Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современных гидроакустических и технологических решений, используемых в рыбной отрасли рф для обнаружения морских биологических объектов при широкомасштабном мониторинге акваторий дальневосточных морей 22
1.1 Физические основы мониторинга запасов морских биологических объектов и способы работы гидроакустических средств обнаружения 22
1.2 Современные гидроакустические и технологические решения, используемые в рыбной отрасли РФ для обнаружения беспозвоночных 29
2 Теоретические основы экономически эффективных и экологически безопасных современных технологических решений для достоверного обнаружения и распознавания беспозвоночных на ограниченной морской акватории 40
2.1 Шумовые и гидролокационные характеристики краба как объекта поиска и обнаружения современными гидроакустическими средствами 40
2.2 Физические модели сигналов, помех и зон обнаружения краба в пассивном и активном режимах работы гидроакустического средства на ограниченной морской акватории 48
2.2.1 Физические модели сигналов 48
2.2.2 Физические модели помех 53
2.3.1 Модели индикатрис рассеяния гидролокационного , сигнала от дна 59
2.3 Физико-математические основы алгоритмов пространственно временной обработки для решения задачи обнаружения краба 60
2.3.1 Расчет зон обнаружения в пассивном режиме 60
2.3.2 Расчет зон обнаружения в активном бистатическом режиме 66
2.4 Физическая модель пассивно-активного метода обнаружения беспозвоночных на ограниченной морской акватории 68
2.5 Разделение пространственно-частотных спектров различных возмущений морской среды в совокупности принятого просветного сигнала путем расчета их энергетических спектров 79
2.6 Расчет разности фаз и синхронизация спектральных компонент оптимизированной совокупности принятого просветного сигнала, связанных хаотическими осцилляторами 92
2.7 Оценка погрешности определения фазового спектра кусочно-аппроксимированной оптимизированной совокупности принятого просветного сигнала 97
3 Численные и экспериментальные исследования теоретических основ пассивно-активного метода параметрического обнаружения беспозвоночных на ограниченной морской акватории 111
3.1 Особенности распределения крабов в зависимости от гидрофизических характеристик океанской среды для проведения численного моделирования 111
3.2 Анализ экспериментальных исследований возможности гидролокационного и бистатического обнаружения скоплений краба 121
3.3 Анализ экспериментальных исследований возможности обнаружения скоплений камчатского краба по результатам изменения их звукового поля 130
3.3.1 Методика выделения полезного сигнала из суммарного в режиме шумопеленгования 130
3.3.2 Методика обнаружения скоплений камчатского краба путем формирования нейронной сети и передачи его образа 133
3.4 Численное моделирование процесса разделения пространственно частотных спектров сигналов в режиме бистатической локации от скоплений краба в совокупности принятого просветного сигнала путем расчета их энергетических спектров 137
3.4.1 Численное моделирование процесса расчета разности фаз, синхронизации спектральных компонент, оценки погрешности определения фазового спектра кусочно-аппроксимированной оптимизированной совокупности принятого просветного сигнала, связанных хаотическими осцилляторами 139
3.5 Исследование акустических волн в слоистых гидроупругих средах 148
4 Организационно-технические рекомендации по созданию и эксплуатации гидроакустических систем обнаружения скоплений краба 154
4.1 Структурно-технические основы технологических решений методики обнаружения крабовых скоплений 154
4.2 Организационно-технические рекомендации по созданию гидроакустических систем обнаружения крабовых скоплений 166
4.2.1 Требования к гидроакустическим антеннам формирования режимов моностатической, бистатической, просветной, параметрической гидролокации и пассивного обнаружения импульсных сигналов от скоплений краба 167
4.2.2. Требования к размещению акустических антенн на судне 172
4.2.3 Требования к выбору формы гидроакустической антенны 174
4.2.4 Обоснование состава функциональной аппаратуры современной ГАС поиска и обнаружения крабовых скоплений 177
4.3 Технологические рекомендации формирования базы идентификационных признаков распознавания крабовых скоплений 179
Заключение 185
Основные результаты диссертационной работы 185
Библиографический список 188
- Современные гидроакустические и технологические решения, используемые в рыбной отрасли РФ для обнаружения беспозвоночных
- Физические модели сигналов, помех и зон обнаружения краба в пассивном и активном режимах работы гидроакустического средства на ограниченной морской акватории
- Анализ экспериментальных исследований возможности гидролокационного и бистатического обнаружения скоплений краба
- Организационно-технические рекомендации по созданию гидроакустических систем обнаружения крабовых скоплений
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы возникла довольно серьезная проблема, связанная с хищническим истреблением морских биоресурсов в экономической зоне РФ. Но последние постановления Правительства РФ говорят о том, что ситуация охраны морской биосферы стала возвращаться к комплексным подходам, где немаловажную роль играет формирование технологической системы их добычи, сохранения и воспроизводства.
