Способ обнаружения скоплений рыб с газовыми пузырями

 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано в рыбной промышленности для обнаружения, распознавания и определения пространственных координат скоплений рыб с газовыми пузырями. Изобретение заключается в том, что на одной стороне контролируемого рубежа располагается блок параметрического излучения низкочастотных (НЧ) сигналов, а на противоположной стороне располагается блок параметрического приема НЧ-сигналов. С помощью блока параметрического излучения НЧ-сигналов осуществляются формирование, усиление и излучение высокочастотных (ВЧ) волн накачки на частотах ω₁ и ω₂, близких к резонансной частоте пузырьков воздуха ω₀, находящихся в приповерхностном слое воды, в направлении блока параметрического приема НЧ-сигналов, нелинейное взаимодействие ВЧ-волн накачки с образованием НЧ-волны разностной частоты Ω = ω₁-ω₂, распространяющейся направленно в водной среде. Блок параметрического приема НЧ-сигналов осуществляет формирование, усиление и ненаправленное излучение ВЧ-сигнала накачки на частоте ω₃, который, рассеиваясь на неоднородностях водной среды, взаимодействует с НЧ-волной разностной частоты, отраженной от скоплений рыб с газовым пузырем Ωʹ, а также с НЧ-волной собственного излучения рыб на частоте Ωʺ, с образованием ВЧ-волн комбинационных частот ω₃±Ωʹ и ω₃±Ωʺ, распространяющихся в сторону блока параметрического приема НЧ-сигналов, где осуществляется выделение НЧ-сигналов на частотах Ωʹ и Ωʺ из ВЧ модуляционных частот ω₃±Ωʹ и ω₃±Ωʺ методом детектирования, производится спектральный анализ НЧ-сигналов, их сравнение с эталонными сигналами и принимается решение об обнаружении скопления рыб. Достигаемым техническим результатом изобретения является увеличение площади обследуемой акватории, возможность обнаружения разреженных скоплений рыб при упрощении их видового распознавания. 5 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в рыбной промышленности для обнаружения, распознавания и определения пространственных координат скоплений рыб с газовыми пузырями.

Задача, которая решается изобретением, заключается в дальнем обнаружении, видовой идентификации и определении пространственных координат скоплений рыб с газовым пузырем по информации, содержащейся в различных акустических полях.

Способ реализуется следующим образом.

На одной стороне контролируемого рубежа, пересекающего скоплением рыб с газовыми пузырями (например, идущих на нерест), располагается блок параметрического излучения низкочастотных (НЧ) сигналов, а на противоположной стороне располагается блок параметрического приема НЧ-сигналов. С помощью генератора, усилителя и высокочастотного (ВЧ) излучателя сигнала накачки блока параметрического излучения НЧ-сигналов осуществляются формирование, усиление и излучение ВЧ-волн накачки на частотах ω₁ и ω₂, близких к резонансной частоте пузырьков воздуха ω₀, находящихся в приповерхностном слое воды, в направлении блока параметрического приема НЧ-сигналов. В неоднородной среде происходит нелинейное взаимодействие ВЧ-волн накачки на частотах ω₁ и ω₂ с образованием НЧ-волны разностной частоты Ω = ω₁-ω₂, которая облучает скопление рыб, рассеивается на их газовых пузырях, распространяется в направлении блока параметрического приема сигналов и близка к резонансной частоте газовых пузырей рыб Ω₀.

