автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.17, диссертация на тему:Современная интерпретация физических основ формирования рыбных скоплений как объекта дальнего гидроакустического обнаружения

На правах рукописи

0031735Ш

Пичугип Константин Александрович

СОВРЕМЕННАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ФОРМИРОВАНИЯ РЫБНЫХ СКОПЛЕНИЙ КАК ОБЪЕКТА ДАЛЬНЕГО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ

Специальность 05.18.17 - Промышленное рыболовство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток - 2007^ ^ ^^907

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет» (ФГОУ ВПО «Дальрыбвтуз»)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Стародубцев Павел Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кузнецов Юрий Авивович; кандидат технических наук, доцент Крутых Борис Викторович

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждении высшего профессионального образования «Камчатский государственный технический университет» (ФГОУ ВПО «КамчатГТУ»)

Зашита состоится в 10 часов «14» ноября 2007 г. па заседании диссертационного совета Д 307.006.01 при Дальневосточном государственном техническом рыбохо-зяйствевном университете по адресу: 690087, г. Владивосток, ул. Луговая. 52-Б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета.

Автореферат разослан «13» октября 2007 года.

диссертационного совета

Ученый секретарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Экспедиционные исследования акватории Охотского моря, проведенные ГУП «Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйст-венный центр» (ТИНРО - центр) ГК РФ по рыболовству в 2007 г, показали, что происходит уменьшение количественного и качественного состояния биоресурсов Дальневосточных морей, изменение маршрутов миграции промысловых видов рыб и исчезновение некоторых из них Поэтому качественный мониторинг состояния биоресурсов Дальневосточных морей, среды их обитания и производственной деятельности предприятий Роскомрыболовства РФ в настоящее время приобретает наиважнейшее значение

Проведенный анализ проблемности решения данной задачи показал, что для получения информации о состоянии биоресурсов путем комплексирования технологий дистанционного зондирования океана с данными судовых измерений наиболее экономичны и доступны гидроакустические средства Их условно можно разбить на три группы высокочастотные эхолоты, эхолоты ,с достаточно низкими частотами излучения и гидролокаторы кругового и секторного обзора Все они обнаруживают рыбные скопления"(РС) методом интенсивной^ эхолокации и имеют один общий недостаток РС и другие объекты, находящиеся в толще воды, видят на дальности равной «нескольким сотням» м, что не позволяет решать задачу качественного мониторинга состояния водных биоресурсов на дистанциях в «несколько сот» км Данную задачу не решают и современные технологии широкомасштабного мониторинга, по причине отсутствия технических разработок для их практического применения Исходя из этого, приведенный выше анализ состояния рыбопоисковой гидроакустики свидетельствует о научной и практической значимости разрабатываемой темы диссертационной работы для качественного и широкомасштабного мониторинга состояния биоресурсов Дальневосточных морей РФ

Целью работы является решение проблемы качественного мониторинга состояния биоресурсов, среды их обитания и производственной деятельности предприятий Роскомрыболовства на акваториях Дальневосточных морей РФ

Научная задача диссертационной работы: поиск новых технологий широкомасштабного мониторинга акваторий Дальневосточных морей и разработка метода дальнего гидроакустического обнаружения волн плотности, основанного на современной интерпретации физических основ формирования РС

Задачи исследования

1 Анализ существующих технических и технологических решений гидроакустического обнаружения РС, используемых в рыбохозяйственной отрасли РФ, для решения задачи оперативного мониторинга среды их обитания

2 Разработка физических основ.

-формирования и поведения РС, как странных аттракторов Лоренца, -представления РС в форме фрактальных моделей,

-воздействия РС на водную среду с образованием волн плотности и квазидвумерных возмущений

3 Проведение численного моделирования и экспериментальных исследований обнаружения возмущений от РС и волн плотности при реализации бистатической локации

4 Организационно - технические рекомендации по созданию и эксплуатации широкомасштабных бистатических гидроакустических систем дальнего обнаружения РС

Объектом исследования диссертационной работы являются технические и технологические решения гидроакустического обнаружения РС, используемые в рыбохозяйственной отрасли РФ

Предметом исследования диссертационной работы является метод дальнего гидроакустического обнаружения волн плотности, основанный на современной интерпретации физических основ формирования РС

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 эхолокации Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных физических моделей, использованием известных положений теоретической гидроакустики, сходностью полученных теоретических результатов с результатами эксплуатации предложенного технического решения на гидроакустической барьерной линии (ГАБЛ) «о Итуруп - о Сахалин», а также с результатами исследований других авторов

Научная новизна работы. На основании предложенных теоретических разработок, анализа результатов численного моделирования и имеемых данных натурных экспериментов, проведенных в 2003 г профессором Николсом Макрисом из Северо-Восточного Университета США на континентальном шельфе Лонг-Айленда и 1989 г СКВ САМИ на ГАБЛ «о Итуруп - о Сахалин», в работе обосновано и подтверждено, что

- детерминированный хаос для РС это несинхронное движение всего РС в турбулентном потоке жидкости, , „

- конкретные состояния РС, являются наследственно недредсказуемыми, а способ его выражения оказывается веерным не в точных равенствах, а в представлениях поведения системы (в графиках странных аттракторов или во фракталах),

- волны плотности, возникающие внутри РС, в процессе своей эволюции могут быть внутренними, кноидальными или солитоном и распространяются на сотни км,

-в диапазоне малых амплитуд колебания возмущенной области от РС действительно наблюдается обыкновенная внутренняя волна или солитон -технология построения приемоизлучающей системы для обнаружения волн плотности полностью соответствует характеристикам бистэтической локации, я нэ приемнике анализируются суммарные сигналы, состоящие из прямых, переизлученных пассивной моделью РС, волн плотности и квазидвумерных возмущений

Рассмотренные положения являются принципиально новыми, составляют функционально связанную последовательность операций, которая обеспечивает

решение сложной научно-технической проблемы качественного мониторинга биоресурсов Дальневосточных морей РФ

Практическая значимость работы.

Разработанные в диссертации новые технологии, основанные на современной интерпретации физических основ формирования PC, позволяют изменить качественный и количественный состав существующих гидроакустических систем их дальнего обнаружения в Дальневосточных морях

Положения, вьшосимые на защиту: 1. Метод дальнего гидроакустического обнаружения волн плотности, основанный на современной интерпретации физических основ формирования PC -2 Организационно- технические рекомендаций по созданию и эксплуатации широкомасштабных бистатнческих гидроакустических систем, дальнего обнаружения PC

Публикации по теме диссертации. Основное содержание диссертации отражено в 15 научных трудах, 1 -ной монографии, 6-х научных статьях, опубликованных в ведущих научных журналах и изданиях РФ, рекомендованных для опубликования основных результатов диссертационной работы. Общий объем публикаций и изданий более 240 страниц (15 печ л , из них лично - 9,81 печ л )

Апробация результатов научных исследований. Результаты работы

- получены в ходе выполнения второго этапа инициативного НИР «Дальнее обнаружение акустйческй слабозаметных сформированных рыбных косяков (РК) по волнам гоюшости»"при разработке метода дальнего обнаружения сформированных РК и естественных возмущений морской среды;

- экспериментально подтверждены анализом материалов натурных иссчедований в рамках проекта «Ocean Acoustic Waveguide Remote Sensing (OAWRS)», проведенных в 2003 г. профессором Николсом Макрисом на континентальном шельфе Лонг-Айленда США и в 1989 г. СКБ САМИ на ГАБЛ «а Итуруп - о. Сахалин»

Материалы исследования обсуждались и получили положительную оценку: в радиотехнической службе ТФ - 1999 г , на открытом заседании кафедры

акустики TOB МИ имени С О Макарова - 2003 г , на 45-ой и 46-ой Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях -2002 г и 2003 г , на 5-ой международная научно-практической конференции - 2003 г , в Дальневосточном государственном рыбохозяйственном техническом университете при подготовке диссертационной работы, в Камчатском государственном техническом университете в 2006 и 2007 г г

Реализация результатов исследований. Результаты использованы в технической документации к программе реконструкции и переформирования существующих и создания новых гидроакустических систем качественного мониторинга биоресурсов Дальневосточных морей РФ, проводимого ТИНРО - центром

Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе результаты, полученные в процессе теоретических исследований, численного моделирования, натурных экспериментов, разработаны автором самостоятельно, в том числе

1 Метод дальнего гидроакустического обнаружения волн плотности, основанный на современной интерпретации физических основ формирования PC

2 Организационно- технические рекомендации по созданию и эксплуатации широкомасштабных бистатических гидроакустических систем дальнего обнаружения PC

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы В работе содержится 157 листов машинописного текста, включая 69 рисунков и 4 таблицы Список литературы состоит из 95 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении представлены результаты анализа технологических и технических решений, используемых на предприятиях Роскомрыболовства, для гидроакустического поиска и обнаружения PC, а также качественного мониторинга водной среды Отмечена их низкая эффективность в решении данных задач и сделан вывод о необходимости поиска новых технологических решений, сущность которых за-

ключается в представлении РС в форме детерминированного хаоса с появлением внутри них волн плотности, распространяющихся на сотни километров.