Как показала практика последних лет, в процессах добычи, сохранения и воспроизводства беспозвоночных, в том числе и крабов, существует ряд недостатков:
во-первых, они связаны с использованием пассивных и активных рыбопоисковых гидроакустических средств, которые не решают задачи видовой и функциональной распознаваемости и идентификации крабовых скоплений или отдельных экземпляров;
во-вторых, технические решения, используемые на предприятиях Федерального агентства по рыболовству, приводят к бесконтрольному и браконьерскому лову крабов;
в-третьих, наблюдается отсутствие процесса развития новых технологических решений, направленных на распознавание по видовой, сезонной, возрастной и функциональной разновидности добываемых беспозвоночных.
Исходя из этого, приведенный анализ свидетельствует о научной и практической значимости разрабатываемой темы диссертационной работы для качественного мониторинга состояния морских биоресурсов дальневосточных морей РФ и их промышленного лова.
Целью работы является решение проблемы качественного мониторинга состояния крабовых скоплений, среды их обитания и производственной деятельности предприятий Федерального агентства по рыболовству на акваториях дальневосточных морей РФ.
Научная задача диссертационной работы - разработка методики и технических решений комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации для распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров с использованием достижений современных нейросетей.
Задачи исследования
-
Проведение анализа современных гидроакустических и технологических решений, используемых в рыбной отрасли РФ, для обнаружения морских биологических объектов при мониторинге акваторий дальневосточных морей.
-
Разработка теоретических основ экономически эффективных и экологически безопасных современных технологических решений для достоверного обнаружения и распознавания беспозвоночных на ограниченной морской акватории.
-
Проведение численных и экспериментальных исследований теоретических основ пассивно-активного метода обнаружения крабов на ограниченной морской акватории.
-
Обоснование технических характеристик и технологических решений системы обнаружения крабов на ограниченной морской акватории.
Объектом исследования диссертационной работы являются технические и технологические решения гидроакустического обнаружения крабовых скоплений, используемые на предприятиях Федерального агентства по рыболовству.
Предметом исследования диссертационной работы является методика и технические решения комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации для распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров с использованием достижений современных нейросетей.
Методы исследований, достоверность и обоснование полученных результатов. В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решение научной задачи базируется на экспериментальных данных и известных положениях классических методов пассивной акустики и активной гидролокации.
Достоверность полученных результатов подтверждается: корректностью разработанных физических моделей; использованием известных положений теоретической гидроакустики; сходностью полученных результатов с техническими решениями и результатами исследований, проведенными Кузнецовым Ю.А., Проценко И.Г., Красниковым И.В. и др., а также автором диссертации.
Научная новизна работы. На основе предложенных теоретических разработок, анализа результатов численного моделирования и данных натурных экспериментов, проведенных в морских условиях различными учебными и научно-исследовательскими организациями Дальневосточного региона, в работе обосновано и подтверждено, что:
решение задачи достоверного распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров возможно путем применения методики и технических решений комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации с использованием достижений современных нейросетей;
предложенная методика распознавания и идентификации крабовых скоплений позволяет в среднем на 20 % лучше распознать сигналы от краба; при этом количество информации, поступающей в нейронную сеть для анализа, уменьшается в 2-3 раза;
в дополнение к предложенной методике для уточнения результатов обнаружения крабовых скоплений возможно использование активных режимов ло-цирования водной среды;
параметрический метод лоцирования позволяет более уверенно обнаруживать значительные крабовые скопления, в то время как режим бистатической локации позволяет выделять одиночные импульсы.
Рассмотренные положения являются принципиально новыми, составляют функционально связанную последовательность операций, которая обеспечивает решение научно-технической задачи качественного мониторинга морских биоресурсов дальневосточных морей РФ и их промышленного лова.
Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации технологии и методика, основанные на современных нейросетях, позволяют изменить качественный и количественный состав существующих пассивных гидроакустических систем мониторинга крабовых скоплений в дальневосточных морях РФ.
Положения, выносимые на защиту:
-
Методика и технические решения комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации для распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров с использованием достижений современных нейросетей.
-
Организационно-технические рекомендации по созданию и эксплуатации гидроакустических систем обнаружения скоплений краба.
Публикации по теме диссертации. Основное содержание диссертации отражено в 16 научных трудах, в том числе одной монографии; 2 патентах на изобретение (№ 2152627 от 10 июля 2000 г.и№ 2154286 от 13 сентября 1999 г.); 4 научных статьях, напечатанных в изданиях РФ, рекомендованных для опубликования основных результатов диссертационных работ. Общий объем публикаций и изданий - более 200 с. (13,3 печ. л., из них лично - 9,6 печ. л.).
Апробация результатов научных исследований. Результаты работы:
получены в ходе выполнения второго этапа инициативного НИР «Барьер» (ТОВМИ, 2001 г.); второго этапа заказного НИР «Модуль» (ТОВМИ, 2003 г.) по разработке пассивно-активного низкочастотного метода и мультистатической системы установки излучающих и приемных станций для обнаружения морских нсоднородностей, в том числе биологических;
подтверждены анализом материалов натурных исследований в рамках промежуточного НИР «Разработка методов исследования и экспериментальное изучение характеристик звуков беспозвоночных и рыб в морях и океанах, омывающих берега Советского Союза», выполненного на учебно-экспериментальной базе Дальрыбвтуза, 167/86-88, 1986 г.; рейса НИС «Гидробиолог» с ПА «ТИНРО-Н», 1992 г.; в бассейнах на борту судна «Восток-1» в 1998 г.; морскими испытания-
ми системы по обнаружению и распознаванию крабов с судна МТ-3 в августе 2003 г. с личным участием автора.
Материалы исследования обсуждались и получили положительную оценку: на научно-техническом семинаре кафедры «Акустические приборы, системы и технические средства судовождения», Дальрыбвтуз, 2006 г.; кафедры «Судовождение», Дальрыбвтуз, 2008 г.; на открытом заседании кафедры «Гидроакустика», ТОВМИ им. СО. Макарова, 2006-2007 гг.; на открытом заседании кафедры «Технические средства судовождения», МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2007-2008 гг.
Реализация результатов исследований. Результаты использованы в технической документации к программе реконструкции и переформирования существующих и создания новых гидроакустических систем качественного мониторинга состояния крабовых скоплений дальневосточных морей РФ, проводимой ДВО РАН.
Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе результаты, полученные в процессе теоретических исследований, численного моделирования, натурных экспериментов, разработаны автором самостоятельно, а именно:
-
Методика и технические решения комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации для распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров с использованием достижений современных нейросетей.
-
Организационно-технические рекомендации по созданию и эксплуатации гидроакустических систем обнаружения скоплений краба.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 106 наименований.
Современные гидроакустические и технологические решения, используемые в рыбной отрасли РФ для обнаружения беспозвоночных
В рыбной отрасли поиск беспозвоночных (скоплений крабов) осуществляется с помощью контрольных постановок ловушечных порядков на разрезах и изобатных маршрутах (рис. 1.5). Их также называют механическими способами.
Расстояния между отдельными станциями и направлением поиска для каждого района, популяции краба выбираются в зависимости от площади вероятностного его нахождения, опыта и знаний экипажа рыболовного траулера (РТ) особенностей поведения крабов [19].Каждая постановка поискового ловушечного порядка занимает значительное время и сопряжено с большими материальными затратами.
Известно, что в процессе своей жизнедеятельности (передвижение, питание и т.д.) беспозвоночные издают различные звуки, подобные щелчкам, скрежету, хрусту и т.д., при помощи конечностей, выступов и других шероховатых поверхностей, расположенных по всему телу. Именно эту (в первую очередь) информацию использует пассивная рыболокация в процессе своего технического функционирования. Проблема сокращений популяций краба имеет как минимум два аспекта: рационализация процессов поиска (обнаружение скоплений крабов, видовое и количественное распознавание, оценка биомассы) и промысла (постановка и выбор орудий лова), а также обеспечение его экологической безопасности (аварийный поиск и подъем на поверхность моря утерянных крабовых порядков или отдельных ловушек).
