CC BY
40
ПРИМЕНЕНИЕ ПАНОРАМНОГО ЭХОЛОТА-ВИДЕОПЛОТТЕРА ПЭВ-К ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И ОЦЕНКИ РЫБНЫХ СКОПЛЕНИЙ НА МЕЛКОВОДЬЕ
В.А. Воронин, А.Н. Долгов, H.H. Кудрявцев, С.П. Тарасов
Таганрогский государственный радиотехнический университет, КБ "Вектор"
В последнее время большое внимание уделяется экологическому состоянию водоемов, и поэтому интенсивно развиваются средства их экологического мониторинга. В задачи экологического мониторинга водоемов входят наблюдение за загрязнением водоема промышленными отходами, за развитием микроорганизмов и водорослей, за количеством и составом рыбных запасов.
Поиск и комплексная оценка рыбных скоплений на мелководье из-за сложной гидроакустической обстановки является одной из важнейших и трудных задач. Если обнаружение рыбных скоплений при больших глубинах не встречает особых затруднений, то поиск в мелком море вблизи поверхности и дна является сложной научно-технической проблемой.
Сложными и недостаточно изученными, как объекты гидролокации являются сами рыбные скопления. Достаточно трудно создать единую модель рыбных скоплений с учетом физиологии рыб и их связи со средой обитания для разработки алгоритма количественной оценки рыб.
Обычно для проведения эхосъемок и количественной оценки гидроакустическим способом используются эхолоты различных типов. Однако, очевидно, что для эффективной и наиболее точной оценки числа рыб требуются вполне определенные технические средства, разработанные специально для решения задач определения биоресурсов.
В качестве такого средства, позволяющего производить на мелководье поиск рыбных скоплений под судном и в стороне от судна, регистрацию на электронной карте их местоположений и количественную оценку, предлагается комплекс класса панорамных гидроакустических систем - малогабаритный панорамный эхолот - видеоплоттер ПЭВ-К. В состав комплекса входит эхолот, имеющий две характеристики направленности, два гидролокатора бокового обзора с переключаемой характеристикой направленности, параметрический профилограф, электронная картографическая система, приемник спутниковой навигации GPS, цифровой блок обработки сигналов и цветной дисплей.
Количественная оценка рыб производится по различным алгоритмам в зависимости от структуры и плотности скоплений.
Алгоритм количественной оценки в общем случае определяет переход от числа эхо-сигналов к абсолютной величине - числу рыб, для чего вычисляется нормированная величина - средняя плотность скопления. Закономерности распределения плотности скопления рыб по глубине определяются путем разделения диапазона на слои и вычисления плотности скопления для каждого слоя.
В частности, оценка количественных характеристик разреженных рыбных скоплений проводится на основе выражения для средней плотности разреженного скопления [1]:
где К) - число эхо-сигналов, исходящих от рыб из слоя 1; - сечение зоны действия эхолота, м"; Н - толщина скопления, м; <3 - частота повторения излучаемых сигналов; Т - время прохождения судна над скоплением, час.; ш - количество слоев.
ш QT к
Для количественной оценки плотных скоплений используется другой алгоритм. В случае рассеянных рыбных скоплений используется метод прямого эхо-счета.
Для реализации алгоритмов количественной оценки эхолот-видеотоюттер ПЭВ-К обладает необходимыми техническими параметрами.
Основные технические характеристики комплекса представлены в таблице.
Технические характеристики Тракт эхолота Тракт ГБО Параметрический профилограф
Рабочая частота 204 кГц 286 и 320 кГц 10 и 150 кГц
Ширина ХН 6°х10° и 12°х20° 1,5°х50° и 3°х50° 3°х4°
Длительность импульсов 50, 200, 500 мкс 50, 100 мкс, 1 мс 0,5; 1; 2 мс
Диапазоны 5,10,20,50,100,200 м 10,20,50,100,200м 10,20,50,100,200м
Функционально комплекс состоит из нескольких подсистем, которые могут работать самостоятельно и в составе комплекса, в зависимости от сигналов управления. К таким подсистемам можно отнести:
эхолот, предназначенный для поиска рыбных скоплений, количественной оценки запасов и профилирования дна;
два гидролокатора бокового обзора, предназначенные для съемки рельефа дна по правому и левому бортам судна и поиска и количественной оценки рыбных скоплений и одиночных рыб в стороне от судна; высокочастотный профилограф, предназначенный для точного профилирования рельефа дна;
низкочастотный параметрический профилограф, предназначенный для профилирования придонных осадков;
спутниковую навигационную систему и электронные карты, предназначенные для навигационных целей и отметок на картах мест рыбных скоплений и различных навигационных ситуаций;
рабочую станцию, предназначенную для управления комплексом, отображения на экране информации с различных подсистем; внутреннюю сеть, предназначенную для обмена информацией между подсистемами.
