СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЫБНЫХ КОСЯКОВ Российский патент 1998 года по МПК G01S15/96 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для определения параметров рыбных косяков в море.

Известны способы и устройства обнаружения рыб и рыбных косяков в море и определение их параметров томографическим методом при использовании в качестве зондирующего сигнала энергии динамических шумов морской среды [1-4].

Известен способ, состоящий в приеме гидрофоном, расположенным на дне и направленным рабочей поверхностью вертикально вверх, динамических шумов моря, анализе спектра этих шумов, измерении изменений спектра при наличии рыбного косяка в зоне диаграммы направленности приемника и определении его параметров на основании свойств пространственной дифракционной акустической решетки.

Целью изобретения является расширение состава измеряемых параметров рыбного косяка, в частности реализация измерения: длины косяка, расстояния между рыбами, пространственной плотности, глубины его верхней и нижней границ, высоты.

Это достигается тем, что при анализе спектра динамических шумов моря используется свойство рыбного косяка к модуляции этого спектра вследствие дискретности структуры косяка и движения его относительно приемника. При этом измеряются продолжительность и частота флюктуаций амплитуд части спектра шумов, проникающих через косяк. По известной скорости движения косяка и продолжительности флюктуаций определяют его длину. По частоте флюктуаций при известной скорости определяют расстояние между рыбами как период пространственной дифракционной решетки, и вычисляют пространственную плотность косяка - количество рыб в 1 м³ пространства. По полученной пространственной плотности, известном размере рыб, рыбных пузырей и увеличению резонансной частоты с ростом глубины, определяют глубины верхнего и нижнего слоев косяка и вычисляют его высоту.

На фиг. 1 схематично показан вертикальный продольный разрез косяка, проходящего через диаграммы направленности, где 1 - гидрофон, 2 - зона диаграммы направленности, 3 - динамические шумы, 4 - рыбный косяк, 5 - расстояние между рыбами, т.е. рыбными пузырями (d), 6 - дифракционные максимумы от волн, прошедших структуру косяка.

На фиг. 2 приведена структурная схема устройства для реализации способа, где 1 - гидрофон, 7 - предварительный усилитель, 8 - аналого-цифровое преобразователь (АЦП), 9 - устройство быстрого преобразования Фурье (БПФ), 9 - персональная электронно-вычислительная машина ПЭВМ.

На фиг. 3 изображены спектры динамических шумов моря, где 11 - спектр в отсутствие рыбного косяка, 12 - спектр, модулированный проходящим через зону диаграммы направленности косяком, 13 - флюктуации спектра, вызванные движением косяка, 14 - значение резонансной частоты верхнего слоя косяка (F_ОВ), 15 - значение резонансной частоты нижнего слоя косяка (F_ОН), 16 - значение частоты "отпирания" косяка (F_ОТ), 17 - значение частоты отпирания верхнего слоя косяка (F_ОТВ), P - звуковое давление, F - частота.

Приемник (гидрофон) 1 устанавливается на дне рабочей поверхности к поверхности моря. Формируется диаграмма направленности 2, в пределах пространства которой осуществляется прием энергии динамических шумов моря 3 в широкой полосе частот, спектр которых в отсутствие косяка имеет форму 11. Принятые шумы усиливаются предварительным усилителем 7, превращаются в цифровую форму 8 и после преобразования 9 в форму частотного спектра с заданной дискретностью поступают на ПЭВМ 10, где осуществляются все необходимые преобразования и реализуется алгоритм обработки в соответствии с предлагаемым способом.

Рыбный косяк 4, проходящий зону диаграммы направленности 2 со скоростью V, представляет объемную дифракционную ракетку с узлами в виде рыбных пузырей, определяющих ее период (d) и находящихся в среднем на расстоянии 5 друг от друга. Во время движения косяка с постоянной скоростью V вся пространственная структура его довольно устойчива, что определяется действием гидродинамических сил, развивающихся при данной скорости, характерной для рыб соответствующего размера.

Для различных составляющих спектра частот косяк, как акустическая система, представляет разное сопротивление. Для частот резонанса рыбных пузырей 14, 15 (F_ОВ, F_ОН) площадь обратного рассеяния каждой рыбы (ее пузыря) многократно возрастает и в целом рыбный косяк эффективно затеняет шумы на этой частоте, представляя квазисплошной объект с размерами горизонтальной площади всего косяка. При определенной, для данного размера рыб и расстояния между ними, частоте (F_ОТ), когда длина волны становится меньше расстояния между рыбами, энергия шумов этой частоты и более высоких проникает через косяк, ниже которого при этом образуются дифракционные максимумы 6, проявляющиеся при движении косяка со скоростью V в виде модуляции амплитуд спектральных частот 13 с частотой ω (периодом d). Эти модуляции данного участка спектра существуют в течение времени прохождения косяком пространства диаграммы направленности.

