"Эхолот для любительской рыбалки и его возможности
( С. Бояр - Рыбацкое подворье - №5 – 2005)
Как правильно выбрать эхолот для рыбалки
В Интернет – «общалках» можно встретить обсуждение вопроса приблизительно такого содержания: «“Видит или не видит” эхолот сома, сидящего под корягой на дне?». Или утверждение: «А я различаю вольфрамовую мормышку диаметром 2 миллиметра на глубине …» Насколько это все реально? Насколько можно доверять «волшебной» картинке на экране эхолота?
Автор ни в коем случае не ставит перед собой задачу посеять сомнение в рыбацких рядах о необходимости эхолота на борту своей лодки. Автор сам использует различные модели эхолотов уже длительное время и отказываться не собирается. Просто предлагается взглянуть на работу эхолота под несколько иным углом зрения и оценить его возможности с помощью современных научных приборов.
В последние годы рыболовный или рыбопоисковый эхолот превратился из престижной заграничной игрушки «новых русских рыболовов» в реального, действенного помощника продвинутого рыбака. Как правило, на серьезно оснащенных рыболовных катерах располагаются рядом два крайне необходимых навигационных прибора – GPS навигатор (или у более оснащенных – картплоттер) и эхолот, или несколько, функционально дополняющих друг друга. Совмещая получаемую от приборов информацию, адекватно ее трактуя, можно уверенно добраться до цели, даже в сложных метео и гидрологических условиях, поймать рыбу, а также избежать некоторых неприятных моментов на неизвестной акватории, благодаря наличию информации о глубине под килем в реальном времени.
Общие принципы работы эхолотов «проходились» еще в школьном курсе физики. Современные любительские приборы, естественно, «унаследовали» эти принципы, став при этом значительно компактнее, надежнее, проще в управлении и обслуживании. Появился богатый сервис, так как схемные решения выполнены на современной элементной базе с привлечением новейших средств программного обеспечения.
Продвигая товар на наш рыболовный рынок, дилеры и популярные СМИ в описаниях работы различных моделей эхолотов не всегда бывают корректны. Это создает у пользователей несколько искаженное представление о реальных возможностях ЛЮБИТЕЛЬСКИХ ЭХОЛОТОВ. Основной упор в рекламных и сопроводительных документах делается на параметры жидкокристаллических дисплеев, а также на мощность излучения. Так ли это важно потребителю? Разумеется, что большой ( или даже цветной) дисплей с большим числом пикселей на единицу поверхности очень радует глаз, особенно, если отображает какие-нибудь динамичные события, разворачивающиеся в подводном мире, сопровождая их постоянной звуковой сигнализацией. Можно с уверенностью предположить, что возможности жидкокристаллических дисплеев превышают в настоящее время возможности ультразвукового и электрического трактов прибора.
Оценим в этой связи фактор роста мощности импульса. Более существенная мощность в импульсе ультразвукового сигнала (УЗ) – это новый небольшой шаг в повышении разрешающей способности и «дальнобойности» эхолота. Однако пользователь оценить последствия повышенной мощности практически не может, так как добавка информации на экране эхолота совсем незначительна.
На что же предлагается обратить внимание? Главные вопросы таковы:
- достоверно ли то, что изображается на экране;
- однозначно ли можно трактовать то, что появляется на экране;
- как именно трактовать полученное изображение?
Вопросы эти не случайны, а возникли на основе вполне реальных событий…
Оснастившись несколько лет назад современными, по тому времени, приборами, HUMMINBIRD 150 и 350ХТ соответственно, мы, тремя экипажами, прибыли на открытие сезона на одно из озер Карельского перешейка. В третьем экипаже проходил испытание самодельный прибор (глубиномер с цифровой индикацией).
Остановившись на пологом песчаном берегу, разбили лагерь. Рыба, по имеющимся данным, должна была ловиться недалеко от противоположного берега бухты, немного не доходя до скального выступа.
