Высокий уровень современного рыболовства увеличивает необходимость в оперативном получении данных о распределении промысловых объектов по акватории океана и их биомассе для обеспечения эффективного облова скоплений и решения задач расстановки флота и рационального регулирования вылова.
Из существующих поисковых средств промышленного рыболовства наиболее достоверную и оперативную информацию о пространственном распределил промысловых объектов выдают гидроакустические приборы. Количественная оценка скоплений получается дополнительной обработкой эхо-сигналов, поступающих с приемных трактов эхолотов, в результате которой определяется плотность биомассы в озвученном объеме.
Основное развитие получили методы измерения плотности биомассы, основанные на измерении числа эхо-сигналов — эхо-счет и энергии эхо-сигналов — интегрирование.(I). За рубежом разработан целый ряд аппаратуры для обеспечения измерений плотности биомассы акустическим методом (2, 3, Ч, 5). В СССР для этих целей используют единичные экземпляры эхолотов фирмы «Симрад» (Норвегия) и образцы аппаратуры, созданные специалистами отрасли с различными техническими, эксплуатационными и метрологическими характеристиками (б, 7). Это не отвечает сегодняшним потребностям отрасли в аппаратуре оперативного измерения плотности биомассы промысловых скоплений рыб акустическим методом, что определяет необходимость создания отечественных серийных комплексов для оснащения научных и поисковых судов.
На эффективность использования гидроакустической техники для количественных измерений влияют возможности аппаратуры, а также многообразные, крайне не стабильные во времени и.
— 8 пространстве факторы, к которым относятся условия распространения звука, уровень внешних и внутренних шумов, дрейф параметров элементной базы и др. Поэтому в связи с громадным диапазоном пространственных и временных масштабов распределения промысловых объектов возникает проблема соизмеримости результатов в задаче оценки численности биомассы рыб с учетом возможностей аппаратуры, факторов внешней среды и условий эксплуатации.
Сказанное выше определяет актуальность темы диссертационной работы по созданию аппаратурных средств измерения плотности биомассы промысловых рыбных скоплений с гарантированной точностью для оснащения научного и поискового флота Минрыбхоза СССР с целью получения надежной оперативной информации для организации регулярного контроля рыбных запасов и рациональной расстановки флота.
Имеется ряд обзорных работ, в которых рассматриваются и анализируются существующиеметоды и аппаратура обработки эхо-сигналов для определения плотности биомассы акустическим методом (7, 8, 9). В то же время работ, посвященных обоснованию выбора рациональной структуры аппаратуры, исходя из требуемой точности определения плотности биомассы, не имеется.
Целью работы является развитие гидроакустического метода и создание аппаратуры на основе критерия требуемой точности измерений плотности биомассы рыбных скоплений при проведении эхо-метрических съемок.
Для этого в данной работе проведено более систематическое и полное изложение теоретических основ закономерностей методов эхо-счета и эхо-интегрирования, с применением теории случайных процессов и определены границы их применимости, проанализированы процессы формирования погрешностей оценок плотности оиомассы.
— 9 с учетом примененной модели и условий измерения, на основе которых с использованием системного анализа обоснованы требования по точности обработки эхо-сигналов, разработаны общие принципы реализации техниче ских средств, обеспечивающие требуемую точность, проведены конкретные разработки и показана перспективность их применения в реальных эхо-съемках.
Современная теория точности измерений исходит из того, что погрешности процесса измерения в первую очередь определяются степенью соответствия математической модели реальным явлениям, на основе чего выбирается структурная схема измерительной аппаратуры, реализующая требуемую степень точности обработки входных сигналов.
В настоящее время математическая модель эхо-счета разработана и используется для оценки плотности разреженных скоплений, а эхо-интегрирование — для оценки плотности любых по концентрации скоплений. При этом следует отметить, что классификация по плотности для выбора соответствующего алгоритма измерений является условной и, в большой степени, зависит от технических параметров применяемых эхолотов.
Усовершенствованная в диссертационной работе модель разрешающей возможности метода эхо-счета показала, что для наиболее распространенных эхолотов максимально возможные плотности.
3 —? 3 рыб не превышают 10″ - 10″ шт/м, в то время как возможный диапазон плотностей промысловых объектов составляет от 10″ «^ до Ю^шт/м^ и выше (8).
Метод эхо-интегрирования получил наиболее широкое распространение в работах по оценке численности биомассы и основан на физической модели соответствия энергии, отраженной от скоплений объектов сигналов, их плотности при действии в приемном тракте эхолота временной автоматической регулировки усиления (В.АРУ), компенсирующего потери распространения и затухания звука в воде.
