Дальнее обнаружение сформированных рыбных косяков маломощными низкочастотными просветными сигналами

Объектом исследования диссертационной работы являются современные теоретические направления и технические решения обнаружения рыбных косяков (РК) активно-пассивной эхолокацией и интенсивной гидролокацией [2−3].

Проведенный в диссертации анализ показал, что для активного обследования водной среды и обнаружения РК на рыболовных судах в настоящее время применяется активно-пассивная рыболокация и интенсивная гидролокация. Различия между ними определяются спецификой отражения и рассеивания звука скоплениями промысловых гидробионтов. При этом получение устойчивых эхо-сигналов от РК обеспечивается лишь на высокочастотных звуковых сигналах и на малых дистанциях. Стремление достигнуть больших дальностей обнаружения таких объектов, при высокой степени затухания высокочастотных сигналов в водной среде, привело к необходимости увеличения излучаемой мощности станций, что, в конечном счете, было связано с энергозатратами и усложнением гидроакустических систем.

Для увеличения дальности обнаружения РК [4], широкомасштабного мониторинга морских акваторий и обнаружения РК при их установившейся миграции активно начали использовать технологию двойного назначения, которая раньше применялась для обнаружения искусственных объектов. Мощные эхолокаторы уже несколько лет были не востребованы, поэтому аппаратура постепенно перешла для решения мирных задач. Стали устанавливаться системы мощного активного сканирования больших акваторий в крупных заливах, проливах Охотского моря. Действие сонаров такого типа, как было ранее установлено, способно приводить к гибели китов, дельфинов, морских свинок и ряда других морских млекопитающих, полностью нарушая установившуюся систему миграции и поведения гидробионтов. Запасы рыбы в Мировом океане катастрофически истощаются. Об этом ученые и экологические активисты говорят уже давно. В этих условиях исключительно важное значение для РФ имеет закрепление ее приоритета в выявлении и освоении ресурсов открытых частей Мирового океана, а также сохранение и развитие экономических связей в области рыболовства с прибрежными странами. Необходимость решения этой задачи обусловлена также тем обстоятельством, что в открытые и освоенные РФ богатейшие промысловые районы в международных водах (Северная Атлантика — море ИрмингераЮго-Восточная часть Тихого океанаантарктическая часть Атлантики и Индийского океана и др.) и закрытых морях (Охотское море) устремились иностранные суда.

Из всего вышеизложенного можно сделать вывод: существует научно-техническая проблема дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК.

В связи с этим в 70−80-е годы прошлого столетия [13] специалистами в области подводной гидроакустики было высказано предположение о возможности применения, для обнаружения морских объектов параметрических просветных акустических методов. История развития данной идеи такова. В 1948 году на радиофизическом факультете Нижегородского университета была создана одна из первых в стране университетских кафедр акустики. С момента организации НИРФИ (1956), а впоследствии и ИПФ РАН (1977) гидрофизика и гидроакустика были в ряде приоритетных научных направлений этих институтов.

Большой объем научных исследований за последние годы по низкочастотной акустике Мирового океана был проведен ИПФ РАН [17]. При этом было использовано уникальное излучающее оборудование, параметры которого значительно превосходят зарубежные аналоги. В рамках Российско-Американского проекта, посвященного акустической термометрии океанского климата, были сделаны уникальные эксперименты по низкочастотному распространению звуковых сигналов на трансарктической трассе длиной в 2600 км.

Но необходимо отметить, что практически идея создания параметрических, а затем и других вариантов просветного метода гидролокации зародилась на гидроакустическом полигоне (г. Владивосток), отрабатывалась при проведении морских экспедиций с использованием специального оборудования экспедиционных судова также береговых шумопеленга-торных станций в период с 1980 по 1990 годы. Научные и технические разработки этого метода были обоснованы в кандидатской (1987) и докторской (1993) диссертациях сотрудника гидроакустического полигона М. В. Мироненко [17,53]. Впоследствии при его научном руководстве и непосредственном участии просветный метод постоянно дорабатывался и совершенствовался по различным направлениям реализации в системах широкомасштабного мониторинга океанской среды и его биологических запасов. Обширных научных публикаций по этим разработкам в прессе не было. И только в настоящее время с появлением в печати воспоминаний о забытых работах аналогичного характера в ИПФ РАН РФ, выполненных В. А. Зверевым и А. И. Калачевым, а также в связи с обострившейся проблемой низкой эффективности дальнего обнаружения РК активной высокочастотной и пассивной параметрической рыболокацией, экологической небезопасностью интенсивной гидролокации снова обратились к просвет-ным методам.

