев, кухтылей, подмаячников, подъякорных концов, хребтины, якорей, грузов, буйковых концов (рис. 1).
Световой
Количество ловушек в порядке - от 100 до 200 штук, расстояние между ловушками - 10-16,5 м. Вехи изготавливают из бамбука длиной 6 м, оснащают грузом 10-15 кг, плавучестью 100-110 Н (3-4 кухтыля полиэтиленовых диаметром 500 мм), угловым отражателем и флажком, на который наносят название судна и номер порядка. Радиобуй крепят к одному из концов порядка и используют для его поиска. Световые буи крепят по концам порядка для его обозначения и облегчения поиска в ночное время.
С одной стороны, использование крабовых ловушек сделало промысел более рациональным за счет снижения непредусмотренной промысловой смертности крабов. Ловушки позволяют отбирать
только промысловых самцов, выпуская самок и маломерных самцов неповрежденными, что повысило экологическую безопасность промысла [1]. С другой стороны, использование ловушек на промысле краба привело к возникновению экологической проблемы, связанной с систематической утратой крабовых порядков. Типовое промысловое судно (российский средний рыболовный траулер проекта 503) имеет на борту 10 порядков крабовых ловушек. Однако до 20 % орудий лова ежегодно утрачивается в процессе промысла [2].
Причиной столь значительных потерь является несовершенство используемых в настоящее время крабовых порядков. Утрата крабовых порядков обусловлена неблагоприятными гидрометеорологическими условиями промысла (дрейфующие льды, шторма, течения и т.д.), непреднамеренным повреждением снастей вследствие большой концентрации судов в промысловом районе, физическим износом орудий лова и слабой технической оснащенностью судов. В случае обрыва сигнальных вех найти немаркированный порядок практически невозможно. Потеря порядков ловушек приводит к значительному материальному ущербу.
Так, в 1995 г. на Дальнем Востоке было добыто 33 600 т краба, при этом ущерб только от потери орудий лова составил 4 200 000 И8Б. Не менее существенные потери при этом судовладелец несет также от недолова, непроизводительных затрат времени, топлива и других ресурсов, необходимых при поисковых работах [2].
Угроза экологическим системам, биологическим ресурсам рыболовства, а следовательно, продовольственной безопасности общества обусловлена тем, что промысловые концентрации крабов из года в год наблюдаются, как правило, на одних и тех же достаточно ограниченных участках акватории. Потерянные орудия лова в районах массового обитания беспозвоночных, на путях их миграций, нереста становятся «могильниками» для крабов, так как многие, попав в них, не могут самостоятельно их покинуть.
В целях уменьшения экологического вреда, причиняемого утратой крабовых порядков, приказ Госкомрыболовства РФ № 344 от 28 декабря 2000 г. в статье 7.13 предписывает: «При промысле крабов обеспечить поиск и подъем утерянных порядков, а также отдельных ловушек, с записью о принятых мерах в судовом и промысловом журналах».
Известен один из путей решения задачи надежного сохранения разведывательных и промысловых1 крабовых порядков - использование гидроакустической системы [3], представляющей две подсистемы, которые могут использоваться как совместно, так и независимо друг от друга. Основу первой из них составляет гидроакустическое устройство дистанционного отсоединения заглубленных технических средств лова (ГАРД). Основу второй подсистемы составляет радиогидроакустическое устройство контроля орудий лова (РАСКОЛ).
Устройство ГАРД выполнено в виде двух функциональных блоков: бортового, расположенного на рыбопромысловом судне, и автономного подводного (малогабаритный гидроакустический буй с механическим замком) (рис. 2).
Бортовая часть аппаратуры предназначена для формирования и излучения по гидроакустическому каналу кодированного сигнала управления. Для этого в воду на глубину не менее 10 м с борта судна опускается излучатель гидроакустических сигналов, который ненаправленно излучает серию сигналов управления.
Морская часть аппаратуры предназначена для приема сигнала управления с расстояния не менее 2-3 км от судна, его дешифрации и механического отсоединения буя от троса, прикрепленного к орудиям лова. В рабочем состоянии основной буй, имеющий в снаряженном состоянии положительную плавучесть, с необходимым запасом фала заглублен на горизонт 20-50 м от поверхности моря. В случае совпадения кода сигнала управления с кодом, установленным в ГАРД, срабатывает механический замок прибора, и буй, благодаря своей плавучести, всплывает на поверхность моря.
Устройство РАСКОЛ также выполнено в виде двух функциональных блоков: бортового и автономного морского (малогабаритный радиогидроакустический буй).