При помощи генератора, усилителя и ВЧ-излучателя сигнала накачки блока параметрического приема НЧ-сигналов осуществляются формирование, усиление и ненаправленное излучение ВЧ-сигнала накачки на частоте ω₃, близкой к резонансной частоте пузырьков воздуха ω₀, находящихся в приповерхностном слое воды. Рассеиваясь на неоднородностях водной среды, ВЧ-сигнал накачки на частоте ω₃ взаимодействует с НЧ-сигналом разностной частоты, отраженным от скоплений рыб с газовым пузырем, Ωʹ, а также с НЧ-сигналом собственного излучения рыб на частоте Ωʺ. При этом образуются ВЧ-волны комбинационных частот ω₃±Ωʹ и ω₃±Ωʺ, которые распространяются, в том числе, в сторону ВЧ приемной многоэлементной антенны, имеющей компенсатор для формирования и сканирования характеристики направленности (ХН) антенны в заданной плоскости блока параметрического приема НЧ-сигналов. В демодуляторе осуществляется выделение НЧ-сигналов на частотах Ωʹ и Ωʺ из ВЧ модуляционных частот ω₃±Ωʹ и ω₃±Ωʺ методом детектирования. В анализаторе производится спектральный анализ (с целью выделения наиболее информативных классификационных признаков) НЧ-сигналов на частотах Ωʹ и Ωʺ, а также их сравнение с эталонными сигналами. В электронно-вычислительной машине принимается решение об обнаружении скопления рыб и определяются его пространственные координаты.

Известен способ обнаружения скоплений рыб с газовыми пузырями, заключающийся в формировании рыбой звуков газовым пузырем, приеме сигналов от рыб, их усилении, спектральном анализе, сравнении их с эталонным сигналом и принятии решения об обнаружении скоплений различных видов рыб /Шишкова Е.В. Физические основы промысловой гидроакустики. - М.: Пищевая промышленность, 1977, с.172-190/.

К недостаткам данного способа относятся: 1.Сложность пеленгования источника НЧ-сигналов.

2. Незначительная дальность действия, из-за низкого соотношения сигнал/помеха (С/П) на выходе приемника.

3. Низкая достоверность видового распознавания рыб.

Известен способ обнаружения источника НЧ-сигналов (например, рыб с газовыми пузырями), заключающийся в формировании, усилении и излучении шумового ВЧ-сигнала накачки, приеме ВЧ-сигналов комбинационных частот, нахождении функции корреляции между принятым сигналом накачки и задержанным случайным шумовым сигналом, формировании эквивалентной приемной антенной решетки, выделении НЧ полезного сигнала из ВЧ комбинационных частот, его спектральном анализе и сравнении с эталонным сигналом (патент США 3882444, кл. G 01 S 9/66, 1975).

К недостаткам данного способа относится: 1. Незначительная дальность действия из-за низкой акустической чувствительности.

2. Сложность в распознавании обнаруженных скоплений.

3. Сложность в обеспечении сканирования ХН антенны.

Известен способ обнаружения скоплений рыб с газовыми пузырями, заключающийся в формировании и излучении в сторону дна импульсного сигнала на частоте, близкой к резонансной частоте газового пузыря рыбы, лоцировании объекта поиска, приеме отраженного сигнала (эхосигнала), сравнении его с эталонным сигналом и принятии решения об обнаружении скопления рыб /Haslett R.W. Determination of the acoustic bask skettering patterns and cross sections of fish. Br. J. appl. Phys., 13, 1962, 349-357/.

К недостаткам данного способа относятся: 1. Незначительная площадь обследуемой акватории.

2. Сложность в обнаружении приповерхностной рыбы.

3. Сложность в видовом распознавании рыбы.

4. Сложность в обнаружении разреженных скоплений.

Известен способ обнаружения скоплений рыб с газовыми пузырями, заключающийся в формировании и излучении в сторону поверхности моря импульсного сигнала на частоте, близкой к резонансной частоте газового пузыря рыбы, лоцировании объекта поиска, приеме отраженного сигнала (эхосигнала), сравнении его с эталонным сигналом и принятии решения об обнаружении скопления рыб /Ascer W. C. Acoustic assement of North Pacific salmon stocks. Simposium of Acoustic Methods in Fisherie Research. Bergen. Norway, 1973, 16, p.34-37/.

К недостаткам данного способа относятся: 1. Незначительная площадь обследуемой акватории.

2. Сложность в видовом распознавании рыбы.