Морская практика показывает, что процессы поиска промысловых скоплений крабов в начале промысла и их допоиск (определение направлений миграций) в процессе промысла занимают до 30 % времени нахождения судна в районе. В настоящее время основным методом поиска скоплений беспозвоночных является метод «контрольных ловушек» [19], сущность которого заключается в размещении на дне моря в направлении вероятного перемещения краба относительно коротких «разведывательных» порядков ловушек. При всех недостатках данный метод подразумевает бессмысленный подъем на борт судна молоди и самок краба, большая часть из которых повреждается и гибнет [19].
По мнению независимых экспертов, не менее 20 % объема биомассы крабов, поднимаемой ежедневно на борт судна, является «некондиционным» для обработки и понапрасну гибнет [20].
Поэтому основное внимание ученых в последние годы XX в. было уделено активным способам поиска крабов с помощью рыбопоисковых гидролокаторов и эхолотов. В поиске краба и придонной рыбы методом гидролокации имеется много общего с процессом исследования с помощью эхолота.
В обоих случаях такое техническое средство должно обладать высокой (единицы градусов) разрешающей способностью по направлению для раздельной регистрирации эхосигналов от дна и расположенных близко к нему объектов поиска. Из существующих в настоящее время средств придонного поиска краба наиболее известны японский «крабоискатель» с электронным индикатором и самописцем и «краблупа» немецкой фирмы «Элак».
В «крабоискателе» (рис. 1.6) [21] используются зондирующие сигналы на частоте 200 кГц для формирования, порядка 3 градусов, характеристики направленности гидроакустической антенны. Данное обстоятельство ограничивает до нескольких десятков метров глубину района промысла, а также делает практически невозможным сам процесс поиска в условиях качки судна. «Краблупа» [21] работает на частоте 30 кГц, а электронный отметчик позволяет рассматривать слои воды толщиной до 5 м. Отражательную способность краба «краблупой» исследовали в диапазоне частот от 50 до 300 кГц. Как и следовало ожидать, отражательная способность краба оказалась выше, чем у отдельной рыбы. Это обусловлено большим волновым сопротивлением тела краба и хитиновым покровом панциря [22].
Даже на высоких частотах (порядка 300 кГц), где эхосигналы от краба наиболее интенсивны, а небольшие промысловые глубины благоприятствуют применению технических средств гидроакустического поиска, гидролокация не дает желаемого эффекта. Это обусловлено тем, что промысловые концентрации краба являются с точки зрения технических характеристик гидролокатора достаточно разряженными [23].
Данное обстоятельство заставило использовать ученых «игольчатые» гидролокаторы для поиска одиночных экземпляров краба. При глубине рай
Физические модели сигналов, помех и зон обнаружения краба в пассивном и активном режимах работы гидроакустического средства на ограниченной морской акватории
Модель № 1. Модель функции Грина. Функция Грина для освещения ограниченной морской акватории вычисляется в лучевом приближении, которое оправдано на частотах от сотен герц и выше и в пределах которых возможно обнаружение звуковых результатов жизнедеятельности краба или его колоний. Она представляется в виде суммы по лучам отдельных квазиплоских волновых полей [40] и во временном и частотном представлении имеет вид: asin2 x + fisinx +1, X X В рамках данной модели дно (место нахождения краба) является жидким или упругим изоскоростным полупространством.
При вычислении коэффициента отражения от дна в этом случае, которое производится по формулам Френеля [43], задаются комплексные фазовые скорости продольных cL и поперечных Ст упругих волн. При этом малые комплексные части этих скоростей, определяющие затухание волн, считаются не зависящими от частоты [43].
Действительно, как показывают результаты многих экспериментальных исследований, декремент затухания звука в донных осадках прямо пропорционален частоте, так что из (2.7) следует, что предположение о независимости мнимых частей скоростей упругих волн от частоты является оправданным.
