Подводная обсерватория

Подводная обсерватория

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области геофизики, а более конкретно к устройствам измерения геофизических параметров в придонной зоне морей и океанов, и может быть использовано при оперативной оценки сейсмического и гидродинамического состояния районов и прогноза возможных сейсмических и экологических последствий природного и техногенного характера.

Известные автономные донные станции [1, 2, 3] представляют собой цилиндрические или шарообразные корпуса, снабженные балластом для установки их на грунт, внутри и на корпусе которых установлены измерительные датчики и средства обработки первичной информации. В качестве измерительных датчиков используются, как правило, гидрофоны и геофоны. Зарегистрированная датчиками информация хранится на флеш-картах, которые после подъема донных станций обрабатываются на диспетчерских пунктах или считывается по каналам гидроакустической связи. Известные донные станции предназначены в основном для регистрации сейсмосигналов на акватории моря. Так устройство [3] представляет собой морскую автономную донную сейсмическую станцию, устанавливаемую на морское дно преимущественно с плавучих средств. Станция включает герметичный корпус, состоящий из двух полусфер, снабженных в месте сочленения уплотнительным кольцом. Внутри размещена геофизическая аппаратура, включающая измерительные датчики геофонного и гидрофонного типов, модули приема, регистрации, преобразования и хранения зарегистрированных сигналов, блоки сопряжения с бортовым модулем при всплытии, спутниковый и гидроакустический каналы связи, блок ориентации, блок синхронизации, блок управления размыкателем и блок питания. На внешней поверхности корпуса установлены гидроакустическая и спутниковая антенны, средства для поиска донной станции при всплытии, такелажные элементы и разъемы, устройство постановки на дно и обеспечения всплытия донной станции, выполненное в виде якоря-балласта. Технический результат - повышение точности измерений, снижение трудоемкости и изготовления донной станции.

Недостатком известных автономных донных станций является то, что они предназначены для измерения только сигналов сейсмического происхождения. В то же время автономные донные станции могут применяться и при решении таких задач, как изучение строения земной коры в акваториях мирового океана, исследование совокупности проявления геофизических полей в зонах тектонических разломов непосредственно на дне океана, исследование состояния морской среды в придонной зоне и ее взаимодействие с тектоническими процессами, геофизический мониторинг сложных гидротехнических сооружений.

Известны также подводные обсерватории [4, 5, 6, 7, 8], включающие донный сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, блок оптических измерений, средства первичной обработки и хранения информации, средства связи с диспетчерской станцией, установленные на платформе, что позволяет зарегистрировать более полный спектр геофизических сигналов и, как следствие этого, расширить функциональные возможности донных станций.

Недостатком известных подводных обсерваторий является то, что состав измерительных средств не позволяет решить задачу, связанную с исследованием состояния морской среды в придонной зоне при взаимодействии с тектоническими процессами, а также задачу геофизического мониторинга сложных гидротехнических сооружений.

Задачей заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей автономных донных станций.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройство, представляющее собой подводную обсерваторию, состоящую из герметичного корпуса, установленного на раме, и содержащую средства регистрации геофизических сигналов, включающие донный сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, блок оптических измерений, средства хранения информации, средства связи с диспетчерской станцией, датчик пространственной ориентации, радиобуй, балласт, размыкатель балласта, дополнительно введены блок гидрохимических измерений, спектроанализатор, сейсмоакустический блок, блок гидроакустического телеуправления, блок контроля радиоактивного загрязнения, блок регистрации и управления, модем кабельной линии связи, в котором блок гидрохимических измерений своими входами соединен с выходами блока контроля радиоактивного загрязнения, спектроанализатора, а своим выходом соединен с входом блока регистрации и управления, который другими выходами соединен с выходами донного сейсмометра, гидрофизического модуля, датчика магнитного поля, блока оптических измерений, модемом кабельной линии связи, а входом-выходом соединен с входом-выходом блока гидроакустического телеуправления.