В первой главе диссертационной работы приведены данные проблемное™ решения задачи дальнего обнаружения РС с помощью существующих гидроакустических средств, а также некоторых технологий, в которых на приемнике регистрируются результаты взаимодействия низкочастотного просветного сигнала с движущимся РК или возмущенной им областью. Сделан вывод, что все применяемые на предприятиях Роскомрыболовства гидроакустические средства можно разбить на три группы: высокочастотные эхолоты, эхолоты с достаточно низкими частотами излучения и гидролокаторы кругового и секторного обзора.

Для примера, на рис.1 показан наиболее эффективный из гидроакустических средств обнаружения РС - гидролокатор кругового и секторного обзора. Он обнаруживает РС и другие объекты, находящиеся в толще воды на дальности равной 365 м и 244 м по глубине.

Рис.1. Гидролокатор кругового и Рис.2. Обнаруживаемый объект на

секторного обзора экране эхолота

Обнаруживаемый объект на экране эхолота (рис.2) напоминает дугу, или символ рыбы. На рис.2 видно несколько крупных рыб вблизи дна (отметка "В"), а прямо над ними есть экземпляр еще крупнее (отметка "А"). Но изображение дуги на экране, вполне может принадлежать проплывающей коряге или еще какому предмет}' по очертаниям схожему с рыбой. Что касается некрупной рыбы,

то эхолот может ее не показать в виде дуг вовсе. Вывод о достоверности информации сделать достаточно сложно.

fie анализирую достаточно современную техническую сторону их работы, можно отметить, что они обнаруживают PC методом интенсивной эхолокации и имеют один общий недостаток: малые дальности обнаружения, что не позволяет решать задач) качественного мониторинга состояния водных биоресурсов на дистанциях в «несколько сот» км. Все это. требует новых технологических решений в разработке метода дальнего гидроакустического обнаружения волн плотности, основанного на современной интерпретации физических основ формирования PC.

Первые масштабные натурные эксперименты по использованию низкочастотных акустических волн в интересах дальнего обнаружения PC были проведены в 2003 году профессором Николсом Макрисом (США). Его сонар использовал звуковую частоту/= 390 - 440 Гц. Сигнал распространяется кругом, как волны от брошенного камня. Отражённые сигналы попадали на буксируемую антенну. Компьютер обрабатывая их и выдал картину обстановки. Самое ценное в этой новинке: биологи могут отслеживать перемещения рыб сразу в 360" и в радиусе 50 км. Причём система точно выстраивает форму PC, его геометрические размеры, а также направление и скорость перемещения, а цветовая гамма определяет плотность рыбы в PC (рис.3).

Особенностью данного эксперимента являлось и то, что технология построения приемоизлучающей системы полностью соответствует характеристикам бистатической локации, когда на приемнике анализируется суммарный сигнал, состоящий из прямых и переиз-

Рие. 3. Результаты обнаружения PC и их пространственное перемещение

лученных пассивной моделью РС сигналов.

Во второй главе представлены физические принципы, поясняющие суть современной интерпретация физических основ формирования РС. метода дальнего гидроакустического обнаружения РС путем регистрации волн плотности и технология практического его применения, а именно:

-Первое, в РС рыбы движутся в одном направлении друг за другом. При небольшой скорости такое движение является ламинарным, когда потоки воды перемещаются слоями без перемешивания. При изменении траектории движения, лобовое сопротивление резко возрастает и возникает турбулентность, которая характеризуется уравнениями Навье - Стокса: неразрывности и движения. В векторном виде для несжимаемой жидкости они записываются следующим образом:

= -(V ■ V )!*' + ¡/ДГ - - V/5 4- / т ■ Р (1)

V • V = 0 (2) где: V- оператор Гамильтона, А - оператор Лапласа, V- вектор скорости, ! - время.

г

V - коэффициент кинематической вязкости, р - плотность, Р- давление, -' - вектор плотности массовых сил.

Рне.4. Детерминированный хаос, как несинхронное движение всего РС в турбулентном потоке жидкости

Из анализа этих уравнений следует, что изменения в среде, описанные в них, неизбежно приведут к изменению уравнения состояния водной среды (рис.4), и возникновению детерминированного хаоса, как несинхронного движения всего РС в турбулентном потоке жидкости.

- Второе, детерминированный хаос в РС, как система, описывается дифференциальными уравнениями /-го порядка малой размерности а- = Р(х, I), х = (х,.....хл) (3),

которые автономны (т.е. ¥ не содержит явно времени) и нелинейны.

На основании уравнения (3) детерминированный хаос в РС это: экспоненциальная неустойчивость движения: множество состояний объекта: соответствие

10

объекта характеристикам от реализации случайного шумоподобного процесса; наследственная непредсказуемость объекта, как способ его выражения не в точных равенствах, а в представлениях поведения системы (в графиках странных аттракторов Лоренца или во фракталах) (рис.5). Т.е. хаос в РС это есть сущность пред-

Рис.5. Графики РС в форме странных аттракторов Лорениа (слева) и фракталов (справа)

На основании данного определения хаоса в РС, его критериями хаотичности и качества являются: сплошной спектр решения (означающий присутствие в нем бесконечного числа различных периодических составляющих): однородность спектра решения (т.е. отсутствие выделенных частот); быстрое затухание корреляций (т.е. «забывание» системой своей предыстории).

- Третье, детерминированный хаос в РС приводит к возникновению разных форм возмущений водной среды, в том числе: волн плотности и квазидвумерных возмущений в дальнем следе от несинхронного движения всего РС в турбулентном потоке жидкости.

При этом, волна плотности представляет собой круговые, вертикальные, упругие, инфразвуковые волны по технологии возникновения аналогичные внутренней волне. Причиной их появления является гидродинамические воздействие на водную среду хаоса в РС как сущности предсказуемого порядка (рис.6).

Рис.6. Хаос в РС в.форме золотой спирали Архимеда (предсказуемый порядок)

Эволюционное уравнение для внутренних волн в двухслойной системе с учетом вязкости, в отсутствие установившегося турбулентного течения, является уравнением для описания волн плотности от РС. Такое уравнение допускает решение в виде кноидаль-

сказуемого порядка.

ных волн через эллиптические функции Якоби:

. V=Vo сп <?/

I. гле 5 - пара-

метр, определяющий меру нелинейности волны. Ъ - длина кноидальной волны, за-

7=.<тг;

6С

висящая от амплитуды возмущения и параметра s; yihCtr. скорость таких

-ЬЧ1-?).

и= -

. - а

¡(1/, + а)'

■

волн: ¿ ? 4 J v J. Когда параметр 5 стремится к еди-

нице, длина волны растет, то получается уединенное возмущение типа солигон: -J

V = T)o sech' — ;

. скорость которого определяется равенством:

U

-а) ш+а) ¡ 1 ,,

(4)

Из (4) был сделан вывод, что волны плотности, возникающие внутри РС, в процессе своей эволюции могут быть внутренними, кноидальными или солитоном и распространяются на сотни км (рис.7). Это очень хорошо коррелирует с критериями хаотичности и качества хаоса в РС.

Я**»** кжгюштктт Рис.7. Волны плотности - внутренние волны

- Четвертое, след от рыбы через внутренние волны, трехмерные возмущения в ближнем следе, квазидвумерный турбулизованный сдвиговый поток в дальнем следе представляет собой очень слабые низкочастотные квазидвумерные возмущения в дальнем следе, которые могут распространяться от всего РС на большие расстояния от первоначальной точки появления (рис.8).