Модель № 2. Модель прямого поля в режиме гидролокационного облучения краба высокочастотным гидролокатором. Пусть в некоторой точке с координатами rs расположен излучатель с характеристикой направленности (ХН) Ps(e-e0;co), где е - единичный вектор, определяющий направление наблюдения; во — единичный вектор, определяющий направление компенсации излучающей антенны (ИА), излучающей сигнал /(f) со спектром S(co). Тогда модель прямого поля будет выглядеть следующим образом [43]:где W— мощность излученного сигнала; р с - импеданс воды; ys - коэффициент концентрации ИА; rR - координаты фазового центра ПА; М— число лучей, соединяющих точки излучения и приема; вц (г& rs) — единичный вектор, касательный к //-му лучу в точке приема.
Модель № 3. Модель поля полезного сигнала в пассивном режиме обнаружения краба. Пусть краб находится в некоторой точке с координатами rs. Для простоты предположим, что он излучает, как монополь, случайный стационарный сигнал, распределенный по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и спектральной плотностью ces(co). Тогда матрица спектральных плотностей полезного сигнала на ПА будет иметь вид:где вектор 10( , )) = (0( , ),...,0( , )), а вектор (G(rR+,rs;a))является вектором эрмитово сопряженным с вектором G(rR,rs;ctf)) . Как видно из выражения (2.9), матрица спектральных плотностей полезного сигнала является диагональной матрицей.
Модель № 4. Модель поля эхосигнала от краба. В общем случае, когда излучающую антенну S и краба Т, а также приемную антенну R соединяют поверхностные, донные и водные лучи, поле эхосигнала представляет собой совокупность когерентной и некогерентной компонент [44].
Отражающие свойства краба как объекта гидролокации описываются эквивалентным радиусом RT(e, е ; со) (см. подразд. 1.1), где е, е — единичные векторы отраженной и падающей волн, который равен радиусу абсолютно отражающей сферы, создающей в зоне Фраунгофера сигнал такого же уровня, что и рассматриваемый объект [44].
Поле эхосигнала на r-м элементе ПА в частотном представлении имеет вид: Модель № 5. Модель краба в активной бистатической локации. Эквивалентный радиус краба как функция двух направлений ей е0 описывается следующим выражением [44]:
Выражение для R/s соответствует эквивалентному радиусу в просветном режиме гидролокации. Во всех остальных направлениях бистатической локации эквивалентный радиус панциря краба равен эквивалентному радиусу в режиме моностатики [44].2.2.2 Физические модели помехПомехами при приеме полезного сигнала являются:- собственная помеха приемной системы (тепловые шумы аппаратуры и т.п.);- шумы моря (динамические шумы поверхности, шум дальнего судоходства и т.п.);- шумы ближнего судоходства;- морская донная реверберация.
Анализ экспериментальных исследований возможности гидролокационного и бистатического обнаружения скоплений краба
К научному объяснению возможности гидролокационного и бистатического обнаружения морских биологических объектов (МБО) (в том числе и скоплений краба) путем использования ПС ближе всех подошел в 2006 г. профессор прикладной механики Николе Макрис из Северо-Восточного Университета США [17].
Он испытывал разработанную им систему удалённых датчиков для изучения рельефа дна. В начале исследований целью ученого был не поиск МБО; он пытался с помощью этого прибора определить местонахождение древних русел рек на дне океана. Но после того как были получены их изображения, выяснилось, что они сильно искажены. Объяснение оказалось очень простым: это были МБО. Впервые на дистанции примерно в 25 км им были получены изображения, сформированные большими популяциями МБО. Условия проведения Николсом Макрисом морского эксперимента и результаты их обнаружения представлены на рис. 3.2 и 3.3 соответственно.
Его сонар использовал звуковую частоту/= от 1,5 до 2 кГц. Сигнал распространяется кругом, как волны от брошенного камня. Отражённые сигналы попадали на буксируемую антенну (см. рис. 3.2), реализуя принцип биста-тической локации. Компьютер их обрабатывал и выдавал картину обстанов ки. Самое ценное в этой новинке было то, что биологи могли отслеживать перемещения МБО сразу в секторе 360 и в радиусе 25 км. Причём система точно выстраивала форму скоплений МБО (в.том числе и придонных), его геометрические размеры, а также направление и скорость перемещения, а цветовая гамма определяла плотность особей в скоплениях (см. рис. 3.3) [17].
