Пассивно-активная гидроакустическая система обнаружения и распознавания крабов с использованием нейросетей

Объектом исследования диссертационной работы являются технические и технологические решения гидроакустического обнаружения крабовых скоплений, используемые в рыбопромысловой отрасли РФ.

В настоящее время возникли проблемы, связанные с хищническим истреблением биоресурсов в РФ. Последние постановления Правительства говорят о том, что процесс охраны морской биосферы вернулся к комплексным подходам, где немаловажную роль играет формирование технологической системы добычи, сохранения и воспроизводства биоресурсов на акваториях дальневосточных морей [1].

Как показала практика последних лет, в процессе добычи, сохранения и воспроизводства беспозвоночных, в том числе и крабов, существует ряд производственных недостатков:

— во-первых, они связаны с использованием пассивных и активных рыбопоисковых гидроакустических средств, которые не решают задачи видовой и функциональной распознаваемости и идентификации крабовых скоплений или отдельных экземпляров;

— во-вторых, технические решения, используемые в рыбной отрасли РФ, приводят к бесконтрольному и браконьерскому лову крабов;

— в-третьих, наблюдается отсутствие процесса развития новых технологических решений, направленных на распознавание по видовой, сезонной, возрастной и функциональной разновидности добываемых беспозвоночных.

Исходя из этого, приведенный анализ процесса добычи, сохранения и воспроизводства беспозвоночных, в том числе и крабов, свидетельствует о научной и практической значимости разрабатываемой темы диссертационной работы для качественного мониторинга состояния биоресурсов дальневосточных морей РФ и их лова [2].

В диссертационной работе для решения проблемы качественного мониторинга состояния крабовых скоплений, среды их обитания и производственной деятельности предприятий Федерального агентства по рыболовству на акваториях дальневосточных морей РФ были теоретически разработаны и экспериментально подтверждены:

— методика и технические решения комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации для распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров с использованием достижений современных нейросетей;

— организационно-технические рекомендации по созданию и эксплуатации гидроакустических систем обнаружения скоплений краба.

В основу технологического решения формирования методики положены технические схемы пассивной гидроакустической станции, разработанной к.т.н. Красниковым И. В. (Камчатский ГТУ).

Применение при спектральном анализе в технической схеме, предложенной в работе, весовых окон Ханна и Хэмминга позволило подавить добавочные максимумы. В результате дискретные составляющие слабого уровня от крабовых скоплений, не обнаруженные при использовании прямоугольного окна, наблюдаются при использовании вышеуказанных окон. При усреднении, по сравнению с мгновенным спектром, происходит резкое уменьшение среднеквадратической ошибки помехи, что позволяет обнаруживать дискретные составляющие более низкого уровня, при этом выигрыша в превышении дискретных составляющих среднего уровня помехи не наблюдается.

В процессе натурных и численных испытаний установлено, что использование усреднения более 4 спектров малоэффективно. Поэтому применение процедуры усреднения процесса после адаптации нецелесообразно.

С помощью применения специальных частотных фильтров с различными характеристиками были получены достоверные результаты обнаружения крабовых скоплений пассивной станцией и схемой обработки спектральной огибающей сигнала на базе комплексного спектроанализатора [3].

При детальной обработке данных сигналов было предложено реализовать систему автоматического выделения участков с полезным сигналом на базе персонального компьютера с программой, отслеживающей появление сигнала в диапазоне частот от 2 до 5 кГц, с амплитудой, в два раза превышающей шумовой фон моря.

Информативные признаки распознавания крабов в системе определялись по форме полученного пятна на сонограмме, по форме амплитудно-временной огибающей сигнала, по характерным цветовым пятнам на спектрограмме. На основании полученной информации были сделаны предположения, к какому классу, возрасту и промысловой ценности предположительно относятся обнаруженные экземпляры.

В первой главе диссертации приведен анализ физических основ мониторинга запасов морских биологических объектовспособов работы гидроакустических средств обнаружениясовременных гидроакустических и технологические решений, используемых в рыбной отрасли РФ для обнаружения беспозвоночных, в том числе и крабовых скоплений. Сделаны выводы о том, что в рыбной отрасли поиск беспозвоночных (скоплений крабов) осуществляется с помощью контрольных постановок ловушечных порядков на разрезах и изобатных маршрутах. Основное внимание ученых в последние годы XX в. было уделено активным способам поиска крабов с помощью рыбопоисковых гидролокаторов и эхолотов.