Рис.8. Квазидвумервые возмущения от рыбы в дальнем слезе

И так. в результате хаотического воздействия РС на водную среду происходит изменение ее стратификации и внутри них формируются низкочас-

Ляилехие /щжрмиия жшы

тотные волны плотности и квазидвумерные возмещения, которые способны преодолевать до точки их приема сотни километров за короткое время, неся в себе информацию о месте и поведении РС

В третьей главе представлены результаты численного моделирования и экспериментальных исследований

1 Моделирование изменения пространственной амплитудно-фазовой структуры поля волны плотности от РС в протяженном океаническом вотноводе с переменными характеристиками среды протяженность трассы - 200 км, частота сигналов^ 390 - 440 Гц, глубина моря на мелководной части трассы - 80, 100 м Расчет ы проведены для нескольких вариантов расположения РС в волноводе на удаленьях от приемной системы - 0, 5 7, 10 км Результаты моделирования обеспечиваю! возможность обнаружения РС и создания оптимизированной к реальной среде структуры приемных и излучающих блоков гидроакустической системы

2 Моделирование кноидальных волн « уединенных возмущений при различных скоростях потока жидкости (рис 9) Отмечено, что в зависимости от отношения глубин слоев получаются волны с острыми пиками вверх или вниз Нелинейность волн хорошо обнаруживается сравнением ширины горба и впадины (для линейных возмущений они равны) Солитон в двухслойной системе также может быть ориентирован вверх или вниз Видно что при спутном потоке, т е когда скорости потока и волны совпадают по направлению, длина стационарных волн увеличивается, а при противотоке наоборот уменьшается, что очень интересно при анализе предполагаемого налраатения движения РС

3 Анализ результатов натурных экспериментов гидрофизических измерений по изу чению теплообмена между Охотским морем и океаном на ГАБЛ остров Сахалин - остров Итуруп (1989-1990 гг) Схема построения данного эксперимента полностью соответствует схеме построения системы эксперимента профессора Николса Макриса на континентальном шельфе Лонг-Айленда США (рис 10)

Ч А А 1 1 1\

1 1 м 1! 1 А 1 тг А / \ /

V ) V ) К} \. 1 \; \ >

■'-¿о -—а-Зз За

_ л,

' I ¡а -Р--И / \

м /

1 I. I ! ! 1

у У V ; в V / V У

- *а -гс " а ' ЗБ " 75 " яЬ

Рис. 9. Формы кнондальиых волн при л 'рз-0'98, = 0,2^ ^/Л-^ОЛ, , = 0,96,

~нх / Н"3 =о,8 (сдева^ -Н", '' На =1.25 (СПрава.) и различных скоростях течения

/ / 1 < /•^-г-ч'твт" гнели. I хема проведения натурного экс-

Вертикапьнэя и^чакэдав згаяга —ЧгЯгекнэ-. " ■'/

/— , ~___. \ ---7 периздента по обнаружению макрели в

^ , / —ч '/ /' районе Лонг-Айленда (США)

X: '/ > ;/■ [ / '/ / / Проведенное на рис. 11

/: ■ / ' . —' ■■/ сопоставление сжатых импульсов.

/ / , / / зарегистрированных на

/ "/ - -'. / / вертикальные трансиверы ГАБЛ,

^ й^ошиме^ свидетельствует об устойчивом

разрешении нескольких их глубоководных приходов в начальной части импульса. Максимум в конце сигнала, наоборот формируется приосевыми лучами по глубинам приповерхностного подводного звукового канала, где и находятся РС кеты, мигрирующие в северовосточную часть Охотского моря. Спектральный состав сжатых импульсов (рис.12) не постоянен во времени и несет в себе элементы, в случае применения тонкого спектрального анапиза достаточно устойчивой информации: изменения спектрать-ных характеристик огибающей просветного акустического сигнала в диапазоне частот 0 - 100 Гц; появления дополнительных спектральных компонент в диапазонах 16

- 25 Гц по волне плотности, 45 - 57 Гц по отраженному сигналу с перераспределением энергий сигнала по спектральным компонентам низкочастотной части спектра. Результаты данных экспериментов показывают, что низкочастотная часть центрального пика (9-11 Гц) переносит существенную часть энергии принимаемого сигнала, иногда более 50% для кеты.

По времени приема сигната можно определить предположительное место нахождения РС (кеты) относительно ДАС.

На основании вышеизложенных данных были сделаны следующие выводы:

1. В диапазоне малых амплитуд колебания возмущенной области от РС действительно наблюдается обыкновенная внутренняя волна или солитон.

2.Во всём диапазоне проведенных численных и натурных экспериментов было обнаружено хорошее согласие с предложенными технологическими решениями в разработке метода дальнего гидроакустического обнаружения РС.

Рис.11. Сжатые импульсы, зарегистрированные на вертикальных трансиверах ГАБЛ и некогерентно усредненные по 6 часовому интервалу

Рис.12. Спектральный состав сжатых импульсов, принятых донной автономной станцией (ДАС) на ГАБЛ в момент возможного нахождения около трассы РС (эксперимент 24-25 мая 1989 г.)

В четвертой главе диссертационной работы приведены организационно-технические рекомендации формирования высокоэффективной многоуровневой гидроакустической системы (ГС) обнаружения РС, которая определена ФЦП «Национальная технологическая база на 2002 - 2006 г.г.» и утверждена Правительством РФ в 2001 году (направления работ 117-128 приложения № 1). ГС представляет собой широкомасштабную приемоизлу чающую систему с низкочастотной накачкой (высокочастотной подсветкой) контролируемой акватории (см. рис.13).

Рис.13. Многоуровневая ГС обнаружения РС

Сущность формирования и эксплуатации рассматриваемой системы заключается в следующем. Исследуемая акватория ограничивается двумя излучающими и, соответственно, двумя приемными акустическими системами, устанавливаемыми в

штатном (донном, с использованием кабелей) или быстро разворачиваемом мобильном (с использованием заякоренных радиогидроакустических буев или автономных донных станций) вариантах й организацией радиоканала. Система работает в режиме синхронного излучения — приема низкочастотных сигналов близкой частоты (/}, /2) Расстояния между приемниками, а также излучатедяйи определяют площадь Наблюдаемой акватории

Ее техническое решение эффективно объединяет закономерности активно-пассивной и бистатической гидролокации и включает следующие элементы заякоренную вертикальную антенну, состоящую из приемных блоков и радиобуя, установленную в мелководйом районе; автономную излучающую систему, состоящую из ненаправленных излучаюшйх блоков, которая может быть мобильно развернута в дрейфующем варианте в глубоководном районе моря.

Вертикальная многоэлементная приемная антенна, как элемент общей системы представляет собой цепочку гидрофонных блоков, каждый из которых устанавливается на заданной глубине и контролируется специальным датчиком Блоки расположены так, что они принимают низкочастотные сигналы от РС, охватывая конусом лучи, приходящие сверху и снизу Принцип действия антенны заключается в следующем Установленная на якоре вертикальная цепочка направленных приёмных гидрофонных блоков обеспечивает полный (по дистанции и глубине) просмотр глубоководной (до 2000 м) акватории по ее внутренним (предельным) лучам скольжения, которые приходят в точк\ приема без отражений ог дна и поверхности и обеспечивают за счет этого энергетический выигрыш от 5 до 20 дБ

В предлагаемой системе могут быть использовайы серийные гидроакустические приборы, а также (с незначительной доработкой) штатное гидроакустическое оборудование:

- стационарные гидроакустические комплексы и береговые гидроакустические станции наблюдения за подводной обстановкой, размещенные на восточном побережье полуострова Камчатка.

- ГАБЛ «о Итуруп - о Сахалин»;

- позиционные гидроакустические станции, разработанные СКБ САМИ для мониторинга окружающей среды,

- оборудование и гидроакустические буи судов измерителей физических полей, опытовых гидрографических судов

Функционально, ГС является составной частью государственной интегрированной системы получения, обработки и передачи данных ГК РФ по Рыболовству в модули низкочастотной подсветки среды (НПС), расположенные в центральных городах регионов РФ Процесс передачи информации, для Дальневосточного региона, с учетом результатов космического наблюдение за данной зоной с геостационарных космических аппаратов (КА), происходит через технические средства ЗАО «Востоктелеком» Обнаружение РС с использованием низкочастотных гидроакустических сигналов позволяет использовать длительные с высокой стабильностью гармонические и сложные сигналы, что обеспечивает возможность их необходимого наблюдения и накопления в узкой полосе частот Время наблюдения сигнала в этом случае может быть большим Оно определяется также временем нахождения РС в районе ГАБЛ и составляет единицы минут, что может быть достаточно большой Таким образом, необходимая для реализации бистатической локации величина отношения сигнал/помеха на входе приемного тракта аналогична отношению, полученному для шумопеленгатора Однако возможность длительного узкополосного приема высокостабильных сигналов повышает помехоустойчивость данного метода обнаружения РС Анализ существующей ситуации по миграции кеты в нерестовый период в Охотском море показывает, что решение функциональных задач такой системой должно осуществляться как в ближней зоне с удалением до 80 км о г побережья РФ, так и в дальней морской зоне с удалением от побережья до 200 -250 км. Основываясь на этом, для акватории Охотского моря она представляет собой две технологические системы с передачей данных через К А «ГС - 1» - высокочастотной двухсторонней эхолокации в замкнутых акваториях (ближнее обнаружение), «ГС -2» - для реализации бистатической локации с

ГС высокочастотно« даухств-

ГС дла рездшяшш онста-тическфй^окадии- с Я[Н»е-\шм ш1фор>штн «а буксирует» прот одзд ную ии> кочаегетнук» прие>пгр$

приемом информации на буксируемую протяженную низкочастотную приемную антенну или береговые низкочастотные стационарные приемники (удаленное обнаружение) (рис.14).