Структурная схема комплекса ПЭВ-К приведена на рис. 1.
Комплекс состоит из забортной части, генератора зондирующих импульсов (ГЗИ), приемника эхо-сигналов (ПЭС), рабочей станции, спутниковой навигации и электронных карт.
Забортная часть включает в себя антенну эхолота (А ЭЛ), антенны гидролокаторов бокового обзора правого борта (А ГБО П) и левого борта (А ГБО Л), антенну накачки параметрического профилографа (А ПП ВЧ), которая является одновременно и антенной высокочастотного профилографа, и низкочастотную приемную антенну параметрического профилографа (А ПП НЧ). Кроме того, в забортной части размещаются датчики температуры и солености (1°С, 8°/0С1).
ГЗИ содержит излучающие 'факты эхолота (ЭЛ), гидролокатора бокового обзора правого борта (ГБО П) и левого борта (ГБО Л), генераторы накачки параметрического профилографа (ПП ВЧ 1 и ПП ВЧ2).
ПЭС содержит приемные тракты эхолота (Пр ЭЛ), гидролокаторов бокового обзора правого (Пр ГБО П) и левого (Пр ГБО Л) бортов, высокочастотного профилографа (Пр ПП ВЧ) и низкочастотного параметрического профилографа (Пр ПП НЧ); четыре сигнальных процессора , предназначенных для преобразования аналоговых
сигналов в цифровую форму и первичную обработку этих сигналов; интерфейс связи между различными частями комплекса; схему управления; формирователь сигналов (Форм); схему временной автоматической регулировки усиления и преобразователя сигналов датчиков (ВАРУ и Д). Кроме того, в ПЭС входит схема проверки параметров системы (Тест). Тракты и схемы связаны между собой линиями связи двух типов: сигнальными, представляющими собой витые экранированные пары, и управления по внутренней локальной сети и через соответствующие разъемы.
1/7 ЭС
Схема упр.
Щ
АЭЛ АГЕОП АГБОЛ АППВЧ ШНЧ
№ у
эл
ВАРУ
«Д
Пр.
эл
Тест
Ж
АЛ
-1 ГЕОП
Ту
Пр.
ГБОП
УЛЛ
Сиг«. проц.
Wzz:
№Я
Сигн. проц.
jffT
\~т
Щ!
ЯШ/
Пр- . . ^ rwnL ппвчК
Пр.
Cum. проц.
ППВЧ1
П"■ frc ППНЧ^
Сигн. проц.
Сетевой концентратор EZERNET
GPS
Электр.« карты s
Пульт управления и индикации
Рис. 1. Структурная схема комплекса
Рабочая станция представляет собой современную промышленную микро-ЭВМ с жидкокристаллическим дисплеем и необходимым программным обеспечением. Приемник системы спутниковой навигации (GPS) через порт соединен с рабочей станцией. Электронные карты для необходимого района подключаются при приобретении лицензии. Рабочая станция связана с остальными частями комплекса каналом связи по внутренней сети.
Конструктивно ПЭВ-К состоит из пульта управления с 15-дюймовым цветным ЖК-индикатором, двух приборов с блоками приемопередатчиков и антенного блока на забортном выносном устройстве.
Информация отображается в различных режимах по желанию пользователя в
виде:
- цветной эхограммы электронного самописца эхолота либо параметрического профилографа;
- цветной амплитудной отметки;
- сонограммы трактов ГБО левого и правого бортов;
- электронной карты в соответствии с требованиями 1МО И^о'шпоп А.817/19);
- результатов эхо-счета и эхоинтегрирования рыбных скоплений;
- комбинаций указанных режимов отображения в окнах;
- звуковой сигнализации о выходе на заданную или опасную глубину, а также о выходе в заданный район.
Предусмотрена возможность записи зхограмм и сонограмм на жееттсий диск с возможностью последующего воспроизведения.
