Использование сонара для обнаружения и отслеживания морских млекопитающих для предотвращения столкновений

Морские млекопитающие, такие как киты и дельфины, жизненно важны для океанских экосистем, но сталкиваются с растущими угрозами от человеческой деятельности, особенно столкновений судов. Удары судов вызывают серьезные травмы и смертность, при этом некоторые виды, такие как североатлантический правый кит, приближаются к вымиранию. Для решения этой проблемы ученые и морские власти все чаще полагаются на сонарную технологию для обнаружения и отслеживания морских млекопитающих в режиме реального времени, что позволяет активно избегать столкновений. В этой статье исследуется, как работает сонар, его применение в морском мониторинге, текущие проблемы и будущие инновации, которые обещают более безопасные моря как для дикой природы, так и для навигации.

Понимание сонарных технологий

Сонар — аббревиатура для звуковой навигации и ранжирования — использует звуковые волны для обнаружения, обнаружения и идентификации объектов под водой. Основной принцип включает в себя испускание акустических импульсов (пингов), которые проходят через воду, отражаются от объектов и возвращаются в виде эха. Измеряя временную задержку и характеристики возвращающегося звука, сонарные системы вычисляют расстояние, размер, форму и движение цели.

Звук эффективно перемещается в воде, что делает гидролокатор гораздо более эффективным, чем оптические или радиолокационные методы подводного обнаружения. Технология использовалась с начала 20-го века для обнаружения подводных лодок, но ее применение в морской биологии набрало обороты в последние десятилетия. Современные гидролокационные системы теперь сочетают в себе передовую обработку сигналов с компьютерными алгоритмами, чтобы отличать биологические цели от геологических особенностей или обломков.

В контексте сохранения морских млекопитающих гидролокатор служит двум основным целям: обнаружению присутствия животных в окрестностях судов и отслеживанию их движений с течением времени.Эта информация может подаваться в системы поддержки принятия решений, которые советуют капитанам замедлять, изменять курс или останавливать двигатели до тех пор, пока животные не очистят район.

Типы гидролокатора, используемого в морском мониторинге

Активный сонар

Активные гидроакустические системы излучают собственные звуковые импульсы и слушают возвращающиеся эхо. Они предоставляют подробную информацию в режиме реального времени о близлежащих объектах, включая расстояние и подшипник. В морских применениях для млекопитающих активный гидролокатор часто устанавливается на корпусе кораблей или развертывается с автономных подводных аппаратов (AUV).

Активный сонар может обнаруживать объекты на расстояниях от нескольких метров до нескольких километров в зависимости от частоты, мощности и условий воды. Более низкие частоты перемещаются дальше, но обеспечивают меньшую детализацию, в то время как более высокие частоты обеспечивают более точное разрешение на более коротких расстояниях. Многие современные системы используют расщепляющиеся или многолучевые массивы для создания трехмерных изображений целей, помогая операторам идентифицировать различные эхо-сигналы китов и дельфинов по сравнению с рыбными школами или подводными скалами.

Однако активный сонар имеет существенный недостаток: сами звуковые импульсы могут беспокоить морских млекопитающих.Споры возникли в начале 2000-х годов, когда военные учения с участием активного сонара средней частоты были связаны с высадкой китов.Следовательно, ориентированные на сохранение активные сонарные системы предназначены для использования меньшей интенсивности, более узких лучей и для работы в определенных частотных диапазонах, менее склонных причинять вред.

Пассивный сонар

Пассивный гидролокатор не издает никаких звуков; вместо этого он слушает естественные звуки, производимые морскими млекопитающими. Киты и дельфины очень вокальные, используют щелчки, свистки и песни для общения, эхолокации и навигации. Пассивные акустические мониторы (ПАМ) могут обнаруживать эти вокализационные сигналы на расстояниях в десятки километров, в зависимости от фонового шума и условий распространения звука.

PAM неинвазивный и не представляет риска акустических нарушений, что делает его предпочтительным методом мониторинга в чувствительных районах, таких как морские охраняемые зоны. Многие современные суда развертывают буксируемые гидрофонные массивы, которые следуют за судном, постоянно слушая китообразные вызовы. Когда вокализация определяется акустическими сигнатурами, характерными для конкретных видов (например, отличительная песня горбатых китов или эхолокационные щелчки кашалотов), система оповещает экипаж моста.

