Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Камчатский государственный технический университет»

Факультет заочного обучения

Кафедра «Водных биоресурсов, рыболовства и аквакультуры»

Специальность 110901.65 «Водные биоресурсы и аквакультура»

Дисциплина «Прикладная гидроакустика»

Контрольная работа

по теме «Методы поиска и оценки численности гидробионтов»

Петропавловск-Камчатский, 2011

1. Общая характеристика особенностей поиска

Скопления антарктического криля образуются главным образом в районах шельфа и континентального склона, в местах, где наблюдаются многочисленные локальные вихревые образования и формируются фронтальные зоны. Обычно такие скопления располагаются на периферии циклонических круговоротов вод или в центре антициклонических круговоротов. Поиск скоплений антарктического криля осуществляется с помощью гидроакустических приборов, но в некоторых случаях он может осуществляться и визуально.

Визуальные наблюдения позволяют обнаружить скопления криля по так называемым «пятнам», представляющим собой сравнительно плотные поверхностные концентрации рачков, хорошо видимые с борта судна на расстояния до 5 кб. Косвенными признаками образования таких полей являются скопления птиц, тюленей и усатых китов, которые также обнаруживаются визуально.

Существует основное средство наблюдений, с помощью которого можно обнаружить, нанести контуры, количественно оценить и прицельно обловить скопления криля и рыб. Используя гидроакустическую аппаратуру, можно выявить те участки и районы, где находятся скопления, установить ритм их суточных вертикальных перемещений и периоды наибольших концентраций.

При проведении гидроакустического поиска следует иметь в виду, что звукорассеиваюшая способность антарктического криля заметно меньше чем у большинства рыб. Учитывая эту особенность, рекомендуется в начале поисковых работ установить большое усиление гидроакустической станции (ГАС). Пределом уровня усиления может служить появление фона на эхо-ленте при отключенном ВАРУ (временная автоматическая регулировка усиления).

Скопления криля могут не регистрироваться на эхо-ленте, если они находятся в рассеянном (разреженном) состоянии (например, в ночное время) или если их основная концентрация приходится на поверхностный слой глубиной до 6 м (поверхностное поле). Такие скопления обнаруживаются (при недоступности визуальных наблюдений) и оцениваются по результатам контрольных тралений.

Поиск скоплений антарктических рыб, обитающих главным образом в придонных слоях, осуществляется гидроакустическими приборами с высокими разрешающими способностями и соответствующими частотными характеристиками (например, FVGT-23 японского производства). Антарктические рыбы (серебрянка, щука-хаматус, трематомы, макрурус) фиксируются на ленте или дисплее эхолота в дневное время на участках шельфа или континентального склона на глубинах до 500 м в виде отдельных «косяков» высотой до 50 м, плотно прилегающих к грунту.

В отличие от биологических методов, связанных с многолетними наблюдениями и большим объемом статистики, гидроакустический экспресс-метод количественной оценки биомассы морских животных позволяет оперативно оценивать сырьевые ресурсы применительно к конкретной ситуации.

В зависимости от ряда факторов регистрация промысловых объектов штатной рыбопоисковой аппаратурой может быть разрешающей, когда цель одиночная и объекты регистрируются раздельно, или неразрешающей, когда цель множественная и объекты регистрируются слитно.

В реальных условиях величина эхосигналов от скоплений сильно флуктуирует от посылки к посылке, поэтому можно определять лишь усредненные за серию импульсов значения плотности скоплений. Усреднение эхосигналов за ряд посылок выполняют с помощью интегратора.

Интегрирование эхосигналов позволяет определять поверхностную плотность скоплений вдоль галсов гидроакустической съемки. Выполнив в обследуемом районе серию галсов и нанеся измеренные значения плотности на карту-планшет, можно построить распределение объектов и оценить биомассу скоплений.

