МОБИЛЬНАЯ СИСТЕМА АКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА РЫБОРАЗВОДНЫХ ВОДОЕМОВ

Изобретение относится к рыбному хозяйству и предназначено для обнаружения, подсчета и оценки распределения запасов водных биоресурсов в рыборазводных водоемах. Преимущественная область использования - рыболовство, рыборазведение.
Имеющиеся системы мониторинга рыборазводных водоемов выполняют в основном функции подсчета количества рыб. Известно «Устройство для подсчета рыб в потоке воды» [1], состоящее из N счетных идентичных каналов, каждый из которых содержит блок управления, передающий тракт, акустическую антенну, приемный тракт, а также блоки обработки, индикации и регистрации. Устройство может быть использовано в системах подсчета рыб на проходе их к местам нерестилищ непосредственно в руслах рек, заливах морей, лиманах, а также в каналах и рыбоходных сооружениях. Акустические антенны располагают поперек водоема, так, чтобы излучаемые ими акустические пучки полностью перекрывали водный объем. При пересечении рыбой акустических пучков происходит ее регистрация и подсчет.
Причинами, препятствующими достижению технического результата данного устройства, являются его ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные тем, что устройство не может использоваться на водоемах с большой площадью и не являющихся проходными для рыб. В описании патента указано, что десятиканальная система позволяет контролировать участок длиной шириной около 150 м. При больших размерах контролируемого участка, например 500-1000 м. количество каналов увеличивается до 100, что практически нереализуемо. Система отличается сложностью в эксплуатации, так как акустические антенны необходимо устанавливать с высокой точностью, чтобы не было пропусков или наложений зон контроля. Система имеет малую мобильность, так как на ее установку и снятие требуется много времени. Перед установкой акустических антенн на дне водоема, а также на специальных платформах на поверхности необходимо получение дополнительной информации о рельефе дна водоема с последующим расчетом координат установки антенн. Система может производить подсчет только той рыбы, которая пересекает контролируемую область. Она не применима для подсчета рыбы в водоемах с немигрирующей рыбой, например, в водоемах, где выполняется рыборазведение, в озерах, в лиманах с большими поперечными размерами. Кроме того, данная система имеет ограниченные функциональные характеристики, так как она только подсчитывает рыбу и не выдает никакой дополнительной информации о характеристиках водоема.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: блок управления, передающий тракт, акустические антенны, приемный тракт, блок обработки и блок индикации.
Эти недостатки присущи и другим имеющимся системам для подсчета рыбы, заявленным, например, в патентах [2-11]. Анализ этих и других систем подсчета количества рыб и мониторинга рыборазводных водных акваторий показал, что они не применимы для подсчета рыбы в водоемах с размерами порядка нескольких километров, то есть в таких водоемах, в которых в настоящее время активно развивается искусственное разведение рыб. Это относится к прудам, озерам и другим внутренним водоемам. Для контроля за состоянием крупных внутренних водоемов используют в настоящее время суда постоянно находящиеся в этих водоемах. Каждое из таких судов может обслуживать только один изолированный водоем. Контроль запасов и распределения рыб выполняют путем контрольного лова, или с помощью гидроакустических систем стационарно или временно устанавливаемых на судне. Однако для разведения рыбы в отдельных хозяйствах часто используют несколько отдельных водоемов с разными размерами и глубинами. Иметь для каждого водоема отдельное судно с гидроакустической системой не представляется возможным из-за дороговизны их приобретения и эксплуатации. Перестановка одного гидроакустического комплекта аппаратуры с одного судна на другое также не всегда возможно в результате использования носителей разных типов и разного класса. Это могут быть небольшие суда или лодки разных классов и водоизмещения.
Кроме того, для постоянного наблюдения за процессом развития рыбы при ее искусственном разведении необходимо осуществлять не только подсчет рыбы, но и определять характеристики водной среды, такие, как температура, содержание кислорода, наличие примесей и другие. Системы, установленные на судах, как уже было отмечено, не могут обеспечить выполнения всех необходимых функций. Существующие системы мониторинга, используемые в рыбоводстве, как правило, или подсчитывают рыбу, проходящую через контролируемую зону, или выполняют мониторинг водной среды (определение параметров водоема: температуру воды, наличия примесей и других). Причем, реализуются они, как правило, стационарно и могут определять параметры только ограниченных участков водоема. Комплексных систем, которые давали бы полную информацию, как о количестве рыбы, так и о характеристиках водной среды по всему водоему в патентных и других источниках не обнаружено.