3. Сложность в обнаружении разреженных скоплений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ формирования в водной среде направленного излучения НЧ акустических сигналов, заключающийся в генерации, усилении и излучении ВЧ-волн накачки на частотах ω₁ и ω₂, близких к резонансной частоте биологических рассеивателей звука, доминирующих в данном районе, нелинейном взаимодействии ВЧ-волн накачки с образованием НЧ-волны разностной частоты Ω = ω₁-ω₂, распространяющейся направленно в водной среде /Способ формирования направленного излучения низкочастотных сигналов. - Патент РФ 2096807, приоритет 01.02.94 г., заявка 94003782/.

К недостаткам данного способа относятся: 1. Ограниченная площадь обследуемой акватории.

2. Сложность в видовом распознавании рыб.

3. Сложность в обнаружении разреженных скоплений рыб.

4. Сложность определения пространственных координат скопления.

Задача, которая решается изобретением, заключается в разработке способа, свободного от перечисленных выше недостатков.

Технический результат предложенного способа заключается в увеличении площади обследуемой акватории, возможности обнаружения разреженных скоплений, упрощении видового распознавания обнаруженного скопления рыб и определении его пространственных координат.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, заключающемся в генерации, усилении и излучении ВЧ-волн накачки на частотах ω₁ и ω₂, близких к резонансной частоте рассеивателей звука, доминирующих в данном районе, нелинейном взаимодействии ВЧ-волн накачки с образованием НЧ-волны разностной частоты Ω = ω₁-ω₂, распространяющейся направленно в водной среде, в качестве рассеивателей звука используются пузырьки воздуха, находящиеся в приповерхностном слое воды, НЧ-волна разностной частоты распространяется в сторону скопления рыб с газовыми пузырями и блока параметрического приема НЧ-сигналов, при помощи НЧ-волны разностной частоты облучается скопление рыб с газовыми пузырями, при этом НЧ-волна разностной частоты Ω близка к резонансной частоте Ω₀ газовых пузырей рыб, генерируется, усиливается и излучается ВЧ-волна накачки на частоте ω₃, близкой к резонансной частоте пузырьков воздуха ω₀, находящихся в приповерхностном слое воды, рассеиваясь на неоднородностях водной среды, ВЧ-волна накачки на частоте ω₃ взаимодействует с НЧ-волной разностной частоты, отраженной от скоплений рыб с газовым пузырем Ωʹ, а также с НЧ-волной собственного излучения рыб на частоте Ωʺ с образованием ВЧ-волн комбинационных частот ω₃±Ωʹ и ω₃±Ωʺ, распространяющихся в сторону блока параметрического приема НЧ-сигналов, где осуществляется выделение НЧ-сигналов на частотах Ωʹ и Ωʺ из ВЧ модуляционных частот ω₃±Ωʹ и ω₃±Ωʺ методом детектирования, производится спектральный анализ НЧ-сигналов, их сравнение с эталонными сигналами, принимается решение об обнаружении скопления рыб и определяются его координаты.

Увеличение площади обследуемой акватории достигается за счет того, что в качестве рассеивателей звука используются пузырьки воздуха, находящиеся в приповерхностном слое воды, НЧ-волна разностной частоты Ω близка к резонансной частоте Ω_0/ газовых пузырей рыб, дополнительно используется блок параметрического приема НЧ-сигналов, при помощи которого осуществляется направленный прием НЧ-волны разностной частоты, отраженной от скоплений рыб с газовым пузырем, Ωʹ, а также НЧ-волны собственного излучения рыб на частоте Ωʺ, распространяющейся на значительные расстояния.

Упрощение видового распознавания достигается тем, что НЧ-волна разностной частоты Ω близка к резонансной частоте Ω₀ газовых пузырей рыб, дополнительно используется информация о собственном НЧ-излучении рыб на частоте Ωʺ, производится спектральный анализ НЧ-сигналов на частотах Ωʹ и Ωʺ, а также их сравнение с эталонными сигналами.

Упрощение процедуры обнаружения разреженных скоплений достигается тем, что дополнительно используется информация о собственном НЧ-излучении рыб на частоте Ωʺ, производится спектральный анализ НЧ-сигнала на частоте Ωʺ, а также его сравнение с эталонным сигналом.

Упрощение процедуры определения пространственных координат скопления рыб достигается тем, что дополнительно используется блок параметрического приема НЧ-сигналов, в котором осуществляется высоконаправленный прием ВЧ модуляционных частот ω₃±Ωʹ и ω₃±Ωʺ, выделение НЧ-сигналов на частотах Ω и Ωʺ из ВЧ модуляционных частот методом детектирования, производится спектральный анализ НЧ-сигналов, а также их сравнение с эталонными сигналами.

Отличительные от прототипа признаки заявляемого способа: 1. В качестве рассеивателей звука используются пузырьки воздуха, находящиеся в приповерхностном слое воды.

2. Низкочастотная волна разностной частоты распространяется в сторону скопления рыб и блока параметрического приема НЧ-сигналов.

3. Низкочастоная волна разностной частоты Ω близка к резонансной частоте Ω₀ газовых пузырей рыб.

4. Дополнительно осуществляется параметрический направленный прием НЧ-волны разностной частоты, отраженной от скоплений рыб с газовым пузырем, а также НЧ-волны собственного излучения рыб.

5. Дополнительно производится спектральный анализ НЧ-сигналов на частотах Ωʹ и Ωʺ, а также их сравнение с эталонными сигналами.

6. Дополнительно определяются координаты обнаруженного скопления.

Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "новизна".

Анализ известных технических решений с целью обнаружения в них указанных отличительных признаков показал следующее.

Признаки 2-4 являются новыми и неизвестно их использование для обнаружения скоплений рыб с газовыми пузырями. В то же время из нелинейной гидроакустики известно совместное использование блоков параметрического излучения и приема сигналов.

Признак 1 известен в нелинейной гидроакустике, однако не известно его использование для обнаружения скоплений рыб с газовыми пузырями.

Признаки 5 и 6 являются хорошо известными в гидроакустике.

Таким образом, наличие новых существенных признаков в совокупности с известными обеспечивает появление у заявляемого решения нового свойства, не совпадающего со свойствами известных технических решений, - увеличить площадь обследуемой акватории с возможностью обнаружения разреженного скопления рыб при упрощении их видового распознавания и определения пространственных координат скопления рыб.

В данном случае мы имеем новую совокупность признаков и их новую взаимосвязь, причем не простое объединение новых признаков и уже известных в гидроакустике, а именно выполнение операций в предложенной последовательности и приводит к качественно новому эффекту.

Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о соответствии разработанного способа критерию "существенные отличия".

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего разработанный способ обнаружения скоплений рыб с газовыми пузырями. На одной стороне контролируемого рубежа, пересекающего скопление рыб с газовыми пузырями 1, располагается блок параметрического излучения НЧ-сигналов 2, а на противоположной стороне - блок параметрического приема НЧ-сигналов 3. При этом блок параметрического излучения НЧ-сигналов 2 содержит последовательно электрически соединенные генератор 4, усилитель 5 и ВЧ-излучатель сигнала накачки 6. Блок параметрического приема НЧ-сигналов 3 содержит последовательно электрически соединенные генератор 7, усилитель 8 и ВЧ-излучатель накачки 9, а также последовательно электрически соединенные приемную многоэлементную антенну 10, имеющую компенсатор 11 для формирования и сканирования ХН антенны в заданной плоскости, демодулятор 12, анализатор 13 и электронно-вычислительную машину 14.

Способ реализуется следующим образом.

На одной стороне контролируемого рубежа, пересекающего скопление рыб 1 с газовым пузырем (например, идущих на нерест), располагается блок параметрического излучения НЧ-сигналов 2, а на противоположной стороне располагается блок параметрического приема НЧ-сигналов 3. С помощью генератора 4, усилителя 5 и ВЧ-излучателя сигнала накачки 6 блока параметрического излучения НЧ-сигналов 2 осуществляются формирование, усиление и излучение ВЧ-волн накачки на частотах ω₁ и ω₂, близких к резонансной частоте пузырьков воздуха ω₀, находящихся в приповерхностном слое воды, в направлении блока параметрического приема НЧ-сигналов 3. В неоднородной водной среде происходит нелинейное взаимодействие ВЧ-волн накачки на частотах ω₁ и ω₂ с образованием НЧ-волны разностной частоты Ω = ω₁-ω₂, которая облучает скопление рыб 1, рассеивается на нем, распространяется в направлении блока параметрического приема НЧ-сигналов 3 и близка к резонансной частоте газового пузыря рыб Ω₀.

При помощи генератора 7, усилителя 8 и ВЧ-излучателя накачки 9 блока параметрического приема НЧ-сигналов 3 осуществляются формирование, усиление и ненаправленное излучение ВЧ-сигнала накачки на частоте ω₃, близкой к резонансной частоте пузырьков воздуха ω₀, находящихся в приповерхностном слое воды. Рассеиваясь на неоднородностях водной среды, ВЧ-сигнал накачки на частоте ω₃ взаимодействует с НЧ-сигналом разностной частоты, отраженным от скоплений рыб 1 с газовым пузырем, Ωʹ, а также с НЧ-сигналом собственного излучения рыб на частоте Ωʺ. При этом образуются ВЧ-волны комбинационных частот ω₃±Ωʹ и ω₃±Ωʺ, которые распространяются, в том числе, и в сторону ВЧ приемной многоэлементной антенны 10, имеющей компенсатор 11 для формирования и сканирования ХН антенны в заданной плоскости, блока параметрического приема НЧ-сигналов 3. В демодуляторе 12 осуществляется выделение НЧ-сигналов на частотах Ωʹ и Ωʺ из ВЧ модуляционных частот ω₃±Ωʹ и ω₃±Ωʺ методом детектирования. В анализаторе 13 производится спектральный анализ (с целью выделения наиболее информативных классификационных признаков) НЧ-сигналов на частотах Ωʹ и Ωʺ, а также их сравнение с эталонными сигналами. В электронно-вычислительной машине 14 принимается решение об обнаружении заданного скопления рыб с газовыми пузырями 1 и определяются его пространственные координаты.

На фиг.2, а представлена диаграмма силы цели (в относительных единицах) в НЧ-диапазоне для рыбы длиной 45 см, имеющей газовый пузырь, на частоте, близкой к резонансной частоте газового пузыря. Как видно из фиг.2, а, сила цели максимальна при боковых ракурсах облучения.

На фиг.2, б представлены спектрограммы собственных излучений рыб данного вида, воспринимаемых на слух как "звонкий хлопок" (спектрограмма 1), "скрежет" (спектрограмма 2) и "щелчок" (спектрограмма 3). При этом сигналы в диапазоне частот 430-690 Гц собственных излучений рыб более интенсивны (на 20-30 дБ превышают уровень акустических помех), постоянны во времени и обусловлены "работой" газового пузыря рыб.

Представленная на фиг. 2 информация используется при выборе параметров НЧ-волны разностной частоты и эталонных сигналов собственного излучения рыб.

На фиг.3 представлены усредненные данные, заимствованные из работы В.А. Буланов. Акустика микронеоднородных жидкостей и методы акустической спектроскопии. //Диссертация д. т.н. - Вл-к.: ИПМТ ДВО РАН, 1996, с.358-391, по параметру нелинейности ε водной среды, являющемуся важнейшим показателем эффективности взаимодействия ВЧ акустических волн накачки в процессе функционирования блоков параметрического излучения и приема сигналов.

Представленная на фиг. 3 информация может быть использована при выборе ВЧ-частот накачки: ω₁, ω₂ и ω₃, а также глубин установки излучателей ВЧ-сигналов в приповерхностном пузырьковом слое моря.

Для примера на фиг.4 и фиг.5 представлены морские части блоков параметрического излучения (2 на фиг.1) и параметрического приема сигналов (3 на фиг.1) соответственно.

Данные блоки использовались в процессе проведения испытаний разработанного способа обнаружения скоплений рыб с газовыми пузырями.