Особенностью вышеприведенных данных является то, что в проведенном Николсом Макрисом эксперименте технология построения приемо-излучающей системы полностью соответствовала характеристикам бистатиче-ской локации, когда на приемнике анализируется суммарный сигнал, состоящий из прямых и переизлученных пассивной моделью МБО сигналов [82].
Учитывая, что бистатическая локация является основной технологией, предложенной в работе методики обнаружения скоплений краба, кратко рассмотрим сравнительный анализ результатов натурных экспериментов гидрофизических измерений по изучению теплообмена между Охотским морем и океаном на ГАБЛ остров Итуруп (излучатель) — остров Сахалин (приемник) (1989-1990 гг.) [82], проведенных Сахалинским конструкторским бюро средств автоматизации морских исследований (СКБ САМИ). .
Схема построения данного эксперимента полностью соответствует схеме построения в эксперименте, проведенном Николсом Макрисом. Основной целью всего эксперимента были гидрофизические измерения теплообмена между Охотским морем и Тихим океаном на стационарной акустической трассе и изучение его влияния на спектральный состав или на форму принимаемого ПС.
Для получения экспериментальных результатов проводились натурные испытания в шельфовом районе Охотского моря на ГАБЛ о. Итуруп — о. Сахалин с использованием в качестве излучателя акустического сигнала пневмопушки (рис. 3.4). Рабочее давление - до 3,000 фунтов на дюйм2 (210 бар). Излучение велось с заякоренного судна. Заглубление пневмопушки - примерно 15-30 м. Прием сигналов от пневмопушки осуществлялся на донные автономные станции (ДАС) [82].
Удаление ДАС от точки излучения составляло несколько десятков километров. Четыре ДАС располагались в линию с максимальным удалением друг от друга 4 км. Район эксперимента выбирался с относительно ровным дном и небольшими глубинами ( 70 м) [82].
По данным многолетних статистических наблюдений, в районе проходила интенсивная миграция камчатского краба. Размеры данных формирований колебались в среднем от 60 до 70 м в радиусе [82].
Для теоретического расчета времен распространения и самой структуры принимаемого акустического сигнала в районе проведения эксперимента проводились гидрофизические исследования по изменчивости профиля скорости звука за время проведения эксперимента. Результат двадцатичасового зондирования среды в точке излучения (остров Итуруп) позволяет оценить влияние изменчивости гидрологии на время распространения акустических сигналов до точки приема [82].
Организационно-технические рекомендации по созданию гидроакустических систем обнаружения крабовых скоплений
В результате проведенных модельных экспериментов с учетом биологической функциональности краба в диссертации были предложены организационно-технические рекомендации по созданию пассивно-активной технологии в виде стандартной шумопеленгаторнои гидроакустической станции с режимом бистатической и параметрической локации.
Структурно предложенная в диссертации система в виде технических решений и технологических макетов была реализована: 1) моноблочной и расположенной на одном носителе, где пассивная и активная станции разнесены: пассивная — находится в носу, активная - в корме судна; 2) двухблочной и расположенной на двух носителях, где активная - на одном и имеет один излучающий тракт, а пассивная - на другом носителе с разнесенными по корпусу судна 5-6 приемными элементами; 3) двухблочной - для реализации параметрической гидролокации на первом носителе. Она имеет две излучающие системы в носу и корме с разными частотами. Приемная - на втором судне с приемными элементами, расположенными по всему судну. Технологические и технические характеристики такой общей пассивно-активной гидроакустической системы должны быть следующими: 1. Гидроакустическая система должна функционально решать технические задачи формирования режимов моностатической, бистатической, про-светной, параметрической гидролокации и пассивного обнаружения импульсных сигналов от краба или крабового скопления. 2. Сектор обзора в вертикальной плоскости: ±15 левый/правый борт — 0 относительно диаметральной плоскости судна. 3. Пассивное обнаружение: диапазон частот - от 500 Гц до 300 кГц, разделенный на три диапазона. 4. Активная гидролокация: диапазон частот — режим моностатической локации — 100 кГц; бистатическая локация - 0,5 кГц; 1,5 кГц; 10 кГц; 30 кГц; просветная — 1,5 кГц; параметрическая — 1,5 кГц и 9,8 кГц . 