Предлагаемая система мониторинга рыборазводных водоемов свободна от перечисленных недостатков, так как она может выполнять как подсчет рыбы, так и определение требуемых параметров водной среды по всей площади водоема. Конструктивно она выполнена мобильной, может самостоятельно перемещаться по поверхности водоема, и легко перевозиться с одного водоема на другой.
Задачей полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей системы гидроакустического мониторинга рыборазводных водоемов. Для реализации этой задачи заявляемое устройство конструктивно выполнено в виде двух легко транспортируемых частей: одна располагается на берегу, а вторая - находится на плаву и может перемещаться по всей поверхности исследуемого водоема. Обе части соединены между собой с помощью радиоканала. Со стационарной части, находящейся на берегу, оператор выполняет управление мобильной частью, на которой установлены гидролокационные системы наблюдения за рыбой и определения параметров водоема, а также различные датчики и системы мониторинга водной среды. Полученная информация с мобильной части по радиоканалу передается на стационарную, где оператор ознакамливается с этой информацией. Результаты исследований могут записываться сохраняться, а затем повторно воспроизводиться при анализе гидроакустических записей. Конструкции обеих частей системы выполнены такими, что при необходимости их можно легко перевезти на другой объект исследования. Таким образом, появляется возможность проведения полного мониторинга различных по своим параметрам водоемов путем использования одного комплекта системы мониторинга, имеющего большие функциональные возможности по сравнению с имеющимися системами.
Данный технический результат достигается тем, что система мониторинга рыборазводных водоемов, содержащая последовательно соединенные блок регистрации, блок обработки, блок индикации, последовательно соединенные передающий тракт, акустическую антенну и приемный тракт, выполнена конструктивно в виде двух частей: стационарной - располагаемой на берегу, и мобильной - находящейся на носителе способном перемещаться по поверхности исследуемого водоема; в систему также дополнительно введены блок радиоканала, соединенный с блоком управления и блоком обработки, второй блок радиоканала, соединенный со вторым блоком управления, который соединен с блоком датчиков, блоком управления движением, передающим и приемным трактами; блоки регистрации, обработки, индикации, управления и радиоканала расположены в стационарной части системы, а остальные блоки - второй блок радиоканала, второй блок управления, блоки датчиков и управления движением, акустическая антенна, передающий и приемный тракты - в мобильной части.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором показана функциональная схема устройства.
Система мониторинга рыборазводных водоемов состоит из стационарной части 1, располагаемой на берегу и содержащей последовательно соединенные блок регистрации 2, блок обработки 3, блок индикации 4, блок управления 5, блок радиоканала 6, соединенный также с блоком обработки 2, и мобильной части 7, располагаемой на носителе способном перемещаться по поверхности исследуемого водоема и содержащей: второй блок радиоканала 8 соединенный со вторым блоком управления 9, который соединен также с блоком датчиков 10, блоком управления движением 11, а также с передающим 12 и приемным 13 трактами, соединенными с акустической антенной 14 (БЛОК РАДИОКАНАЛА ДОЛЖЕН БЫТЬ ДВУХСТОРОНИЙ).
При работе система транспортируется к водоему, стационарная часть системы располагается на берегу, на транспортном средстве или на каком-либо носителе (судне, лодке), а мобильная часть опускается на поверхность водоема и находится на ней на плаву. Мобильная часть представляет собой небольшой легко переносимый автономный носитель с повышенной устойчивостью (например - катамаран), который может самостоятельно передвигаться по поверхности водоема. Для этого он имеет необходимые элементы - источники питания, электрические двигатели, винты, блок управления движением. Возможен вариант выполнения носителя пассивным. В этом случае он буксируется с помощью другого носителя.
