Эхосъемки скоплений пугливых рыб: анализ и перспективы (Д-р техн. наук Юданов К.И., ВНИРО) (УДК 639.2.081.7)

Как известно, гидроакустические съемки широко используются для контроля за состоянием запасов промысловых объектов. Однако достоверность результатов съемок не всегда достаточно высока. Объясняется это не только техническими ограничениями аппаратуры, но и особенностями поведения рыб. В частности, промысловые концентрации рыб, находящиеся в приповерхностных слоях воды, часто распугиваются судном. А так как гидроакустические съемки выполняются только с помощью эхолотов, то в результате распугивания рыб получается заниженная оценка их биомассы.

Явление распугивания рыбы в приповерхностных слоях воды наблюдается как в морях, так и во внутренних водоемах. Наиболее пугливы пелагические рыбы - ставрида, скумбрия, сельдь и другие, наименее пугливые, придонные виды рыб - треска, морской окунь, мерланг и др. Характерно, что постоянная работа мощного рыболовного флота в промысловых районах не вызывает адаптацию, а, наоборот, обостряет реакцию рыб на шумы судна.

Шумами судна распугивается рыба, которая держится разреженно, в скоплениях или стаях. Особенно чутко реагируют рыбы при стайном распределении. Как показали норвежские исследования (К. Олсен и др., 1982), при прохождении судна над стаями сельди плотность их концентрации уменьшается до 80 % и более. Однако исследования распугивания рыбы не получили широкого развития из-за их трудоемкости и дороговизны. Поэтому количественная сторона этих явлений не может быть учтена при обработке результатов съемок.

Для повышения достоверности гидроакустической оценки концентраций пугливых рыб предлагается использовать гидролокаторы, которые в отличие от эхолотов позволяют регистрировать объекты на больших расстояниях в стороне от судна. Наши проработки показывают, что, несмотря на значительные трудности количественной оценки промысловых скоплений с помощью гидролокатора, в отдельных случаях она бывает возможна. При траверзном режиме работы гидролокатора поверхностная плотность промысловых концентраций (в т/миля²) может быть определена по формуле

где С_г - цена деления шкалы интегратора, подключенного к гидролокатору, т/миля² дел.; Мг - среднее показание интегратора за посылку, дел.; 0 - эффективный угол направленности антенны гидролокатора; r_макс и r_мин - максимальная и минимальная величины дальности гидролокатора, м.

При использовании эхолота поверхностная плотность равна

ρ_э=С_э·М_э (т/миля ), (2)

где С_э - цена деления шкалы интегратора, подключенного к эхолоту, т/миля² дел.; М_э - среднее показание интегратора за посылку, дел.

Приняв величины ρ_г (вне зоны распугивания) за истинную плотность концентраций и сопоставив ее со значением ρ_э (в зоне распугивания рыб), можно определить поправочный коэффициент К, который позволит корректировать результаты оценки плотности скоплений по показаниям эхолота с учетом распугивания рыб судном

Коэффициент корректировки - объективная характеристика распугивающих свойств промысловых рыб, может быть измерен с помощью гидролокатора, эхолота и интегратора любого типа, пригодных для такого рода измерений.

Как следует из соотношения (3), определению коэффициента К должно предшествовать измерение постоянных С_г и С_э, т. е. градуировка аппаратуры, которая выполняется по стандартной методике^*. Расчет постоянных производится по формуле

где w - средняя масса единичной рыбы, г; С_эа - электроакустическая постоянная аппаратуры; ψ - интегральный фактор направленности; σ - акустическое сечение единичной рыбы на оси антенны прибора, м².

^* (Юданов К. И. Количественная оценка рыбных скоплений с помощью гидролокатора. - "Рыбное хозяйство", 1985, № 8.)

При измерениях электроакустических постоянных гидролокатора и эхолота все параметры аппаратуры устанавливаются так, чтобы обеспечивалась устойчивая регистрация и оценка плотности обнаруженных скоплений. Если в указанных измерениях используется гидроакустическая станция, работающая поочередно в режиме горизонтальной и вертикальной локации, то в обоих режимах устанавливаются одинаковые параметры излучающего и приемного трактов станции, а также интеграторов. Тогда электроакустические постоянные и интегральные факторы направленности гидролокатора (горизонтальный тракт) и эхолота (вертикальный тракт станции) получаются равными между собой, и процедура определения электроакустических и общих постоянных существенно упрощается.

При определении общих постоянных по формуле (4) особого внимания требует оценка акустического сечения рыб а, значение которого сильно зависит от направления облучения, а потому может существенно различаться при горизонтальной и вертикальной локации. Применительно к вертикальной локации значения а для каждого вида и размера рыб в определенные периоды их жизни обычно стабильны. В настоящее время выполнен большой объем измерений акустических сечений в реальных условиях, накоплен банк данных о для основных промысловых рыб.