Увеличение площади обследуемой акватории достигается за счет того, что в качестве рассеивателей звука использовались пузырьки воздуха, находящиеся в приповерхностном слое воды, НЧ-волна разностной частоты Ω была близка к резонансной частоте Ω₀ газовых пузырей рыб и составляла величину ~500 Гц, дополнительно использовался блок параметрического приема НЧ-сигналов в диапазоне частот от единиц Гц до единиц кГц, при помощи которого осуществляется направленный прием НЧ-волны разностной частоты, отраженной от скоплений рыб с газовым пузырем, Ωʹ, а также НЧ-волны собственного излучения рыб на частоте Ωʺ.

Упрощение видового распознавания достигалось тем, что НЧ-волна разностной частоты Ω была близка к резонансной частоте Ω₀ газовых пузырей рыб, дополнительно использовалась информация о собственном НЧ-излучении рыб на частоте Ωʺ, производился спектральный анализ НЧ-сигналов на частотах Ωʹ и Ωʺ, а также эти сигналы сравнивались с эталонными сигналами.

Упрощение процедуры обнаружения разреженных скоплений достигалось тем, что использовалась информация о собственном НЧ-излучении рыб на частоте Ωʺ, производился спектральный анализ НЧ-сигналов на частоте Ωʺ, а также осуществлялось их сравнение с эталонными сигналами.

Упрощение процедуры определения пространственных координат скопления рыб достигалось тем, что дополнительно использовался блок параметрического приема НЧ-сигналов, в котором осуществляется высоконаправленный (единицы градусов) прием ВЧ модуляционных частот ω₃±Ωʹ и ω₃±Ωʺ, выделение НЧ-сигналов на частотах Ωʹ и Ωʺ (в диапазоне частот от единиц Гц до единиц кГц) из ВЧ модуляционных частот методом детектирования, производится спектральный анализ НЧ-сигналов, а также их сравнение с эталонными сигналами.

Формула изобретения

Способ обнаружения скоплений рыб с газовыми пузырями, заключающийся в генерации, усилении и излучении блоком параметрического излучения низкочастотных сигналов высокочастотных волн накачки на частотах ω₁ и ω₂, близких к резонансной частоте ω₀ рассеивателей звука, доминирующих в данном районе, нелинейном взаимодействии высокочастотных волн накачки с образованием низкочастотной волны разностной частоты Ω = (ω₁-ω₂), распространяющейся направленно в водной среде, отличающийся тем, что в качестве рассеивателей звука используются пузырьки воздуха, находящиеся в приповерхностном слое воды, низкочастотная волна разностной частоты распространяется в сторону скопления рыб с газовыми пузырями и блока параметрического приема низкочастотных сигналов, при помощи низкочастотной волны разностной частоты облучается скопление рыб с газовыми пузырями, при этом низкочастотная волна разностной частоты Ω близка к резонансной частоте Ω₀ газовых пузырей рыб, осуществляется формирование, усиление и ненаправленное излучение высокочастотным излучателем накачки блока параметрического приема низкочастотных сигналов высокочастотного сигнала накачки на частоте ω₃, близкой к резонансной частоте пузырьков воздуха ω₀, находящихся в приповерхностном слое воды, рассеиваясь на неоднородностях водной среды, высокочастотная волна накачки на частоте ω₃ взаимодействует с низкочастотной волной разностной частоты, отраженной от скоплений рыб с газовым пузырем Ωʹ, а также с низкочастотной волной собственного излучения рыб на частоте Ωʺ с образованием высокочастотных волн комбинационных частот ω₃±Ωʹ и ω₃±Ωʺ, распространяющихся в сторону блока параметрического приема низкочастотных сигналов, где осуществляется выделение низкочастотных сигналов на частотах Ωʹ и Ωʺ из высокочастотных модуляционных частот ω₃±Ωʹ и ω₃±Ωʺ методом детектирования, производится спектральный анализ низкочастотных сигналов, их сравнение с эталонными сигналами и принимается решение об обнаружении скопления рыб.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5