Стационарная и мобильная части системы могут располагаться при транспортировке на автомобиле, или каким - либо другом транспортном средстве, которое перевозит систему к исследуемому водоему.
Стационарная часть 1 системы содержит последовательно соединенные блок регистрации 2, блок обработки 3, блок индикации 4, блок управления 5 и блок радиоканала 6, соединенный также с блоком обработки 2. Оператор с помощью блока управления 5 выдает команды, которые поступают в блок радиоканала 6 и соответствующие им радиосигналы принимаются вторым блоком радиоканала 8, располагаемым в мобильной части 7 системы. Мобильная часть 7 системы содержит: второй блок радиоканала 8 соединенный со вторым блоком управления 9, который соединен также с блоком датчиков 10, системой управления движением 11, а также с передающим 12 и приемным 13 трактами, соединенными с акустической антенной 14. Команды со второго блока радиоканала 8 поступают во второй блок управления 9, а затем в передающий 12 и приемный 13 тракты, блок датчиков 10 и в систему управления движением 11, которая управляет движением носителя мобильной части системы на поверхности исследуемой водной акватории. При движении носителя в передающем тракте вырабатываются зондирующие акустические сигналы, поступающие на акустическую антенну 14, которая может состоять из антенн многолучевых гидролокаторов бокового обзора (ГБО) левого борта и правого борта, антенны эхолота и гидролокатора переднего обзора. Акустические сигналы распространяются в водной среде, отражаются от дна, рыбы и других объектов, находящихся в канале лоцирования. Донные и эхо-сигналы принимаются элементами акустической антенны 14 и соответствующие им электрические сигналы поступают в приемный тракт 13, где выполняется их обработка по заданному алгоритму (усиление, фильтрация, регулировка в блоках «Временной автоматической регулировки усиления», «Отсечка», детектирование, преобразование в цифровую форму и другие) [12]. Сигналы с выхода приемного тракта 13 поступают во второй блок управления 9, а затем во второй блок радиоканала 8, и соответствующие им радиосигналы по радиотракту передаются на блок радиоканала 6, с выхода которого информационные сигналы поступают в блок обработки 3, а затем в блок индикации 4, с которого оператор получает информацию о результатах гидроакустического лоцирования, а также в блок регистрации 2, служащий для записи и хранения результатов исследований.
Сигналы с эхолота позволяют получать информацию о глубинах в исследуемом водоеме, с гидролокатора переднего обзора - о наличии препятствий по ходу носителя. Сигналы с многолучевых ГБО позволяют получать информацию о рельефе дна и выполнять подсчет рыбы в водоеме. При этом могут использовать методики подсчета количества рыбы предложенные, например, в работах [13, 14, 15].
Блок датчиков 10 может содержать датчик температуры воды, датчик проводимости, датчик содержания кислорода, датчик рН, датчик мутности и другие. В данный блок при необходимости также могут входить подводная видеокамера с осветителями водной среды, а также система спутниковой навигации GPS или GLONAS. Информативные сигналы с датчиков поступают на второй блок управления 9, а затем по радиоканалу передаются в блок обработки 3. Информация о параметрах водной среды передается затем в блоки индикации 4 и регистрации 2.
Управление движением носителя осуществляется оператором в ручном или в автоматическом режиме с помощью программных средств установленных в блоке управления 5. Сигналы управления по радиоканалу передаются в блок управления движением 11, а затем на исполнительные механизмы носителя. При установке на мобильный блок систем спутниковой навигации передвижение носителя может осуществляться автономно по программе, установленной во втором блоке управления 9.
Перечень технических средств, устанавливаемых на стационарной и мобильной частях системы может изменяться в зависимости от конкретных задач решаемых системой.
Практическая реализация носителя и элементов системы мониторинга не представляет сложности. Гидроакустическая аппаратура и датчики различного назначения описаны в многочисленных литературных и патентных источниках, например [12, 16]. Также имеются многочисленные конструкции подводных и надводных носителей различных размеров и назначения. Обеспечение радиоканала между стационарной и мобильной частями системы может осуществляться, например, с помощью радиомодулей Nano-net-Lab127 [17] подключаемых непосредственно к портам USB IBM-совместимых компьютеров, которые могут выполнять функции ряда блоков системы.