Иначе обстоит дело с оценкой акустических сечений рыб при горизонтальной локации, когда особи облучаются сбоку и малейшие изменения их положений могут приводить к значительным колебаниям величины а. При беспорядочном расположении рыб, которое обычно наблюдается в скоплениях и при разреженном распределении, величина среднего акустического сечения может быть получена из полярной диаграммы обратного рассеяния звука рыбами (см. рисунок) путем усреднения значений по всем направлениям. Для оценки σ в стаях, в которых особи расположены упорядоченно, необходимо сначала с помощью гидролокатора установить направление их движения. Только после этого, зная положение рыб относительно луча гидролокатора, из диаграммы обратного рассеяния определяется усредненное значение σ в пределах характеристики антенны прибора.

Оценив значения параметров, приведенных в формуле (4), и рассчитав постоянные для гидролокатора (С_г) и эхолота (С_э), можно переходить к определению коэффициента корректировки К. С этой целью выполняют измерения показаний интеграторов, подключенных к гидролокатору (М_г) и эхолоту (М_э). Для указанных измерений выбирается характерный участок промысловой концентрации со сравнительно равномерным распределением рыбы. Чтобы исключить влияние поверхностной реверберации и затухания звука от аэрации воды, все измерения целесообразно проводить в спокойную погоду. Наклон луча гидролокатора должен быть таким, чтобы обеспечивалась регистрация и измерения рыбы на глубинах ее обитания.

Полярная диаграмма обратного рассеивания звука рыбой длиной 33 см (f = 20 кГц). Пунктиром даны значения σ при облучении рыб: в стаях под углом φ=70° (σ=0,5X50=25 см²), в скоплениях (σ=0,4X50=20 см²)

Отчеты показаний интеграторов при работе эхолотом и гидролокатором выполняются на одних и тех же скоплениях и на скоростях судна, при которых проводится съемка. Полученные значения М_э и М_г пересчитываются к одной посылке по формуле

где М - показание интегратора за определенный интервал пути судна; v_с - скорость судна, уз; f - частота следования импульсов аппаратуры, 1/мин.

При работе гидролокатором на малых глубинах, когда обнаружение рыб и отсчет показаний интегратора невозможны из-за сильной донной реверберации, измерения могут быть выполнены только при использовании параметрических антенн. В этом случае из-за низкой чувствительности параметрических гидролокаторов приходится работать в дрейфе судна.

Выбор границ интегрирования при работе гидролокатором определяется дистанциями, в пределах которых должна обеспечиваться устойчивая регистрация промысловых скоплений. Минимальная дистанция интегрирования (r_мин) устанавливается на расстоянии, при котором рыбы не распугиваются судном, а максимальная дистанция (r_макс) соответствует предельной дальности обнаружения.

Чтобы яснее представлять процедуру определения степени влияния распугивания промысловых концентраций на оценку их биомассы, рассмотрим пример расчета коэффициента К применительно к стаям ставриды, находящимся в верхних слоях воды, для района ЮВТО.

Для измерения коэффициента К используется гидроакустическая станция "Сарган", интегратор СИОРС и прецизионный усилитель УСОД. Режим работы и параметры аппаратуры: вертикальный и горизонтальный тракты - частота 20 кГц, мощность полная, длительность импульсов 1 мс, диапазон 0 - 600 м, частота следования импульсов f=64 1/мин; интегратор СИОРС - усиление 0 дБ, порог 18 дБ; усилитель УСОД - ослабление 20 дБ, ВАРУ множественная цель, регулятор дальности действия ВАРУ в положении 10. С учетом ослабления сигналов в 100 раз электроакустическая постоянная аппаратуры С_эа- = 2,8·10^-6.

Эффективный угол направленности антенны Θ=20° (0,35 рад), её интегральный фактор Ψ=3,5·10^-2. Средняя длина ставриды 33 см, ее масса W=350 г. Среднее акустическое сечение ставриды (по данным морских измерений) при вертикальной локации σ=50 см². Измеренный с помощью гидролокатора угол облучения рыб γ=70°. Среднее акустическое сечение ставриды при горизонтальной локации, определенное из полярной диаграммы обратного рассеяния (см. рисунок) при γ= 70° в пределах Θ=20°, σ=25 см².

Общая постоянная, рассчитанная по формуле (4), при работе эхолотом С_э=31,0 т/миля² дел., гидролокатором С_г=62,0 т/миля² дел.

Измерения стай ставриды выполнялись при волнении моря 2 балла, скорости судна vc= = 9 уз. При горизонтальной локации луч развернут перпендикулярно движению судна с наклоном 10°. Границы интегрирования при горизонтальной локации: r_мин=200 м, r_макс=500 м. Интервал интегрирования 1-3 мили. Показание интегратора при горизонтальной локации М_г=9850, при вертикальной локации М_э=2520. После пересчета по формуле (5) на одну посылку М_г=7,71 и М_э=1,97.

Рассчитаем по формуле (3) приблизительное значение коэффициента корректировки

Это значит, что вследствие распугивания рыб плотность концентраций стай ставриды, определяемая с помощью эхолота, оказывается в 3,2 раза меньше истинной.

Как уже отмечалось, степень распугивания рыб зависит от характера их распределения и может существенно изменяться во времени, в том числе в ходе суточных вертикальных миграций. Поэтому для каждого вида рыб при разном их распределении и поведении следует определять значения К, постепенно накапливая необходимый банк данных. В практике проведения эхосъемок пугливых рыб такой банк данных позволит избежать в дальнейшем трудоемких измерений коэффициента.