Sonary w rybołówstwie

Koszty jednostkowe związane z przemysłowym łowieniem ryb uzależnione są od szeregu zarówno politycznych, jak i ekonomicznie obiektywnych czynników, na które współczesne rybołówstwo najczęściej ma ograniczony wpływ. Ponieważ koszty te stale rosną, jednym ze sposobów ich ograniczania jest wykorzystanie rozwoju techniki w lokalizacji ławic ryb oraz szacowaniu ich wielkości.

Informacje o rejonach skupisk ryb, o ich zasobach, kierunkach i głębokościach przemieszczania się pozwalają szyprom na trafne podejmowanie decyzji o wyborze łowiska, o doborze sprzętu, wreszcie o prowadzeniu właściwej nawigacji pozwalającej na maksymalne wykorzystanie możliwości połowowych w nadarzających się okolicznościach.

Ostatnie dwa dziesięciolecia przyniosły ogromny postęp w rozwoju techniki sonarowej stosowanej w rybołówstwie. Szacuje się, że wykorzystanie współczesnych sonarów kadłubowych przynosi wymierne oszczędności ekonomiczne związane zarówno z mniejszym zużyciem paliwa, jak i krótszym czasem połowu o około 25% i to zarówno w technice połowów przy użyciu trału jak i w technice stosowania sieci stawnych.

Wykorzystanie możliwości sonarów sieciowych podczas trałowania przynosi średnio dalsze 25% zysków związanych z pełnym wykorzystaniem możliwości narzędzi połowowych oraz znacznie zmniejszonym ryzykiem ich uszkodzenia bądź utraty.

Z praktyki wynika, że im szyper posiada większą wiedzę dotyczącą techniki sonarowej oraz większe doświadczenie w interpretacji echogramów , tym większe odnosi korzyści wynikające ze stosowania sonarów.

Właściwości fal ultradźwiękowych

1. Fala ultradźwiękowa w wodzie rozchodzi się ze średnią prędkością ok. 1500 m/sek. Oznacza to, że aby wykryć ławicę odległą o półtora kilometra od kutra, najpierw impuls ultradźwiękowy pokonuje tę odległość w ciągu 1 sekundy, a następnie echo odbite od ławicy dociera z powrotem do kutra w ciągu następnej sekundy. Łączny czas na wykrycie ławicy odległej o 1.5 km wynosi więc 2 sekundy. Na ponowne wykrycie tej samej ławicy kolejnym impulsem sonarowym trzeba zatem poczekać następne 2 sekundy.
2. Prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w wodzie zależy od temperatury wody oraz od jej zasolenia. Im większe jest zasolenie, tym prędkość ultradźwięków jest większa. Im temperatura wody jest wyższa, tym prędkość ultradźwięków jest większa. Zjawisko to powoduje, że w wodzie o różnych temperaturach na różnych głębokościach fale ultradźwiękowe nie rozchodzą się po liniach prostych lecz załamują się zmieniając najczęściej kierunek ku niższej temperaturze wody.
3. Aby uzyskać sygnał echa, w impulsie musi być zawarta energia, zatem impuls musi trwać pewien okres czasu. Np. jeśli impuls trwa 1 milisekundę, jego długość w wodzie wynosi półtora metra, jeśli trwa 5 msek, jego długość w wodzie wynosi 7.5 m itd.
4. Impuls pokonując drogę rozprasza swoją energię na coraz większej powierzchni. Wynika stąd, że do uzyskania większego zasięgu należy wysłać impuls o większej energii. Energię impulsu można zwiększyć bądź wydłużając jego długość, bądź jego amplitudę.
5. Oprócz rozpraszania energii następuje także jej tłumienie w wodzie. Tłumienie energii jest uzależnione od częstotliwości fali ultradźwiękowej. Fale o wyższej częstotliwości są silniej tłumione, o niższej są natomiast tłumione słabiej. Wynika stąd, że do uzyskania większego zasięgu należy stosować niższą częstotliwość.
6. Wysyłanie impulsów ultradźwiękowych do wody odbywa się za pośrednictwem przetworników. Przetworniki charakteryzują się tzw. charakterystyką kierunkową czyli zdolnością do wysyłania impulsów w wiązce określonej wielkością kąta promieniowania. Tak więc impulsy wysyłane przez przetworniki, oprócz swojej energii oraz długości, charakteryzują się także szerokością kąta promieniowania. Szerokość kąta promieniowania impulsu zależy od wymiarów geometrycznych przetwornika oraz od częstotliwości promieniowanej fali ultradźwiękowej. Im przetwornik ma większe wymiary, tym kąt promieniowania jest węższy. Podobnie, im wyższa jest częstotliwość fali ultradźwiękowej, tym kąt promieniowania jest węższy. Tak więc chcąc uzyskać wąską charakterystykę promieniowania, należy stosować bądź przetwornik o dużych wymiarach, bądź wyższą częstotliwość fali ultradźwiękowej.