Модель эхо-интегрирования наиболее полно разработана для плотных по концентрации скоплений. С применением в данной работе теории случайных процессов математически более строго, чем в известных источниках, показано, что средняя энергия акустических сигналов, отраженных от разреженных скоплений, также пропорциональна средней плотности объектов в зоне действия эхолота, то есть модель эхо-интегрирования для них справедлива.
Одним из основных требований к аппаратуре является точность измерений. При этом результирующая погрешность измеряемой величины складывается из погрешностей параметров модели внешней среды, ипреобразователей входной информации, сопрягающих устройV ств и устройств обработки.
Проведенный в диссертационной работе анализ погрешностей оценки плотности биомассы эхо-счетным методом показывает, что точность градуировки составляет 0.3−0.8 дБ, которой добавляется неопределенная погрешность классификации сигналов от отдельных рыб. Эта неопределенность вызвана отсутствием надежных информативных признаков эхо-сигналов для достоверной идентификации отдельных рыб. Поэтому для классификации скоплений по плотности различными исследователями создается громоздкая аппаратура с применением ЭВМ, однако проблема надежной классификации одиночной цели до настоящего времени не решена. При этом возникает противоречие между возможностями эхо-счетных систем и их точностью, так как повышение разрешающей способности эхолота по плотности приводит к снижению дальности обнаружения и уменьшению числа эхо-сигналов от одного объекта.
Погрешность оценки плотности биомассы методом интегрирования формируется последовательным накоплением погрешностей математической модели, канала распространения звуковых волн, точности определения значений параметров акустической антенны, приемного тракта эхолота и интегратора, а также наших знаний о силе цели облучаемых объектов. Так как эхо-интегратор решает часть задачи, связанной с измерением силы цели всего облучаемого скопления, то в диссертации анализируется погрешность только этого процесса, необходимого для обоснования его технических характеристик.
Наиболее сложно в настоящее время дать количественную характеристику погрешности математической модели оценки плотности рыбных скоплений через их акустические характеристики и погрешностей, связанных с потерями затухания и распространения и звуковых волн в водной среде. Проведенный по литературным источникам качественный анализ не позволяет получить количественных данных по выше перечисленным погрешностям.
Однако, проведенные эксперименты на искусственных скоплениях из живых рыб показали, что отклонение результатов измерений плотности рыб, при модели потерь затухания и распространения и известной силе цели объектов, от реальных плотностей не превышают 20 $. Эта величина в данной диссертационной работе принята, как наследственная погрешность информации, поступающей на обработку акустическим преобразователем эхолота.
Для обоснования требований по точности обработки сигналов эхо-интегрирующей системой в данной диссертационной работе применен системный подход, основанный на условии незначительного увеличения погрешности обработки каждым функциональным блоком по сравнению с погрешностью на его входе. Исходя из величины наследственной погрешности информации на входе антенны эхолота.
I дБ и возможностей определения существующими методами параметров антенны с точностью не выше I дБ показано, что точность обработки приемным усилителем эхолота и интегратора должна увеличить входную погрешность не более, чем на 0.2 дБ.
Полученные результаты позволили впервые обосновать необходимую точность обработки сигналов интегратором и блоком ВАРУ 0.5 дБ каждый и определить достижимую точность эхо—интегрирующей системы в 2 дБ.
Таким образом, проведенный анализ показывает, что при оценке чисто разреженных скоплений точность эхо-счета выше точности эхо-интегрирования. Однако ограниченные возможности эхо-счета по диапазону измеряемых плотностей, неопределенность алгоритмов классификации отдельных целей, большое влияние на точность условий измерений ограничивают его применение при создании серийных устройства Это подтверждает и существующая тенденция преобладающего развития интегрирующих систем для обеспечения акустических съемок.
Полученные, результаты по требуемой точности обработки эхо-сигналов являются основным критерием, который должен быть обеспечен реализацией приемного усилителя и интегратора.
Погрешности, возникающие при обработке сигналов, можно разделить на два основных класса:
— методическая погрешность, вызванная ограниченными техническими возможностями аппаратуры и связанная с рядом допущений и приближений;
— инструментальная погрешность, определяемая принципом построения аппаратуры и её конструктивной реализацией.
В данной диссертационной работе выделены и исследуются погрешности обработки сигналов, которые вызывают смещение оценки измеряемой величины плотности. К таким факторам, вызывающим систематическую погрешность, относятся:
— методическая погрешность, вызванная приближенностью закона действия ВАРУ в усилителе эхолота, реальным потерям распространения и затухания в среде ;
— инструментальная погрешность — вызванная ограниченным динамическим диапазоном интегратора, что вызывает искаженную обработку по амплитуде.
Анализ погрешностей от действия ВАРУ показывает, что наиболее значительный вклад вносится за счет несоответствия заложенного в ВАРУ коэффициента поглощения реальному, зависящему от температуры и солености воды, которые в свою очередь зависят от глубины, времени и географического района. В диссертационной работе предлагается для обеспечения требуемой точности обработки 0.5 дБ программировать коэффициент поглощения в законе ВАРУ по географическим районам, и разработан критерий программирования в функции глубины.
На основании проведенных исследований выданы рекомендации программировать коэффициент поглощения для ВАРУ эхолота «Сарган» в пределах 0.3−3.15 дБ/км с шагом 0.1дБ/км и 5~45дБ/км с шагом 1дБ/км соответственно для частот 20 и 136 кГц.
Погрешность от искаженной обработки сигналов интегратором возникает вследствие несогласования диапазона интегратора с возможным диапазоном амплитуд эхо-сигналов до 50 дБ. Современная аналоговая техника при выполнении операции квадратирования позволяет обрабатывать сигналы в диапазоне не более ЗОдБ, что вызывает необходимость перехода к цифровой технике, обеспечивающей квадратирование без сужения динамического диапазона.
Особое внимание в диссертационной работе уделено разработке требований к техническим характеристикам функциональных узлов интеграторов, обеспечивающих переход от аналоговой обработки к цифровой (АЦП) и цифровой обработки (квадратора и u интегратора). Отечественная элементная база не позволяет реализовать эти блоки с техническими характеристиками аналогичных зарубежных образцов.
Основной характеристикой этих блоков является длина разрядной сетки, которая выбирается в зависимости от величины погрешности, вызванной конечной разрядностью представления величин в цифровом виде. Проведенный в диссертационной работе анализ показал, что погрешность от ограничения разрядной сетки на вы1 ходе АЩ1 в процессе обработки интегратором трансформируется и u 1 практически ею можно пренебречь. В этом случае оптимальная длина разрядной сетки ЯЩ определяется только динамическим диапазоном входных сигналов. Это позволяет применить 8-разрядное АЦП для обработки сигналов в диапазоне амплитуд 50 дБ с сохраv нением точности обработки аналогичных зарубежных образцов с одновременным уменьшением затрат на оборудование.
По результатам проведенного в диссертационной работе анализа выполнено моделирование эхо-интегрирующей структуры с предложенными техническими характеристиками функциональных узлов. Для этой цели разработана судовая измерительная система на базе ЭВМ М-6000, сравнительные испытания которой с лучшими зарубежными системами показали хорошую сопоставимость результатов.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в специализированной цифровой эхо-интегрирующей системе, разработанной Институтом Проблем Моделирования АН УССР v совместно с ПИНРО, которая измеряет энергию эхо-сигналов в 5 выбранных по глубине каналах. Прибор обеспечивает заданную точность обработки сигналов 0.5 дБ в диапазоне амплитуд входных сигналов 50 дБ в полосе рабочих частот 10−150 кГц.
— 15.
Разработанный по рекомендациям диссертационной работы макет усилителя для эхолота «Сарган» обеспечивает регулировку ВШ по законам 20фг: +??1 и на частотах 20 и 136 кЛ4 с точностью не хуже 0.5 дБ. В зависимости от гидрологических условий оператор может задавать значения коэффициента поглощения от 0.0004 до 0.0036 дБ/м с шагом 0.0001 дБ/м на частоте 20 кГц и 0.004 до 0.05 дБ/м с шагом 0.002 дБ/м для частоты 136 кГц. Проведены предварительные испытания макета, выдано техническое задание на ОКР.
В период 1980/82 годов цифровой эхо-интегратор использовался на НИС «Поиск», «Персей-3», «Одиссей» при проведении советско-норвежских съемок мойвы и сайки в Баренцевом море, путассу Норвежского моря и съемке антарктическога криля по программе «Файбекс». Применение цифрового интегратора показало, что технические возможности позволяют использовать его в акустических съемках по общепринятым методикам и получать соизмеримые результаты в крупномасштабных исследованиях запасов промысловых рыб.
В диссертационной работе приведены методики градуировок интегратора с использованием эталонных сфер и в различных режимах его работы, показано влияние факторов гидрологической среды и значение коэффициентов поглощения в законах ВАРУ на точность оценки биомассы путассу. Показано, что возможность измерения энергии эхо-сигналов за фиксированное число посылок повышает точность измерения плотности и упрощает процесс обработки, т.к. отпадает необходимость учитывать скорость судна по показаниям лага.