Таким образом, предложенная система мониторинга рыборазводных водоемов решает задачи подсчета количества рыбы в изолированных водоемах, а также позволяет определять параметры водной среды. Причем, система является мобильной и может легко транспортироваться к требуемому водоему. С его помощью можно проводить как предварительное исследование водоемов с целью их пригодности для рыборазведения, так и последующие контрольные проверки за развитием рыбы.
Следует отметить, что данная система может также решать задачи экологического исследования различных водоемов и прибрежных вод, например, в акваториях портов, в районах пляжей и санитарных зон, решать многочисленные задачи для службы МЧС - обследование пляжной зоны с целью ее аттестации, определение рельефа дна, обследование состояния гидротехнических сооружений, поиск затопленных объектов. В зависимости от типа решаемых задач выполняется выбор того или иного носителя, его комплектация необходимыми гидроакустическими блоками, датчиками и системами, а также разработка соответствующего программного обеспечения.
В конструкторском бюро морской электроники "Вектор" разработаны элементы предлагаемой системы, отдельные блоки гидроакустической аппаратуры, датчики, которые могут быть использованы в предлагаемой системе, а также программное обеспечение по обработке результатов лоцирования, и сигналов с датчиков, их представлению и архивированию.
Источники информации
1. Патент RU 2062572 «Устройство для подсчета рыб в потоке воды», МПК А01К 79/00, опубл. 27.06.1996.
2. Патент RU 2010263 «Способ определения параметров рыбных скоплений в воде», МПК G01S 15/96, опубл. 30.03.1994.
3. Патент RU 2291615 «Способ акустического учета рыб в потоке воды», МПК А01К 61/00, опубл. 20.01.2007.
4. Патент RU 52647 «Гидроакустический программно-технический комплекс по учету проходящих на нерест ценных видов рыб "NetCor-1"», МПК G06M 3/00, опубл. 10.04.2006.
5. Патент RU 73747 «Гидроакустический высокочастотный многолучевой программно-технический комплекс по учету проходящих на нерест ценных видов рыб "NetCor-2"», МПК G06M 3/00, опубл. 27.05.2008.
6. Патент RU 82357 «Гидроакустический высокочастотный многолучевой программно-технический комплекс по учету проходящих на нерест ценных видов рыб "NetCor-3"», МПК G06M 3/00, опубл. 20.04.2009.
7. Патент RU 84585 «Устройство для дистанционного мониторинга состояния рыбных запасов промышленного рыболовства», МПК G01V 1/38, G01V 1/28, опубл. 10.07.2009.
8. Патент JP 6160522 «Fish detector for measurement», МПК G01S 15/00, G01S 15/96, G01S 3/00, G01S /808, опубл. 07.06.1994.
9. Патент JP 56119866 «Ultrasonic fish detector», МПК G01S 15/96, G01S 7/58, G01S 15/00, G01S 7/60, G01S 7/56, опубл. 19.09.1981.
10. Патент US 2002015358 A1 «Acoustic method and system for measuring fish population data in littoral environments», МПК H04B 11/00, опубл. 09.03.2001.
11. Патент WO 8505695 «Device for fish search instrument», МПК G01S 15/96, опубл. 30.05.1985.
12. Кобяков Ю.С., Кудрявцев H.H., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - 272 с.
13. Юданов К.И, Расшифровка эхограмм гидроакустических рыбопоисковых приборов. - М.: Пищевая промышленность, 1967, 116 с.
14. Карлик Я.С., Марапулец Ю.В. «Рыбопромысловая гидроакустика: Учебно-методическое пособие». - Петропавловск-Камчатский.: КамчатГТУ, 2004. - 260 с.
15. Патент RU 2421755 «Способ и устройство для поиска и подсчета рыбы». Опубликован 20.06.2011.
16. Молотков В.Е., Король Е.В. Автоматизированные технологии контроля и управления в аквакультуре. / Сб. тр. II регион, научно-технич. конф. "Приморские зори". - Владивосток, 20-21 апреля, 1999.
17. Описание радиомодуля Nano-net-Lab127 (http://dia.lab127.karelia.ru/)