Każdy przetwornik oprócz promieniowania w określonym kierunku głównej wiązki, promieniuje także wiązki boczne w różnych kierunkach. Te boczne wiązki powodują powstawanie fałszywych ech szczególnie od obiektów znajdujących się blisko przetwornika. Mogą to być echa od własnego kadłuba, od wystającej stępki, od dna lub od sąsiedniego statku. W wiązkach bocznych zawarta jest niewielka ilość energii, stąd też nie mają one wpływu na obraz celów znajdujących się dalej niż około 50 m.

1. Sonary konwencjonalne
• Sonary skanujące
• Sonary wielokierunkowe
2. Sonary sieciowe
• Sonary skanujące profil włoka
• Sonary skanujące profil włoka oraz przestrzeń przed włokiem

Sonary konwencjonalne to takie, których głowice instalowane są w kadłubie kutra. Głowice te z umieszczonymi w niej przetwornikami ultradźwiękowymi są wypuszczane pod kadłub kutra przy pomocy mechanizmu napędzanego silnikiem elektrycznym lub siłownikiem hydraulicznym.

Skanujące sonary konwencjonalne skanują przestrzeń wodną pojedynczą wiązką ultradźwiękową. Skanowanie odbywa się w wyniku mechanicznego obracania przetwornika w pożądanym sektorze. W niektórych typach sonarów zamiast mechanicznego obracania przetwornikiem, skanowanie uzyskuje się w wyniku odpowiedniego sterowania fazami sygnałów doprowadzonych do grupy złożonych przetworników.

Wielokierunkowe sonary konwencjonalne wysyłają jednocześnie wiele wiązek ultradźwiękowych dookoła we wszystkich kierunkach lub tylko w zadanym sektorze kątowym o szerokości od kilku stopni do 360° i jednocześnie odbierają echa z tych kierunków. W takich sonarach najczęściej w głowicy nie ma ruchomych przetworników.

Sieciowe sonary skanujące profil włoka posiadają głowicę mocowaną najczęściej do nadbory włoka, która poprzez kabel sieciowy połączona jest z panelem elektronicznym zainstalowanym na mostku kutra. Przetwornik ultradźwiękowy umieszczony w głowicy skanuje przestrzeń w płaszczyźnie przekroju poprzecznego włoka.

Sieciowy sonar skanujący profil włoka oraz przestrzeń przed włokiem posiada możliwość skanowania zarówno profilu włoka, jak i przestrzeni przed włokiem umożliwiając pomiar hydroakustyczny parametrów samego włoka oraz jego elementów jak rozpornice itp. Głowice sonarów sieciowych często wyposażone są dodatkowo w przetwornik jak klasyczne echosondy sieciowe. 

Parametry sonarów, wybór kompromisu

Przydatność sonarów w rybołówstwie jest uzależniona głównie od wiedzy operatora, jego doświadczenia i skłonności do wyciągania wniosków z własnych doświadczeń.

Dobór typu sonaru o najkorzystniejszych parametrach zależy między innymi od:

• typu stosowanych narzędzi połowowych,
• rodzaju rybołówstwa,
• charakteru środowiska wodnego,
• głębokości łowiska.

Podstawowe parametry sonarów konwencjonalnych mające istotny wpływ na wykorzystywanie w rybołówstwie to:

• Zasięg*
• Częstotliwość*
• Szerokość promieniowanej wiązki*
• Głębokość wysuwania głowicy pod kadłub kutra
• Stabilizacja kołysań przetwornika
• Regulowana moc impulsu
• Regulowana długość impulsu
• Rodzaje regulacji wzmocnienia
• Możliwość nasłuchu dźwięku echa
• Zmiana szybkości skanowania
• Określanie pozycji ławic.

Parametry oznaczone (...*) są wzajemnie uzależnione i w związku z tym ich dobór wymaga rozwiązań kompromisowych.
Uzyskanie dużego zasięgu wymaga stosowania niskich częstotliwości oraz jak najwęższej wiązki.
Promieniowanie wąskiej wiązki jest możliwe tylko przy stosowaniu albo wysokich częstotliwości, albo przetworników o dużych wymiarach.
Przetworniki o dużych wymiarach mogą być stosowane jedynie na dużych trawlerach posiadających zapas mocy w silnikach napędowych.
Uzyskanie dużego zasięgu na płytkich akwenach wymaga stosowania przetwornika o jak najwęższej wiązce, szczególnie kąt pionowy wiązki powinien być mały, najlepiej rzędu kilku stopni. Przetworniki o wąskich wiązkach zapewniają też precyzyjne zdejmowanie profilu dna oraz przekroju poprzecznego ławicy.

Istnieją zależności pomiędzy długością impulsu oraz mocą impulsu.

Regulowana moc impulsu umożliwia uzyskanie przejrzystego, ostrego obrazu w sytuacjach, gdy występują silne rewerberacje. Są to niepożądane odbicia od obiektów, które nie leżą na kierunku skanowania sonaru, od dna lub powierzchni morza, echa wtórne od dna kadłuba powodowane promieniowaniem pasożytniczych wiązek bocznych przetwornika itp. Ma to miejsce w szczególności na płytkich akwenach.

Regulowana długość impulsu (skracanie impulsu) umożliwia uzyskiwanie większej rozdzielczości ech od obiektów.
Dłuższy impuls powoduje zmniejszenie rozdzielczości ech ale jednocześnie umożliwia uzyskanie większego zasięgu sonaru, ponieważ zawiera więcej energii.
Przy lokalizacji dalekich obiektów na płytkich akwenach wydłużenie impulsu daje najczęściej lepsze rezultaty niż zwiększenie jego mocy.

Regulacja wzmocnienia w sonarach obejmuje:

• zasięgową regulację wzmocnienia określaną jako RGC lub TVG
• wzmocnienie bliskie określane jako NG
• wzmocnienie dalekie określane jako FG

Czułość echosondy zależy od wielkości wzmocnienia odbiornika w funkcji odległości czyli tzw. charakterystyki wzmocnienia. Aby uzyskać właściwe proporcje pomiędzy echem od celu silnego oraz od celu słabego niezależnie od odległości na jakiej te cele są wykrywane, dobierany jest kształt charakterystyki wzmocnienia. Wpływ na nią mają nastawy TVG, NG oraz FG.

TVG (zasięgowa regulacja wzmocnienia) eliminuje efekt strat propagacyjnych ultradźwięku rozprzestrzeniającego się w wodzie. Te straty są spowodowane zarówno zmniejszaniem się energii impulsu ze wzrostem odległości, jak i tłumieniem środowiska wodnego. Wpływ na kształt charakterystyki wzmocnienia w funkcji odległości mają nastawy NG (wzmocnienie bliskie) oraz FG (wzmocnienie dalekie). Wzmocnienie bliskie NG ma wpływ na całą charakterystykę wzmocnienia, jednak największy efekt powstaje w pierwszej połowie zakresu. Wzmocnienie dalekie ma wpływ na wysokość charakterystyki, jednak najbardziej znaczący tylko w drugiej połowie zakresu. Przy prawidłowych nastawach tych trzech rodzajów wzmocnienia wielkość celu na ekranie nie zmienia się w miarę zbliżania się statku do tego celu. Również zmiana zakresu nie powinna mieć wpływu na zmianę wielkości celu w takim przypadku.

Straty spowodowane tłumieniem środowiska wodnego są większe w strefie równikowej, mniejsze w strefach polarnych. Dlatego zmieniając rejony połowów należy dobierać odpowiednio TVG. Także pora roku ma wpływ na parametry wody morskiej, inne są latem a inne zimą, należy zatem dostosowywać do tych zmiennych parametrów także charakterystykę wzmocnienia.

TVG może być oddzielnie ustawiana dla trybu sonarowego i oddzielnie dla profilowego. W trybie profilowym TVG powinno być około 10 razy mniejsze niż w trybie sonarowym.

Instalacja głowic sonarowych

Przy wyborze miejsca zainstalowania głowicy sonaru należy uwzględniać rozkład stanu zapowietrzenia wody pod kadłubem statku, źródła generowania szumów przez różne urządzenia statkowe, kształt kadłuba, odległość od stępki. Także wzajemne położenie przetworników od innych echosond ma wpływ zarówno na poprawną pracę samego sonaru, jak i pracę echosond.

Największy wpływ na pracę sonaru ma zapowietrzenie wody w bezpośrednim sąsiedztwie głowicy. Należy wybrać takie miejsce, gdzie przy użytkowej prędkości kutra oraz typowym zanurzeniu zapowietrzenie to jest najmniejsze.



Głowica sonaru powinna być zainstalowana w części kadłuba związanej z laminarnym przepływem wody.

Niniejsze opracowanie ma na celu zwrócenie uwagi na niektóre zjawiska i czynniki występujące w hydroakustyce, których świadomość ułatwi zarówno wykorzystywanie sonarów jak i podejmowanie decyzji o ich instalowaniu.