ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ДВУХЧАСТОТНЫЙ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКЕ ВОДНЫХ БИОМАСС "ASCOR"

Наименование полезной модели
«Гидроакустический двухчастотный программно-технический комплекс по количественной оценке водных биомасс «AsCor».
Область техники
Количественная оценка запасов водных биоресурсов в целях рациональной организации промысла и экологического мониторинга внутренних водоемов.
Уровень техники
Уровень техники иллюстрируется следующими решениями:
1. Дегтев А.И., Ивантер Д.Э. Автоматизированная система количественной оценки рыбных запасов гидроакустическим методом АСКОР-2. «Рыбное хозяйство», №4, 2002. Портативный программно-технический комплекс «АСКОР-2» предназначен для количественной оценки запасов водных гидробионтов гидроакустическим методом в научных и прикладных рыбохозяйственных работах на внутренних водоемах и прибрежных районах морей с глубиной обитания гидробионтов до 250 м. Базовой идеей при создании системы было объединение серийно выпускаемых изделий (рыбопоисковых эхолотов, приемников глобальной навигационной системы GPS и электронно-вычислительных устройств) в единый комплекс, нацеленный на решения задач метода, и возложение метрологического обеспечения метода на программное обеспечение системы. Использование серийного рыбопоискового эхолота приводило к необходимости создания индивидуального математического обеспечения для каждого экземпляра системы из-за различия технических параметров даже внутри одной марки эхолотов от одного производителя, не говоря уже об эхолотах разных марок от разных производителей. Восстановление размерного распределения зарегистрированных рыб производилось с использованием сложных статистических преобразований кусочно-линейно аппроксимированных входного распределения амплитуд эхосигналов от одиночных рыб и характеристики направленности используемой гидроакустической антенны. Система не имела возможности использования геоинформационных технологий в реальном масштабе времени при проведении
гидроакустических съемок непосредственно на водоемах. Использовалась одна рабочая частота эхолота.
2. Erenberg J.E. Two applications for a dual-beam transducers in hydroacoustic fish assessment systems. Conference 21-23 August 1974, Halifax, Nova Scotia, Canada, Proc. Conf. Engineering in the Ocean Environment, 152-5. IEEE, New York. Приводятся теоретическое обоснование и экспериментальные данные по восстановлению размерного состава методом «двойного луча». Использовалась одна рабочая частота эхолота.
3. BioSonics DT-X Series (www.biosonics.com). США. Анонс производителя. Современный компьютеризированный гидроакустический программно-технический комплекс по количественной оценке водных биомасс. Используется одна рабочая частота эхолота. Восстановление размерного распределения зарегистрированных рыб производится методом «расщепленного луча» с использованием специальной квадрупольной гидроакустической антенны.
4. HTI Model 241/244 Sounders (www.htisonar.com), США. Анонс производителя. Современный компьютеризированный гидроакустический программно-технический комплекс по количественной оценке водных биомасс. Используется одна рабочая частота эхолота. Восстановление размерного распределения зарегистрированных рыб производится методом «расщепленного луча» с использованием специальной квадрупольной гидроакустической антенны.
5. Simrad EY60 Scientific Echosounder (www.simrad.com), Норвегия. Анонс производителя. Современный компьютеризированный гидроакустический программно-технический комплекс по количественной оценке водных биомасс. Используется одна рабочая частота эхолота. Восстановление размерного распределения зарегистрированных рыб производится методом «расщепленного луча» с использованием специальной квадрупольной гидроакустической антенны.
Все указанные системы являются одночастотными. Система «АСКОР-2» использует однолучевую антенну, в этом случае статистические процедуры статистически достоверного восстановления размерного состава требуют представительной выборки амплитуд зарегистрированных одиночных рыб. В противном случае вероятны решения, не имеющие физического смысла. Указанные иностранные комплексы используют прямой метод восстановления размерного
распределения, известный как метод «расщепленного луча», с измерением фазовой задержки падающей акустической волны по квадруполям специальной антенны. Здесь игнорируется возможность фазовых искажений акустической волны на неоднородностях водной среды, особенно в море. Кроме того, в литературе обсуждается отмеченное экспериментально смещение восстановленного методом «расщепленного луча» размерного распределения в зависимости от уровня шумов.