На высоких частотах (порядка 300 кГц), где эхосигналы от краба наиболее интенсивны, а небольшие промысловые глубины благоприятствуют применению технических средств гидроакустического поиска, гидролокация не дает желаемого эффекта. Это обусловлено тем, что промысловые концентрации краба являются с точки зрения технических характеристик гидролокатора достаточно разряженными.

Из-за отсутствия технологических решений практическая реализация способа обнаружения широкополосных (ШП) (от единиц Гц до 16 кГц) гидроакустических сигналов, издаваемых крабами, с помощью малогабаритных гидроакустических антенн, в условиях судна оказалась технически невозможной.

Во второй главе теоретически обоснованы современные технологические решения для достоверного обнаружения и распознавания беспозвоночных на ограниченной морской акваториивсесторонне исследованы шумовые и гидролокационные характеристики краба как объекта поиска и обнаружения современными гидроакустическими средствамипредложены физические модели сигналов, помех и зон обнаружения краба в пассивном и активном режимах работы гидроакустического средства на ограниченной морской акваториифизико-математические алгоритмы пространственно-временной обработки для решения задачи обнаружения краба и физическая модель пассивно-активного метода обнаружения беспозвоночных на ограниченной морской акватории [4].

Сделаны выводы, что одним из основных объектов исследования является сигнал, несущий в себе информационную составляющую об объекте и помеху. Важнейшим свойством информационной составляющей является отражение инерционных свойств физического объекта измерения. Знание порядка системы, описывающей физический объект, и наличие гладких производных, причем с конечным их числом, в информационной составляющей значительно упрощает выбор аппарата анализа и моделирования подобных сигналов с использованием современных технических и программных средств.

Разработанные теоретические основы пассивно-активного метода позволяют обнаруживать беспозвоночных на достаточно больших расстояниях от рыболовного траулера и решать проблему достоверного обнаружения и распознавания крабов на ограниченной морской акватории.

В третьей главе представлены результаты численных и экспериментальных исследований теоретических основ пассивно-активного метода параметрического обнаружения беспозвоночных на ограниченной морской акваторииособенностей распределения крабов в зависимости от гидрофизических характеристик океанской среды для проведения численного моделированияанализ экспериментальных исследований возможности гидролокационного и бистатического обнаружения скоплений крабаанализ экспериментальных исследований возможности обнаружения скоплений камчатского краба по результатам изменения их звукового поляисследование акустических волн в слоистых гидроупругих средах [5].

Сделаны выводы, что географическое распространение различных видов краба, а также сезонные и годовые особенности их распределения в пределах видового ореола и отдельных размерно-функциональных группировок их популяций определяются комплексом различных факторов океанской средыанализ звуков крабов позволил выделить опорные звуки, которые присутствуют всегда (к таким звукам относятся звуки, издаваемые крабом при передвижении, при этом вероятность совпадения этих звуков со звуками, издаваемыми другими гидробионтами и искусственными излучателями, очень мала) — проведенные численные и экспериментальные исследования теоретических основ пассивно-активного метода подтверждают возможность параметрического обнаружения беспозвоночных на ограниченной морской акватории и его техническую реализацию.

В четвертой главе представлены структурно-технические основы технологических решений методики обнаружения крабовых скопленийорганизационно-технические рекомендации по созданию гидроакустических систем обнаружения крабовых скопленийтребования к гидроакустическим антеннам формирования режимов моностатической, бистатической, просветной, параметрической гидролокации и пассивного обнаружения импульсных сигналов от скоплений крабатехнологические рекомендации формирования базы идентификационных признаков распознавания крабовых скоплений.

Сделаны выводы, что техническое решение предложенной в работе пассивно-активной гидроакустической системы, в отличие от существующих, дополнено следующими схемами: схемой обработки спектральной огибающей сигнала на базе комплексного анализатора спектра, схемой дополнительной фильтрации и анализа спектра, схемой идентификации и распознавания, построенной на НС. Анализ данных показал, что наиболее интенсивные сигналы камчатского краба регистрируются данными схемами в диапазоне частот до 5 кГц. В верхней части спектра шумов камчатского краба до 9 кГц интенсивность сигнала остается довольно высокой и достаточной для решения задач распознавания и идентификации [6].

Для технологического решения задачи распознавания и идентификации обнаруженных сигналов в морской среде от скоплений крабов была разработана информационная система с использованием современных нейронных сетей.

Обучение" нейронной сети осуществляется с помощью эталонных сигналов методом обратного распространения ошибки. Целью «обучения» сети алгоритмом обратного распространения ошибки является такая подстройка ее весов, чтобы приложение некоторого множества входов приводило к требуемому множеству выходов.