5. Вид излучаемого сигнала - линейно-частотно модулированный. 6. Мощность излучаемого сигнала 1 кВт. 7. Глубина излучения 500 м. 8. Расчетные дальности обнаружения: пассивный режим (обнаружение импульсных сигналов) — до 500 м; бистатическая локация — до 1500 м; просветная гидролокация - до 1000 м; параметрическая локация - до 300 м. 9. Длительность излучаемых импульсов: т= 1-3 мсек. Опытом применения ГАС для поиска краба пассивными каналами доказано, что оптимальные рабочие частоты для осуществления эффективного их обнаружения при требуемых в настоящее время дальностях порядка 1000 м находятся в пределах 500-4500 Гц. Характеристики направленности (ХН) системы должны обеспечить круговой обзор в вертикальной плоскости. Это может быть осуществлено следующими методами: - механическим поворотом антенны; - электронным поворотом ХН; - формированием веера одновременно действующих ХН («ромашки»). По целому ряду причин (возможности реализации большого времени наблюдения, увеличения скорости обзора пространства и т.д.) предпочтение отдается последнему методу. Для эффективного приема сигнала при отражении от дна антенна должна обеспечивать возможность поворота совокупности ХН, осуществляющих круговой обзор (КО), на углы ±15 левый/правый борт — 0 в вертикальной плоскости. Кроме того, элементы антенны должны обладать достаточно высокой удельной чувствительностью, чтобы в случае работы ГАС на малых ходах судна не наступило ограничение в дальности за счет электрических шумов приемных каналов.
Большое значение придается точности определения пеленга на скопление крабов. Поэтому пеленгование в вертикальной плоскости под судном должно осуществляться одновременно с использованием фазовых и корреляционных методов пеленгования.
Опыт эксплуатации ГАС в режиме гидролокации (ГЛ) показывает, что обеспечение необходимых дальностей ГЛ при малых скоростях хода (положение на «стопе») возможно только при получении мощности, меняющейся в зависимости от конкретных условий от 0,1 до 1-2 кВт. При этом имеет место явно выраженная тенденция к снижению рабочих частот в область 1-4 кГц.
Принципиально режимы излучения и приема могут осуществляться как раздельными, так и одной «обратимой» антеннами. Однако ввиду того что переход на низкие частоты для получения достаточно высокого коэффициента концентрации требует увеличения размеров излучателей, то разработка акустической антенны с совмещенными функциями излучения и приема будет представлять значительные преимущества.
ХН антенны должны иметь максимально возможное управление, в том числе поворот их в вертикальной плоскости. Значительное увеличение общей излучаемой мощности даже при больших размерах антенны приводит к росту удельной акустической мощности.
Связанные с этим трудности усугубляются еще тенденцией к увеличению длительности сигнала до 1-3 мс и стремлением использовать непрерывные режимы излучения. Возможность осуществления таких режимов излучения при работе на небольших глубинах будет ограничиваться прежде всего кавитационными явлениями в морской среде.
Однако здесь следует иметь в виду, что излучение «больших» мощностей, необходимое для превышения сигнала над шумовой помехой, может привести к резкому росту уровня донной реверберации и снижению помехоустойчивости оптимальной ГАС в целом.
Требования к антеннам пассивного обнаружения импульсных сигналов вытекают из основной задачи, решаемой этим режимом: практически мгновенное обнаружение сигнала, приходящего с любого направления на любой частоте в заданном диапазоне, на заданном расстоянии от точки приема и одновременное определение направления на его источник.
Канал пассивного обнаружения импульсных сигналов от крабовых скоплений должен обеспечивать круговой обзор в вертикальной плоскости по всему периметру под днищем судна. Рабочий диапазон частот имеет протяженность от 2 до 40 кГц. В настоящее время наблюдается тенденция к расширению этого диапазона в обе стороны: вниз - до 1 кГц, вверх — до 120 кГц [99]. Требование мгновенного определения направления в широком диапазоне частот приводит к необходимости создания акустических антенн, имеющих ХН, мало отличающиеся с изменением частоты, и элементов акустических антенн, имеющих высокую чувствительность в широком диапазоне частот [100].
Естественной также является необходимость достижения максимально возможной дальности действия канала пассивного обнаружения импульсных сигналов. В связи с этим акустические антенны должны обеспечивать не
