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

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

Authors: Rimsky-Korsakov N.A.¹, Flint M.V.¹, Pojarkov S.G.¹, Anisimov I.M.¹, Belevitnev Y.I.¹, Pronin A.A.¹, Tronza S.N.¹
Affiliations:
1. Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Science
Issue: Vol 59, No 4 (2019)
Pages: 679-683
Section: Research Methods and Facilities
URL: https://journals.eco-vector.com/0030-1574/article/view/16107
DOI: https://doi.org/10.31857/S0030-1574594679-683
ID: 16107

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The article touches upon the methodological problems of underwater investigation of the bottom fauna, plants, micro and meso-relief of the Russian Arctic in connection with the study of regional ecosystems. The methods and technical means of underwater observations used in the Arctic expeditions of the Institute of Oceanology are considered. Technical solutions that increase the effectiveness of sonar and visual inspection of the bottom surface are proposed. The results of experimental studies are given.

Keywords

underwater exploration, fauna, plant, micro- and mesorelief, seas of the Russian Arctic

Full Text

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.