Рис.14. Организационные предложения но географической установке в Охотском море ГС

дальнего обнаружения РС

Проведенная в инициативном НИР «Дальнее обнаружение акустически слабозаметных сформированных рыбных косяков (РК) по волнам плотности» оценка эффективности ГС показала, что площадь, освещаемая при удаленном обнаружении парой приемник - излучатель, равна, по критерию Сг (стоимость одного кв км освещаемой площади), при предполагаемых геометрических размерах РС по большой диагонали а=150 м, протяженности ГАБЛ - 350 км, примерно Б] = 1000 км2 Данное значение освещаемой площади и дальности обнаружения РС в «несколько десятков» раз превосходит все имеемые результаты существующих рыбопромысловых гидроакустических средств рыболовецких судов При создании обоих форм ГС становится возможной адаптация большинства существующих акустических источников, средств обработки и передачи информации

Реализация перспективных технологий позволяет значительно повысить уровень унификации разрабатываемых технических и информационных компонентов, что, в конечном счете, положительно повлияет на эффективность функционирования системы и обеспечивает уменьшение сроков ее создания

В заключении делаются соответствующие выводы и рекомендации по практическому использованию результатов диссертациойной работы в рыбопромысловой отрасли РФ

Основные научные и практические результаты.

На основе теоретических и экспериментальных исследований, а также технических разработок, выполненных в объеме диссертационной работы, обоснована и решена научно-техническая проблема качественного мониторинга состояния биоресурсов, среды их обитания и производственной деятельности предприятий Рос-комрыболовства на акваториях Дальневосточных морей РФ

Для решения данной проблемы 1 Разработаны физические основы

-формирования и поведения РС, как странных аттракторов Лоренца, -представления РС в форме фрактальных моделей;

-воздействия PC на водную среду с образованием волн плотности и квазидвумерных возмущений

2 Проведено численное моделирование и экспериментальные исследования обнаружения возмущений от PC и воли плотности при реализации бистатической локации

3 Проработаны организационно- технические рекомендации по созданию и эксплуатации широкомасштабных бистатических гидроакустических систем дальнего обнаружения PC

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пичугин К.А. Дальнее обнаружение косяков рыбы и скоплений морских организмов «быстро разворачиваемыми» просветными системами [Текст]// П А Стародубцев Сб стат регион конф по судовой радиоэлектронике Владивосток, ДВГМА, 1997 - Ч 2 - С.111-117

2. Пичугин К.А. Узкополосное параболическое приближение для моделирования характеристик звукового поля движущейся возмущенной области [Текст]// А М Василенко Мат 46 всерос межвуз научно-технической конференции -Владивосток, ТОВМИ имени С О Макарова, 2001 -С 182-185

3. Пичугин К.А. Применение нросветных акустических сигналов для обнаружения морских биологических объектов [Текст]// П А Стародубцев Сб плен докл 5 межд научно-прак'1 конф -Владивосток, Морской государственный университет имени адмирала Г И Невельского , 2003 -С 113-124

4. Пичугин К.А. Низкочастотны просветный метод в решении задач освоения биологических запасов и мониторинга морских акваторий [Текст]// П А Стародубцев Сб.матер 5 межд научно-практ конф -Владивосток Морской государственный универси гет имени адмирала Г И Невельского, 2003 -С 78-80

5. Пичугин К.А. Современные технологии акустического мониторинга ограниченных морских акваторий и обнаружения рыбных скоплений [Текст]// Сб докл per науч конф Инновации в рыбопереработке -Владивосток Администрация Приморского края, 2003 -С 15-22

6. Пичугин К.А. Обоснование оптимальной структуры и параметров просветного акустического сигнала для освещения подводной обстановки в ограниченных морских акваториях [Текст]/ П А Стародубцев, К А Пичугин // Наукоемкие технологии -2004 - М -№ 2-3 - Г 5 -С 21-30

7. Пичугин К.А. Оптимизация процесса обработки гидролокационной информации методами нелинейной фильтрации [Текст]/ П А Стародубцев, К А Пичугин // Наукоемкие технологии -2004 - М -№ 5 -Т 5 -С 45-50

8. Пичугин К.А. Измерение характеристик гидродинамических возмущений морской среды многоканальными просветными гидроакустическими системами контроля морских акваторий [Текст] /М В Мироненко, П А Стародубцев, К А Пичугин И Наукоемкие технологии -2004 - М 5-Т 5-С 50-53.

9. Пичугин К.А. Параметрическая модель низкочастотного просветного метода гидролокации [Текст]/ К А Пичугин, Е В Шевченко, Е П Стародубцев, П А Стародубцев // Транспортное дело России - М Спецвыпуск - 2004 - С 94-95

10. Пичугин К.А. Широкомасштабный акустический эксперимент по измерению характеристик гидродинамических возмущений морской среды [Текст] / К А Пичугин, Е В Шевченко, Е.П Стародубцев, М В Мироненко, А М Василенко, П А Стародубцев //Транспортное дело России -М Спецвыпуск. - 2004 - С 116-118

11. Пичугин К.А. Пространственная амплитудно-фазовая структура поля акустических волн в протяженном океаническом волноводе с переменными характеристиками среды [Текст] // К А Пичугин, М В Мироненко, П А Стародубцев, Е П Стародубцев, Е В Шевченко Сб матер 6 межд научно-практ конф -Владивосток Морской государственный университет им адм Г И. Невельского , 2005. -С 97-99

12. Пичугин К.А. Дальнее обнаружение слабозаметных неоднородностей морской среды маломощными низкочастотными просветными сигналами [Текст]/, В В Карасев, П А Стародубцев, М В Мироненко, В А Тахтеев, Е В Шевченко -Владивосток ТОВМИ, 2007 - 160 с

13. Пичугин К.А. Фрактальные модели, как форма перемещения рыбного косяка в статическом объеме водного пространства [Текст]/К.А Пичугин и др. // Успехи Рыболовства. Сб. Научных трудов. - Владивосток, ДВГТРУ, 2007.- С.127-131.

14. Пичугин К.А. Краткая характеристика технических особенностей современных рыбопоисковых станций [Текст] / В.В. Карасев // Успехи Рыболовства. Сб. Научных трудов. - Владивосток, ДВГТРУ. 2007. - С. 95 -101.

Пичугин Константин Александрович

Современная интерпретация физических основ формирования рыбных скоплений как объекта дальнего гидроакустического обнаружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I Годписано к печати 11.10.07 Формат 60x84/16 Уч.- изд. л.1,4. Усл.печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 61. Отпечатано в типографии ТОВМИ имени С.О.Макарова 690062, г. Владивосток, Камский переулок, 6

Условные сокращения постоянных и переменных величин.

Использованные сокращения.

Введение.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СУДОВЫХ РЫБОПОИСКОВЫХ СТАНЦИЙ И СПОСОБОВ ОСВЕЩЕНИЯ ПОДВОДНОЙ ОБСТАНОВКИ.

1.1. Краткая характеристика технических особенностей современных рыбопоисковых станций.

1.2. Физические основы мониторинга рыбных запасов и способы работы гидроакустических средств обнаружения.

1.3. Сформированный рыбный косяк, физические основы его организации.

ВЫВОДЫ по главе 1.

ГЛАВА 2. МЕТОД ДАЛЬНЕГО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЛН ПЛОТНОСТИ, ОСНОВАННЫЙ НА СОВРЕМЕННОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ФОРМИРОВАНИЯ PC.

2.1. Детерминированный хаос в PC и причины его возникновения . 39 2.1.1. Фрактальные модели, как форма представления PC в статическом объеме водного пространства.

2.2. Детерминированный хаос и волны плотности.