Оценка достоверности результатов гидроакустических съемок проблема достаточно сложная и мало исследованная. Источниками погрешностей эхометрических съемок являются: неточное знание акустических характеристик скоплений и водной среды; несовершенство используемых методов оценки плотности и биомассы; ограниченные возможности гидроакустической и измерительной аппаратуры; особенности биологического состояния, поведения и распределения обследуемых объектов; субъективные факторы и т.д. Необходимые для анализа исходные данные часто отсутствуют, поэтому значения ряда погрешностей могут быть оценены лишь ориентировочно.

Совместное использование биологических методов и регулярных гидроакустических съемок, дополняющих друг друга, дают лучшие результаты и позволяют контролировать величину запасов с погрешностью 20-30%, в некоторых случаях достаточной для практических нужд.

Состав используемой при гидроакустических съемках аппаратуры определяется способом обработки эхосигналов. Опыт применения гидроакустической аппаратуры в различных районах Мирового океана показал, что ее возможности применительно к обнаружению и количественной оценке скоплений промысловых объектов в большой степени зависят от условий проведения эхометрической съемки. На основании оценки возможностей аппаратуры выбирают режим ее работы.

Гидроакустические съемки выполняют с использованием судовых рыбопоисковых приборов эхолотов или, гидролокаторов в вертикальном режиме. В качестве устройств обработки эхосигналов применяют интеграторы. Достоверные результаты могут быть получены только в случае использования аппаратуры с ВАРУ по линейному и квадратичному законам, а также с достаточно стабильными и хорошо регулируемыми параметрами.

Из отечественной аппаратуры наиболее удовлетворяет требованиям эхосъемок ГАС «Сарган. Комплекс состоит из гидролокатора и эхолота, которые могут работать одновременно на разных частотах. Гидролокатор и эхолот имеют одинаковые пьезокерамические антенны с диаграммой направленности шириной 14° на низкой частоте, а также 4° и 2° - на высокой. Длительность зондирующих импульсов изменяется ступенчато в широких пределах, соответственно варьируется полоса пропускания усилителя. Предусмотрена возможность изменения акустической мощности излучения. ВАРУ имеет регулируемые параметры, однако ее характеристики не соответствуют линейному и квадратичному законам. Это обстоятельство существенно затрудняет использование станции для количественной оценки скоплений, поэтому рекомендуется переделка схемы ВАРУ с целью улучшения ее точностных характеристик.

Из зарубежных рыбопоисковых приборов, предназначенных для судов большого и среднего тоннажа, наибольшее распространение получили эхолоты ЕК фирмы «Симрад» (Норвегия). Эти приборы имеют сравнительно точные характеристики ВАРУ, регулируемые мощность излучения, длительность импульсов, полосу пропускания; предусмотрено подключение дополнительного мощного генератора. Имеется также возможность ступенчато изменять направленность антенны. В эхолоте ЕК-400 используются микропроцессор и цифровые схемы; он может работать на двух частотах в указанном диапазоне, имеет большие функциональные возможности и высокие точностные характеристики. Режим работы прибора устанавливается с цифрового пульта.

Специально для эхосъемок в системе рыбного хозяйства используют два типа отечественных интеграторов: СИОРС (система информационная для оценки рыбных скоплений) и АЦЭИ (аналогово-цифровой эхоинтегратор), а также интеграторы зарубежного производства: QD и QM фирмы «Симрад»; комплекс FQ-50 фирмы «Фуруно» (Япония).

Цифровой интегратор СИОРС является точным прибором, он предназначен для работы на исследовательских и поисковых судах. Интегратор может подключаться к гидроакустическим приборам. Для использования СИОРС с ГАС «Сарган» разработан специальный усилитель УСОД (устройство сопряжения СИОРС с датчиками эхосигналов), который подключается непосредственно к антенне и имеет цифроуправляемую ВАРУ с точными характеристиками по линейному и квадратичному законам на частотах 20 и 136 кГц.

Аналоговый интегратор QM обычно подключают к норвежским эхолотам, работающим на частотах 12-120 кГц. Интегратор имеет два канала, динамический диапазон 35 дБ. Вывод информации: в первой модели на собственный самописец; во второй (QM МкП) на самописец гидроакустического прибора.

В последнее время наметилась тенденция к созданию аппаратурных комплексов, состоящих из эхолота и интегратора. Такой системой является комплекс FQ-50 фирмы «Фуруно». Комплекс выполняет интегрирование эхосигналов в 12 каналах на различных глубинах; на эхо-граммах печатаются установленные параметры аппаратуры, коэффициент объемного рассеяния и график вертикального распределения плотности скоплений за выбранный участок пути. Имеется также устройство для печатания журнала съемки. Комплекс обладает высокими точностными характеристиками.

Для оценки достоверности результатов эхосъемок нужно хорошо знать возможности аппаратуры, которые сильно зависят от распределения промысловых объектов. Гидроакустические приборы часто не регистрируют плотные концентрации глубоководных рыб, рассредоточенные скопления мелких рыб и криля, а также объекты вблизи поверхности моря или у дна. Поэтому необходимо иметь ясное представление об особенностях распределения и поведения объектов эхосъемки, а также о возможностях используемой аппаратуры: максимальной глубине обнаружения скоплений различной плотности, разрешающей способности при регистрации приповерхностных и придонных объектов и т.д.

Дальность действия рыбопоискового прибора определяется его собственными параметрами, акустическими характеристиками объектов и среды, а также плотностью, глубиной расположения и вертикальной протяженностью скоплений.

В тех случаях, когда промысловые объекты держатся на значительных глубинах, важно знать предельную дальность обнаружения гидроакустическими приборами скоплений разной плотности при различных условиях работы. Обычно ее определяют экспериментальным путем. Для этого регистрируют скопления при максимальной мощности и усилении приемного тракта в наиболее благоприятных условиях поиска (в спокойную погоду; в дрейфе или на малом ходу судна).

Оценивать дальность обнаружения скоплений целесообразно применительно к разным промысловым районам и различным типам гидроакустических приборов, которые могут быть использованы в эхосъемках. Зная глубину обитания, толщину и плотность скоплений в традиционном промысловом районе, можно определить, какой тип прибора наиболее подходит для проведения съемки и предложить режим его работы для обеспечения обнаружения концентраций.

Возможности гидроакустической техники существенно ограничиваются наличием шумовых помех, звукорассеивающих слоев (ЗРС) и затуханием звука.

Шумовые помехи имеют различную природу и делятся на электрические и акустические. К электрическим относят собственные шумы усилителя и наводки от воздействия электромагнитных полей различных устройств; к акустическим шумы двигателя, механизмов и гребного винта, а также шумы обтекания судна потоком воды и ударов волн по корпусу. Основной помехой являются акустические шумы, они возрастают при увеличении скорости движения судна, ухудшении погодных условий, понижении рабочей частоты, расширении ультразвукового луча и полосы пропускания приемного тракта.

Для того чтобы шумовые помехи не мешали регистрации полезных эхо-сигналов приходится учитывать и уменьшать влияние этих факторов, соответственно выбирая режимы работы судна и гидроакустической аппаратуры.

В некоторых случаях объекты эхосъемки регистрируются на фоне ЗРС, образуемых молодью рыб, мелкими ракообразными, личинками, икрой, планктоном, воздушными пузырьками, неоднородностями водной среды, включая температурные скачки и т.д. Аналогичная проблема возникает при регистрации смешанных скоплений рыб, содержащих виды, не являющиеся объектами данной эхосъемки. Учесть степень влияния ЗРС на показания интегратора можно путем интегрирования эхосигналов от ЗРС в отсутствие обследуемых объектов.

Затухание звука зависит от рабочей частоты излучения (километрическое затухание) и от степени аэрации приповерхностного слоя воды (избыточное затухание). Для обеспечения обнаружения объектов в широком диапазоне глубин в большинстве случаев используют низкочастотные приборы. При этом эффект избыточного затухания в аэрированном слое может быть значителен и его следует учитывать в процессе эхосъемок.

Существенные особенности имеет регистрация гидроакустическими приборами приповерхностных и придонных объектов.

В определенные периоды года и время суток некоторые пелагические рыбы и другие промысловые объекты держатся вблизи поверхности моря. Приповерхностные промысловые скопления обычно наблюдаются при относительно спокойном море и имеют высокую плотность.

Несмотря на то, что с точки зрения энергетических возможностей гидроакустической аппаратуры условия обнаружения приповерхностных скоплений вполне благоприятны, фактические возможности их регистрации вблизи поверхности моря ограничены.

Наличие этой ограниченности объясняется осадкой судна и его отпугивающим действием на рыбу, а также так называемой мертвой зоной от зондирующих импульсов прибора. В силу этих причин регистрация и количественная оценка рыбных скоплений эхолотом бывают возможны, начиная с глубины 10-15 м, а иногда и больше. Регистрировать такие скопления гидролокатором можно только при очень хорошей погоде, когда поверхностная реверберация невелика. В некоторых случаях для обнаружения приповерхностных скоплений прибегают к помощи буксируемых антенн, работающих снизу вверх. Однако существующие конструкции таких антенн пока еще имеют существенные недостатки (в основном нестабильность хода и сложность спуско-подъемньгх операций в свежую погоду).

Для того чтобы регистрировать придонные объекты, гидроакустическая аппаратура должна удовлетворять более высоким требованиям, чем в случае пелагических скоплений: необходимо обнаружить объекты, во-первых, на заданной глубине и, во-вторых, на фоне эхосигналов от грунта.

Подводные наблюдения показывают, что придонная рыба держится неравномерно по глубине; наиболее плотные концентрации часто бывают у самого дна. В этом случае рыба обнаруживается особенно плохо из-за неровностей грунта: расстояния от антенны до неровностей могут быть меньше, чем до скопления рыбы, и тогда полезные эхосигналы регистрируются под линией дна. Как правило, каменный грунт более неровный; в этом случае следует ожидать особенно сильной маскировки донной рыбы.

Степень маскировки рыбы неровностями дна зависит от глубины места: на малых глубинах этот эффект практически отсутствует, с ростом глубины площадь облучения дна увеличивается, поэтому маскирующее действие грунта возрастает. Поскольку учесть степень маскировки рыбы на различных участках обследуемого района практически невозможно, результативность эхо-метрических съемок придонных скоплений существенно снижается.

Возможности регистрации придонных и донных объектов самописцем и интегратором повышаются при использовании расширителя записи и специальных устройств, позволяющих отсекать эхосигналы грунта. Эффективность работы на скоплениях этих объектов существенно возрастает с повышением разрешающей способности гидроакустического прибора, что достигается применением узконаправленных антенн и коротких зондирующих импульсов.

Для того чтобы полностью избавиться от маскировки рыбы неровностями грунта, диаграмма направленности акустической антенны должна быть очень узкой. При таком угле направленности необходима стабилизация ультразвукового луча эхолота. Наиболее удачные устройства в этом отношении буксируемые антенны, особенно эффективные при работе на больших глубинах. Такие системы не требуют специальной стабилизации. Кроме того, заглубление буксируемой антенны ниже аэрированного приповерхностного слоя воды значительно повышает эффективность работы гидроакустического прибора при волнении моря.

Перед началом съемки задают режим работы гидроакустического прибора и интегратора, выбирая его на основе оценки возможностей аппаратуры применительно к решению поставленной задачи.

Режим работы гидроакустического прибора задают, устанавливая следующие параметры: рабочую частоту, мощность, направленность антенны, длительность зондирующих импульсов, полосу пропускания усилителя, коэффициент усиления, закон ВАРУ, диапазон регистрации, скорость протяжки бумаги.

Режим работы интегратора задают, устанавливая глубину и толщину слоя интегрирования, усиление, порог регистрации полезных эхосигналов, порог срабатывания донной блокировки.

гидроакустический эхометрический рыба

Список литературы

Норинов Е.Г. Методы управления рыболовством в открытых районах Мирового океана на примере Антарктики. — Владивосток: Дальрыбвтуз, 2001. — 109 с.