Slutt på feil fiskefangst?

Sonar er et av de viktigste redskapene til fiskere og marinforskere i hele verden. Den brukes til å se hvor fisken befinner seg, men snart kan vi også få vite hvor mye av hvilken fisk som er i nærheten.

Fisk og fiskeprodukter er en av Norges største eksportvarer. Den norske fiskeriflåten er derfor topp moderne. Likevel er det flere problemer som må løses for å hindre overfiske av sårbare arter, unødvendig bruk av drivstoff og slitasje på utstyr. I den forbindelse er det dannet et Senter for Forskningsdrevet Innovasjon kalt CRISP. Her forsker man blant annet på hvordan man kan bestemme hvor mye fisk som er i en fiskestim, mens fisken enda et stykke unna båten.

På et tidligere tidspunkt er det da mulig å

  • Studere fisken
  • Bedømme om det er riktig art
  • Bedømme om størrelsen på stimen er tilskrekkelig stor.
  • Bestemme seg for om man skal fiske den opp eller ikke.

Med slik informasjon kan fiskerne spare mye penger.

Sonar

Vi har i dag topp moderne utstyr for å finne fiskestimer, som ekkolodd, som ser fisken under båten, og sonarer, som ser fisken sideveis opp til 2000 m fra båten. En moderne sonar er formet som en sylinder, noe som gjør det mulig å se flere fiskestimer i alle retninger samtidig. Dette gjøres ved å sende en kort lydpuls fra alle senderne i sonaren. Ved å styre spenningen og tidsforsinkelsen på hver sender er det mulig å lage en sterk lydbølge i en bestemt retning. Det er denne lydbølgen som treffer fiskene og gir oss informasjon om hvor de er.

Når lydbølgen treffer en fiskestim, reflekteres den tilbake til sonaren. Gjennom prosessering av den reflekterte bølgen er det i dag mulig å lage todimensjonale bilder, kalt for utsnitt, av fiskestimen. Man kan få to slike utsnitt: Et vertikalt utsnitt, som sier oss noe om dybden på fiskestimen, og et horisontal utsnitt som forteller i hvilken retning fiskestimen er. Bildet vi får ut inneholder ikke alle tre dimensjonene, og da er det vanskelig å bestemme hvor mye fisk som er i stimen.

Ved å lage en tredimensjonal presentasjon av fiskestimen er det mulig å beregne volumet til stimen. Gjennom allerede etablerte akustiske metoder er det mulig å beregne tettheten av fisk. Når både volumet og tettheten er kjent er det mulig å bestemme hvor mye fisk stimen inneholder.  Ved å sammenligne ekkoet ved ulike frekvenser kan man også artsbestemme fisken. Før man kan lage en tredimensjonal presentasjon må man ha tilstrekkelig kunnskap om hvordan lydbølgen brer seg gjennom sjøen, og det er her mitt arbeid kommer inn. Gjennom bruk av fysiske lover har jeg laget et simuleringsprogram som beregner lydfeltet fra en sylinderformet sonar, hvor dette lydfeltet brer seg i rommet og treffer objekt som sprer lyden.

Formen på lydfeltet

Dette simuleringsprogrammet kan finne både styrken og formen på den utsendte lydbølgen. Lydfeltet består av en hovedlobe, som er retningen til den sterkeste delen av lydfeltet, og flere sidelober som er retningene til de svakere delene av lydfeltet. Ved å øke frekvensen til lydfeltet blir hovedloben smalere mens antallet sidelober øker. En slik endring er vist i figuren under:

Fiskestimen må være plassert i hovedloben for at en skal kunne se den. Det er der den reflekterte lydbølgen er størst. Dersom fisken er utenfor dette området blir den reflekterte lydbølgen så svak at den kan forsvinne i bakgrunnstøyen. Bakgrunnstøy er lydsignaler som hele tiden eksisterer under sjøen og som forstyrrer lydsignalene som vi sender med en sonar. Sonarer i dag kan styre hovedloben, tilte, i den retningen en ønsker. Det gjøres ved å legge til en tidsforskjell i hvert senderelement. I figuren under er det vist simuleringen av et slikt tilfelle hvor hovedloben er rettet 20o ned mot havbunnen i forhold til båten.

Jeg har tidligere nevnt at sonarer kan beregne et vertikalt og et horisontalt utsnitt av en fiskestim. For å beregne det horisontale utsnittet av en fiskestim blir det utsendt en smal hovedlobe slik som det er sett i figurene tidligere. Det horisontale utsnittet forteller hvor stimen befinner seg, men ikke hvor dypt i sjøen den er. Det er derimot mulig dersom en benytter et vertikal utsnitt, altså et bilde som forteller hvor dypt i sjøen stimen svømmer. Det er da en fordel å ha en mye bredere hovedlobe enn det som er sett ved de to figurene tidligere: Da kan man nå fisk ved forskjellige dyp samtidig. Hovedloben blir bredere dersom man justerer spenningen på hvert senderelement. Dette er vist i figuren under.

Når hovedloben blir bredere vil lydbølgen være mye svakere enn om hovedloben var smal. Da må fiskestimen må være mye nærmere båten for at man skal kunne skille ekkoet fra bakgrunnstøyen. Det vertikale utsnittet blir brukt av fiskere når de nærmer seg fiskestimen og vil se hvor høyt de skal plassere trålen.

Sonarer produseres i Norge

Her i Norge har vi én produsent av slike sonarer: Simrad ved Kongsberg Maritim. I figuren ved siden av er det vist det horisontale utsnittet i den store ruten til venstre. Her er det 3 store sildestimer 2-500 meter unna fiskebåten. Nederst i høyre hjørne er det vertikale utsnittet av to av sildestimene. Man kan se at de befinner seg mellom 0 og 100 meter fra overflaten.  Fiskeren kan nå sette ut trålen og fiske silden.

Matematisk modell

For å kunne se hvilken effekt det utstrålte lydfeltet har på et objekt, har jeg i min oppgave valgt å benytte modellen for en rigid kule. En rigid kule er en matematisk modell som beregner hvordan lydbølgen reflekteres, uten at kulen blir påvirket. At den ikke påvirkes gjør at den kalles for ”rigid”. Som for studenter flest, oppstod det problemer som måtte løses før jeg kunne komme videre. I mitt tilfelle var det største problemet at jeg fant to modeller for en slik rigid kule, og det var ikke tidligere vist at de to modellene var like.

Den første modellen, som er mest brukt, er fra 1968. Den andre modellen er 90 år eldre, fra 1878, og har flere figurer med beregninger. De to modellene har svært forskjellig matematisk form. I oppgaven har jeg vist at med de samme antagelsene er de to modellene identiske. Dette er vist gjennom sammenligning og utledning av begge modellene.

Når det nå er vist at disse to modellene er like, så gjør dette at min modell stiller mye sterkere. Det er da også mulig å simulere med den ’nyere’ modellen og sammenligne dette resultatet med de ferdige resultatene fra den ’gamle’ modellen.  Dette gjør arbeidet mye enklere, siden man slipper å være usikker på om en har ’lov’ til å sammenligne de to resultatene.

Vegen videre

I masteroppgaven har jeg som sagt sett på hvordan en kan simulere det utstrålte lydfeltet fra en sylindrisk sonar, oppbygd av flere senderelementer. Til dette har jeg brukt teoretisk fysikk.

I november 2012 var jeg i Barentshavet ombord den norske forskningsbåten G. O. Sars, hvor jeg benyttet sonaren SX-90 til å hente måledata fra en sildestim.  Disse dataene behandler jeg for å finne metoder for å danne 3D-bilder. I første omgang lager jeg bare todimensjonale bilder. Det kan jeg sammenligne med det som ble vist på skjermen til sonaren SX-90, og for å finne ut hvordan en skal behandle signalene for å bedre kvaliteten. I figuren under er det vist det vertikale utsnittet av en fiskestim før behandling. Kan du se fiskestimen?

Den kunnskapen jeg opparbeidet gjennom masteroppgaven benytter jeg nå i en stipendiatstilling ved Havforskningsinstituttet. Her ser jeg på neste del av funksjonen til en sonar, nemlig mottak og prosessering av det reflekterte lydfeltet fra en virkelig fiskestim. Her skal jeg utvikle nye metoder for prosessering slik at det er mulig å lage 3D-bilder av en fiskestim.

  • sture

    nais!