2.3. Детерминированный хаос и квазидвумерные возмущения.

ВЫВОДЫ по главе 2.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДАЛЬНЕГО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЛН ПЛОТНОСТИ ОТ

РЫБНЫХ СКОПЛЕНИЙ.

3.1. Анализ экспериментальных исследований возможности дальнего гидроакустического обнаружения волн плотности от PC.

3.2. Результаты численного моделирования процесса перемещения волн плотности в водной среде от PC.

ВЫВОДЫ по главе 3.

ГЛАВА 4. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ФОРМИРОВАНИЮ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ НИЗКОЧАСТОТНОЙ СИСТЕМЫ ДАЛЬНЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ PC НА ОСНОВЕ РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМА МУЛЬТИСТАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ.

4.1.Общие теоретические и практические подходы к формированию мультистатической системы дальнего гидроакустического обнаружения рыбных скоплений PC.

4.2. Особенности реализации алгоритма расчета разности фаз спектральных компонент низкочастотных просветных сигналов в мультистатической схеме дальнего гидроакустического обнаружения PC.

4.3. Структурные основы процесса передачи информации об обнаружении PC.

4.4. Рекомендации по применению мультистатической системы дальнего гидроакустического обнаружения PC Охотском море.

ВЫВОДЫ по главе 4.

Объектом исследования диссертационной работы являются технические и технологические решения гидроакустического обнаружения рыбных скоплений (PC), используемые в рыбохозяйственной отрасли РФ [1-2].

Экспедиционные исследования акватории Охотского моря, проведенные ГУП «Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр» (ТИНРО - центр) ГК РФ по рыболовству в 2007 г., показали, что происходит резкое уменьшение количественного и качественного состояния биоресурсов Дальневосточных морей, изменение маршрутов миграции промысловых видов рыб и исчезновение некоторых из них [3]. Поэтому качественный мониторинг состояния биоресурсов Дальневосточных морей, среды их обитания и производственной деятельности предприятий Роскомрыболовства РФ в настоящее время приобрел наиважнейшее значение.

Проведенный анализ проблемности решения данной задачи показал, что для получения информации о состоянии биоресурсов путем комплек-сирования технологий дистанционного зондирования океана с данными судовых измерений и результатами лова наиболее экономичны и доступны гидроакустические средства. Их условно можно разбить на три группы: высокочастотные эхолоты, эхолоты с достаточно низкими частотами излучения и гидролокаторы кругового и секторного обзора. Все они обнаруживают рыбные скопления (PC) методом интенсивной эхолокации и имеют один общий недостаток: PC и другие объекты, находящиеся в толще воды видят на дальности равной нескольким сотням м, что не позволяет решать задачу качественного мониторинга состояния водных биоресурсов на дистанциях в сотни км.

При наличии высокоорганизованных и развитых технологий и технических средств морских исследований в настоящее время не разработаны эффективные инженерные технологии, и средства зондирования в реальном масштабе времени промысловых районов. Это приводит к ошибкам в прогнозе численности, низкой эффективности контроля и оперативного управления промыслом. Данные задачи решают на низком уровне имеемые технологии мониторинга состояния водных биоресурсов и текущего промысла, по причине отсутствия адекватных средств.

Приведенный анализ свидетельствует о научной и практической значимости разрабатываемой темы диссертационной работы для качественного и широкомасштабного мониторинга состояния биоресурсов Дальневосточных морей РФ.

В связи с этим в 80-е годы прошлого столетия [4-5] специалистами в области подводной гидроакустики было высказано предположение о возможности применения для обнаружения PC низкочастотных акустических способов и методов. Достаточно интересным для обнаружения РК [6] стал способ Павлова Ю.К. «Определения параметров рыбных скоплений в воде» и другие просветные методы. Эти изобретения относятся к гидроакустике, в частности к определению параметров рыбных скоплений с помощью гидроакустических сигналов. Целью изобретений являлось получение дополнительной информации о параметрах рыбных скоплений по результатам ослабления просветного сигнала при прохождении PC между излучателем и приемником.

Множество вариантов формирования просветного метода позволили высказать гипотезу, что в просветном методе значение силы объекта значительно возрастает по сравнению с режимом обычной гидролокации, и улучшаются основные характеристики гидролокационной системы: дальность обнаружения PC и вероятность их правильного распознавания.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями в процессе разработки просветных методов и эксплуатации данных систем на протяженных трассах показано, что PC может быть обнаружено по косвенным и прямым признакам.

Под косвенными признаками обнаружения PC понимаются следующие:

- гидрофизические условия, благоприятствующие формированию промысловых скоплений рыб (фронтальные разделы, вихри, меандры, участки конвергенций акватории Охотского, Японского морей и проливных зон Курило-Камчатской островной гряды с гидродинамической неустойчивостью или неоднородностью);

- статистические характеристики пространственной структуры поля температуры поверхности Охотского моря и общего теплового фона на акватории;

- выявленные участки повышенной первичной биопродуктивности, по данным аэроразведки или многолетних наблюдений;

- регистрация скоплений морских млекопитающих и птиц.

Прямые признаки распознавания РК разделяются на объективные, субъективные и спектральные.

В ряде работ [7-8] выдвинуты гипотетические представления о механизмах возмущений, связанных с PC. Однако незавершенность этих представлений выражается в том, что на основе частных экспериментальных исследований рассматриваются раздельно возмущения в толще океана и на поверхности без единого логического механизма причинности и взаимосвязи. Это требует дополнительных теоретических и экспериментальных исследований. Имеемые в настоящее время экспериментальные исследования на протяженной стационарной просветной линии о. Сахалин -о. Итуруп позволяют с определенной долей уверенности сделать вывод о существовании этих физических явлений, а также опытным путем определить некоторые их характеристики и свойства.

Несмотря на некоторые недостатки, принципиальным достижением низкочастотных просветных методов можно считать возможность развития на их основе нового направления в разработке систем мониторинга и диагностики морской среды путем комплексного применения различных методов обнаружения и распознавания морских биологических объектов. Основываясь на этих предположениях, наиболее реальным направлением решения научно-технической проблемы качественного мониторинга состояния биоресурсов, среды их обитания и производственной деятельности предприятий Роскомрыболовства на акваториях Дальневосточных морей РФ может быть путь разработки метода дальнего гидроакустического обнаружения волн плотности, основанный на современной интерпретации физических основ формирования PC.

Целью работы является решение проблемы качественного мониторинга состояния биоресурсов, среды их обитания и производственной деятельности предприятий Роскомрыболовства на акваториях Дальневосточных морей РФ.

На основании вышеизложенного предметом исследования диссертационной работы является метод дальнего гидроакустического обнаружения волн плотности, основанный на современной интерпретации физических основ формирования PC.

Исходя из этого, научной задачей диссертационной работы является: поиск новых технологий широкомасштабного мониторинга акваторий Дальневосточных морей и разработка метода дальнего гидроакустического обнаружения волн плотности, основанного на современной интерпретации физических основ формирования PC. Направления исследования:

1. Анализ существующих технических и технологических решений гидроакустического обнаружения PC, используемых в рыбохозяйственной отрасли РФ, для решения задачи оперативного мониторинга состояния среды их обитания.

2. Разработка физических основ:

- формирования и поведения PC, как странных аттракторов Лоренца;

- представления PC в форме фрактальных моделей;

- воздействия PC на водную среду с образованием волн плотности и квазидвумерных возмущений.

3.Обоснование возможности применения модой томографии и двухстороннего просветного метода для регистрации волн плотности в бистатиче-ской локации.

4. Проведение численного моделирования и экспериментальных исследований обнаружения возмущений от PC и волн плотности при реализации бистатической локации.

5. Организационно- технические рекомендации по созданию и эксплуатации широкомасштабных бистатических гидроакустических систем дальнего обнаружения PC.

Методы исследований, достоверность полученных результатов.

В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решение научной задачи базируется на экспериментальных данных и известных положениях классических методов эхолокации. Достоверность полученных результатов подтверждается: корректностью разработанных физических моделей; использованием известных положений теоретической гидроакустики; сходностью полученных теоретических результатов с результатами эксплуатации предложенного технического решения на ГАБЛ «остров Итуруп - остров Сахалин», а также с результатами исследований других авторов.