Пассивный гидролокатор имеет ограничения: он требует, чтобы животные были вокалистами, что не всегда так (например, отдых или кормление животных может быть тихим). Кроме того, он не может обеспечить точный диапазон или подшипник без нескольких гидрофонов и триангуляции. Тем не менее, в сочетании с активными системами, пассивный гидролокатор предлагает мощный дополнительный инструмент.

Проблема столкновения: масштабы и виды в опасности

Удары судов являются основной причиной смерти многих крупных видов китов. По оценкам Международной китобойной комиссии (IWC), сотни китов ежегодно погибают или получают ранения на судах по всему миру, но истинное число, вероятно, намного выше из-за занижения отчетности. К наиболее уязвимым видам относятся североатлантический правый кит (осталось менее 350 особей), финвалы, горбатые киты, синие киты и серые киты.

Столкновения происходят чаще всего в районах, где судоходные пути пересекаются с местами кормления, миграционными путями или зонами отела. К зонам высокого риска относятся залив Святого Лаврентия, воды у Шри-Ланки, Средиземное море и побережье Калифорнии. Поражаются также более мелкие морские млекопитающие, такие как дельфины и свиньи, хотя их меньший размер означает, что столкновения часто остаются незамеченными.

Экономический эффект также существенен — удары судов могут повредить пропеллеры, рули и корпуса, что приводит к дорогостоящему ремонту и задержкам.Одна забастовка с участием крупного кита может стоить судоходной компании десятки тысяч долларов в простоях и ремонте, не говоря уже о потенциальных регуляторных штрафах и репутационном ущербе.

Например, в 2022 году грузовое судно, входящее в порт Саванна, нанесло удар по прямому тельцу кита в Северной Атлантике, убив его мгновенно. Инцидент побудил NOAA ввести временные ограничения скорости и перенаправить движение, демонстрируя, как одно столкновение может рябить по всей морской экосистеме.

Для решения этой проблемы Международная морская организация (ИМО приняла руководящие принципы для зон маршрутизации судов и сокращения скорости, но во многих регионах соблюдение правил остается добровольным. Обнаружение в режиме реального времени с помощью гидролокатора предлагает способ дополнить эти меры немедленными локализованными предупреждениями).

Применение в предотвращении столкновений

Системы с навесом на корабли

Наиболее непосредственное применение - установка гидроакустических систем на коммерческих судах. Эти системы постоянно контролируют воды впереди и рядом с судном, обеспечивая оповещения, когда морские млекопитающие обнаруживаются в опасной зоне - обычно от 100 до 500 метров. Предупреждение дает экипажу моста время для снижения скорости или изменения курса.

Например, компания Ocean Sonics разработала интегрированную пассивную гидроакустическую систему, используемую канадской береговой охраной. Она состоит из гидрофонов, установленных на корпусе, и классификатора в реальном времени, который может отличать китовые звонки от фонового шума. Когда происходит обнаружение, система отправляет сигнал тревоги на дисплей капитана и регистрирует событие для анализа после рейса.

Аналогичным образом, система Whale Alert сочетает спутниковое отслеживание помеченных китов с данными судового гидролокатора и AIS (автоматическая идентификационная система). Впервые развернутая на морских путях Восточного побережья США, она накладывает позиции китов в реальном времени на электронные дисплеи диаграмм, позволяя капитанам видеть как обнаружение гидролокатора, так и известные агрегации из аэрофотосъемки.

Несколько паромных операторов в Британской Колумбии и штате Вашингтон приняли такие системы, сообщив о значительном снижении риска столкновения.Технология особенно ценна в ночное время или в условиях низкой видимости, когда визуальные наблюдатели не могут обнаружить животных.

Автономные подводные транспортные средства (AUV) и планеры

АУВ и океанские планеры, оснащенные гидролокатором, позволяют осуществлять мониторинг вне досягаемости судовых датчиков. Эти беспилотные платформы могут патрулировать судоходные пути, вести обзор миграционных коридоров и передавать данные обнаружения на береговые станции или суда через спутниковые связи. Они особенно полезны для мониторинга отдаленных или экологически чувствительных районов, где присутствие человека ограничено.

