Программно-аппаратный комплекс Эхо-Байкал, на основе рыбопоискового эхолота Furuno FCV-1100

Акустическое зондирование широко применятся в океанографических исследованиях: исследования структуры дна, водной толщи, изучение газовых выходов, учет промысловых рыб. Научные эхолоты, которые позволяют проводить акустические съемки обширных водных акваторий, далеко не всегда Рис. 1 Furuno FCV-1100L доступны исследователям. Поэтому в научной литературе, все чаще, появляются статьи, основанные на данных полученных при помощи более дешевых модернизированных эхолотов, в том числе и советского производства. Основным недостатком «не научных» эхолотов, является отсутствие возможности сохранения данных об акустическом зондировании, что лишает исследователей возможности дальнейшей обработки данных на ПК. Между тем, современные рыбопоисковые эхолоты и гидролокаторы снабжаются малошумящими входными трактами. Преобразование сигнала в цифровой формат в таких эхолотах происходит, как правило, при помощи АЦП с большим динамическим диапазоном (более 120 дБ), а последующая коррекция сигнала выполняется в цифровом сигнальном процессоре. Такие характеристики эхолота, после соответствующей его доработки, позволяют получать данные акустического зондирования ни чем не уступающие научным эхолотам. Внешний вид современного рыбопоискового эхолота с цветным TFT дисплеем приведен на рисунке 1.

Общее описание аппаратура и программное обеспечение.
Эхолоты японской фирмы Furuno, зарекомендовали себя отличными потребительскими качествами, надежной работой и стабильными характеристиками. Отличительной особенностью эхолотов серии FCV-1000 можно назвать следующие характеристики:

Цифровой синтез несущей частоты зондирующего импульса (позволяет настраивать выходную частоту от 15 до 200 кГц),
Программно настраиваемая длительность зондирующего импульса (в зависимости от несущей частоты, длительность импульса может составлять от 0,1 до 5 мс),
Предустанавливаемая мощность излучения от 1 до 5 кВт.
Четыре коэффициента усиления, выбираемые программно.
Отсутствие временной автоматической регулировки усиления ВАРУ, компенсируется за счет АЦП с высоким динамическим диапазоном.

Поэтому на базе эхолота «Furuno FCV-1100L» (рис.1.) был создан программно-аппаратный комплекс Эхо-Байкал. В него входит аппаратная часть – адаптер (Эхо – ЛВС) устанавливаемый в эхолот, и программная часть – (Эхо – клиент) программа получающая данные от адаптера, сохраняющая их на жесткий диск компьютера и отображающая их в виде эхограмм. Адаптер встраивается в эхолот в цифровую шину передачи данных, между АЦП и цифровым сигнальным процессором. Данные передаваемые по этой шине, являются, по сути, оцифрованной амплитудой огибающей зондирующего импульса. Полученные адаптером цифровые данные, дополняются данными о географической позиции научно исследовательского судна НИС, и передаются на ПК, через локально вычислительную сеть ЛВС. Географические координаты адаптер получает от входящего в его состав навигационного приемника ml8088, фирмы ООО «Навиа», осуществляющего географические расчеты по данным спутников группировки ГЛОНАСС. Данные в ЛВС передаются по протоколу с широковещательным доступом, вследствие чего, все компьютеры, подключенные к общей локально вычислительной сети НИС, могут получать эхолотные и навигационные данные на равных правах. Программа (рис. 2.), получающая данные от адаптера позволяет отображать и сохранять данные с четырех источников одновременно, есть возможны проводить акустическую съемку одновременно двумя эхолотами с четырьмя различными несущими частотами, например: 28, 50, 120 и 200 кГц. Для каждого источника эходанных, программа использует собственные калибровочные коэффициенты. Таким образом, наш комплекс можно смело назвать многочастотным. В программе имеется возможность настраивать глубину отображения эхограммы, выбирать цветовую палитру, в которой происходит отображение эхограммы, значения порога отображения. Из дополнительных возможностей программы, можно отметить встроенный модуль автоматического детектирования глубины дна и сохранения этих данных в лог файл с совмещением их с данными о координатах НИС. В процессе работы эхо-клиент сохраняет эхограммы с файлами описания в виде картинок в формате bmp. Это позволяет оперативно просматривать эхограммы, например, сохраненные за предыдущее сутки, проводить поиск подводных объектов, газовых выходов.

Рис. 2. Интерфейс программы Эхо-клиент.

Технические характеристики

Основные возможности и характеристики комплекса Эхо-Байкал, зависят от взятого за основу рыбопоискового эхолота. Если в качестве основы будет использован другой эхолот, характеристики будут другие.
1. Тип эхолота: двухканальный, асинхронный.
2. Частот доступный для проведения акустической съемки: 15/28/38/50/88/107/200 кГц.
3. Выходная мощность: 1, 2 или 3 кВт.
4. Диапазон глубин: от 5 до 2000 м.
5. Система определения положения НИС: GPS – Глонасс.
6. Режим работы: Автономный, круглосуточный.
7. Сохранения эхо данных на ЖД ПК: Да.
8. Сохранения эхограмм на ЖД ПК: Да в формате bmp.
9. Сохранения рассчитанных батиметрических данных на ЖД ПК: Да.
10. Возможности программы по одновременной работе каналов: 1-4
11. Возможность получение калиброванных данных: Да

Технико-экономические преимущества

Использование разработанного программно-аппаратного комплекса Эхо-Байкал позволило, затратив небольшую сумму, получить результат, аналогичный использованию дорогих фирменных научных эхолотов, таких как Kongsberg Simrad или BioSonics. Как было сказано выше, результатом работы комплекса пользуются несколько крупных лабораторий лимнологического института, которые в прежние времена работали, что называется визуально или вообще вслепую. Применение ЛВС и мобильность комплекса в целом, позволяет работать на разных научно исследовательских судах нашего института. Программная часть комплекса позволила проводить самостоятельный анализ акустических данных, что в свою очередь сказалось на точности определения глубины. Данный аспект позволяет строить батиметрические карты дна с высоким разрешением для уточнения и корректировки работ геологов. Точное определение позиции подводных объектов позволяет сопровождать спуск и подъем гидрологического оборудования. Автономность и неприхотливость комплекса позволила проводить круглосуточный поиск газовых выходов без участия человека.
Разработанный комплекс не требует повсеместного внедрения, но его необходимость в проведении летних экспедиций на научно исследовательских судах все же обоснована и вдобавок ко всему позволяет сэкономить бюджетные средства.

Практическое использование

Комплекс Эхо-Байкал позволяет решать множество практических задач:
поиск и изучение пузырьковых выходов газа из дна озера.
изучение скоплений рыбы, оценка количества и размеров особей (при помощи стороннего постпроцессингового программного обеспечения, например Sonar Data EchoView)
изучение рельефа дна, построение батиметрических карт, уточнение глубин (Построение карт не входит в возможности комплекса, необходимо использование сторонних программных продуктов, например, Golden Software Surfer).
исследование звукорассеивающих слоев
Верификация разработанного метода расчета глубины с глубиной, полученной CTD зондом SBE25 SeaBirdElectronics, показала, что его внедрение позволило снизить погрешность определения глубин с 3% до 0,1%.
Программно-аппаратный комплекс успешно используется разными лабораториями Лимнологического института уже на протяжении десяти лет в экспедициях по озеру Байкал. Некоторые результаты его работы приведены на рис. 3-6.

Рис.3. Глубоководный выход газа в районе подводного грязевого вулкана «Маленький» оз. Байкал (Изображение получено в дрейфе, при многократном проходе через центр факела)