В первой главе диссертационной работы приведены данные про-блемности решения задачи дальнего обнаружения PC с помощью существующих гидроакустических средств, а также некоторых технологий, в которых на приемнике регистрируются результаты взаимодействия низкочастотного просветного сигнала с движущимся РК или возмущенной им областью. Сделан вывод, что все применяемые на предприятиях Роском-рыболовства гидроакустические средства можно разбить на три группы: высокочастотные эхолоты, эхолоты с достаточно низкими частотами излучения и гидролокаторы кругового и секторного обзора. Не анализирую современную техническую сторону их работы, можно отметить, что они обнаруживают PC методом интенсивной эхолокации и имеют один общий недостаток: малые дальности обнаружения, что не позволяет решать задачу качественного мониторинга состояния водных биоресурсов на дистанциях в сотни км. Все это требует новых технологических решений в разработке метода дальнего гидроакустического обнаружения волн плотности, основанного на современной интерпретации физических основ формирования PC.

Во второй главе даны теоретические объяснения и представлены новые технологические решения в разработке метода дальнего гидроакустического обнаружения PC:

1. Хаос в PC это есть сущность предсказуемого порядка.

2. На основании вышеприведенного определения хаоса в PC, его критериями хаотичности и качества являются: сплошной спектр решения (означающий присутствие в нем бесконечного числа различных периодических составляющих); однородность спектра решения (т.е. отсутствие выделенных частот); быстрое затухание корреляций (т.е. «забывание» системой своей предыстории).

3. Детерминированный хаос, как несинхронное движение всего PC в турбулентном потоке жидкости. Детерминированный хаос в PC это: экспоненциальная неустойчивость движения; множество состояний объекта; соответствие объекта характеристикам от реализации случайного шумопо-добного процесса; наследственная непредсказуемость объекта, как способ его выражения не в точных равенствах, а в представлениях поведения системы (в графиках странных аттракторов Лоренца или во фракталах).

4. Детерминированный хаос в PC приводит к возникновению разных форм возмущений водной среды: волн плотности и квазидвумерных возмущений в дальнем следе от несинхронного движения всего PC в турбулентном потоке жидкости.

5. Волны плотности, возникающие внутри PC, в процессе своей эволюции могут быть внутренними, кноидальными или солитоном и распространяться на большие дистанции.

6. В результате хаотического воздействия PC на водную среду происходит изменение ее стратификации и внутри них формируются низкочастотные «волны плотности» и квазидвумерные возмущения, которые способны преодолевать до точки их приема сотни километров за короткое время, неся в себе информацию о месте и поведении PC.

В третьей главе представлены результаты численного моделирования и экспериментальных исследований.

1. Моделирование изменения пространственной амплитудно-фазовой структуры поля волны плотности от PC в протяженном океаническом волноводе с переменными характеристиками среды. Результаты моделирования обеспечивают возможность обнаружения PC и создания оптимизированной к реальной среде структуры приемных и излучающих блоков гидроакустической системы.

2. Моделирование кноидальных волн и уединенных возмущений при различных скоростях потока. Отмечено, что в зависимости от отношения глубин слоев получаются волны с острыми пиками вверх или вниз. Нелинейность волн хорошо обнаруживается сравнением ширины горба и впадины (для линейных возмущений они равны). Солитон в двухслойной системе также может быть ориентирован вверх или вниз. Видно, что при спутном потоке, т.е. когда скорости потока и волны совпадают по направлению, длина стационарных волн увеличивается, а при противотоке наоборот уменьшается, что очень интересно при анализе предполагаемого направления движения PC.

3. Анализ результатов натурных экспериментов по обнаружению PC, проведенных в 2003 г. профессором Николсом Макрисом из СевероВосточного Университета США. Особенностью данного эксперимента является то, что технология построения приемо-излучающей системы полностью соответствует характеристикам бистатической локации и на приемнике анализируются суммарные сигналы, состоящие из прямых, переизлученных пассивной моделью PC, «волн плотности» и квазидвумерных возмущений.

На основании анализа результатов численного моделирования и экспериментальных исследований были сделаны следующие выводы:

- В диапазоне малых амплитуд колебания возмущенной области от PC действительно наблюдается обыкновенная внутренняя волна или соли-тон.

- Во всём диапазоне проведенных численных и натурных экспериментов было обнаружено хорошее согласие с предложенными технологическими решениями в разработке метода дальнего гидроакустического обнаружения PC.

В четвертой главе диссертационной работы приведены технические решения формирования высокоэффективной многоуровневой гидроакустической системы (ГС) наблюдения за морской средой, которая представляет собой широкомасштабную приемоизлучающую систему с низкочастотной накачкой (высокочастотной подсветкой) контролируемой акватории. В составе ГС используются технические средства зондирования (пассивные и активные) в широком диапазоне длин волн, а также результаты космического наблюдение за данной зоной с геостационарных космических аппаратов (КА).

Учитывая особенности формирования ГС, и необходимости решения задачи упрощенного процесса обнаружения PC, в диссертации предложен алгоритм ее реализующий и характеризующийся неадиабатическим распространением звука в океане с мезо (мелкомасштабными) неоднородно-стями. При создании таких ГС становится возможной адаптация большинства существующих акустических источников, средств обработки и передачи информации.

Реализация перспективных технологий позволяет значительно повысить уровень унификации разрабатываемых технических и информационных компонентов, что, в конечном счете, положительно повлияет на эффективность функционирования системы и обеспечивает уменьшение

14 сроков ее создания. В заключение главы сделаны выводы, по результатам которых можно оценить уровень технической проработки всего научного направления, поставленного в диссертационной работе.

В заключении делаются соответствующие выводы и рекомендации по практическому использованию результатов диссертационной работы. Основные научные и практические результаты. На основе теоретических и экспериментальных исследований, а также технических разработок, выполненных в объеме диссертационной работы, обоснована и решена научно-техническая проблема качественного мониторинга состояния биоресурсов, среды их обитания и производственной деятельности предприятий Роскомрыболовства на акваториях Дальневосточных морей РФ.

При разработке данной проблемы: 1. Разработаны физические основы:

- формирования и поведения PC, как странных аттракторов Лоренца;

- представления PC в форме фрактальных моделей;

- воздействия PC на водную среду с образованием волн плотности и квазидвумерных возмущений.

3. Проведено численное моделирование и экспериментальные исследования обнаружения возмущений от PC и волн плотности при реализации бистатической локации.

4. Проработаны организационно- технические рекомендации по созданию и эксплуатации широкомасштабных бистатических гидроакустических систем дальнего обнаружения PC.

В диссертационной работе разработаны и обоснованы положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое научное достижение.

На защиту выносятся: 1. Метод дальнего гидроакустического обнаружения волн плотности, основанный на современной интерпретации физических основ формирования PC.

2. Организационно- технические рекомендации по созданию и эксплуатации широкомасштабных бистатических гидроакустических систем дальнего обнаружения PC.

Результаты работы:

- получены в ходе выполнения второго этапа НИР «Дальнее обнаружение акустически слабозаметных сформированных рыбных косяков (РК)» по разработке метода дальнего обнаружения сформированных РК и естественных возмущений морской среды;

- экспериментально подтверждены анализом материалов натурных исследований в рамках проекта «Ocean Acoustic Waveguide Remote Sensing (OAWRS)», проводимого в 2003 г. профессором Николсом Макрисом из Северо-Восточного Университета США.

Материалы исследования обсуждались и получили положительную оценку: в радиотехнической службе ТОФ - 1999 г.; на открытом заседании кафедры акустики ТОВМИ имени С.О.Макарова - 2003 г.; на 45-ой и 46-ой Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях -2002 г. и 2003 г.; на 5-ой международная научно-практической конференции - 2003 г.; в Дальневосточном государственном рыбохозяйственном техническом университете в процессе подготовки диссертационной работы; в Тихоокеанском научно-исследовательском рыбохозяйственном центре ДВО РАН 2006 и 2007 г.г.

На первом этапе формирования такой ГС просветные модули целесообразно оборудовать в местах ранее выполненных испытаний, а именно:

- на линии (м. Левенорна о. Сахалин - о.Итуруп) протяженностью 350 км закрывающей южную границу Охотского моря;

- на линии (м. Сосунова Приморское побережье - о. Монерон) протяженностью около 250 км закрывающей вход в Татарский пролив со стороны Японского моря;

- на линии (м. Поворотный - м. Гамова, Уссурийский залив Японского моря).

Контроль проливных зон Курило-Камчатской островной гряды в силу особо сложных гидролого-акустических условий этих районов с использованием таких систем в ближайшее время будет затруднен.