Бортовая часть аппаратуры предназначена для формирования и излучения по гидроакустическому каналу кодированного сигнала-запроса, а также приема по радиоканалу сигнала-ответа, по которому определяется расстояние между рыбопромысловым судном и устройством РАСКОЛ при удаленности 5-7 км (в зависимости от погодных условий).
Морская часть аппаратуры используется для приема по гидроакустическому каналу кодированного сигнала управления, его дешифрации и включения радиопередатчика и проблескового маяка.
В рабочем состоянии радиогидроакустический буй может находиться на поверхности моря (если
1 Разведывательный крабовый порядок отличается от промыслового меньшим количеством ловушек.
91
устройство РАСКОЛ используется самостоятельно) или заглубляться на горизонт нахождения ГАРД (при совместном использовании с устройством ГАРД).
Согласно публикациям, система отличается высокой эффективностью (технический поиск сигнального буя на поверхности моря, непрерывный контроль расстояния между судном и орудием лова и т.д.), надежностью в работе, простотой конструкции, а при ее массовом производстве -незначительной стоимостью. Ее применение позволяет повысить экологическую безопасность промысла
и эффективно решать задачу сохранения орудий лова.
Регулирование поведения гидробионтов
При использовании ловушек на уловистость краба оказывает существенное влияние качество приманки и место постановки порядка. В качестве приманки используются свежие (свежемороженые) минтай, сельдь, головы трески и палтуса. Свежемороженая рыба для приманки предварительно дефростируется. Приманка рубится на куски и помещается в специальные пеналы-контейнеры. В каждую ловушку закладывают один пенал и одну целую рыбину на специальном зажиме. При этом расход рыбы на одну ловушку составляет 600-800 г, на порядок из 200 ловушек расходуется 160-180 кг приманки. После подъема ловушек вся нажива заменяется.
Экспериментально было установлено, что наиболее эффективное время экспозиции крабового порядка составляет 20-24 часа. При большем времени нахождения в воде приманка теряет свои свойства, крабы стремятся выйти из ловушки, и многим это удается. После суточного нахождения в воде приманка перестает привлекать крабов [1]. Значительно повысить уловистость ловушек позволяет использование пищевых приманок совместно с акустической приманкой КрАП.
Акустические приманки привлекают краба путем излучения искусственного2 сигнала, имитирующего звуки питания краба. Акустические приманки выполнены в двух исполнениях [4]:
- КрАП-1 - устанавливается над ловушками на расстоянии 10-30 м, уровень звукового давления на расстоянии 1 м не менее 100 Па, радиус зоны действия до 1 000 м, повышает уловистость 1-3 крабовых порядков, состоящих из 100-120 ловушек;
- КрАПм - предназначена для установки непосредственно в ловушке, радиус зоны действия 50200 м, повышает уловистость 6-8 соседних ловушек, но снижает уловистость ловушки, в которой устанавливается, на 40-70 %.
Применение акустических приманок тем эффективнее, чем ниже концентрация крабового скопления. Крабы, находящиеся в зоне действия акустической приманки, начинают движение в направлении источника звука. По мере приближения краб оказывается в зоне действия пищевой приманки и попадает в ловушку.
2 На начальных этапах экспериментов использовались естественные сигналы, издаваемые крабами во время питания.
92
Поскольку поиск пищи крабом по запаху является ненаправленным, а на источник звука он выходит прямолинейно, то это заметно сокращает время его подхода к ловушкам, а пищевая приманка наиболее эффективна в первые часы экспозиции. Значительный радиус действия акустической приманки позволяет увеличить зону облова [4].
Однако даже при использовании высококачественных пищевых приманок в комплексе с эффективными акустическими приманками3 радиус зоны облова не превышает 1 000 м.
Эффективность промысла находится в прямой зависимости от выбора места постановки крабового порядка.
Обнаружение объектов промысла, не образующих плотных скоплений
Актуальность создания эффективного средства поиска промысловых скоплений такого важного объекта промысла, как камчатский краб, назрела давно. Значительное снижение численности популяции камчатского краба в традиционных районах промысла за последние годы диктует необходимость поиска и освоения новых, ранее не облавливаемых группировок.
Используемый в настоящее время для поиска и оценки запасов метод контрольных ловушек является малоэффективным, затратным, не дает возможности получения оперативной информации (время застоя ловушек - 1-2 суток) и сопровождается подъемом на борт молоди и самок краба. Часть непромысловых крабов гибнет, что усугубляет состояние популяции. Современные средства активной гидролокации малоэффективны при поиске крабовых скоплений.
Несмотря на относительно высокую отражающую способность краба, активные методы эхолокации не нашли применения в его разведке. Даже на высоких ультразвуковых частотах (300 кГц), где эхо-сигналы от краба наиболее интенсивны, а небольшие промысловые глубины благоприятствуют применению этих частот, эхолокация крабов не дает желаемого эффекта, так как промысловые концентрации крабов являются крайне разреженными, а это означает, что нужно непроизводительно искать одиночные экземпляры крабов узконаправленным «игольчатым» вибратором, перекрывающим при глубине 50 м полосу дна всего лишь в 3 м. Кроме того, даже при исключительно высокой разрешающей способности эхолота (0,2 м) зарегистрировать крабов можно лишь в случае, если они будут ходить на вытянутых ногах; в противном случае, а тем более при наличии донной реверберации, обнаружить крабов не удается [5].
Ввиду малой эффективности использования средства активной локации для обнаружения краба возникла необходимость биоакустических исследований с целью выяснения возможности обнаружения крабов по издаваемым ими шумам.
Подобные исследования были проведены в 1969 г. на СРТМ «Космический» в шельфовых водах восточного и западного побережий Камчатки. В районах крабового промысла проводилась запись биологических шумов в море на калиброванной аппаратуре ВНИРО - широкополосном пьезоэлектрическом гидрофоне и магнитофоне УХЕР с равномерной полосой пропускания от 50 до 20 000 Гц. Результаты проведенных исследований изложены в работах [6-8]. Данные публикации подтверждают излучение крабами акустических сигналов. В процессе экспериментов, проведенных в Камчатском заливе и Охотском море, наблюдались взрывоподобные шумы широкого спектра частот, носящие регулярный характер. Уровень звукового давления таких «взрывных волн» круто нарастает, а затем быстро спадает до уровня фоновых шумов моря. Длительность и уровни звукового давления взрывных волн различны. Наиболее длительные (6,5 с) сигналы записаны в Камчатском заливе. Уровень звукового давления в точке приема зависел от расстояния до шумоизлучающих объектов и во многих случаях превышал уровень шумов моря на 20-30 дБ. Столь интенсивные и к тому же регулярные биологические шумы представляют большой интерес для использования их в промысловой разведке. При этом дальность может достигать 1 км [6, 8].
В итоге тщательных систематических наблюдений, проведенных в различное время суток, удалось установить, что взрывные волны представляют собой совокупность довольно разнообразных импульсных звуков, издаваемых крабами, и суммируются из сигналов многочисленных особей, вступающих в «хор» одновременно. В тех же районах моря были записаны и высокочастотные шумовые вспышки, которые также излучаются крабами. Высокочастотные «вспышки» являются лишь составной частью «взрывных волн». Последние часто сопровождаются многочисленными потрескиваниями длительностью 1 мс. Крабы издают также певуче-скрипучие звуки, рокотание, звонкие импульсы
и низкочастотные пульсации. Е.Н. Шишкова производит систематизацию шумов камчатского краба [5].
Еще один важный вывод получен в результате проведения этих работ: «Кроме камчатского краба, акустически активными являются также и другие виды крабов, в частности краб-стригун СЫопоесе1е8 орШо (БаЬйс^) и волосатые крабы семейства Л1е1есусШае: пятиугольный Те1ше88ш cheiragonus
3 Акустические приманки еще не получили широкого распространения и недоступны для большинства судовладельцев.
93
(Tilestus) и четырехугольный Erimacrus isenbectil (Brandt). У этих крабов, обитающих в дальневосточных морях, наблюдались в аквариальных и полунатурных условиях характерные звуки: импульсы хруста, скрежетание, щелчки, звонкие импульсы, трели широкого спектра частот. Сигналы различались по длительности от 4 до 300 мс. Общий спектр частот от 30 до l0 240 Гц» [З].
Изучение шумов камчатского краба являлось лишь частью широкомасштабных экспериментов по изучению шумовых полей гидробионтов, проводимых в б0-70-е годы. В результате проведения систематических обследований биологических полей на Черном море было выявлено наличие регулярного шумоизлучения рыб. Проведенные во ВНИРО исследования показали возможность и эффективность пеленгования морских биошумов. В l97l г. первый промышленный образец рыбошумопеленгатора (РШП) «Чайка» устанавливается на гидроакустическом судне «Поиск» и вступает в опытную эксплуатацию.
РТТТП «Чайка» был предназначен для изучения биоакустических полей различных морских бассейнов и проработки задач, связанных с проблемой использования принципов пассивного пеленгования
с целью поиска объектов морского и океанического промысла: обнаружение и прослушивание шумов моря, определение направления на шумоизлучающие объекты, определение оптимальных диапазонов частот для разных промысловых объектов, излучающих шумы, классификация биосигналов на слух.
РТТТП «Чайка» был рассчитан для установки на научно-исследовательских и научно-промысловых судах типа БМРТ, СРТМ. РТТТП «Чайка» обеспечивал одновременный обзор подводных шумов в пределах 3б0° в режиме «Обзор» и определение угла места в пределах 0-90° вертикальной плоскости в любом из четырех квадрантов. В РТТТП «Чайка» были применены 4 акустических приемника, ориентированных по направлениям: нос, корма, правый борт, левый борт. Пятый приемник был ориентирован в сторону дна и предназначался совместно с указанными четырьмя гидрофонами для определения угла места. Определение пеленга и угла места на источник шумоизлучения осуществлялось со средней погрешностью не более l0° в диапазоне частот 4-30 кГц. Пятиканальная система усиления РШП имела усиление S0 дБ. Рыбопеленгатор имел также звуковую индикацию. Усилитель прослушивания мог быть подключен к любому их пяти каналов в двух режимах: без преобразования частоты в диапазоне 0-30 кГц и с преобразованием частоты в диапазоне 10-30 кГц. Электронная аппаратура РШП «Чайка» имела шесть рабочих диапазонов частот: обзорный и пять частотных диапазонов, выбранных соответственно частотным спектрам акустически активных морских гидробионтов (табл. l).
Пеленгование в РШП «Чайка» обеспечивалось в диапазоне от 4 до 30 кГц. Прослушивать биошумы можно было также через глубоководный (до 100 м) гидрофон, входящий в РШП «Чайка». Чувствительность приемников акустической антенны на частоте 4 кГц была не менее З (мкВ-см2)/дин [S].
Таблица 1
Номер диапазона Частота [кГц] Объект пеленгования
1 0,1 - 0,ЗЗ Рыбы горбылевые и др.
2 2 - З ,З 0, Рыбы лососевые, тунцы
3 2 - б Тунцы, крабы
4 2 - 1б Крабы, креветки
З 1б - 30 Креветки, китообразные
б 0,1 - 30 Обзорный диапазон
В результате биологических исследований было установлено, что обнаружение промысловых скоплений крабов по издаваемым ими шумам не только принципиально возможно, но и является наиболее эффективным методом. Однако по ряду объективных причин шумопеленгаторы «Чайка» не получают дальнейшего развития и на промысловых судах не устанавливаются. И лишь в настоящее время уровень развития элементной базы, научной мысли и достижения военной гидроакустики создали объективные предпосылки для разработки отечественного конкурентоспособного шумопеленгатора-крабоискателя.
Предлагаемый шумопеленгатор-крабоискатель имеет оригинальную мультипликативную приемную антенну с веером диаграмм направленности. Использование данного подхода дает возможность существенно снизить влияние посторонних шумов за счет использования острой диаграммы направленности и обеспечить надежный прием полезного сигнала в заданном диапазоне частот при поисковой скорости до 6 узлов. Использование веера диаграмм направленности, ориентированного в плоскости мидель-шпангоута под углами ±45° от нормали, дает возможность обеспечить значительную ширину обследуемой полосы (160 м на глубине 60 м). Приемная антенна закрепляется на выносной штанге в районе форштевня или вдоль борта. Габариты приемной антенны 97,5 х 97,5 см.
В отличие от РШП «Чайка», производительность поиска при использовании данного прибора достигается не за счет увеличения дальности обнаружения объектов при нахождении в дрейфе, а за счет производства измерений на ходу судна. Максимальная поисковая скорость 6 узлов обеспечивает производительность поиска 1,7 км2/час. Пеленгатор прослушивает шумы в узкой зоне под килем судна, это значительно повышает достоверность получаемой информации и снижает влияние посторонних акустически активных объектов. Упрощенная блок-схема шумопеленгатора-крабоискателя приведена на рис.
3.
Рис. 3
Приемная антенна состоит из 14 линейных дискретных антенн, ориентированных вдоль диаметральной плоскости судна. Каждая из антенн состоит из 14 гидрофонов и формирует вертикально ориентированную диаграмму направленности. Рассматривая далее каждую из линейных дискретных антенн как чувствительный элемент, получаем приемную антенну из 14 элементов, ориентированную перпендикулярно диаметральной плоскости судна. Полученные 14 элементов делятся на две группы (по 7 элементов), на их базе формируются два веера аддитивных характеристик направленности, сигналы с выхода которых перемножаются и усредняются по времени.