Исходя из этого, научной задачей диссертационной работы является разработка методики и технических решений комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации для распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров с использованием достижений современных нейросетей.

Предметом исследования диссертационной работы является методика и технические решения комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации для распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров с использованием достижений современных нейросетей [7].

Целью работы является решение проблемы качественного мониторинга состояния крабовых скоплений, среды их обитания и производственной деятельности предприятий Федерального агентства по рыболовству на акваториях дальневосточных морей РФ.

Направления исследования:

1. Проведение анализа современных гидроакустических и технологических решений, используемых в рыбной отрасли РФ, для обнаружения морских биологических объектов при мониторинге акваторий дальневосточных морей.

2. Разработка теоретических основ экономически эффективных и экологически безопасных современных технологических решений для достоверного обнаружения и распознавания беспозвоночных на ограниченной морской акватории.

3. Проведение численных и экспериментальных исследований теоретических основ пассивно-активного метода обнаружения крабов на ограниченной морской акватории.

4. Обоснование технических характеристик системы обнаружения крабов на ограниченной морской акватории и ее технологические решения.

Методы исследований, достоверность полученных результатов.

В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решение научной задачи базируется на экспериментальных данных и известных положениях классических методов пассивной акустики и активной гидролокации.

Достоверность полученных результатов подтверждается: корректностью разработанных физических моделейиспользованием известных положений теоретической гидроакустикисходностью полученных результатов с техническими решениями и результатами исследований, проведенными к.т.н. Кра-сильниковым И.В. (Камчатский ГТУ), ТИНРО-Центром ДВО РАН, а также автором диссертации в разные годы.

Научная новизна работы. На основе предложенных теоретических разработок, анализа результатов численного моделирования и имеемых данных натурных экспериментов, проведенных в морских условиях с борта подводного аппарата «ТИНРО-2» 1987 г. (ТИНРО-Центр) и в бассейнах на борту судна «Восток-1» в 1998 г., в работе обосновано и подтверждено, что:

— решение задачи достоверного распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров возможно путем применения методики и технических решений комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации с использованием достижений современных нейросетей;

— предложенная методика распознавания и идентификации крабовых скоплений позволяет примерно на 20% лучше распознавать сигналы от крабапри этом количество информации, поступающей в нейронную сеть для анализа, уменьшается в 2−3 раза;

— в дополнение к предложенной методике, для проведения процесса уточнения результатов обнаружения крабовых скоплений и места их нахождения, необходимо использование разных активных режимов лоцирования водной среды;

— параметрический метод лоцирования позволяет более уверенно обнаруживать значительные крабовые скопления, в то время как режим бистати-ческой локации позволяет выделять одиночные импульсы.

Рассмотренные положения являются принципиально новыми, составляют функционально связанную последовательность операций, которая обеспечивает решение сложной научно-технической проблемы качественного мониторинга состояния крабовых скоплений дальневосточных морей РФ.

В диссертационной работе разработаны и обоснованы положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое научное достижение.

На защиту выносятся:

1. Методика и технические решения комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации для распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров с использованием достижений современных нейросетей.

2. Организационно-технические рекомендации по созданию и эксплуатации гидроакустических систем обнаружения скоплений краба.

Результаты работы:

— получены в ходе выполнения второго этапа НИР «Барьер" — второго этапа НИР «Модуль» по разработке пассивно-активного низкочастотного параметрического метода и мультистатической системы установки излучающих и приемных систем для обнаружения морских неоднородностей, в том числе биологических;

— подтверждены анализом материалов натурных исследований в рамках первого этапа НИР «Краб" — проекта «ТИНРО-2» 1987 г. (ТИНРО-Центр) и в бассейнах на борту судна «Восток-1» в 1998 г., в том числе проведенных автором лично.

Реализация результатов исследований.

Результаты использованы в технической документации к программе реконструкции и переформирования существующих и создания новых гидроакустических систем качественного мониторинга состояния крабовых скоплений дальневосточных морей РФ, проводимой ДВО РАН.

Материалы исследования обсуяодались и получили положительную оценку: на научно-техническом семинаре кафедры «Акустические приборы, системы и технические средства судовождения», Дальрыбвтуз, 2006 г.- кафедры «Судовождение», Дальрыбвтуз, 2008 г.- на открытом заседании кафедры гидроакустики, ТОВМИ им. С. О. Макарова, 2006;2007 гг.- на открытом заседании кафедры технических средств судовождения, МГУ им. адм. Г. И. Невельского, 2007;2008 гг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.