Из всего материала, изложенного в диссертационной работе, можно сделать вывод, что научно - техническая проблема «Отсутствие технических и технологических решений возможности широкомасштабного мониторинга океанской среды в целях дальнего гидроакустического обнаружения рыбных скоплений» решена путем разработки:

1. Метода дальнего гидроакустического обнаружения волн плотности, основанного на современной интерпретации физических основ формирования рыбных скоплений

2. Организационно- технических рекомендаций по созданию и эксплуатации широкомасштабных бистатических гидроакустических систем дальнего обнаружения рыбных скоплений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты диссертационной работы

1. Проведен анализ существующих технических и технологических решений гидроакустического обнаружения PC, используемых в рыбохозяй-ственной отрасли РФ, для решения задачи оперативного мониторинга состояния среды их обитания.

2. Разработаны физические основы:

- формирования и поведения PC, как странных аттракторов Лоренца;

- представления PC в форме фрактальных моделей;

- воздействия PC на водную среду с образованием волн плотности и квазидвумерных возмущений.

3. Проведено численное моделирование и экспериментальные исследования обнаружения возмущений от PC и волн плотности при реализации бистати-ческой локации.

4. Обоснованы организационно- технические рекомендации по созданию и эксплуатации широкомасштабных бистатических гидроакустических систем дальнего обнаружения PC.

Научная новизна теоретических положений и результатов экспериментальных исследований, полученных автором На основе проведенных теоретических разработок, анализа результатов численного моделирования и имеемых данных натурных экспериментов, проведенных в 2003 г. профессором Николсом Макрисом из СевероВосточного Университета США на континентальном шельфе Нью-Джерси и СКБ САМИ на ГАБЛ «о.Итуруп - о.Сахалин», в работе обосновано и подтверждено, что:

- детерминированный хаос для PC - это несинхронное движение всего PC в турбулентном потоке жидкости;

- конкретные состояния PC, являются наследственно непредсказуемыми, а способ его выражения оказывается веерным не в точных равенствах, а в представлениях поведения системы (PC) - в графиках странных аттракторов или во фракталах;

- волны плотности, возникающие внутри PC, в процессе своей эволюции могут быть внутренними, кноидальными или солитоном и распространяются на сотни км;

- в диапазоне малых амплитуд колебания возмущенной области от PC действительно наблюдается обыкновенная внутренняя волна или солитон.

- технология построения приемо-излучающей системы полностью соответствует характеристикам бистатической локации, а на приемнике анализируются суммарные сигналы, состоящие из прямых сигналов, переизлученных пассивной моделью PC, «волн плотности» и квазидвумерных возмущений.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решение научной задачи базируется на экспериментальных данных и известных положениях классических методов эхолокации. Достоверность полученных результатов подтверждается: корректностью разработанных физических моделей; использованием известных положений теоретической гидроакустики; сходностью полученных теоретических результатов с результатами эксплуатации предложенного технического решения на гидроакустической барьерной линии (ГАБЛ) «остров Итуруп - остров Сахалин», а также с результатами исследований других авторов.

Практическая и научная полезность результатов диссертационной работы Разработанные в диссертации новые технологии, основанные на современной интерпретации физических основ формирования PC, позволяют изменить качественный и количественный состав существующих гидроакустических систем их дальнего обнаружения в Дальневосточных морях.

Апробация работы

1. Океанологические основы рыболовства / А.А. Елизаров, В.Н. Кочиков, В.Б. Ржонсницкий Л.: ЛГУ, 1983. - 222 с.

2. Войниканис Мирский В.Н. Технология постройки орудий промышленного рыболовства. - М.: 1971.

3. Ретроспективная и текущая промысловая обстановка на ДВ бассейне // Справки и заключения. Владивосток: ТИНРО-центр, 2007.

4. Метод низкочастотной гидроакустической томографии и измерительная система контроля морских акваторий / П.А. Стародубцев, М.В. Мироненко // Научный и общественно-политический журнал Президиума ДВО РАН «Вестник ДВО РАН». 2003. № 1. - С. 36-41.

5. Бахарев С.А. Технические средства рационального и экологически безопасного промысла краба // Приложение к газете «Тихоокеанский Вестник». -2001 (июнь). № 12/37.

6. Мироненко М.В., Мироненко Т.А. Стационарная гидроакустическая система контроля среды. Положительное решение № 16981 от 20.11.1991. по заявке № 4541797/04140/22.

7. Исследование принципов обработки гидроакустической информации в вертикально и горизонтально развитых антеннах и системах низкочастотной гидролокации // отчет о НИР заключит. «Миранда-УВО». Киев: КБ «Шторм» при КПИ, 1985. - 117 с.

8. Андреева И.Б. Акустические свойства плотных скоплений пелагических животных в океане//Акустический журнал. 1994. Т.40. №1. - С. 9-16.

9. Техническое описание эхолота «GARMINFISHFINDER 80».

10. Шишкова Е.В. Физические основы рыболокации М.: 1963.

11. Техническое описание гидролокатора «Угорь-МК».

12. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры / Ю.С. Кобяков, Н.Н Кудрявцев, В.И. Тимошенко J1.: Судостроение, 1986. - 272 с.

13. Яковлев А. Современный рынок гидроакустических систем. М.: Октопус Про, 2006.-С. 90-102.

14. А. с. 1228659 СССР, МКИ GOIS 15/00. Акустический эхо-импульсный локатор / В.Ю Волощенко, В.Н. Максимов (СССР). 4 с.

15. ВМС США разрешили губить морских млекопитающих. // Русская Америка-2002. №7.

16. Протасов В.Р. Биоакустика рыб М.: 1965.

17. Загадка природы или чья-то халатность? Две версии одного экологического происшествия // Советский Сахалин. 2000.

18. Шулейкин В.В. // Большая Российская энциклопедия. 2-е изд. - М.: 2001.

19. Кузнецов Ю.А. Некоторые вопросы промысловой биоакустики // Рыбное хозяйство. 1971. № 9.

20. Шевченко Е.В. Фазовая скорость просветного сигнала и физические основы ее изменения на неоднородностях морской среды и сформированных рыбных косяках // Сб. науч. тр. Владивосток: ДВГТРУ, 2006. №16. - С. 21-25.

21. О вертикальной структуре акустических характеристик звукорассеиваю-щих слоев океана / Андреева И.Б. и др // Акустический журнал. 2000. №5. -Т.47.

22. Физики нашли волны и фракталы в косяках рыб // По материалам сайта www.lenta.ru. 03.02.2006.

23. Серов А.В. Пропорциональная пондемоторная сила, действующая на заряженную частицу, пересекающую неоднородную электромагнитную волну // Квантовая электроника. 1998. №3. - С. 197-200.

24. Шевченко Е.В. Процесс формирования установившихся биологических скоплений // Сб. науч. тр. Владивосток: ДВГТРУ, 2006. №16. - С. 25-28.

25. Шевченко Е.В. Пондемоторные силы в процессе формирования установившихся биологических скоплений // Мат. 48-й Всерос. межвуз. науч.-техн. конференции. Владивосток: ТОВМИ, 2005. - Т.З. - С. 177-180.

26. Серов А.В. Свойства действующих на заряженную частицу в неоднородной электромагнитной волне пондемоторных сил // Квантовая электроника. 1999. №18.-С. 23-35.

27. Кушинг Д.Х. Морская экология и рыболовство. М.: Пищевая промышленность, 1979.-288 с.

28. Стародубцев П.А. Измерительные технологии акустического «просветного» метода гидролокации в решении задач мониторинга и освоения морских акваторий // Вестник Бурятского гос. ун-та «Физика и техника». Улан-Удэ: БурГУ, 2003. №3.-С. 16-24.

29. Черкесов JI.B. Поверхностные и внутренние волны / Морской гидрофизический ин-т. Киев: Наукова думка, 1973. - 248 с.

30. Большая советская энциклопедия 2-е изд. М.: 1976.

31. Загнеткин В.И. Еще раз о воздействии электрического тока на живые организмы и выборе параметров импульсов. E-meil: zagnetkin @infotecstt.ru.

32. Thomas, A. L. R. & Srygley, R. B. Unconventional lift-generating mechanisms in free-flying butterflies // Nature. Vol. 57. P. - 420, 660-664.

33. Ашли С. Необычное движение под водой // Физика. 2003. № 29/02. - С. 23-29.

34. Старченко И.Б. Динамический хаос в гидроакустике М.: Техническая аэродинамика, 2007. - 296 с.

35. Анисимова И.М., Лавровский В.В.// Ихтиология. М.: Высшая школа, 1983.

36. Повх И. Л. Техническая гидромеханика. М.: Машиностроение, 1969. -524 с.

37. Википедия. Свободная энциклопедия. Уравнение Навье-Стокса.

38. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Механика, 1978. - 467 с.