Например, Институт исследований аквариумов Монтерей-Бэй (MBARI) использует дальние AUV с пассивными акустическими регистраторами для отслеживания синих китов в Тихом океане. Данные помогают очертить критическую среду обитания и поддерживают динамические решения о маршрутизации судов. В Атлантике Океанографическое учреждение Вудс-Хоул развертывает планеры с активным гидролокатором для обнаружения правильных китов в заливе Мэн.

Одним из ключевых преимуществ AUV является их способность работать непрерывно в течение нескольких недель, обеспечивая ситуационную осведомленность в режиме реального времени, которая может быть интегрирована в системы управления морским движением. Это позволяет портовым властям выдавать «консультации по китам», которые рекомендуют снижение скорости или изменение маршрута для прибывающих судов.

Интеграция с транспортными службами (VTS)

Порты и прибрежные государства все чаще интегрируют данные гидролокатора в службы движения судов (VTS). Когда датчики гидролокатора - будь то на буях, AUV или наземных платформах - обнаруживают морских млекопитающих вблизи судоходных путей, информация передается в центральный координационный центр. Оператор VTS может затем транслировать предупреждения всем судам в этом районе через радиостанцию VHF или цифровые оповещения.

Корпорация управления морским путем Святого Лаврентия в партнерстве с Fisheries and Oceans Canada эксплуатирует такую систему в заливе Святого Лаврентия. Сеть стационарных пассивных гидролокационных станций контролирует миграционный коридор находящихся под угрозой исчезновения североатлантических правых китов. При обнаружении VTS выдает зону «медленного снижения», дополненную воздушным наблюдением. С момента внедрения данные свидетельствуют о снижении скорости столкновения и более низкой скорости судна во время присутствия китов.

Мониторинг в реальном времени и прогнозная аналитика

Машинное обучение для акустической классификации

Одной из самых больших проблем в пассивном гидролокаторе является отличие вызовов различных видов морских млекопитающих друг от друга и от фонового шума (корабельные двигатели, сейсмические исследования, щелкание креветок). Ручной анализ занимает много времени и зависит от оператора. Современные системы используют алгоритмы машинного обучения, обученные на больших библиотеках известных вокализаций для достижения высокой точности классификации.

Например, Национальный научно-исследовательский центр океанических и атмосферных исследований (NOAA) тихоокеанских островов использует модель глубокого обучения под названием «Детектор китов», которая может идентифицировать 12 видов дельфинов и китов в режиме реального времени по данным потокового гидрофона. Модель достигает более 95% точности для некоторых видов, при этом уровень ложной тревоги достаточно низок для оперативного использования.

Аналогичным образом, компания Greenridge Environmental разработала активную гидроакустическую систему на основе искусственного интеллекта, которая может отличать форму тела кита от подводной лодки или крупной рыбы на основе высокочастотной визуализации. Эти достижения делают предотвращение столкновений на основе гидролокатора все более надежным даже в шумных условиях.

Интеграция с AIS и динамическими зонами скорости

Данные обнаружения гидролокатора могут быть объединены с транспондерами Автоматической системы идентификации (AIS) на судах для создания динамических зон снижения скорости. В этой системе, когда обнаружение кита подтверждается в пределах определенной области, VTS автоматически активирует временную «зону буксировки правого кита» на электронных картах, видимую для всех судов, оснащенных AIS. Корабли, входящие в зону, получают обязательный предел скорости (например, 10 узлов) до тех пор, пока предупреждение не будет снято.

Этот подход пилотируется в нескольких регионах. Примечательным примером является сотрудничество между портом Саванна, NOAA и некоммерческой организацией Whale and Dolphin Conservation. Сеть пассивных сонарных массивов снизу в канале доставки сообщает об обнаружении облачного сервера, что вызывает предупреждения AIS. В первый год соответствие рекомендованным скоростям увеличилось на 40%, и никаких столкновений не произошло.