Использование интеграторов в международных съемках на НИС «Персей-З» и «Поиск» позволило в 1981/82 годах включить результаты отечественных исследований в совместной с норвежскими учеными расчет величины запасов мойвы, сайки, путассу и защитить национальные интересы. Принято совместное решение Минрыбхоза СССР и Минприбора СССР о поставке цифрового интегратора на серийное производство, а усилителя с ВАРУ на НИОКР для оснащения научно-исследовательского и поискового флота отрасли. Экономический эффект от внедрения специализированных цифровых эхо-интеграторов составляет 1.910 тыс.рублей.
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ВЫВОДЫ.
1. Организация регулярного контроля запасов промысловых рыб гидроакустическим методом поисковыми судами требует оснащения их аппаратурой, обеспечивающей гарантированную точность измерений для получения совместимых результатов с учетом пространственно-временных характеристик среды Мирового океана, условий измерений и эксплуатации.
2. Для получения оценки плотности рыб измеряют энергию эхо-сигналов (эхо-интегрирование) или их счет. Проведенный анализ физической модели оценки плотности рыб показал, что эхо-счет обеспечивает несмещенную оценку плотности только разреженных скоплений рыб в пределах 10 -10 шт/м из общего диапазона плотностей.
Эхо-интегрирование обеспечивает несмещенную оценку плотностей различных по концентрации скоплений рыб,.
3. Проведенный системный анализ погрешности измерения плотности биомассы методом эхо-счета показал, что достижимая точность оценки плотности рыб составляет 0.3−0.8 дБ при условии надежной классификации одиночных объектов.
4. Проведенный системный анализ погрешности измерения плотности скоплений рыб показал, что достижимая точность оценки составляет 2 дБ. При этом впервые получены необходимые оценки точности обработки сигналов эхо-интегрирующей системой, которая для приемного усилителя с ВАРУ и интегратора должна не превышать 0.5 дБ.
5. Полученные оценки точности измерений плотности рыб с учетом возможностей методов интегрирования и эхо-счета позволяет однозначно обосновать требование к интегрирующей структуре.
— 142 при создании серийной аппаратуры для поисковых судов. Проведенный анализ аналогичных разработок за рубежом подтверждает эту тенденцию.
6. Проведенный анализ и эксперименты показали, что аппаратурные погрешности в оценке плотности скопления рыб могут возникать из-за несоответствия закона регулирования коэффициента усиления блоком ВАРУ реальным потерям поглощения звука в воде за счет неучета гидрологических характеристик воды (до.
23 раз), и интегрирующим блоком за счет искажения формы сигналов при малом динамическом диапазоне обрабатываемых амплитуд. Получены рассчеты зависимости корректировки показаний интеграторов в зависимости от гидрологических характеристик среды.
7. Для обеспечения заданного уровня точности предложено ВАРУ с программируемым. коэффициентом поглощения. С использованием принципа минимизации среднеквадратичной погрешности закона ВАРУ получены теоретические зависимости, позволяющие определить шаг дискретизации коэффициента поглощения в зависимости от требуемой точности обработки. Проведены расчеты для отечественного эхолота «Сарган» на частотах 20 и 136 кГц.
8. Для обеспечения неискаженной обработки сигналов с динамическим диапазоном амплитуд более 40 дБ показана необходимость использовать цифровые методы. Анализ статистических ошибок, вызванных конечной разрядностью представления величин в цифровой форме, показал достаточность 8-разрядного слова для обеспечения заданной точности 0.5 дБ. Это позволяет значительно уменьшить затраты на ойорудование в отличие от аналогичных заруоеж-ных образцов при сохранении динамического диапазона и точности обработки.
9. Реализован и защищен авторским свидетельством по пред 143 ложенной структурной схеме и техническими параметрами функциональных блоков специализированный эхо-интегратор, который обеспечивает обработку сигналов в диапазоне 52 дБ с точностью не хуже 0,5 дБ.
10. Создан усилитель с ВАРУ для эхолота «Сарган», позволяющий оперативно вводить коэффициент поглощения звука в закон ВАРУ от 0.4 до З. б дБ/км с шагом 0.1 дБ/км и от 4 до 50 дБ/км с шагом 2 дБ/км, обеспечивающий точность обработки не хуже.
0.5 дБ.
11. Экспериментальные образцы, созданного цифрового интегратора применялись в 1980/82 г. г. на НИСах «Одиссей», «Персей-З, «Поиск» на международных съемках криля, пелагических рыб Баренцева и Норвежского морей и показали высокую совместимость результатов с новейшими зарубежными образцами, что позволило впервые включить результаты советских исследований в расчет биомассы путассу Норвежского моря, мойвы и сайки Баренцева моря.
12. Для повышения точности оценки численности рыб интегрирующими системами, получения соизмеримых во времени и пространстве данных, необходима оперативная корректировка коэффициента поглощения, для чего перспективно использовать разработанный усилитель с программируемым коэффициентом поглощения звука в воде в блоке ВАРУ.
