CC BY
109
ной ошибки составила соответственно 3 % тах = 10, 14,5, 19,2; 54; 73%. Уменьшив расстройку до £ = 0,1 = 6,6 кГц), можно снизить ошибку до уровня 0,33 %. Максимальна погрешность метода при измерении производной ГВЗ составила =
= 8,9, 13,5, 19,2, 38, 60 %. Если понизить расстройку до значения £= 0,1, то ошибка при измерении ’д(®) составит всего лишь 0,25 %. Такой же порядок имеет погреш-.
, , -димой точности измерений ФЧХ, частотных зависимостей ГВЗ и производной ГВЗ. БИБИЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гаврилов А. М. Метод измерения фазочастотной характеристики акустических излучателей // Известия ТРТУ. Материалы Всероссийской научно-
технической конференции «Медицинские информационные системы МИС-2004».
. 2004.
2. . . -
стических излучателей с использованием трехчастотного сигнала // Известия ТРТУ: Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Медицинские информационные системы МИС - 2004». Таганрог. - 2004.
3. . .
- // -центра высшей школы. Естественные науки. Ростов-на-Дону, 1990. № 3. - С. 70 -73.
4. . .
// : - « -ные акустические системы НЕЛАКС - 2003». Таганрог. 2003. № 6 (35). - С. 130 -136.
5. Гаврилов А.М., Медведев В.Ю., Батрин АЖ. Автоматизация лабораторных
//
. - . . 2002. - . 82 - 87.
6. . ., . ., . .
для измерений частотных характеристик пьезоэлементов и пьезопреобразователей // Сб. трудов XIII сессии Российского акустического общества. Т.2. Акустические измерения. Аэроакустика. Геоакустика. Ультразвук. Электроакустика. - М.: 2003. -С. 6 - 10.
7. : / . . . -
Л.: Судостроение, 1984. - 256 с.
8. . ., . . . - .: , 1983. - 320 с.
ОБ АКУСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ И ОПРЕДЕЛЕНИИ ХАРАКТЕРИСТИК ДНА И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В.И. Кудрявцев
Сжатый анализ развития и современного состояния прогрессирующего в последние годы в ряде стран направления практического использования методов дистанционного акустического распознавания характеристик морского дна и других водоемов представлен с надеждой привлечения более широкого круга отечественных исследователей и разработчиков аппаратуры к работам в данной области. Нелинейная акустика и компьютерные технологии, несомненно, могут сыграть не последнюю роль как в совершенствовании методов, так и соответствующей технике. Получению более полного представления об указанном направлении использования гидроакустики может содействовать приведенная библиография последних исследований, экспериментальных работ и практических съемок по классификации характеристик дна в различных районах и условиях.
Знание природы и характера морского дна важно для всех областей деятельности человека, связанных с подводными исследованиями и работами под водой: экологические и биологические исследования, морская геология, геофизика, подводное строительство, прокладка трубопроводов, кабелей и др. Это, несомненно, относится и к промышленному рыболовству.
Рыбаки, в связи с настоятельной производственной необходимостью, пожалуй, были первыми, или, во всяком случае, одними из первых, кто стал использовать показания своих рыбопоисковых эхолотов для оценки характеристик и особенностей . ,
возможных повреждений и даже потерь их орудий рыболовства на так называемых «жестких» грунтах. Скорее опытным путем рыбаками было установлено, что при прочих равных или близких условиях продолжительность «хвостов» донного эха (тем более, что начальная часть отраженного от дна сигнала у рыбопоисковых эхолотов обычно находится в насыщении) связана или соотносится с жесткостью, или твердостью донного грунта. И что повторное эхо от дна также связано определенным образом с характером лоцируемого грунта и меньше подвержено нежелательным вариациям (колебаниям) при волнении моря. Появление в рыбопоисковых эхолотах самопишущих регистраторов, а затем и многоцветных, т.е. вначале черно-белых и далее цветных эхограмм, облегчило и расширило возможности такой визуальной оценки. Стало возможным и определение связей потенциальных мест обитания промысловых биологических объектов - донных рыб, ракообразных (большей частью не обнаруживаемых аппаратурой активной гидролокации) - с характеристиками дна .
В то же время запросы промысловиков привлекли внимание исследователей и разработчиков к данной проблеме. Результаты экспериментальных исследований позволили прийти к заключению, что комбинации информации, выделяемой из первых донных эхо-сигналов (Ej) и вторых (Е2), достаточно устойчиво соотносятся с характером и составом морского дна. В 80-х годах был разработан первый специальный процессор для распознавания дна (Burns D. R. и др., 1985), подключаемый к обычному рыбопоисковому эхолоту. Один из входов процессора соединялся с выходом блока запуска генератора эхолота, на второй вход поступали принимаемые эхо-сигналы после усиления и ВАРУ. Динамический диапазон его составлял 30 дБ. Для получения информации о характере грунта в процессоре была предусмотрена стро-, - -тельностью 35 мс (определенный по результатам экпериментов). При волнении моря « » - , -
- , ,
« », . Более твердые структуры имеют и большую вероятность быть более неровными в . -тивный режим работы, заключающийся в стробировании второго эхо. Огибающие эхо-сигналов усреднялись, по меньшей мере, по 10 циклам лоцирования и интегрировались. Интегрированию огибающих было отдало предпочтение перед интегрированием их квадрата для достижения более широкого диапазона измерения. Выход схемы интегрирования соединялся со стрелочным индикатором. В то время как стро-бирование и интегрирование второго эхо-сигнала оказывается эффективным показателем общей твердости грунта (относящимся к обеспечению сохранности орудия ), ,
« » ( -теристик поверхности дна, предпочитаемых различными видами объектов промыс-). -
( 20 ).
практического применения данного процессора ( в том числе по обеспечению воз-
можности выбора более пригодных участков для тралений даже на твердых грунтах) способствовали дальнейшему развитию указанного направления. Этому в немалой степени способствовало бурное развитие в последние десятилетия компьютерных техники и технологий, что ускорило как совершенствование акустических классифи-, .
В настоящее время основное применение имеют две акустические системы распознавания и классификации морского дна: ROXAnn фирмы Marine Microsystems Ltd. of Aberdeen, Scotland и QTC VIEW фирмы Quester Tangent of British Columbia, Canada. Обе системы выполнены в качестве дополнения к существующей и уже установленной на судне эхо-локационной аппаратуре.
Система RoxAnn (Burns D.R. и др., 1989) базируется на анализе первого и - . , , -теля, Е1 и Е2 , получаемые посредством аналогового интегрирования «хвостов» пер- - . для определения признаков акустического определения характера дна и отображения
. QTC VIEW -
нологию для выделения характеристик и особенностей лишь первого донного эхо в пределах строба - “окна”, окружающего этот эхо-сигнал, т.е. эхо-сигналы оцифровываются и затем анализируются с использованием комплекса алгоритмов, которые выделяют свыше 160 различных их признаков. Некоторые из характеристик базируются на огибающей эхо-сигналов, другие - на спектральных особенностях. Амплитуда и форма акустического сигнала, отраженного от дна, определяется, в основном, неровностями донного грунта, разностью плотности между водой и донной поверх, . широкой зоне действия эхолота ( ~150 или около этого ) форма эхо-сигнала существенно зависит от состава слоев донного грунта, так как коэффициенты рассеяния и их вариации с изменением углов падения вблизи нормального падения заметно отличаются. Частота выборок достаточно высокая для выявления “тонкой” структуры эхо-сигналов, т.е. небольших изменений характера дна. Далее применяется компонентный анализ (PCA) для группирования полученной информации до трех Q-значений, представляющих линейные комбинации характеристик, наиболее полезных для различения типов донного грунта. Точки, определенные триадами Q координат и представляющие отношения Q1, Q2 и Q3, отображаются в трехмерном пространстве для визуальной инспекции формируемых групп. Участки дна с подобными акустическими откликами образуют определенные группы - кластеры. Эхо-сигналы классифицируются с использованием их положения в Q - пространстве относительно кластеров, создаваемых на основании данных калибровки. Распределение по классам базируется на мультивариантных расстояниях между Q - значениями классифицируемых показаний и кластерами, представляющими акустические свойства выбранных типов морских донных грунтов. Данный подход к акустической классификации полагается на геологические и биологические (при наличии указанных объектов) различия в и на , . , при разработке системы принималось за основу, что подобные и близкие комбинации
- . отнести классы дна, основанные на акустических различиях, к интересующим пользователя фактическим отличиям, необходимо иметь или получить пригодные образцы донного грунта, т.е. выполнить калибровку акустической системы, а именно, соотнести акустический класс дна с его физическими характеристиками.
Следует отметить два момента, связанные с использованием системы. Так как в основу акустической классификации дна положены относительные изменения -,
цели эхолота. Важно, однако, не менять их в процессе съемки, так как изменение параметров, результирующее в изменении характера эхо-сигналов, будет влиять на
распознавание. Во-вторых, точность классификации морского дна зависит от досто-( )
.
Как указывается в работе (Collins W.T. и др.,1998), достоверность акустической классификации в отношении к типам донных грунтов зависит от несущей частоты акустических импульсов, характеристики направленности (зоны действия) акустической антенны (аппаратуры) и корректности определения типа грунта в районе калибровки. Несущая частота будет определять, какие характеристики и особенности слоев дна будут оказывать наибольшее влияние на акустический отклик. Более высокие частоты меньше проникают в дно, но обеспечивают большее разрешение, а более
- . ( ) -шей поверхности дна, что нивелирует его неоднородности. Достоверность определения истинного характера грунта непосредственно влияет на точность классификации.
Указанные системы подтвердили целесообразность их применения при решении целого ряда конкретных задач. Уже работы с первыми образцами системы RoxAnn (Burns D.R. и др., 1989) помогли определять некоторые зоны, благоприятые для обитания крабов.
В работе канадских специалистов канадской гидрографической службы (Galloway J., 2004) по результатам морских исследований с системой QTC, подключаемой к двухчастотным однолучевым эхолотам Knudsen Engineering Ltd’s 320 series и многолучевым сонарам Kongsberg Maritime’s ЕМ отмечается, что использование технологий акустической классификации позволит существенно улучшить качество получаемой ими информации и усовершенствовать картирование особенностей морско-.
.
, QTC,
научному эхолоту ЕК - 500 норвежской фирмы Симрад с частотами 38 и 120 кГц, в восточной части Берингова моря (Collins W.T. и др., 1998), показали важность применения ее в программах донного мониторинга, в том числе при оценке влияния тралений на донные субтраты, и обоснования охраняемых зон обитания ценных донных , . -пользования двухчастотной акустической донной классификации указывается в работе (Galloway J. и др., 1998), в которой приводятся результаты выполнения исследо-
Sidney - QTC
акустической системой распознавания, подключенной к эхолоту Knudsen 320 M с частотами 38 и 200 кГц. Ряд морских экспериментальных работ с положительными результатами (Preston J.M. и др., 2001) был проведен при подключении системы QTC к многолучевым сонарам, Simrad EM 3000, 1002 (75 кГц) и Reson SeaBat 8101 (240 кГц , 101 луч) в гавани Sydney, заливе Johnson (Австралия), в районе острова Ванкувер (Канада). Некоторые работы выполнены при применении системы QTC с сейсмическими источниками звука, позволяющими получать акустические отклики с более глубоких слоев дна (Bloomer S.F. и др., 2000).
, QTC -
вующим средствам активной локации в работе (Collins W.T. и др., 1998) рассматриваются основные характеристики и параметры эхо-локационной аппаратуры, влияющие на качество и достоверность акустической классификации дна с помощью ука-, -стик донных грунтов, основные требования к выбору зон для калибровки аппаратуры .
Следует остановиться также на последних работах по классификации дна в очень мелководных районах, в том числе связанных с оценкой дна при поиске зон обитания в них биологических промысловых объектов. Донная классификация в районах с глубинами менее 5м, в основном, вблизи береговой черты, нередко связана с и
с экологическим мониторингом. Как указывается в работе (Preston J.M. и др.), чтобы обеспечить качественное распознавание характеристик и особенностей дна на таких глубинах, необходимо принимать во внимание следующие 4 обстоятельства:
1) , -кую структуру донных отраженных сигналов при очень коротких в данном случае -.
2) -сом, первым и дополнительными эхо-сигналами необходимо обеспечить поступление на схемы обработки лишь необходимых эхо.
3) - -
тельными и система распознавания должна иметь очень широкий динамический диа-
.
4) -нах различаются и, если на больших глубинах компенсация может быть линейной, то при очень малых это не очевидно.
QTC , , ,
5 . ROXAnn -
циях возникают проблемы с идентификацией второго эха, положение которого зависит как от глубины, так и осадки носителя. Для визуального контроля ситуации в процессе съемки в QTC предусмотрена возможность наблюдения на Waveview дисплее серий последовательных циклов лоцирования. Натурные испытания системы показали ее полезность и надежность классификации дна до минимальной глубины
0.9 . West Galverston ( ), -
завшая явную корреляцию между типами дна со значительными популяциями устриц и полученными акустическими классами (Collins W.T. и др., 2004).
ROXAnn , -
ные траловыми досками при донном траловом промысле рыбы (Tuck I. и др., 1995). Она также дала возможность определить влияние донных тралений на донную фауну при комплексных исследованиях в Баренцевом море (Humborstad O.B. и др., 2004).
Благодаря большей оперативности и меньшим затратам по сравнению с любыми другими способами акустический метод донной классификации несомненно будет все более широко входить в практику. Если говорить о промышленном рыбо-, -гих районов промысла и мониторинга влияния траловых орудий лова на характеристики дна для оценки условий обитания донных биообъектов.
Несмотря на серьезные успехи в развитии рассмотренного направления в последние два десятилетия, применение разработанных систем для решения различных практических задач имеет скорее полуисследовательский характер, требует от пользователя большого опыта и умения в расшифровке получаемой информации для достижения качественных результатов. В определенном отношении это имеет сходство с периодом внедрения гидроакустического метода количественной оценки биоресур-, , ,
, , является просто рутинным процессом, а требует весьма квалифицированного подхода. По всей вероятности, следовало бы подумать и о создании полных специализированных компьютизированных акустических комплексов для проведения съемок ха.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Bloomer S.F., Mosher W.T., Collins W.T., Preston J.M., Rosenberger A. 2000. Subsur-
face Classification of High-resolution Seismic Data with Multivariate Statistical Techniques: Case Study from the Strait of Georgia. Oceans 2000, Rhode Island, USA.
2. Burns D. R., Queen C.B., Chivers R.C. 1985. An ultrasonic signal processor for use in
underwater acoustics. Ultrasonics 23, P.189 - 191.
3. Burns D. R., Queen C.B., Chivers R.C. 1985. Ground and fish discrimination in underwa-
ter acoustics. In Proc.Ultrasonics International 85, pp. 49-54, Butterworths Scientific, Guildford.
4. Burns D.R., Queen C.B., Sisk H., Mullarkey W., Chivers R.C. Rapid and convinient acoustic sea-bed discrimination for fisheries applications. Proc.of the Institute of Acoustics, vol.11, part 3 (1989). P.169 - 177.
5. Collins W.T., McConnaughey R.A. Acoustic Classification of the Sea Floor to Address Essential Fish Habitat and Marine Protected Area Requirements. Canadian Hydrografic Conference 98, CHS, Victoria, Canada.
6. Collins W.T., Rhinas K.P. Acoustic Seabed Classification using Echo Sounders: Operational Considerations and Strategies. Canadian Hydrografic Conference 98, CHS, Victoria, Canada.
7. Collins W.T., Ninson J. M., Kiesling R. W. 2004. Acoustic Seabed Classification for the Identification of Sensitive Very Shallow Water Habitat. Hydro International, April 2004.
8. Galloway J. Acoustic seabed classification: Integration into hydrographic survey programmes. Hydro International, April 2004.
9. Galloway J., Collins W.T, Eng P., Geo P. Dual Frequency Acoustic Classification of Seafloor Habitat using QTC VIEW. Ocean 98, Nice, France.
10. Humborstad O.B., NottestadL., Lokkeborg S., Rapp H.T. RoxAnn bottom classification system, side-scan sonar and video-sledge:spatial resolution and their use in assessing trawling impacts. ICES Journal of Marine Science, 61: 53-63, 2004.
11. Preston J.M., Christney A.C., Bloomer S.F., Beauder I.L. Seabed Classification of Multibeam Sonar Images. Ocean 2001, Honolulu, Hawaii, November 5-8, 2001.
12. Preston J.M., Collins W. T. Bottom Classification in very Shallow Water by High-Speed Data Acquisition. 2000. In Proc. Oceans, Newport.
13. Tuck I., Hall S., Reid D., Amstrong E. Identification jf benthic disturbance by fishing gear using RoxAnn. ICES Int. Symp. on Fisheries and Plankton Acoustics, 1995.
К ВОПРОСУ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТНОЙ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ ДОННЫХ ОСАДКОВ
АЛ. Куценко
Экологическое состояние водной среды внутренних водоемов в значительной мере определяется состоянием и структурой дна, а также составом донных осад, -ятий. Поэтому изучение состава донных отложений является важной задачей эколо-.
В настоящее время существуют два основных метода изучения структуры морского дна с помощью гидроакустической техники, основанных на использовании свойств акустической неоднородности осадочных пород. Это метод отраженных волн и метод преломленных волн. Первый метод применяют в тех случаях, когда требуется детально и точно определить структуру дна, измерить толщину осадочных пород. Второй способ позволяет проникать в глубь осадочных и коренных пород, определять их тип, находить глубину залегания слоев и т.п. В каждом из этих методов используется своя аппаратура.
Широкое применение нашли специализированные эхолоты, называемые , (
) , -, , -