Быстро подготовив лодки и спустив их на воду, устанавливаем в соответствии с инструкцией датчики приборов и сами эхолоты. Включаем, делаем предварительную настройку и направляемся к противоположному берегу. Основную часть пути приборы радовали своими картинками с рельефом дна и массой рыбы на экране, но мы упорно стремились в уже изученное в прошлый приезд место. Проходя невдалеке от скального выступа, обращаем внимание, что приборы на всех лодках начали «глючить!!!», показывая все, что угодно, кроме истинной глубины. Благодаря очень прозрачной воде, куски гранита, недавно отколовшиеся от скалы, были хорошо видны на глубине не более 4-х –5-ти метров, а эхолот временами показывал то 50 , то 150 метров. Откуда взяться такой глубине в озере, если в нем никогда больше 30 метров не было? Проблема эхолотов нас правда волновала не долго, а … до первой поклевки.
К вопросу о глубине вернулись уже у вечернего костра. Мнение коллектива, а в его составе были дипломированные радиоинженеры и практикующие специалисты в области электро и радиоизмерений, было, можно сказать, единым. Эхолоты здесь не при чем, во всем виноват рельеф дна! Убедиться в своих предположениях мы смогли уже вечером следующего дня, когда по соседству с нами обосновалась компания, приехавшая на подводную охоту. Взятые напрокат (за копченого судачка) ласты и маска позволили быстро установить истину, и все расставили по местам. На дне обнаружилось причудливое нагромождение гранитных глыб, по всей видимости, недавно отколовшихся от скалы и еще не успевших обрасти и покрыться илом.
Подобное поведение эхолота было замечено нами и при других обстоятельствах, в другое время и в другом месте: при подходе к берегу, где расширяются границы нашего города. Сухопутные территории отвоевывались у залива путем сброса строительного мусора в виде разных железобетонных конструкций. На обломках плит эхолот «глючил», а за «незамеченные» куски арматуры мы поплатились небольшими ранами на винте.
ЧТО ПРОИСХОДИЛО С ЭХОЛОТАМИ?
Ответ на этот мучивший нас вопрос мы нашли на «хирургическом столе», а именно, в лаборатории контрольно-измерительных приборов солидного НИИ. Технические возможности и разнообразие имевшегося там научного оборудования позволили нам изрядно «помучить» наш эхолот, а заодно и сотрудников лаборатории. Теперь мы хотим поделиться результатами нашего «обследования» со всеми читателями журнала.
Для упрощения рассмотрения и большей наглядности возьмем одно-лучевой эхолот, который работает только в режиме глубиномера, или работу центрального луча в 2-х , 3-х лучевых приборах HUMMINBIRD.
Есть все основания полагать, что электрические параметры центрального луча современных любительских эхолотов рождались, как некий баланс компромиссов: компактности, дальнобойности, разрешения, достоверности изображения рельефа и фауны-флоры, а также мобильности. Это определило выбор диапазона, позволяющего получить наиболее оптимальное решение и создать эхолот, отвечающий интересам любителей рыбалки.
Вспомнить кое-что полезное из физики.
1. Простые эхолоты (любительские) - это импульсные приборы. Ультразвуковой сигнал (УЗ) не исходит из датчика постоянно, а излучается импульсами – посылками. Длительность импульса порядка 35 - 50 микросекунд. Высокочастотный генератор посылает на излучатель порядка 10 - 20 колебаний, после чего «затыкается».
2. Излучатель сигнала, по совместительству являющийся и приемником, формирует достаточно остронаправленный, конусный луч УЗ, частотой 50 - 200 кГц. Угол этого конуса определяется геометрическими размерами излучателя и находится в пределах от 8 до 20 градусов. КПД используемых в этих целях пьезоэлектрики или пьезокерамики не превышает 0,7 - 0,8. Будем исходить из того, что мощность УЗ излучения равномерно распределяется как в вертикальном направлении, т.е. в глубину водоема, так и по площади «пятна», которое образует конусный луч УЗ на поверхности дна.
3. Как всем известно, УЗ в воде затухает (теряет свою мощность) по ряду причин. Это, так называемое, вязкое затухание. Имеют место явления рефракции и реверберации. При этом нет разницы, происходило ли это при посылке сигнала или при отражении его. В чистой, пресной воде затухание наименьшее. Чем больше в воде примесей, взвесей и микроорганики, тем затухание выше.
4. Имеется зависимость между температурой воды и скоростью звука в ней, а именно, при повышении температуры скорость звука в воде увеличивается (см. таблицу).
В расчетах обычно принимается среднее значение - 1500 м/с.
Температура t C V м / с
0 1407
10 1445
20 1484
30 1510
40 1528
50 1544
60 1556
70 1561
80 1557
5. Отражение УЗ сигнала возникает на границе раздела двух сред с разной скоростью прохождения звука. Это может происходить и в одной среде, при резком скачке температуры в разных слоях жидкости. Данное физическое явление носит название ТЕРМОКЛИНА. Распространение УЗ сигнала в этом случае происходит по законам отражения, аналогичным законам оптики (угол падения равен углу отражения). При этом необходима достаточная поверхность, расположенная под необходимым углом, для отражения пришедшего импульса, чтобы отраженный сигнал попал на датчик и «был услышан». Отражение может быть многократным.
6. УЗ волны, проникая в толщу воды, подчиняются законам интерференции и дифракции. Возможны наложения волн, но для нашей темы более актуальным является огибание предметов, сопоставимых по линейным размерам с длиной волны. Например, на частоте 150 к Гц длина волны примерно 1 см. То, что обогнулось волной, то не дало отражения…
7. Пришедший отраженный сигнал (естественно, ослабленный) должен быть не меньше какого-то порогового значения. В любительских приборах - это уровень, порядка 90 - 100 dB (т.е. улавливается и обрабатывается импульс, ослабленный в 50 - 100 тысяч раз), в профессиональных эхолотах, например, в SIMRAD - это значение – 120 - 140 dB.
8. В зависимости от глубины под килем прибор автоматически изменяет частоту следования УЗ импульсов: от 4 - 5 на максимальных глубинах, до 8 - 12 – на минимальных.
Итак, включаем эхолот, датчик которого уже опущен в воду. Предположим, что лодка пришвартована или стоит на якоре. Несколько секунд настройки и самодиагностики, прибор определяет датчик, и на экране появляется картинка.
Даже при условии полного штиля возможны изменения в показаниях глубины и рельефа, который представляется на экране прямой линией одинаковой толщины. На небольших глубинах, порядка нескольких метров, показания отличаются на десятки сантиметров, и рельеф дна представляется теперь ломаной линией разной толщины.
ПОЧЕМУ ТАК ПРОИСХОДИТ?
Разрешающая способность эхолота зависит от нескольких параметров прибора: с одной стороны, она ограничена частотой излучения, предметы, меньшие определенного размера, не дадут никакого эха; с другой стороны, увеличение пятна излучения ведет к потере детализации.
КАК ЖЕ РАБОТАЕТ ЭХОЛОТ? Электрический сигнал частотой 150 - 200 кГц и длительностью 35 - 50 мкс, вырабатываемый генератором, подается на излучатель, (частота генератора является резонансной для элемента).
А излучатель, потеря энергии в котором около 20 - 30 %, «выстреливает» в сторону дна соответствующий УЗ импульс. Одновременно с этим «выстрелом» включаются внутренние «часы», определяющие время полета туда и обратно. Отраженный от ЧЕГО- ЛИБО сигнал «услышал» датчик, снова, с соответствующими потерями, преобразовал его в электрический сигнал. И послал сравниваться с исходными данными. Дождавшись прихода эха, (если его долго нет, то прибор автоматически понижает частоту «выстрелов» до минимально возможного значения), производится новый выстрел, а тем временем полученный от первого выстрела результат делится пополам, маленький пересчет и… на экране появляется ЦИФРА (метров или футов) и точка дна, соответственно выбранному автоматически или вручную масштабом. После подсчетов результата второго «выстрела», выводится новая или дублируется старая цифра и ставится НОВАЯ ТОЧКА, СОЕДИНЕННАЯ ЛИНИЕЙ СО СТАРОЙ. Таким образом, на экране рисуется некая линия, имеющая определенную толщину и представляемая нам на дисплее, как линия дна. Интересный вопрос, насколько достоверна информация на экране и какой на самом деле рельеф дна под килем катера в данный момент! Ведь посланный УЗ импульс отразился от первого, попавшего в конус излучения, предмета, имеющего иную, чем вода, плотность. Это может быть и резкая граница между слоями воды с разной температурой – ТЕРМОКЛИН. Если все-таки это предмет, то насколько большим он должен быть на дне, чтобы отразиться на экране? Его линейные размеры, очевидно, должны быть больше длины волны УЗ сигнала.
Он должен также иметь достаточную площадь поверхности для отражения в нужном направлении УЗ сигнала. На глубине, порядка 5 метров, в случае 100 % отраженного сигнала без учета потерь, – это площадь, равная нескольким квадратным сантиметрам. С учетом потерь мощности сигнала по разным вышеуказанным причинам (пункты 2 , 3 , 4 , 5) эхолот поймает отраженный сигнал, если площадь поверхности, от которой произошло отражение, измеряется уже ДЕСЯТКАМИ квадратных сантиметров.
Вложение:
100_1.jpg
На рисунке 2 приведена иллюстрация стоянки рядом с подводным валуном. Часть УЗ пучка падает на наклонную поверхность и, отражаясь в сторону, на датчик не попадает. Отражается в сторону датчика лишь та часть сигнала, которая попала на дно (зона отражения на рис.1 отмечена красным).
Если величина подводного препятствия такова, что пятно луча целиком укладывается на наклонную поверхность, то отражения в сторону излучателя не происходит. В этом случае эхолот будет «глючить», а именно, произойдет либо срыв изображения, либо он «отловит» многократно отраженный сигнал и покажет глубину, близкую к своему предельному значению (см. рис. 2).
Вложение:
100_2.jpg
Если подобная ситуация складывается на небольшой волне, которая чуть-чуть меняет направление излучения, то прибор будет рисовать сложный рельеф с большим перепадом глубин.
При попадании в конус луча части каменистого дна, состоящей из некрупного щебня, или на гряду мелких камней, эхолот интерпретирует этот рельеф, как толстый слой ила из-за того, что отраженный сигнал приходит и от поверхности, и от оснований камней (рис. 3).
Вложение:
100_3.jpg
Теперь начинаем неспешное движение нашего плавсредства. Все в точности повторяется, только уже вполне реальны изменения и глубины, и рельефа дна, и состава грунта дна. Посмотрим, какие варианты могут повстречаться на пути. Прохождение препятствия, (см. рис. 4) даст на экране несколько искаженную картинку, так как острый пик не имеет достаточной поверхности для отражения сигнала нужной нам мощности, поэтому не все детали отобразятся на экране прибора.
Вложение:
100_4.jpg
Некоторое разочарование может постигнуть наблюдателя и при движении лодки вдоль свала, потому что эхолот будет видеть лишь самое дно по той причине, что сигнал, благополучно отражаясь от стенки, уйдет в сторону и пройдет мимо датчика. Это означает, что найти свал или бровку в один проход, двигаясь вдоль нее, скорее всего, не удастся. Придется делать несколько проходов по траекториям, пересекающимся в интересующей нас точке (см. рис. 5).
Вложение:
100_5.jpg
При пересечении лучом подводной канавы она тоже останется не выявленной, если ее ширина окажется меньше диаметра «пятна» луча на дне (рис. 6).
Вложение:
100_6.jpg
Если лодка проходит над скоплением больших валунов, не находящихся под килем, но попадающих в зону облучения эхолота, то они появятся на эхограмме не как отдельные камни, а как некое сплошное возвышение, расположенное под лодкой (рис. 7).
Вложение:
100_7.jpg
Приведенные иллюстрации идеализируют реальную геометрию подводных препятствий и даны здесь для понимания сути процесса и динамики появления картинок на экране эхолота. В реальных условиях подводного мира весьма редко встречаются естественные прямолинейные природные образования. Даже на достаточно ровной, близкой к плоской, наклонной поверхности может находиться слой песка , ила, или какой-то растительности, которые частично отразят сигнал вверх к датчику и дадут возможность сформировать вразумительное изображение.
Практика показывает, что именно нагромождения подводных валунов могут дать наименее достоверную картину рельефа дна на экране.
Следующий фактор, который может несколько усложнить жизнь рыбака, – это небольшие подводные препятствия (естественного или искусственного происхождения), которые могут оказаться на дне. У них нет достаточных размеров для создания эха необходимой громкости, и эхолот их попросту не замечает. Но блесны и воблеры этот «мусор» удерживает на удивление крепко.
НЕКОТОРЫЕ ВЫВОДЫ
Итак, результаты проведенного анализа дают неопровержимое понимание того, что ...