Преимущества мультипликативной обработки заключаются в возможности формирования более острых характеристик направленности (ХН). Временные задержки, необходимые для формирования разных характеристик направленности, в веере создаются с помощью цифровых регистров сдвига [9].
Полосовой фильтр обеспечивает прием сигнала:
- в широкой полосе частот 0,1-12 кГц - используется для спектральной обработки сигнала в режиме «Идентификация»;
- в рабочей полосе частот 5-10 кГц - используется для обнаружения сигнала в режиме «Работа».
В режиме «Идентификация» предусмотрено:
- автоматический и ручной варианты идентификации принятых акустических сигналов путем анализа классификационных признаков, сравнения с сигналами из базы данных;
- пополнение базы данных акустических сигналов.
Спектральный анализ сигнала позволяет осуществить видовую и размерную идентификацию обнаруженных объектов с использованием базы данных сигналов биологических объектов в автоматическом или полуавтоматическом режимах.
В режиме «Работа» производится непрерывное отображение акустической активности толщи воды под килем, включая дно в зоне действия приемной антенны на цветном мониторе. Для отображения интенсивности источника звука используются уже привычная по работе с активными промысловыми эхолотами цветовая гамма (от синего к красному). Использование цветного дисплея обеспечивает наглядность в процессе обследования района поиска и не требует специальной подготовки оператора для оценки промысловой обстановки, чего не скажешь о режиме «Идентификация». В силу того что сигналы биологических объектов носят сложный, случайный характер, выполнить распознавание объекта в автоматическом режиме не всегда представляется возможным. Для обеспечения надежной идентификации обнаруженных объектов в ручном режиме требуется опыт и специальные знания.
Закрепление антенны на выносной штанге обеспечивает возможность установки шумопеленгатора-крабоискателя на любых проектах судов без серьезных конструктивных их доработок. Рассматривается и стационарная подкильная установка приемной антенны.
Наряду с использованием шумопеленгатора-крабоискателя для решения задач промысловой разведки, его использование позволит эффективно решать задачи обнаружения немаркированных (утерянных и браконьерских) крабовых порядков (как целые порядки, так и отдельные ловушки, что для других средств поиска практически недоступно) по шумовому полю, создаваемому крабами, находящимися в ловушках.
Таким образом, использование шумопеленгатора-крабоискателя позволит:
- значительно повысить производительность поиска промысловых скоплений крабов по сравнению с существующими методами;
- получать данные о распределении краба в районе поиска в реальном масштабе времени;
- исключить гибель самцов непромысловых размеров и самок краба в процессе промысловой разведки;
- обеспечить эффективный поиск утерянных и немаркированных (браконьерских) крабовых порядков;
- снизить финансовые затраты и повысить эффективность крабового промысла.
Приведенный в данной статье материал показывает, насколько широк спектр практического
применения акустических технологий для повышения эффективности добычи гидробионтов.
Литература
1. Харичков В.К. К вопросу о добыче краба ловушками // Рыбное хозяйство.- 1969.- № 3.-С.43-45.
2. Бахарев С.А., Карлик Я.С., Красников И.В. Гидроакустические средства, обеспечивающие сохранность орудий лова от потерь и хищения // Труды VI Международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (28-31 мая 2002 г., Санкт-Петербург, Россия).- Приложение к ж-лу «Гидроакустика».- СПб.: ФГУП ЦНИИ «Морфизприбор».- 2002. - С. 321-325.
3. Гидроакустическая система для обеспечения экологической безопасности промысла / Бахарев С.А., Бондарь Л.Ф., Норинов Е.Г., Шор Ю.Л. // Рыбное хозяйство. - 2000. - № 5. - С. 35.
4. Толстоганов Л.К., Селютин А.П. Акустическая приманка на крабовом промысле // Рыбное хозяйство. - 2000. - № 6. - С. 39-40.
5. Шишкова Е.В. Физические основы промысловой гидроакустики.- М.: Пищ. пром-ость, 1977.247 с.
6. Исследование биологических шумов моря у берегов Камчатки: Отчет по теме № 21 «Рыба» и теме 3/10 КО ТИНРО. - Петропавловск-Камчатский, 1970.
7. Шишкова Е.В., Николаев А.С., СизовИ.И. Шумы камчатских крабов // Рыбное хозяйство.-1971. - № 3. - С. 22-25.
8. Шишкова Е.В. Рыбошумопеленгатор «Чайка» // Рыбное хозяйство.- 1973.- № 12.- С. 34-37.
9. УрикРобертДж. Основы гидроакустики / Пер. с англ.- Л.: Судостроение, 1978.- 448 с.