39. Сивухин Д.В. Курс общей физики. М.: Механика, 1989. - Т. 1.

40. Шустер Г. Детерминированный хаос. М.: Мир, 1988. - 240 с.

41. О возможности управления системой со странным аттрактором / В.В. Алексеев, А.Ю. Лоскутов // Вестник МГУ. Серия физ.-астр. 1985. № 3. - Т. 26.-С. 40 - 44.

42. Квазирезонансные свойства периодически возмущенных однопараметри-ческих логистически-подобных отображений / Е.В. Евдокимов, К.Е. Евдокимов, Ю.А. Крейдун, А.В. Шаповалов // Журн. физ. химии. 1997. №11. - Т. 71.-С. 2003-2008.

43. Елютин П.В. Проблемы квантового хаоса. Новосибирск: Наука, 1988. -Т. 155. - Вып.З.

44. Федер Е. Фракталы. Пер. с англ. М.: Мир, 1991. - 254 с.

45. Фрактальные модели, как форма перемещения рыбного косяка в статическом объеме водного пространства / К.А. Пичугин, П.А. Стародубцев // Успехи Рыболовства. Сб. Научных трудов. Владивосток: ДВГТРУ, 2007. - Вып. 3.

46. Д. Пидоу. Геометрия и искусство. М.: Мир, 1979.

47. Цеков-Карандаш Ц. О втором золотом сечении. София, 1983.

48. Волны плотности в кольцах Сатурна на изображениях Кассини. Перевод: Н.А.Липунова. 05.07.2004. http://www.ciclops.org.

49. Стародубцев П.А. Исследования изменчивости внутренних волн океана с использованием зонда из пространственно-распределенных датчиков температуры // Вестник Поморского ун-та. 2003.№2(4). - С. 35-40.

50. Стародубцев П.А. Прогнозирование сильных землетрясений по измерениям их предвестников // Сб. матер, per. научно-практ. конф. «Инновации и молодежь». Владивосток: МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2004. - С. 44-50.

51. Уединенные волны в слоях морской среды с различными волновыми сопротивлениями / Г.И. Казанцев, В.А. Щепетильников // 36-я Всероссийская межвузовская науч.-тех. конф. Владивосток: ТОВВМУ, 1993. - Т. 1- Ч. 1. -С. 127-130.

52. Распространение волн в сдвиговых потоках / Ю.А. Степанянц, А.Л. Фабрикант М.: Наука, 1996. - 240 с.

53. Математические модели распространения длинных волн в неоднородной жидкости / В.Ю. Ляпидевский, В.М. Тешуков. Новосибирск: СО РАН, 2000. -420 с.

54. Хабахпашев Г.А. Эволюция возмущений границы раздела двух слоев вязкой жидкости // Известия АН СССР, Механика жидкости и газа. 1990. № 6, -С. 118—123.

55. Koop C.G., Butler G. An investigation of internal solitary waves in a two-fluid system. // J. Fluid Mech. 1981. - Vol. 112. - P. 225 - 251.

56. Стародубцев П.А. Измерительная система контроля морских акваторий на основе низкочастотной гидроакустической томографии // Инновации, раздел «Биржа технологий и контактов». 2003. №1. - С. 89-91.

57. Троицкая Ю.И. Квазилинейная модель эволюции дальнего турбулентного следа за движущимся телом в стратифицированной жидкости при больших числах Рейнольдса и Фруда: Препринт ИПФ РАН № 610. Н. Новгород, -2002.

58. Обоснование оптимальной структуры и параметров просветного акустического сигнала для освещения подводной обстановки в ограниченных морских акваториях / П.А. Стародубцев, К.А. Пичугин // Наукоемкие технологии. 2004. №2, 3. - Т.5. - С. 21-30.

59. Временные, спектральные характеристики взрывных сигналов, распространяющихся в протяженном подводном звуковом канале / М.В. Мироненко, В.А. Апанасенко // Труды СКБ САМИ АН СССР. Южно-Сахалинск: СКБ САМИ. - 1988. № Ю. - С. 26-29.

60. Техническая документация. Пневмопушка «G. GUN». 2006.

61. Дистанционное измерение анизотропии шумов моря / М.В. Мироненко и др. // Сб. докладов на международной конференции по конверсии оборонных технологий. СПб.: Морфизприбор, 1996.

62. Шевченко Е.В. Влияние среды распространения на параметры просвет-ных акустических сигналов при проведении численного моделирования на протяженной трассе о. Сахалин-о. Итуруп. // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион, техн. науки. 2006. Прил. №2. - С. 49-53.

63. Параметрический приёмник, как элемент модуля системы подводного наблюдения / П.А. Стародубцев, С.А. Бахарев // Сб. докл. 38-я межвузовская научно-тех. конф. Владивосток: ТОВВМУ, 1996. - Т.З. - С. 7-11.

64. Шмидт П.Ю. Миграция рыб. М.: АН СССР, 1947. - 361 с.

65. Пневмоизлучатели для управления поведением охотоморской сельди / Г.А. Ковыза, Ю.А. Кузнецов // Тезисы доклада 1 Дальневосточной акустической конференции «Акустические методы и средства исследования океана». Владивосток: ДВМП, 1974. - С. 184-187.

66. Архипов Д.Г. Математическое моделирование распространения нелинейных волн на границе раздела неглубокого двухслойного потока вязкой жидкости // Вестник НГУ. 2001. №5. - С. 16-23.

67. Стародубцев П.А. К вопросу влияния среды распространения на параметры просветных акустических сигналов при проведении численного моделирования // Вестник Тюмен. гос. ун-та. 2003. №5. - С. 229-236.

68. Измерение характеристик гидродинамических возмущений морской среды многоканальными просветными гидроакустическими системами контроля морских акваторий / П.А. Стародубцев и др. // Наукоемкие технологии. 2004. №5. - Т.5. - С. 50-53.

69. Стародубцев П.А. Влияние горизонтальной рефракции на траекторию распространения низкочастотных просветных сигналов // Сб. мат. per. науч-но-техн. конф. Владивосток: МГУ им. адм. Г.И. Невельского, Администрация Приморского края, 2003. - С. 67-72.

70. Формирование характеристик параметрического излучателя вблизи отражающей границы / Б.К. Новиков, В.И.Тарасов, В.И. Тимошенко // Акустический журнал. 1983. № 2. - Т. 29. - С. 240-246.

71. Глинченко А. С. Цифровая обработка сигналов: Учеб. пособие. 2-е изд. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. - 482 с.

72. Морское приборостроение для комплексного мониторинга Мирового океана / П.А. Стародубцев и др. // Экологические системы и приборы. Раздел «Экологический мониторинг». 2003. № 7. - С. 3-12.

73. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (Физические основы, методы и технологии Мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов) / Сост. А.А. Романов М.: ФГУП ВНИЭРХ, 2003. - 22 с.

74. Метод низкочастотной гидроакустической томографии и измерительная система контроля морских акваторий / П.А. Стародубцев, М.В. Мироненко // Вестник ДВО РАН. Владивосток: Дальнаука, 2003. №1. - С. 36-41.

75. Предложения о НИОКР по созданию элементов системы освещения морской обстановки / А.Е. Малашенко и др. Южно-Сахалинск: СКБ САМИ ДВО РАН, 2001.-20 с.

76. Стародубцев П.А. Акустическая томография в процессе обнаружения подводных объектов. Владивосток: Морской гос. ун.-т им. адм. Г.И. Невельского, 2005. - 190 с.

77. Численные эксперименты по томографии океана, в журнале «Акустика океанской среды» / Гончаров В.В., Куртепов В.М. / под ред. J1.M. Брехов-ских, И.Б. Андреева. М.: Наука, 1989. - С. 107-115.

78. Федеральная космической программа России на период до 2000 г. Утверждена Правительством РФ в 1993 № 1282.

79. Пути создания системы мониторинга шельфа Сахалинской области / M.J1. Красный, В.Н. Храмушин, В.А. Шустин и др. Южно-Сахалинск: Сахалинское книжн. изд-во, 1998. - 208 с.

80. Указ президента РФ 2000 г. № 471 о совершенствовании морской деятельности РФ.

81. Пичугин Константин Александрович

82. СОВРЕМЕННАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ФОРМИРОВАНИЯ РЫБНЫХ СКОПЛЕНИЙ КАК ОБЪЕКТА ДАЛЬНЕГО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ

83. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

84. Подписано к печати 2007 г. Усл. печ. л. 11,25 180 Формат 60x90/16. Тираж 5 - экз. заказ