- Нарисованная на экране картинка линии дна - это не изображение, полученное с выносной видеокамеры, а результат обработки УЗ импульсного сигнала со всеми помехами и погрешностями. Происходит перенос реального трехмерного пространства в изображение на экран, т. е. на плоскость с двумя измерениями…
- Сами эхолоты не имеют отечественного или западного ГОСТа ( сертификата) и не прошли процедуру поверки в Палате мер и весов как измерительное средство. А значит, все их измерения очень и очень приблизительны. Использование показаний эхолота для тестирования снастей, как правило, некорректно и полученные результаты весьма далеки от истины. При прочих идеальных условиях отклонение от точного измерения глубины может быть в пределах 1 - 4 %.
- Картина рельефа дна будет представлена наиболее искаженно, если плавсредство движется по воде во время сильного ветра и волнения. Постоянное изменение угла наклона излучателя вносит существенные коррективы в работу прибора, еще более снижая достоверность прорисовки эхограммы дна под лодкой. В этой ситуации возможны частые сбои в работе, если излучатель оказывается над поверхностью воды или в зоне, насыщенной пузырьками воздуха.
- Воздушные пузырьки мешают точной работе прибора при увеличении скорости движения судна. При выходе на режим глиссирования нарушается ламинарное обтекание корпуса датчика, возникают турбулентные завихрения. Они, в свою очередь, затрудняют замеры глубины на скоростях более 20 км/час.
- Чувствительность прибора определяет акустическими и электрическими параметрами схемы, которые могут быть несколько ниже реальных возможностей разрешения ЖК дисплея.
КАК МОЖНО ПОБОРОТЬСЯ ЗА ТОЧНОСТЬ?
Решение несколько парадоксально…
1. Датчик прибора должен быть установлен не горизонтально поверхности воды, а под углом 3 - 5 градусов вверх по ходу лодки.
2. Желательна установка датчика не жестко на корпус, а с одной степенью свободы. Так, чтобы он мог перемещаться вверх-вниз вдоль транца под своим весом в набегающем потоке воды.
Подобная установка, с одной стороны, вносит некоторую неточность в работу прибора, но с другой, - позволяет эхолоту работать в диапазоне скоростей от 0 до 60 км/час. Скорость 60 км/час была максимальной скоростью лодки, на которой произведена эта инсталляция.
3. Если учесть, что «скорострельность» HUMMINBIRD 350 TX на небольших глубинах составляет 10 посылок в секунду, а двадцатиградусный, центральный луч на глубине 5 метров образует на дне «круг», диаметром около 1 метра, то получается, что на скорости 36 км/час (10 м/сек ) и более в работе прибора появляются «белые пятна». Будут наблюдаться пропуски поверхности дна в период между УЗ посылками, так как лодка будет ощутимо смещаться за время, прошедшее между подачей сигнала и вернувшимся эхом. Эти явления приведут к тому, что достоверность соответствия эхограммы и реального рельефа дна уменьшится значительно.
Если основной луч прибора имеет угол расхождения 8 градусов, то соответственно и «скоростные возможности» такого эхолота будут ниже. Но на небольших скоростях достоверность показа рельефа дна под килем лодки у узкого луча выше. Если основной луч прибора имеет угол расхождения более 20 градусов, то, с одной стороны, это понижает достоверность прорисовки эхограммы, но с другой увеличивает поверхность обзора и «скоростные возможности».
4. Использование на основном луче частоты, меньшей 200 кГц, приводит, с одной стороны, к снижению разрешающей способности прибора, но с другой, - снижает поглощение энергии импульса в толще воды. Что, в свою очередь, позволяет снижать мощность УЗ импульса и, как следствие, требует менее мощных и энергоемких источников питания.
Итог - любой технический параметр эхолота – это баланс компромиссов. Каждая модель эхолотов любой фирмы обладает строго определенными возможностями, «плюсами и минусами». Рыбаку, решившемуся на приобретение такого прибора, необходимо достаточно четко представлять себе, какие задачи будет решать это приобретение?
Несколько лет использования различных эхолотов привели к пониманию того, что до глубин порядка 3 - 5 метров все задачи успешно решают однолучевые приборы. Если глубины в месте лова больше, то и приборы необходимы более сложные…