Проблемы и ограничения

Отличие морских млекопитающих от других объектов

Даже при продвинутом активном гидролокаторе дифференцировать кита от крупной рыбы, подводной лодки или скалы может быть трудно. Эхо от тела кита может напоминать эхо подводного кораблекрушения или плотной школы рыбы. Активные гидролокаторные возвращения также варьируются в зависимости от ориентации животного - плавание кита непосредственно к гидролокатору может производить более слабое эхо, чем одно пересечение с широкой стороны.

Машинное обучение помогает, но данные обучения ограничены для многих видов в разных океанских средах. Ложные тревоги могут возникать из-за пузырчатых занавесок, лесов водорослей или термоклинов. И наоборот, пропущенные обнаружения происходят, когда киты ныряют или спят вблизи поверхности.

Пассивный гидролокатор имеет преимущество в специфических акустических сигнатурах, но только в том случае, если животные вокализируют. Молчаливые киты или те, кто производит слабые вызовы (например, минкеты с низкоамплитудными звуками) невидимы для PAM. Объединение как активных, так и пассивных модальностей кажется лучшим путем вперед, но это добавляет стоимость и сложность.

Потенциальное возмущение от шума сонаров

Было показано, что активный сонар вызывает поведенческие реакции у морских млекопитающих, включая избегание, временные сдвиги порога слуха и, в крайних случаях, брожение. Проблема привлекла всеобщее внимание в 2000 году, когда активные гидролокационные упражнения средней частоты ВМС США на Багамах совпали с броском нескольких клювов. Последующие исследования связали травмы с декомпрессионными эффектами, похожими на симптомы декомпрессионной болезни, вероятно, из-за того, что поведение китов при погружении нарушается звуком.

В то время как коммерческий гидролокатор для обнаружения китов обычно использует меньшую мощность, чем военные системы, риск не может быть полностью устранен. Для минимизации нарушений многие системы работают на частотах за пределами диапазона чувствительного слуха целевых видов (например, выше 200 кГц для зубчатых китов) и используют направленные лучи для ограничения воздействия. Тем не менее, оценки воздействия на окружающую среду необходимы перед развертыванием активного гидролокатора в чувствительных средах обитания.

По этой причине многие природоохранные группы выступают за пассивный гидролокатор в качестве основного инструмента обнаружения, резервируя активный гидролокатор для ситуаций, когда пассивное обнаружение недостаточно, например, в очень тихих водах, где животные могут не озвучивать.

Ограниченный диапазон обнаружения в определенных условиях

На работу гидролокатора влияют температура воды, соленость, глубина и окружающий шум. На мелководье или мутной воде звуковые волны могут отражаться или рассеиваться, уменьшая дальность. Тяжелое движение судов, штормы и ветер также повышают фоновые уровни шума, маскируя слабые отголоски или звонки. Эти факторы могут привести к обнаружению разрывов, особенно для мелких китообразных, таких как свиньи, которые производят сигналы меньшей интенсивности.

В тепловодных средах, таких как Мексиканский залив, могут быть сильные термоклины, которые удерживают звуковую энергию, в то время как холодные полярные воды часто позволяют распространять на большие расстояния, но также несут шум от растрескивания и разрушения льда. Сезонные изменения еще больше усложняют прогнозы. Операционные гидроакустические системы должны быть откалиброваны и поддерживаться регулярно, чтобы обеспечить надежную производительность в этих переменных условиях.

Будущее развитие

Высокочастотный сонар для визуализации

Достижения в технологии преобразователей теперь позволяют визуализировать гидролокатор, работающий на частотах выше 1 МГц, предлагая почти фотографическое разрешение подводных объектов. Эти системы могут производить видеоподобные изображения в реальном времени, показывающие форму и даже движение морских млекопитающих. В сочетании с автоматическим распознаванием образов они обещают резко уменьшить ложные тревоги и улучшить идентификацию видов. Их основным недостатком является малая дальность (десятки метров), но это приемлемо для носовых систем на судах, путешествующих на медленных скоростях через зоны высокого риска.

Компания Sound Metrics Corporation разработала ARIS (Adaptive Resolution Imaging Sonar), используемый исследователями для наблюдения за поведением китов при кормлении. В будущем такие устройства могут быть интегрированы в обтекатели корпуса для непрерывной широкоугольной визуализации по мере приближения кораблей.