Раскрытие полезной техники
Гидроакустический метод оценки водных биомасс является вариантом решения обратной задачи рассеяния. Общая теория обратной задачи рассеяния описывает эхосигнал исключительно как совместный результат отражательной способности цели, ее нахождения в пространстве и потерь звука на распространение. Один и тот же эхосигнал может быть образован разными составами рассеивателей, в том числе и разными плотностями. Определение плотности зарегистрированных объектов, как решение обратной задачи рассеяния в гидроакустическом методе количественной оценки водных биомасс, требует дополнительной информации о рассеивателях. Базовое положение метода, заключающееся в линейной зависимости энергии эхосигнала и плотности рассеивателей, его образовавших, аналитически описывается известным уравнением эхоинтегрирования:
- средняя плотность рассеивателей в интервале накопления;
С - сквозная постоянная применяемой акустической системы, цена деления;
- ошибка компенсации потерь интенсивности звука при его распространении;
- средняя энергия эхосигнала в интервале накопления, величина. пропорциональная интенсивности эхосигнала или квадрату давления акустической волны;
Ψ - интегральный фактор направленности антенны, идеализированное представление характеристики направленности в виде телесного угла, в пределах которого, интегрирование эхосигнала даст тот же результат, что и в пределах реальной пространственной характеристики направленности
антенны при условии случайного распределения рассеивателей в озвученном объеме;
- среднее значение сечения обратного рассеяния объектов (отражательная способность), образующих интегрируемый сигнал в интервале накопления.
Из формулы 1 видно, что, при прочих равных условиях, результат оценки плотности зависит только от значения . Распределение вероятностей амплитуд зарегистрированных одиночных эхосигналов есть результат свертки вероятностей:
E
где: w(y) - плотность распределения вероятностей амплитуд зарегистрированных одиночных сигналов;
T
w(х) - плотность распределение вероятностей регистрации цели под определенным углом обнаружения;
F
w(y-x) - искомая плотность распределения вероятностей отражательной способности одиночных целей.
n
w
Восстановление искомой плотности распределения вероятностей отражательной способности одиночных целей может быть выполнено с использованием статистических процедур, как в системе «АСКОР-2», или прямым методом «расщепленного луча», как в описанных выше иностранных комплексах. В предлагаемой полезной модели "AsCor" используется двухчастотная модификация другого прямого метода восстановления искомого распределения отражательной способности одиночных целей, известный как метод «двойного луча». Метод «двойного луча» подразумевает использование специальной конструкции из двух соосных антенн одной частоты с разными, широкой и узкой, направленностями, см. фигуру 1. Обозначив как I - интенсивность эхосигнала, полученную в тракте антенны с узкой направленностью, а I - интенсивность эхосигнала, полученную в тракте антенны с широкой направленностью, получим:
где: σ - сечение обратного рассеяния наблюдаемой цели, используемое в выражении (1);
n
w
b, b - узкая и широкая характеристики направленности. Решая уравнения 3 и 4 относительно σ, получим:
откуда
Одночастотная реализация метода «двойного луча» требует использования специализированных гидроакустических антенн индивидуальной разработки. В предлагаемой полезной модели "AsCor" используются серийные двухчастотные гидроакустические антенны со значимо разными характеристиками направленности на разных рабочих частотах. Например, для двухчастотной антенны 520-5PWB (Furuno, Япония) диаграммы характеристик направленности для частот 50 и 200 кГц представлены на фигуре 2.
Упрощенно принцип прямого измерения отражательной способности одиночной цели модифицированным (двухчастотным) методом «двойного луча», используемым в предлагаемой полезной модели "AsCor", можно сформулировать следующим образом: если происходит одновременная регистрация одной и той же цели в трактах с широкой и узкой направленностями антенн, то можно считать, что в тракте, с широкой направленностью цель находится достаточно близко к оси антенны, и в этом тракте можно производить прямые измерения отражательной способности зарегистрированной одиночной цели.
В предлагаемой полезной модели "AsCor" используется специально разработанный программно-управляемый двухчастотный (50 и 200 кГц) генератор-приемник, нагруженный на серийную двухчастотную гидроакустическую антенну, в одной из реализаций используется указанная выше двухчастотная антенны 520-5PWB (Furuno, Япония). На фигуре 3 представлена общая блок-схема предлагаемой полезной модели "AsCor".
Непосредственным результатом количественной оценки плотности водных биомисс гидроакустическим методом являются пространственно распределенные относительные значения плотности оцениваемых гидробионтов ρ(x,y). Абсолютная численность (биомасса) может быть восстановлена вычислением интеграла:
где: Q - абсолютное значение численности или биомассы в экземплярах или килограммах;
ρ(x,у) - функция, определяющая значение плотности в декартовых координатах. На практике выполняется численное интегрирование через использование интерполированных в узлы регулярной двухмерной координатной решетки пространственно распределенных значений плотности:
где: Q - абсолютное значение численности или биомассы;
ρ(х,y) - значение плотности в координатах х,y;
1
2
а, a - значения интервалов между узлами решетки;
1
2
0
0
р, р - целочисленные индексы, нумерация которых зависит от координат начальной точки (x,y).
В современных условиях координаты зарегистрированных значений пространственно-распределенных значений плотности получают с использованием спутниковой навигационной системы GPS. В предлагаемой полезной модели "AsCor" координаты вводятся в компьютер через интерфейс последовательной передачи данных (RS232 или USB) по протоколу NMEA. В реальном масштабе времени маршрут движения судна отображается на электронной карте, opганизуемой программно как автоматные объекты с использованием технологии OLE автоматизации, которая обеспечивает доступ к объектам приложения и манипуляцию с ними извне. Клиентом в таком случае является само программное обеспечение предлагаемой полезной модели "AsCor", сервером вне-процесса могут быть различные программные геоинформационные продукты, такие как "MapInfo", "Surfer", "MapViewer" и другие, поддерживающие автоматизацию. Такое решение позволяет легально использовать геоинформационные программные продукты с высокой репутацией, доступные на рынке электронные карты различных форматов, повысить удобность, представительность, информативность и безопасность проведения гидроакустических съемок гидробионтов.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 приведена схема, поясняющая принцип прямого восстановления отражательной способности одиночной цели методом «двойного луча». Указаны положение одночастотной гидроакустической антенны с двумя характеристиками направленности и регистрируемой цели, для эхосигнала от которой приведены рассуждения по формулам 3-5.
На фигуре 2 приведены диаграммы характеристик направленности для частот 50 и 200 кГц двухчастотной серийной гидроакустической антенны 520-5PWB (Furuno, Япония), используемой в одной из реализаций предлагаемой полезной модели "AsCor". Наглядно видно, что в пределах уменьшения чувствительности антенны по высокой частоте до -15 дБ, характеристика направленности по низкой частоте остается плоской, достаточной для практических целей (изменение ~1 дБ).
На фигуре 3 приведена общая блок-схема предлагаемой полезной модели "AsCor". Двухчастотный (50 и 200 кГц) генератор-приемник работает в цикле прием-передача с программно-задаваемыми компьютером параметрами (мощностью, частотой следования посылок, рабочей частотой, длительностью импульса). Выделенная приемником огибающая эхосигнала с признаком рабочей частоты, на которой она получена, поступает на аналого-цифровое преобразование в устройстве ввода-вывода данных. Цифровое представление огибающей эхосигнала (через порт LPT или USB) с признаком рабочей частоты, на которой она получена, и навигационные данные системы GFS (через порт СОМ или USB) поступают в компьютер-ноутбук для анализа, визуализации, хранения и обработки данных в целях количественной оценки водных биомасс гидроакустическим методом с восстановлением размерного состава зарегистрированных одиночных рыб двухчастотным модифицированным методом «двойного луча». Компьютер управляет режимом и параметрами работы генератора-приемника через устройство ввода-вывода данных.
На фигуре 4 представлена фотография экспериментального образца специально разработанного программно-управляемого двухчастотного (50 и 200 кГц) генератора-приемника во время лабораторных испытаний. Приводится для представления о весогабаритных параметрах предлагаемой полезной модели "AsCor".
На фигуре 5 представлена эхограмма регистрации байкальского омуля в июне 2003 года, полученная предлагаемой полезной моделью "AsCor", с использованием современных геоинформационных технологий в реальном времени в виде окна с электронной картой (автоматный объект - MapInfo 5). Указаны положения поверхности, дна, рыбы, электронной карты. Приводится для представления о пользовательском интерфейсе предлагаемой полезной модели "AsCor".
Осуществление полезной модели
Рациональное использование возобновляемых биоресурсов подразумевает лимитирование промысла, что требует эффективного и возобновляемого знания о состоянии запаса эксплуатируемого ресурса. Существующая схема количественной
оценки состояния запаса рыб во внутренних водоемах РФ базируется (в основном) на анализе промыслового изъятия и структуры популяции по данным контрольных обловов. Достоверность данных промысловой статистики в России невысока, особенно в условиях развивающихся рыночных отношений, результаты контрольных обловов, представляющие, по сути, данные выборочных исследований, зачастую фрагментарны и малопредставительны в силу ограниченности выделяемых ресурсов. В сообществе специалистов, осуществляющих оценку запасов рыб и регулирование их промысла, растет заинтересованность в разработке и внедрении инструментальных, в том числе гидроакустических, методов в практику количественных оценок запасов биоресурсов.
Предлагаемая полезная модель «AsCor» предназначена для количественной оценки запасов водных гидробионтов гидроакустическим методом на двух частотах в реализации вертикального зондирования в направлении от поверхности ко дну с пространственной разверткой процесса сбора данных движением судна по обследуемой акватории в реальном и отложенном времени в научных и прикладных рыбохозяйственных работах на внутренних водоемах и прибрежных районах морей.
Использование низкой частоты (50 кГц) увеличивает зону регистрации рыб, что важно в условиях мелководья. Использование высокой частоты позволяет регистрировать мелкие рыбы (начиная с 2-3 см длиной), что важно в экологических исследованиях для оценки возрастной структуры популяции. Возможность прямого измерения отражательной способности одиночных рыб модифицированным двухчастотным методом «двойного луча» повышает точность даваемых количественных оценок.
Решаемые полезной моделью «AsCor» задачи:
- количественная оценка плотности водных биомасс одновременно на двух рабочих частотах (50 и 200 кГц), либо на одной из двух указанных частот;
- восстановление размерного распределения зарегистрированных одиночных рыб модифицированным двухчастотным методом «двойного луча», либо непрямым (статистическим) методом на одной из двух указанных частот;
- электронное картографирование акватории и маршрута гидроакустической съемки;
- управление режимами и параметрами работы двухчастотного генератора-приемника;
- аналого-цифровое преобразование огибающей эхосигнала с программируемыми частотой выборки и усилением;
- автоматическое определение положения дна с динамическим определением значения донного дискриминатора, учетом длительности донного сигнала, его
формы и наследования ожидания донного сигнала по предыдущим реализациям для более полного учета придонных объектов;
- визуализация процесса в привычном виде движущейся эхограммы, цветной или черно-белой (по выбору пользователя) с возможностью фазировки диапазона;
- автоматическое разделение одиночных и групповых целей по параметризованному двухстороннему критерию длительности:
- программная корректировка потерь интенсивности акустической волны на сферическое расширение фронта и затухание;
- сохранение данных на жестком диске или внешнем носителе.
Основные параметры полезной модели «AsCor»:
- рабочая частота эхолота - 50 или 200 кГц;
- электрическая мощность на антенне - 300 Вт, с возможностью переключения на уровень 50 Вт;
- длительность импульса - 0,1-1,0 мс;
- частота следования посылок - 10-0,5 Гц;
- электрическое питание генератора-приемника - 12 В постоянного тока;
- потребляемая электрическая мощность генератора-приемника - 20 Вт;
- разрядность аналого-цифрового преобразования - 14 бит;
- частота дискретизации - 40 кГц;
- программное обеспечение управления системой и сбора данных разрабатывается для платформы IBM совместимого компьютера-ноутбука под управлением ОС "Windows" 98...ХР;
На фигуре 4 приведена фотография экспериментального образца специально разработанного программно-управляемого двух частотного (50 и 200 кГц) генератора-приемника во время лабораторных испытаний.
Полезная модель "AsCor" использовалась в рыбохозяйственных исследованиях на озере Байкал и в экологических исследованиях на водотоках и лимнических водоемах Обь-Иртышского бассейна. На фигуре 5 приведен фрагмент эхограммы с регистрацией омуля озера Байкал с картографированием маршрута съемки на электронной карте - внедренном в программное обеспечение системы автоматном объекте.
Результаты использования полезной модели «AsCor":
- комплекс "AsCor" позволяет определять численность рыб дифференцированно по размерным группам, а также пространственное и вертикальное распределение плотностей скоплений с определением их местонахождения;
- использование комплекса "AsCor" даст новые знания о пространственно-временном распределении рыб на обследуемых акваториях;
- данные комплекса "AsCor" хорошо согласуются с результатами контрольных обловов, как в отношении количественной оценки, так и в определении размерного распределения исследуемых популяций;
- применение комплекса "AsCor" на промысле для определения наибольших скоплений разноразмерных рыб дает возможность правильно распределять промысловую базу и оперативно облавливать концентрации рыб;
- перечисленные выше свойства комплекса "AsCor", в сочетании с изучением биологических особенностей популяций рыб, позволяют организовать эффективный, экономически рентабельный лов, а также выработать стратегию рациональной эксплуатации промысловых стад на водоемах.