Представленный гидроакустический комплекс прошел стадию морских испытаний на акватории Куржского залива Балтийского моря на глубине от 1 до 5 м.
Испытания показали возможность эффективно проводить эхосъемки и рыбо-поиск как под судном, так и в стороне от него в условиях сверхмелководья.
Типовая эхограмма, полученная во время испытаний в Куржском заливе, представлена на рис.2.
Рис.2. Типовая эхограмма
Фрагмент видеограммы демонстрирует одновременную работу эхолота, гидролокатора бокового обзора и отображения электронных карт. По центру экрана представлена эхограмма эхолотного тракта, с правой стороны - окно с амплитудной разверткой текущего цикла зондирования эхолота, слева вверху - эхограмма гидролокатора бокового обзора левого борта, слева внизу - окно с электронной картой. Глубина 2,7 м, фиксируемая эхолотом, коррелирует с данными электронной карты. На эхограммах эхолота с ГБО зарегистрированы отметки эхо-сигналов от одиночных рыб и небольшого косяка. Высокая разрешающая способность по углу и дистанции позволяет эффективно использовать методику эхосъемок на основе эхо-счета.
На этой же эхограмме в области свободной воды видны отметки от мелких рассеивателей, которые можно идентифицировать как водоросли. Испытания проводились в летний период времени, поэтому в толще воды Куржского залива наблюдалось большое количество водорослей.
Представленная гидроакустическая техника - эхолот-видеоплоттер ПЭВ-К впервые открывает широкие возможности для успешного решения экологического
мониторинга, ресурсных и поисковых задач в условиях мелководья на шельфе и во внутренних водоемах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ермольчев В. А. Эхо-счетные и эхо-интегрирующие системы для количественной оценки рыбных скоплений. М.: Пищевая промышленность, 1979. 193 с.
ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ С ТРЕХЧАСТОТНОЙ НАКАЧКОЙ
А. М. Гаврилов, В. Ю. Медведев
Таганрогский государственный радиотехнический университет
The dependence of amplitudes of the first and second secondary waves of the nonlinear acoustic transmitter with three-frequency by a primary wave from size her phase invariant, is experimentally investigated. Is shown that the first secondary wave tests strong dependence on size invariant, while the second secondary wave is not sensitive to its change. The measurements, which have been carried out in a wide range of frequencies, have shown stability of behavior of the amplitude - phase characteristics and their good conformity to the theoretically received dependences.
Одним из путей увеличения информативности экологического и неразру-шающего контроля, гидролокации и медицинской диагностики является использование фазовых характеристик акустических эхо-сигналов [1, 2]. Для исключения неопределенности, обусловленной пространственным набегом, импульсный метод фазовых измерений предполагает синхронное излучение опорного и информационного сигналов с заранее определенными соотношениями частот и фаз. Перспективным для излучения акустических сигналов с указанными требованиями является использование нелинейных акустических излучателей (НАИ), в которых благодаря нелинейному механизму генерации вторичных волн в среде распространения естественным образом обеспечивается связь их частот и фаз как между собой, так и с исходной волной [3, 4]. В частности, при распространении в квадратично-нелинейной среде ам-плитудно-модулированной (AM) по гармоническому закону первичной волны (накачки) генерируется бигармоническая волна разностной частоты (БВРЧ) с частотами Q и 2Q, начальные фазы компонент которой связаны между собой и фазой модулирующей функции первичной волны [4, 5].
Известно [6], что АМ-сигнал можно представить как частный случай сигнала с тремя спектральными компонентами на частотах Юо и ш0 ± Г2, амплитуды низкочастотной и высокочастотной компонент которого равны, а фазовый спектр произволен. В общем случае такой сигнал можно записать в следующем виде: p(t) = A(t)cos[co0t + а + cp(t)] = р0 cos(cd0 • t + а)+ + рн cos[(a0 - Q)t + а - 9 + р]+ рв cos[(ro0 -Ci)t + a + 8 + p] =
= Р0{ cos(ra0 • t + а)+ у cos[(co0 - fi)t + а - 9 + р]+ ^
+ у cos[(b)0 - Q)t + а + 9 + р] } ,
где A(t) - функция, описывающая амплитудную модуляцию сигнала; cp(t) - функция, описывающая модуляцию фазы высокочастотного заполнения:
