Complex instrumental underwater observations technology development relating to the ecosystems of the Russian Arctic

N. A. Rimsky-Korsakov; Римский-Корсаков Н. А.; M. V. Flint; Флинт М. В.; S. G. Pojarkov; Поярков С. Г.; I. M. Anisimov; Анисимов И. М.; Y. I. Belevitnev; Белевитнев Я. И.; A. A. Pronin; Пронин А. А.; S. N. Tronza; Тронза С. Н.

doi:10.31857/S0030-1574594679-683

Развитие технологии комплексных инструментальных подводных наблюдений применительно к экосистемам Российской Арктики

Авторы: Римский-Корсаков Н.А.¹, Флинт М.В.¹, Поярков С.Г.¹, Анисимов И.М.¹, Белевитнев Я.И.¹, Пронин А.А.¹, Тронза С.Н.¹
Учреждения:
1. Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Выпуск: Том 59, № 4 (2019)
Страницы: 679-683
Раздел: Приборы и методы исследований
URL: https://journals.eco-vector.com/0030-1574/article/view/16107
DOI: https://doi.org/10.31857/S0030-1574594679-683
ID: 16107

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В статье затронуты методические проблемы подводных исследований фауны, растений, микро- и мезорельефа, придонной области морей Российской Арктики в связи с изучением региональных экосистем. Рассмотрены методы и технические средства подводных наблюдений, использующиеся в арктических экспедициях Института океанологии. Предложены технические решения, повышающие эффективность гидролокационного и визуального обследования поверхности дна. Приведены результаты экспериментальных исследований.

Ключевые слова

подводные исследования, фауна, растения, микро- и мезорельеф, моря Российской Арктики

Полный текст

Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН (ИО РАН) ведет систематическую экспедиционную работу в Российской Арктике [4–6], направленную на изучение региональных экосистем. Существенную часть таких исследований составляют инструментальные бесконтактные наблюдения донной фауны, растений, микро- и мезорельефа, осуществляемые с борта необитаемых подводных аппаратов (НПА). При этом применяются инструментальные методы: гидролокация бокового обзора и акустическое профилирование, подводное телевидение, гамма-спектрометрия и гидрофизическое зондирование [1].

Для мезомасштабной поисковой съемки в арктических экспедициях ИО РАН используется буксируемый гидролокатор бокового обзора (ГБО) «Мезоскан» с глубиной погружения 2 км разработки ИО РАН [1–3]. Рабочая частота гидролокатора составляет 78 кГц, максимальная полоса обзора 1200 м, разрешающая способность 1.0–0.2 м. Сбор, отображение, обработка и архивирование гидролокационной информации осуществляется с помощью оригинальных программ для реального времени и для режима постобработки (ЭхоГраф и ВинРастр).

Для детальных исследований морфологии рельефа дна и конфигурации подводных объектов, в том числе на мелководье, с борта маломерных плавсредств применяется буксируемый ГБО YellowFin канадской фирмы Imagenex с рабочей глубиной до 300 м и рабочими частотами 250, 300 и 600 кГц.

Наиболее информативным методом наблюдений морских животных и растений, микрорельефа и техногенных подводных объектов является их видеосъемка. Такие наблюдения могут производиться на маршрутах исследования в процессе погружения буксируемых, автономных и телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов — БНПА, АНПА и ТНПА. Последние достижения в области светоэлектронных преобразователей, оптоволоконных технологий и светодиодных матриц позволяют получать подводные видеоизображения высочайшего качества по разрешению и цветопередачи.

Для маршрутных глубоководных видеонаблюдений поверхности дна, донных животных и растений в ИО РАН разработан БНПА «Видеомодуль», который начиная с 2015 года, совершенствуясь, эксплуатируется в Арктических экспедициях. Аппарат представляет собой пространственную раму из нержавеющей стали, внутри которой на кронштейнах закреплены прочные корпуса с электронным оборудованием. Рама имеет узел регулируемой подвески БНПА к буксирному кабель-тросу и 12 грузов массой по 25 кг для его устойчивого заглубления и балансировки по дифференту. На раме установлены видеокамеры, светодиодные источники заливающего света, лазерные масштабирующие маркеры, глубомер, боксы с элементами питания. Как опция устанавливаются гидрофизический зонд SBE и подводный гамма-спектрометр РЭМ-26. Фотография аппарата приведена на рис. 1, подробное описание и технические характеристики — в работе [1].

Рис. 1. Буксируемый необитаемый подводный аппарат «Видеомодуль» в процессе спуска за борт научно-исследовательского судна «Академик Мстислав Келдыш».

В 2015–20 годах с помощью БНПА «Видеомодуль» были получены видеоизображения поверхности дна, изображения донной флоры и фауны шельфа морей Сибирской Арктики, а также в заливах Новой Земли Карского моря и в Новоземельской впадине. Опыт эксплуатации БНПА «Видеомодуль» показал его высокую эффективность при исследовании придонного слоя гидросферы.

Однако в ряде случаев в процессе наблюдений поверхности дна возникали трудности при интерпретации полученных видеоизображений, связанные с тем, что видеосистемы позволяют регистрировать микромасштабные (менее метра) объекты и явления вне их морфологической связи с мезомасштабными (до сотни метров) элементами донного рельефа и подводными объектами. Решить проблему возможно путем использования синхронной панорамной съемки поверхности дна с помощью гидролокатора кругового или бокового обзора (ГКО/ГБО). ГКО традиционно используются на ТНПА, поскольку эти аппараты имеют возможность стабилизировать свое положение относительно поверхности дна и подводных объектов и обеспечить тем самым повторяемость изображения окружающего пространства, получаемых с помощью ГКО. Другое дело — ГБО. Сам принцип получения изображений с его помощью предусматривает движение носителя — как правило БНПА — по прямолинейному маршруту на значительном (более 10 метров) расстоянии от дна. Таким образом, логичным решением по расширению возможностей БНПА «Видеомодуль» стало оборудование последнего ГБО с использованием современной технологии генерации и обработки частотно-модулированных сигналов («chirp»), позволяющей на порядок повысить разрешающую способность гидролокатора и обеспечить съемку на малых дистанциях. Параметры ГБО БНПА «Видеомодуль» (ГБО-ВМ) были выбраны исходя из следующих условий: синхронная работа с видеосистемами, оптоволоконная линия для передачи данных, расстояние до дна при буксировке — 1–5 м, полоса обзора — до 200 м, малое энергопотребление, разрешающая способность, позволяющая судить о характере микрорельефа.

Для ГБО-ВМ были использованы стандартные глубоководные гидроакустические антенны (ГА) разработки Лаборатории гидролокации дна ИО РАН (рис. 2) с рабочей частотой 240 кГц и раскрывом характеристики направленности (1°×60°) [2]. Антенны были установлены в нижней части кормы аппарата с левого и правого бортов.

Рис. 2. Антенны ГБО разработки Лаборатории гидролокации дна ИО РАН с рабочей частотой 240 кГц: 1 — универсальная приемоизлучающая; 2 — приемные для интерферометра; 3, 4 — узлы крепления с акустической развязкой; 5 — подводный кабель СМПЭВГ.

Подводная электронная часть ГБО-ВМ размещалась в отдельном прочном корпусе, установленном на раме БНПА, и включала три основных блока, реализованных в виде печатных плат. Функциональная схема подводной электронной части приведена на рис. 3. Работой подводной части ГБО-ВМ управляет блок цифровой обработки сигналов. С его помощью осуществляется формирование и генерация зондирующих линейно частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов, оцифровка принимаемых эхо-сигналов и их корреляционная обработка (согласованная фильтрация) с последующей передачей в бортовую систему телеметрии БНПА по интерфейсу Ethernet для дальнейшей трансляции результатов в судовую часть комплекса. В блоке усилителя мощности сформированный ЛЧМ сигнал раскачивается до напряжения амплитудой порядка нескольких сотен вольт. Этот сигнал поступает на ГА, преобразуется ими в акустический и излучается в строну дна. Принятые ГА эхо-сигналы от дна и подводных объектов усиливаются (блок приемного усилителя) до уровня, необходимого для последующей оцифровки.

Рис. 3. Функциональная схема подводной части ГБО-ВМ. На рисунке обозначено: ГА — гидроакустическая антенна, АЦП — аналого-цифровой преобразователь, ТМ — система телеметрии.

Собственно судовая часть ГБО-ВМ представляет собой ПЭВМ и программное обеспечение для обработки, сбора и отображения гидролокационной информации, которая поступает из судовой части системы ТМ БНПА. Обработка эхо-сигнала заключается во временной коррекции эхо-сигнала (ВАРУ) с целью выравнивания амплитуд («яркости») сигналов, отраженных от объектов, расположенных вблизи и вдали от антенн ГБО. Далее информация построчно отображается на экране ПЭВМ в виде движущегося окна и записывается в файл. Отличие ГБО-ВМ от предыдущих разработок ИО РАН заключается в максимальном использовании цифровой обработки сигналов. Аналоговыми элементами являются усилитель мощности передающего блока и предварительный усилитель эхо-сигналов. Использование АЦП в подводном блоке позволило отказаться от специализированных электронных блоков в судовой части БНПА. Переход к операциям с цифровыми сигналами сделал возможным довольно просто перейти к согласованной фильтрации эхо-сигналов на базе корреляционного преобразования и использования зондирующих импульсов с ЛЧМ несущей частоты, что позволило на порядок увеличить энергетический потенциал и разрешающую способность ГБО. Использование цифрового интерфейса Ethernet позволило легко внедрить ГБО в структуру БНПА, поскольку этот интерфейс используется системой ТМ БНПА для связи с другими блоками. Основные характеристики блока цифровой обработки сигналов:

длительность генерируемого ЛЧМ-импульса: до 600 мкс;
частота девиации ЛЧМ-сигнала: до 60 кГц;
несущая частота ЛЧМ-сигнала: 240 кГц;
разрядность АЦП: 12 бит;
частота дискретизации АЦП: 192 кГц;
порядок согласованного фильтра: регулируемый от 0 до 115.

Первая экспериментальная съемка с использованием ГБО-ВМ показала высокую эффективность комплексного применения современных видео- и гидролокационных технологий наблюдений с борта БНПА. Испытания проводились на полигоне «Оден» на шельфе моря Лаптевых в районе подводной разгрузки природного газа и флюидов вблизи бровки континентального склона. Ранее здесь была зарегистрирована форма рельефа — след (борозда), оставленная крупным айсбергом. В районе этого следа наблюдалось увеличение интенсивности подводной разгрузки природного газа. В этой связи в 2018 г. была предпринята попытка выполнить визуальное наблюдение структуры этого следа с помощью видеосистемы БНПА «Видеомодуль». Одновременно в процессе наблюдений был испытан макет ГБО-ВМ. На рис. 4а приведен фрагмент гидролокационной мозаики, полученной в 2017 г. с использованием ГБО «Мезоскан» с рабочей частотой 70 кГц и длительностью тонального зондирующего сигнала 0.2 мс. На изображении видно место остановки айсберга и след от его движения.

Рис. 4. Гидролокационные изображения поверхности дна в районе подводной разгрузки природного газа «Один» в море Лаптевых, полученные методом гидролокации бокового обзора и подводной видеосъемки: (а) — фрагмент гидролокационной мозаики, полученной в 2017 г., со следом айсберга и линией маршрута БНПА «Видеомодуль», выполненного в 2018 г.; (б) — фрагмент записи ГБО-ВМ (технология «chirp»), полученной в месте пересечения следа айсберга и маршрута БНПА. По оси записи выложены синхронные кадры видеоизображения дна.

Светлой извилистой линией на рис. 4а показан маршрут буксировки БНПА «Видеомодуль» в 2018 г., пересекающий след айсберга. На рис. 4б представлен фрагмент записи гидролокационного изображения, полученной с помощью ГБО-ВМ в месте пересечения следа айсберга. На записи видны две отвальные гряды, сформированные при вспахивании айсбергом верхнего слоя рыхлых отложений. По оси записи ГБО-ВМ на рис. 4б выложены кадры видеозаписи изображения поверхности дна, полученные синхронно с помощью HD-камеры БНПА «Видеомодуль». На видеоизображении отчетливо просматриваются светлые карбонатные корки и бактериальные конгломераты голубоватого оттенка. Оценка высоты отвальных гряд по гидролокационному изображению дает величину 1.5–2.0 м, а общей ширины следа — 25–30 м. Выровненная процессами седиментации поверхность дна между грядами свидетельствует о многолетнем отрезке времени, прошедшие с момента образования следа.

Таким образом, в результате опытной эксплуатации ГБО-ВМ в составе БНПА «Видеомодуль» доказана целесообразность использования методики синхронной видео- и гидролокационной съемки для исследований придонной области океана, в том числе морфологии микро- и мезорельефа дна, базирующейся на новейших технических решениях в области подводной видеосъемки, генерации и обработки гидроакустических сигналов, а также средствах передачи информации по оптико-волоконным линиям связи.

Источник финансирования. Работа выполнена в рамках государственного задания ФАНО России (тема № 0149-2019-0011) при поддержке РФФИ (проекты Арктика № 18-05-60070, Рго_а 17-05-41041); раздел, посвященный созданию БНПА «Видеомодуль», выполнен на средства проекта РНФ (проект № 14-50-00095).

Благодарности. Авторы благодарят экипаж и капитана НИС «Академик Мстислав Келдыш» Ю. Н. Горбача за содействие в проведении экспериментальных работ и исследований.