Скорость движения косяка можно считать известной для рыб данного размера, она может быть рассчитана также по известным формулам, или определена, как, например, в [4].

При этом из элементарных соотношений следует:
Vt=L; (1);
dωt = L (2) ,
где V - скорость движения косяка;
t - продолжительность модуляций;
L - длина косяка;
d - расстояние между рыбами в косяке;
ω - частота модуляций амплитуд спектра частот.

Откуда следует:
v = dω ;
.

Следовательно, если известна скорость косяка, измерены частота флюктуаций амплитуд спектра частот и продолжительность самих флюктуаций, то можно определить длину косяка L и среднее расстояние между рыбами d.

Полагая пространственную плотность косяка в среднем равномерной, можно воспользоваться формулой из [5] и рассчитать пространственную плотность косяка:
,
где n - пространственная плотность косяка - количество рыб в 1 м³ пространства.

Пространственная плотность n определяет ширину полосы затеняемых частот F_ОВ-F_ОВ. Чем выше n, тем меньше d, и отпирание косяка (его каждого слоя) произойдет при более высокой частоте.

Значения , рассчитанные по данным [5] для пузырных рыб длиной 30-35 см при различной плотности косяка, приведены ниже:
1/м³ - ω
1 - 1,08
5 - 1,34
10 - 1,59
50 - 2,97
100 - 4,07
500 - 8,09
Следовательно, измеренное значение F_ОТВ позволяет определить и пространственную плотность n.

В случае многослойных косяков, имеющих большую высоту, рыбы каждого более глубокого слоя будут иметь и более высокую резонансную частоту. При этом значение (F_ОТК) 16 многослойного косяка отодвинется вправо по шкале частот на величину, соответствующую разности резонансных частот нижнего и верхнего слоев косяка 15, 14, т.е. на F_ОН-F_ОВ.

Следовательно, существует возможность определить значения частот спектра, соответствующие резонансным частотам верхнего и нижнего слоев косяка, определить глубины последних [4] при известных размерах рыб, а по ним - высоту (толщину) косяка. Для этого измеренное (наблюдаемое) значение 16 (F_ОТК) надо уменьшить в ω раз. Тем самым получим значение 15 (F_ОН), т.е. резонансную частоту нижнего слоя для данного размера рыб.

Таким образом, предлагаемым способом, используя полученные измерениями данные в виде измененной формы спектра и модуляций амплитуд, его составляющих, можно определить параметры рыбного косяка: длину, расстояние между рыбами, пространственную плотность, глубину верхнего и нижнего слоев, т.е. высоту рыбного косяка.

Источники информации.

1. Константинова С. Будет мониторинг или бойня? /Журнал: Изобретатель и рационализатор, N 8, 1993, с. 7.

2. Павлов Ю. К. Гидроакустическая эмиссионная томографическая система мониторинга морской среды и рыбных запасов "Аргус"./Журнал: Рыбное хозяйство, N 1, 1994.

3. Гидроакустическая эмиссионная томографическая система мониторинга морской среды и рыбных запасов "Аргус"./Научно-технологический журнал: Вестник Ноу-Хау N 4 (вып. N 5), декабрь 1993.

4. Патент России N 2010263.

5. Байбалов Э. П., Дубов А.А. Отражение звука от скопления газовых пузырей в жидкости./Акустический журнал, 1989, т. 35, вып. 5.

Изобретение относится к гидролокации и может быть использовано в рыбном промысле. В предлагаемом способе используется динамические шумы моря и проводится анализ особенностей их спектра при прохождении сквозь рыбный косяк. Определение наименьшей и наибольшей затеняемых частот, при знании размера рыб, позволяет определить глубины нахождения верхнего и нижнего слоев рыбного косяка и его вертикальный размер. 3 ил.

Способ измерения параметров рыбных косяков, заключающийся в приеме энергии шумов морской среды, получения спектра этих шумов, измерении параметров спектра во время прохождения рыбным косяком зоны диаграммы направленности приемной антенны, отличающийся тем, что измеряют частоту флюктуаций амплитуд участка спектра выше максимальной затененной частоты и общую продолжительность флюктуаций, по которым по известной скорости движения косяка определяют его длину, среднее расстояние между рыбами и пространственную плотность косяка, фиксируют значения наименьшей и наибольшей затеняемых частот, по первой по известному размеру рыб определяют глубину верхнего слоя косяка, а глубину нижнего слоя определяют по частоте, полученной вычитанием из значения наибольшей затеняемой частоты полосы частот, пропорциональной измеренной пространственной плотности рыбного косяка, высоту косяка определяют как разность значений глубин его нижнего и верхнего слоев.