Появилось множество вариантов формирования просветного метода и была высказана гипотеза, что в просветном методе значение силы объекта значительно возрастает по сравнению с режимом обычной гидролокации и улучшаются основные характеристики гидролокационной системы: дальность обнаружения РК и вероятность правильного их обнаружения.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями в процессе разработки просветных методов и эксплуатации данных систем на протяженных трассах показано, что движущийся сформированный РК может быть обнаружен по косвенным и прямым признакам.

Под косвенными признаками обнаружения РК понимаются следующие [63]:

— гидрофизические условия, благоприятствующие формированию промысловых скоплений рыб (фронтальные разделы, вихри, меандры, участки конвергенций акватории Охотского, Японского морей и проливных зон с гидродинамической неустойчивостью или неоднородностью);

— статистические характеристики пространственной структуры поля температуры поверхности Охотского моря и общего теплового фона на акватории;

— выявленные участки повышенной первичной биопродуктивности, по данным аэроразведки или многолетних наблюдений;

— регистрация скоплений морских млекопитающих и птиц.

Прямые признаки распознавания РК разделяются на объективные, субъективные и спектральные.

В ряде работ [78−82] выдвинуты гипотетические представления о механизмах возмущений, связанных с движением сформированного РК. Однако незавершенность этих представлений выражается в том, что на основе частных экспериментальных исследований рассматриваются раздельно возмущения в толще океана и на поверхности без единого логического механизма причинности и взаимосвязи. Это требует дополнительных теоретических и экспериментальных исследований. Имеемые в настоящее время экспериментальные исследования на протяженной стационарной просветной линии о. Сахалин — о. Итуруп позволяют с определенной долей уверенности сделать вывод о существовании этих физических явлений, а также опытным путем определить некоторые их характеристики и свойства.

Несмотря на некоторые недостатки, принципиальным достижением просветных методов можно считать возможность развития на их основе нового направления в разработке систем мониторинга и диагностики морской среды путем комплексного применения различных методов обнаружения и распознавания морских биологических объектов. Основываясь на этих предположениях, наиболее реальным направлением решения проблемы дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК может быть путь разработки метода дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК с использованием маломощных низкочастотных просветных сигналов.

Цель диссертационной работы: решение проблемы дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК за счет реализации низкочастотного просветного метода на гидроакустической барьерной линии остров Итуруп — остров Сахалин.

На основании вышеизложенного предметом исследования диссертационной работы является метод дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК с использованием маломощных низкочастотных просветных сигналов и пути его технической реализации на ГАБЛ.

Исходя из этого научной задачей диссертационной работы является: разработка физических основ низкочастотного просветного метода дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК и технических путей его реализации на ГАБЛ.

Направления исследования:

1. Разработка физических основ и закономерностей формирования возмущенной области, сопутствующей движущемуся акустически слабозаметному сформированному РК.

2. Обоснование физических основ метода дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК.

3. Численное моделирование и экспериментальная проверка физических основ:

— метода дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК;

— формирования возмущенной области среды, сопутствующей движущемуся РК;

— влияния поверхностных и внутренних возмущений морской среды на спектр низкочастотного просветного сигнала.

4. Разработка технических решений, необходимых для формирования и эксплуатации гидроакустической системы обнаружения акустически слабозаметных сформированных рыбных косяков.

Методы исследований, достоверность полученных результатов.