AI и Edge Computing

Бортовая обработка данных сонаров переходит от специализированного оборудования к программно-определяемым системам, работающим на моделях ИИ на периферийных компьютерах. Это позволяет сложным алгоритмам классификации работать в режиме реального времени, не полагаясь на облачную связь, которая может быть недоступна или отложена на море. Edge AI также позволяет непрерывно учиться: система может совершенствовать свою модель обнаружения на основе локальных акустических условий, встречающихся во время рейса, улучшая производительность с течением времени.

Несколько стартапов разрабатывают автономные модули «умного гидролокатора», которые можно модернизировать на любом судне, подобно системе предотвращения столкновений на вторичном рынке для автомобилей. Эти модули включают GPS, AIS-приемник, гидрофонные массивы и небольшой компьютер, работающий с открытым исходным кодом моделей обнаружения. Ожидается, что широкое внедрение снизит затраты и ускорит нормативные требования к такому оборудованию на крупных коммерческих судах.

Мультисенсорная Fusion

Будущие системы предотвращения столкновений будут опираться не только на гидролокатор. Они будут сливать данные из нескольких источников: радар (для обнаружения поверхности), инфракрасные камеры (для теплового обнаружения китов на поверхности), визуальные камеры (для дневной идентификации), спутниковые снимки и даже электронные метки китов. Сонар обеспечит критический подводный слой, но общая система будет иметь избыточность для покрытия различных условий.

Например, разработанная Министерством транспорта США «Система обнаружения китов на борту» сочетает в себе перспективную инфракрасную камеру с низкочастотным активным гидролокатором и акустическим подслушивающим массивом. Алгоритм синтеза взвешивает уровень уверенности каждого датчика и создает единую оценку риска, которая, в свою очередь, вызывает соответствующие оповещения. Ранние испытания на борту исследовательских судов NOAA показали 90%-ное снижение близких контактов по сравнению с одним только визуальным наблюдением.

Регулирующие драйверы и отраслевые стандарты

По мере развития технологии регулирующие органы начинают предписывать обнаружение китов на основе гидролокатора на определенных типах судов. В 2023 году Transport Canada предложила поправки, требующие, чтобы все суда длиной более 20 метров в определенных зонах повышенного риска к 2026 году перевозили утвержденные системы PAM. Европейский союз рассматривает аналогичные правила для Средиземного и Балтийского морей. Международная морская организация опубликовала циркуляр, рекомендующий использовать «рекомендованные системы обнаружения судов» и поощряющий порты предоставлять акустические данные в режиме реального времени.

Также обращают внимание страховые компании. Некоторые страховщики морской ответственности теперь предлагают премиальные скидки для судов, оснащенных PAM и активным гидролокатором, признавая сниженный риск претензий, связанных с авариями. Этот финансовый стимул может ускорить принятие сверх медленных темпов регулирования.

Заключение

Сонарная технология превратилась из инструмента военной навигации и рыболовства в жизненно важный инструмент сохранения морской среды. Обнаруживая и отслеживая морских млекопитающих в режиме реального времени, она позволяет операторам судов избегать столкновений, защищая как исчезающие виды, так и коммерческие интересы. Активный сонар предлагает точную визуализацию подводных объектов в режиме реального времени, в то время как пассивный сонар слушает естественные звуки китов и дельфинов, не причиняя вреда. Интеграция с АИС, машинное обучение и услуги по судоходству создают многоуровневую защиту от одной из самых больших угроз, стоящих перед китами сегодня.

Проблемы остаются — различение видов, предотвращение нарушений и поддержание производительности в переменных условиях — но продолжающиеся достижения в области высокочастотной визуализации, краевого ИИ и мультисенсорного синтеза обещают преодолеть многие из этих препятствий. Уже успешные реализации в заливе Святого Лаврентия, восточном побережье США и северо-западе Тихого океана продемонстрировали, что предотвращение столкновений на основе гидролокатора не только осуществимо, но и эффективно. По мере ужесточения правил и повышения доступности технологий мы можем ожидать, что гидролокаторные системы станут стандартным оборудованием на судах, плавающих в богатых китами водах, способствуя будущему, где человеческая морская деятельность безопасно сосуществует с великолепными животными, которые разделяют наши океаны.

Внешние ссылки: