УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ РАЗМЕРОВ РЫБ В ПРОЦЕССЕ ИХ ПОИСКА
DEVICE FOR EVALUATING SIZE OF FISH DURING FISHING

Изобретение относится к рыбопромысловой технике и предназначено для использования применения на судах рыболовного и научно-исследовательского флота при обнаружении рыбы и других объектов лова.
Известны устройства, позволяющие дистанционно определять размерный состав обнаруживаемых концентраций рыбы непосредственно во время их поиска на основе определения и сравнения интенсивностей акустических отраженных от рыб сигналов (их отражательных способностей или сил цели), см., например, Рыбопоисковый прибор, позволяющий определять размеры рыб (Fish finder capable of discriminating sizes of fish). Пат. США №4081783, март 28, 1978. Оно содержит излучающе-приемную акустическую систему (антенну) с двумя приемными (широкой и узкой) характеристиками направленности, пространственно фиксированными в направлении к дну, с помощью генератора одновременно излучающую низкочастотные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ) ультразвуковые импульсы и принимающую отраженные от рыб сигналы (эхосигналы), два приемных тракта, блок обработки указанных эхосигналов, включающий схему вычитания НЧ- и ВЧ- эхосигналов, принятых характеристиками направленности разной ширины, и блок отображения информации. В связи с достаточно грубыми оценками размерного состава рыб (практически в основном деление их на крупные и мелкие) указанное устройство не получило практического распространения на рыболовных судах.
Практическое применение имеет близкое к вышеуказанному устройство, получившее название "dual-beam", в котором размерный состав рыб определяется путем преобразования получаемого устройством распределения сил цели (акустической отражательной способности) рыб в распределение размеров рыб на основе использования зависимостей длины рыб от их силы цели /Юданов К.И. Гидроакустическая разведка рыбы, С.Петербург, изд-во «Судостроение», 1992 г. с.120, J.Simmonds and D.MacLennan. Fisheries Acoustics. Blackwall Science, UK, 2005, p.80-84, J.E.Ehrenberg. A review of in situ target strength estimation techniques. Proceedings of the Symposium on Fisheries Acoustics. (Bergen, Norway), 1982/. По получаемым данным определяется средняя сила цели рыб и соответственно средний размер, что требует большого набора статистики для достижения более достоверных результатов. Его излучающе-приемная акустическая система (антенна) с запуском от генератора работает на одной частоте и имеет одну узкую характеристику направленности при излучении и две приемные характеристики направленности - узкую и широкую (как и в первом устройстве, также пространственно-фиксированные в одном направлении - к дну). Кроме акустической системы, данное устройство имеет два приемных тракта, блок выделения эхосигналов от отдельных рыб, блок обработки, включающий схему (тракт) выделения эхосигналов от одних и тех же рыб, принятых одновременно широкой и узкой характеристиками направленности акустической системы, и схему (тракт) определения интенсивности принятого широкой характеристикой эхосигнала от данной рыбы (соответственно ее силы цели), которая для данного вида рыб связана с длиной рыбы (для целого ряда рыб уже получены соответствующие соотношения) и блок отображения, формирующий и отображающий на экране дисплея или бумаге принтера соответствующую гистограмму размерного распределения рыб. Так как блок обработки осуществляет измерение силы цели рыб, связанной с их длиной лишь для эхосигналов, принятых обеими характеристиками направленности, то оценка размеров возможна только для рыб, находящихся вблизи оси акустической системы, а именно, в пределах зоны действия узкой приемной характеристики направленности. Это сокращает возможности набора достаточной статистики для достоверной оценки размерного состава обнаруживаемых скоплений рыбы и соответственно среднего размера.
Известно также применяемое на практике устройство с излучающе-приемной акустической системой, имеющей одну узкую характеристику направленности в излучении, и 5 приемных, в том числе одну узкую и 4 более широких характеристики (пространственно-фиксированные в одном направлении), так называемое устройство с «расщепленным лучом» - "split-beam" /Юданов К.И. Гидроакустическая разведка рыбы, С.Петербург, изд-во «Судостроение», 1992 г., с.120, J.Simmonds and D.MacLennan. Fisheries Acoustics. Blackwall Science, UK, 2005, p.80-84, J.E.Ehrenberg. A review of in situ target strength estimation techniques. Proceedings of the Symposium on Fisheries Acoustics. (Bergen, Norway), 1982/. Размерный состав рыб определяется им также путем преобразования получаемого устройством распределения сил цели (акустической отражательной способности) рыб в распределение размеров рыб на основе использования зависимостей длины рыб от их силы цели /Юданов К.И. Гидроакустическая разведка рыбы, С.Петербург, изд-во «Судостроение», 1992 г. с.120, J.Simmonds and D.MacLennan. Fisheries Acoustics. Blackwall Science, UK, 2005, p.80-84, J.E.Ehrenberg. A review of in situ target strength estimation techniques. Proceedings of the Symposium on Fisheries Acoustics. (Bergen, Norway), 1982/. По получаемым данным определяется средняя сила цели рыб и соответственно средний размер. Кроме излучающе-приемной акустической системы, оно содержит (включает) генератор зондирующих импульсов, 5 приемных каналов усиления, блок выделения эхосигналов от отдельных рыб (работающий на основе селекции длительности эхо), блок обработки, включающий схему (тракт) определения углов отклонения направления прихода эхосигнала от рыбы (фазовым методом) от оси акустической антенны (системы) с помощью двух пар широких приемных характеристик направленности и схему определения силы цели по интенсивности эхо от рыбы, принятой узкой приемной характеристикой направленности, схему приведения силы цели к оси антенны с учетом соответствующего угла отклонения, а также блок отображения. Данное устройство также имеет небольшую зону обзора и недостаточную помехоустойчивость в связи с наличием 4-х широких приемных характеристик направленности. Кроме того, наличие широких приемных характеристик направленности сокращает дальность действия устройства. Программное усовершенствование обработки данных этого устройства в патентах RU 2189611 /5/ и RU 2271552 /Ермольчев В.А. Гидроакустический способ определения размерного состава рыб в скоплениях в естественной среде обитания, патент РФ №2189611, опубл. 2002.09.20, Ермольчев В.А. Гидроакустический способ определения размерного состава рыб в скоплениях в естественной среде обитания, патент РФ №2271552, опубл. 2006.03.10/ не устраняет основных указанных недостатков устройства, которые связаны с его исходными данными. Некоторое повышение точности оценки размерного состава в указанных патентах достигается в основном за счет обработки данных только из центральной части зоны действия (характеристики направленности) устройства, т.е. еще большего сужения рабочей зоны обзора устройства «split-beam», которая и так является весьма узкой (6-8°). Центральная часть будет ограничиваться вообще единицами градусов. Это существенно ограничивает возможности практического использования, так как в целом ряде применений при узкой зоне обзора сложно, а зачастую, практически невозможно набрать достаточную статистику по силам цели отдельно разрешаемых рыб, особенно на работе на малых глубинах. Соответственно, это будет нередко приводить к снижению достоверности и точности оценки размерного распределения и, главное, среднего размера рыб для расчета биомассы и запаса рыб.
Наиболее близким к предлагаемому (в качестве прототипа заявленного устройства может быть выбрано) является устройство для определения размерного состава рыб в скоплениях, в основном применяемое на японских рыболовных судах. Оно содержит излучающе-приемную акустическую систему (многосекционную антенну, на которую с генератора подается определенное амплитудное распределение импульса посылки), также пространственно-фиксированную в направлении, перпендикулярном к поверхности воды, с одной приемной характеристикой направленности, но с почти плоской вершиной - коническим лучом /Юданов К.И. Гидроакустическая разведка рыбы, С.Петербург, изд-во «Судостроение», 1992 г. с.120, A.Hamano, Т.Sasakura, R.Kieser, K.Cooke, К.Kubota and A.Clay. Target Strength Measurements of Pacific Hake in Canadian Waters using Quasi-Ideal and Conventional Beam Transdusers. ICES Journal of Marine Science, vol.53, no.2, April 1996, p.273-280, T.Sasakura and Y.Endo. Quasi-ideal beam transducer. Japanese Journal of Applied Physics, 26, Supplement 26-1, 1987, 94-96/, один приемный тракт, блок выделения эхосигналов от отдельных рыб, блок обработки, включающий схему определения силы цели по интенсивности эхо от рыбы, тракт накопления и хранения данных о силе цели и блок отображения. Данное устройство также имеет малую зону обзора (к примеру, в японских рыболокаторах FQ-50, FQ 70 - 6-7°) в связи со сложностью (практической невозможностью) формирования плоской вершины характеристики направленности в широком телесном угле.
Из-за невысокой производительности и оперативности указанного устройства оценки размерного состава рыб (вследствие малой зоны обзора) и соответственно расчета среднего размера для получения достоверных результатов, и соответственно точности оценки требуется большое время и поэтому значительный путь судна над концентрациями (скоплениями) рыбы для набора достаточной статистики эхосигналов от отдельных рыб. В реальных условиях поиска обеспечить выполнение таких требований не всегда возможно, поэтому оно может быть недостаточно эффективным (из-за снижения точности оценки) в целом ряде практических применений.
Кроме того, при его применении могут быть дополнительные погрешности в оценке силы цели для ситуаций нахождения рыбы у краев характеристики направленности (фиг.1). Как можно видеть из фиг.1, от двух рыб (а, б), находящихся на одном направлении относительно оси характеристики (одна небольшая - вверху, и вторая большая, но захватываемая лишь частью характеристики направленности), будут получены примерно одинаковые по уровню эхосигналы, т.е. они будут как бы иметь одну и ту же силу цели, т.е. примерно одинаковую длину. Та же ситуация будет, если первая рыба (а) будет в другом положении (а′ на фиг.1) - на расстоянии от акустической системы, большем или меньшем, чем рыба 6 (на величину, немного большую разрешающей способности устройства по дистанции), в противном случае будет принят эхосигнал от множественной цели (один от двух рыб). Такие ситуации будут приводить соответственно к дополнительным погрешностям в определении размерного состава концентраций рыбы. Отрицательное влияние указанных краевых эффектов естественно в большей степени проявляется при узких характеристиках направленности. То же самое относится и к вышеприведенным аналогам.
Целью предлагаемого устройства является повышение достоверности и точности определения размерного состава рыб в их концентрациях непосредственно в процессе поиска, а также обеспечение большей универсальности при практическом применении по различным реальным концентрациям рыбы.
Поставленная цель достигается тем, что оно (его акустическая излучающе-приемная система - антенна с одной приемной характеристикой направленности) снабжено блоком поворота антенны или ее характеристики направленности в плоскости, перпендикулярной направлению движения судна, а его блок обработки выполнен в виде субблока (тракта) выделения и накопления трасс (фиг.2 - реальная эхограмма трасс эхо от рыб однолучевой системы: А - выпуклые трассы, Б - примерно прямолинейные, В - трасса от множественной цели) последовательностей эхосигналов от рыб при перемещении приемной характеристики направленности в плоскости, перпендикулярной курсу судна (с фиксацией направления прихода эхосигнала и дистанции до него), и при движении судна (по правилу-алгоритму наличия в трассе, например, более двух смежных эхо), субблока (тракта) тракта селекции трасс от одиночных рыб (по правилу - алгоритму отсутствия смежных эхо в направлениях, перпендикулярных линии трассы), субблока (тракта) селекции формы линии трассы (примерно прямолинейной или выпуклой), субблока (тракта) определения (селекции) максимумов интенсивностей (уровней) эхосигналов в каждой из отселектированных трасс (с фиксацией направления прихода максимального эхосигнала и дистанции до него) и субблока (тракта) накопления и хранения выделенных максимумов, причем вход блока поворота излучающе-приемной антенны или ее характеристики соединен с выходом схемы запуска генераторного блока, один выход блока поворота соединен с излучающе-приемной акустической системой, второй с одним входом субблока (тракта) выделения и накопления трасс последовательностей эхосигналов от рыб, другой вход субблока (тракта) выделения и накопления трасс последовательностей эхосигналов от рыб подключен к выходу блока выделения эхосигналов от отдельных рыб, его выход - к входу субблока (тракта) селекции трасс от одиночных рыб, выход которого соединен с входом субблока (тракта) селекции формы линии трассы, выходы которого подключены к входам субблока (тракта) определения (селекции) максимумов интенсивностей (уровней) эхосигналов в каждой из отселектированных трасс (с фиксацией направления прихода максимального эхосигнала и дистанции до него), выходы указанного субблока (тракта) соединены с входами субблока (тракта) накопления и хранения выделенных максимумов, выходы которого подключены к входам блока отображения.
Введение блока поворота излучающе-приемной антенны или ее характеристики направленности в поперечной плоскости позволяет существенно расширить зону сбора данных эхо от отдельных рыб (фиг.3). Благодаря введению субблока (тракта) выделения и накопления трасс последовательностей (а не отдельных эхо в известных устройствах) эхосигналов от рыб при перемещении характеристики направленности в плоскости, перпендикулярной курсу судна и при его движении (по правилу-алгоритму наличия в трассе, к примеру, более двух смежных эхо), будет обеспечено снижение указанных дополнительных погрешностей в оценке размерного состава рыб и соответственно повышение точности расчета среднего размера рыб. Это обусловливается тем, что при перемещении характеристики и движении судна рыба, находящаяся на краю характеристики, с большой долей вероятности уже не будет захватываться зоной действия указанной характеристики (т.е. от данной рыбы не будет формироваться трасса эхосигналов) и она не будет включена в накапливаемую статистику (рыба II на фиг.4, где показано смещение зоны положения одной характеристики направленности при движении судна и часть зоны смежной характеристики - вид сверху, стрелкой показано направление движения судна).
Обычно число эхо от одной рыбы в трассе зависит от скорости судна и ширины зоны действия эхолокационной аппаратуры. Соответственно при проведении съемки оператор в зависимости от указанного может корректировать минимальное число эхо в трассе.
Субблок (тракт) селекции трасс от одиночных рыб (по правилу - алгоритму отсутствия смежных эхо в направлениях, перпендикулярных линии трассы) повышает надежность выделения эхо от отдельных рыб (исключения попадания в набор статистики от так называемых множественных целей). Субблок (тракт) селекции формы линии трассы (примерно прямолинейной или выпуклой) позволяет в данном случае разделить трассы эхо от рыб на две указанные группы: первую с меньшей вероятностью выделения фактических максимальных уровней эхо и вторую - с максимальной вероятностью. При наборе достаточной статистики по таким группам можно получить возможность иметь более точные данные. Субблок (тракт) выделения (селекции) максимумов интенсивностей эхосигналов в каждой из отселектированных трасс и субблок (тракт) накопления и хранения выделенных максимумов с данными о направлениях их прихода и дистанции до них также позволяют повысить достоверность и точность оценки размерного состава, особенно в ситуациях, обеспечивающих большой набор статистики, когда благодаря широкой зоне обзора имеется возможность набора (выбора) более качественных данных (максимумов).
Фиг.5 поясняет построение и работу предлагаемого устройства.
Оно включает генераторный блок 1 со схемой запуска, излучающе-приемную акустическую систему-антенну 2, блок 3 обеспечения поворота (перемещения) антенны или ее характеристики направленности в плоскости, перпендикулярной направлению движения судна, приемный тракт 4, блок выделения эхосигналов от отдельных рыб 5, блок 6 обработки принятых эхосигналов от рыб, содержащий субблок (тракт) 7 выделения и накопления трасс последовательностей эхосигналов от рыб при перемещении характеристики направленности в плоскости, перпендикулярной курсу судна, и при движении судна, субблок (тракт) 8 селекции трасс от одиночных рыб (по правилу-алгоритму отсутствия смежных эхо в направлениях, перпендикулярных линии трассы), субблок (тракт) 9 селекции формы линии трассы (примерно прямолинейной или выпуклой), субблок (тракт) 10 выделения (селекции) максимумов интенсивностей эхосигналов в каждой из отселектированных трасс, субблок (тракт) 11 накопления и хранения максимумов интенсивностей эхосигналов с данными о направлениях их прихода и дистанции до них, а также блок 12 отображения информации.
Излучающе-приемная акустическая система 2 может работать с механическим или электронным режимом поворота ее характеристики направленности. При механическом повороте вначале производится излучение зондирующего импульса и прием отраженных сигналов-эхосигналов в одном направлении в пределах выбранного сектора (в плоскости, перпендикулярной курсу судна), к примеру, от одного его края. Затем осуществляется поворот антенны, соответственно ее характеристики на небольшой угол в направлении к другому краю сектора обзора и следует следующий цикл лоцирования и т.д. (см. фиг.3 - стрелки показывают направление движения судна). За это время судно проходит некоторое расстояние. Далее начинается новый такт лоцирования в поперечной плоскости.
При электронном повороте характеристики направленности излучение может производиться сразу в пределах сектора, а прием - узкой характеристикой при ее последующем повороте в пределах сектора, далее новое излучение и т.д.
Также может применяться режим сначала последовательного излучения зондирующих импульсов в пределах сектора, а затем последовательный прием эхосигналов /Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация. 1978. М. Изд-во «Пищевая промышленность», с.72-84/. Это позволяет значительно увеличить скорость обзора, хотя при этом несколько увеличивается мертвая зона.
Работа предлагаемого устройства для дистанционной оценки размерного состава рыб осуществляется следующим образом (см. фиг.5). Генераторный блок 1 периодически вырабатывает импульсы посылки или группы импульсов посылки при режиме сканирования в излучении-приеме. При поступлении первого импульса на излучающе-приемную акустическую антенну 2 происходит излучение импульса посылки в одном направлении и далее начинается прием эхосигналов от рыбы приемным трактом 4. Затем с помощью блока 3 обеспечивается поворот антенны 2 или ее характеристики направленности на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной курсу судна (см. фиг.3). При режиме сканирования в излучении блок 3 обеспечивает поворот характеристики направленности на некоторый угол сразу же после поступления первого импульса посылки из группы с генератора 1, затем после второго и т.д. до конца группы, а именно, в конце концов, в пределах всего заданного сектора обзора в указанной поперечной плоскости.
Эхосигналы от рыбы начинают поступать на вход приемного тракта 4, с него на блок выделения эхосигналов от отдельных рыб 5. Выделенные эхо подаются на блок 6 обработки. Пусть через какое-то время после импульса посылки на блок 6 обработки пришло первое эхо от рыбы I (см. фиг.4). Оно запоминается в соответствующей ячейке памяти (в соответствии с дистанцией до него и направлением прихода) субблока (тракта) 7. Как было указано, в это время происходит поворот (сканирование) характеристики направленности в поперечной плоскости. За это время судно пройдет некоторое расстояние. Начинается новый такт лоцирования. От рыбы I будет принято следующее (второе) эхо с того же направления и примерно с той же дистанции (или близкой) и будет запомнено субблоком (трактом) трактом 7 рядом с первым и т.д. Если в следующем такте сканирования эхо от данной рыбы не будет принято, указанные предыдущие данные с субблока (тракта) 7 сбрасываются и соответствующая трасса не формируется. Однако, если от рыбы I после двух будут приняты и следующие эхо, трасса эхо будет выделена.
Накапливаемые трассы с данными по направлению и дистанции периодически передаются в субблок (тракт) 8 выделения (селекции) трасс от одиночных рыб (по правилу-алгоритму отсутствия смежных эхо в направлениях, перпендикулярных линии трассы). С него они поступают на субблок (тракт) 9 селекции формы линии трассы (примерно прямолинейной или выпуклой). С одного выхода субблока (тракта) 9 на первый вход субблока (тракта) 10 выделения (селекции) максимумов интенсивностей эхосигналов в каждой из отселектированных трасс подаются примерно прямолинейные трассы, на второй - выпуклые. Соответствующие максимумы поступают на отдельные входы субблока (тракта) 11 накопления и хранения выделенных максимумов эхо с данными о направлениях их прихода относительно вертикали. В зависимости от объема накопленной статистики на блок 12 отображения информации будут подаваться лишь максимумы (данные о силе цели) от выпуклых трасс, в том числе приведенные к оси акустической системы с учетом данных о направлениях прихода эхо (при большом объеме статистики) или даже может производиться разделение указанных максимумов по диапазонам углов отклонений (направлений прихода эхо) от оси. Это будет повышать достоверность и точность оценки размерного состава, соответственно среднего размера. При небольшом объеме статистики будут использоваться все полученные данные с некоторым сокращением точности оценки. В блоке 12 осуществляется перевод сил цели в длину рыб и формирование гистограмм размерного распределения, а также расчет среднего размера.
В предлагаемом устройстве практически исключаются погрешности, обусловленные указанными «краевыми» эффектами. Так, рыба I в фиг.4 при следующих тактах лоцирования будет полностью входить в зону обзора и трасса эхо от нее позволит выделить максимум интенсивности эхо. Рыба II (показанная пунктиром, как находящаяся на другой глубине, чем рыба I - см. фиг.4) при следующих тактах лоцирования выйдет из зоны действия устройства и исходя из указанного условия формирования трассы трактом 7 от нее не будет формироваться трасса эхо и она не будет включена в набираемую накапливаемую статистику. Если рыба III (см. фиг.4) движется под углом к курсу судна и в начальный момент обнаружения находится у края характеристики направленности, то в следующих тактах ее лоцирования она может выйти из зоны действия, т.е. трасса эхо от нее не будет получена и также не включена в статистику. Однако она может войти в зону действия приемной характеристики в смежном направлении (см. фиг.4) и от нее будет сформирована трасса (рыбы I, II и III показаны несколько условно из-за плоскостного изображения - фактически они находятся на разных глубинах, иначе эхо от них будет соответствовать множественной цели, как было ранее указано).
Благодаря возможности получения с помощью предлагаемого устройства более качественных данных о размерном распределении рыб и среднем размере рыб с более широкой зоны обзора, снижению влияния вышеуказанных дополнительных погрешностей, обусловленных краевыми эффектами, и большей универсальности предлагаемое устройство позволяет повысить достоверность и точность оценки размерного состава рыб при практическом применении по различным реальным концентрациям рыбы.