В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решение научной задачи базируется на экспериментальных данных и известных положениях классической активно-пассивной эхолокации и интенсивной гидролокации. Достоверность полученных результатов подтверждается: корректностью разработанных физических моделейиспользованием известных положений теоретической гидроакустикисходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами эксплуатации предложенного технического решения на ГАБЛ, а также с результатами исследований других авторов.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ и сделаны выводы, что для активного обследования водной среды и, соответственно, обнаружения РК на рыболовных судах применяется активно-пассивная рыболокация и активная гидролокация. В промышленном рыболовстве используются главным образом системы активной локации, которая даёт возможность определять вид рыб, их размеры, число и положение РК. Большинство современных таких систем работают на частоте 192 кГц, некоторые используют 50 кГц. Эти частоты дают устойчивое эхо от объекта, работают лучше всего в неглубокой воде и обычно дают меньшее количество «шумовых» и нежелательных отражений. Это позволяет отобразить две рыбы как два отдельных эха вместо одной «капли» на экране. Но получение устойчивых эхо-сигналов от реальных гидробионтов обеспечивается лишь на высокочастотных звуковых сигналах и на малых дистанциях.

В этой главе рассмотрены некоторые акустические особенности морских биологических объектов и их использование для обнаружения.

Действительно, как показывают эксперименты, спектры биологически значимых сигналов находятся в диапазоне максимальной чувствительности рыб. Ограниченное использование звуков в промышленном рыболовстве указывает на сложность этой проблемы и необходимость тщательного изучения всех особенностей слуха и отношения различных рыб к звуку.

Механизмы формирования поведения рыб рассматриваются на фоне природных адаптаций (принципы самоорганизации, заложенные в основу организации всего живого). Это позволяет рассматривать каждый организм, как дискретную неоднородность для обнаружения, а их скоплениекак объемную морскую неоднородность.

Все это требует новых технических решений и разработки метода дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных рыбных косяков с использованием маломощных низкочастотных просветных сигналов. Только в таком аспекте технические проекты в области рыболовства могут быть наделены биофизическим содержанием, и, следовательно, адекватны природным законам.

Вторая глава диссертационной работы посвящена:

1. Разработке физических основ метода дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК с использованием маломощных низкочастотных просветных сигналов, основанного:

— на низкочастотном просветном методе широкомасштабного интенсивного нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных сигналов возмущенной областью, созданной движущимся РК;

— на гидроакустической системе как широкомасштабном параметрическом излучателе-приемнике с низкочастотной подсветкой (накачкой) контролируемой трассы, являющейся одновременно и объемной гидроакустической базой.

В основу физической модели предложенного в диссертации низкочастотного просветного метода положены следующие физические явления:

— фазовой модуляции с появлением в спектре низкочастотного просветного сигнала, сдвинутых относительно исходного спектра, дополнительных гармоник суммарной и разностной частоты с двумя, четырьмя и более знаками как результат нелинейного взаимодействия просветного сигнала с возмущенной областью, созданной движущемся РК;

— нелинейного взаимодействия несущей низкочастотного просветного сигнала с наиболее интенсивными составляющими возмущенной области, созданной движущемся РК, и параметрического преобразования его в комбинационные волны суммарной и разностной частоты.

2. Обоснованию физических основ самоорганизации сформированного РК, его форме и общим характеристикам. Отмечено, что под акустически слабозаметным сформированным РК понимается РК, перемещающийся из одной точки кормления в другую и необнаруживаемый активной высокочастотной рыболокацией. Основными характеристиками РК являются: упаковка рыбы в стае, как тетраэдрическая решеткаграницы отдельного РК (капля, шар, куб) — крейсерская скорость перемещениямаксимальная частота пропульсивных движенийсила сопротивления воды. Все это позволило создать физическую модель возмущенной области водной среды от сформированного РК, основой которой является результат гидродинамического воздействия РК на водную среду с возникновением:

— горизонтальных и вертикальных внутренних волн, вследствие прогиба слоев водной среды;

— волны сопровождения, как последствия прилипания и смещения разных по плотности слоев водной среды вокруг сформированного РК.

Было отмечено, что механизм генерации данных физических явлений определяется как монопольными акустическими колебаниями элементарных рассеивателей водной среды, так и перемещением ее деформаций в качестве устойчивой совокупности смещений частиц слоев всей водной среды. При этом перерассеяния и изменение параметров просветных сигналов происходит во множестве точек и слоев перемещающейся стратифицированной водной среды во всем объеме и во всех направлениях за счет возникновения внутренних волн. При этом регенерируются гармонические и квазигармонические полно периодные, полупериодные и четверть периодные волны в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

В третьей главе диссертационной работы приведены результаты численного моделирования и экспериментальных исследований разработанных в главе 2 физических основ метода дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК с использованием маломощных низкочастотных просветных сигналов и пути его технической реализации на ГАБЛ, а именно:

— моделирование пространственной амплитудно-фазовой структуры поля акустических волн в протяженном океаническом волноводе с переменными характеристиками среды и возмущенной области, созданной движущимся РК;

— моделирование процесса воздействия извивающегося в вертикальной плоскости лентообразного движения сформированного РК на водную среду;

— численное моделирование влияния поверхностного и ветрового волнения на ГАБЛ остров Сахалин — остров Итуруп на просветный сигнал;

— результаты натурных экспериментов изменения спектральных параметров просветного акустического сигнала в присутствии движущегося рыбного косяка.

На основании данных, изложенных в главе 3, были сделаны следующие выводы:

— во всём диапазоне проведенных численных экспериментов было обнаружено хорошее согласие с предложенной физической моделью;

— в диапазоне малых амплитуд колебания возмущенной области от РК действительно наблюдается обыкновенная внутренняя волна.

Все это говорит о возможности проведения селекции сигналов, принадлежащих по спектру к «возможному» обнаружению РК.

В четвертой главе диссертационной работы приведены:

— общие теоретические и практические подходы к формированию гидроакустической просветной системы;

— оценка помехоустойчивости приема информации в низкочастотном просветном методе;

— тактико-технические требования к стационарной (позиционной) просветной гидроакустической системе обнаружения РК;

— рекомендации по применению стационарной (позиционной) системы освещения подводной обстановки в Охотском море и Дальневосточном регионе.

В заключение главы сделаны выводы, по результатам которых можно оценить уровень технической проработки всего научного направления, поставленного в диссертационной работе.

Основные выводы диссертационной работы.

По результатам проведенных исследований можно отметить, что в диссертационной работе разработаны и обоснованы положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое научное достижение в решении сложной технической проблемы дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК.

Научная задача данной работы — «разработка физических основ низкочастотного просветного метода дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК и технических путей его реализации на ГАБЛ» — решена путем:

— разработки физических основ и закономерностей формирования возмущенной области, сопутствующей движущемуся акустически слабозаметному сформированному РК;

— обоснования физических основ метода дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформированных РК;

— численного моделирования и экспериментальной проверки физических основ РК.

На защиту выносятся:

1. Метод дальнего и экологически безопасного обнаружения акустически слабозаметных сформированных рыбных косяков с использованием маломощных низкочастотных просветных сигналов.

2. Технические рекомендации по созданию и эксплуатации широкомасштабных гидроакустических систем дальнего обнаружения акустически слабозаметных сформированных рыбных косяков.

Особая благодарность научному руководителю — доктору технических наук, доценту Стародубцеву Павлу Анатольевичу.

Результаты работы получены в ходе выполнения первого этапа НИР «Дальнее обнаружение акустически слабозаметных сформированных рыбных косяков» по разработке метода дальнего обнаружения сформированных РК и естественных возмущений морской средыэкспериментально подтверждены материалами натурных исследований на ГАБЛ 1971;1973, 19 891 990 гг.

Материалы исследования обсуждались и получили положительную оценку: на открытых заседаниях кафедр акустики и высшей математики ТОВМИ имени С. О. Макарова в 2004, 2005 и 2006 гг.- на 48-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции в 2005 г.- на 5-й международной научно-практической конференции в 2003 г.- в Морском государственном университете имени адмирала Г. И. Невельского в процессе подготовки диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.