Новые отличительные признаки, заключающиеся в том, что в устройство дополнительно введены блок гидрохимических измерений, спектроанализатор, сейсмоакустический блок, блок гидроакустического телеуправления, блок контроля радиоактивного загрязнения, блок регистрации и управления, модем кабельной линии связи, в котором блок гидрохимических измерений своими входами соединен с выходами блока контроля радиоактивного загрязнения, спектроанализатора, а своим выходом соединен с входом блока регистрации и управления, который другими выходами соединен с выходами донного сейсмометра, гидрофизического модуля, датчика магнитного поля, блока оптических измерений, модемом кабельной линии связи, а входом-выходом соединен с входом-выходом блока гидроакустического телеуправления, позволяют решить техническую задачу не только оперативной оценки сейсмического состояния исследуемых районов, но и позволяют решить задачу оперативной оценки гидродинамического состояния на границе вода-грунт, обусловленных влиянием окружающей среды под воздействием процессов природного и техногенного характера. И обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в расширение функциональных возможностей известных устройств, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "изобретательский уровень"

Сущность технического решения поясняется чертежами.

Фиг.1. Подводная обсерватория. Подводная обсерватория состоит из спектроанализатора 1, фермы 2, блока питания 3 для автономной работы, блока контроля 4 радиоактивного загрязнения, прочного корпуса 5, модема кабельной линии связи 6, блока регистрации и управления 7, силовой дуги 8, аппаратуры гидроакустического управления 9, фермы 10, гидрофизического модуля 11, донного сейсмометра 12, блока управления 13 датчиком магнитного поля, катушки прецессии 14, коммутационной коробки 15.

Фиг.2. Блок-схема измерительной аппаратуры. Блок-схема включает блок пространственной ориентации 16, блок контроля 4 радиоактивного загрязнения, гидроакустическую антенну 17, гидрофизический модуль 11, гидроакустический размыкатель 18, донный сейсмометр 12, аппаратуру гидроакустического управления 9, спектроанализатор 1, сейсмоакустический датчик 19, блок регистрации и управления 7, блок гидрохимических измерений 20, антенну спутниковой навигационной системы 21.

Спектроанализатор 1 предназначен для измерения спектров комбинационного рассеяния оптического излучения в составе подводной обсерватории. По спектрам комбинационного рассеивания получают информацию о составе морской воды.

Основные технические характеристики спектроанализатора 1: спектральный диапазон 0,52-0,78 мкм, полоса пропускания 0,54 нм на 0,783 мкм, точность позиционирования по спектру 0,2 нм, число спектральных каналов 4096.

Рама 2 представляет собой металлическую конструкцию и является основанием подводной обсерватории.

Блок питания 3 предназначен для обеспечения автономного питания.

Блок контроля радиационного загрязнения (БКРЗ) 4 предназначен для определения in situ содержания гамма-излучающих радионуклидов (как техногенного, так и естественного происхождения) в морской воде.

Основные технические характеристики блока 4: диапазон регистрируемых энергий 0,2-3,0 мэВ, энергетическое разрешение по линии цезия 137 13%, число уровней квантования спектра 256, максимальное число отсчетов в канале 65 000, максимальная скорость регистрации не менее 1000 1/с.

Прочный корпус 5 выполнен шарообразной формы, внутри которого установлена измерительная аппаратура.

Модем кабельной линии связи 6 предназначен для передачи зарегистрированных параметров на диспетчерскую станцию.

Блок регистрации и управления 7 подводным комплексом (БРУ) предназначен для сбора информации от датчиков подводной обсерватории, привязки ее к системе точного времени, сжатия и передачи по кабельной линии связи через модем кабельной линии связи или для записи информации на жесткий магнитный диск в автономном режиме.

Силовая дуга 8 представляет собой металлическую конструкцию, сочлененную с фермой 10.

Аппаратура гидроакустического телеуправления 9 предназначена для управления режимами работы и тестирования подводной обсерватории, а также подачи сигнала на всплытие радиобуев.

Аппаратура гидроакустического телеуправления 9 состоит из двух частей.

Аппаратура, входящая в состав диспетчерской станции и осуществляющая передачу команд управления на расстоянии до 8 километров, предназначена для управления режимами работы путем передачи гидроакустических команд управления, приема квитанций от подводной обсерватории, подтверждающих выполнение команд, измерения дальности до подводной обсерватории.

Подводная часть аппаратуры гидроакустического телеуправления 9, размещенная в подводной обсерватории, обеспечивает прием и декодирование гидроакустических команд управления режимами работ подводной обсерватории и передачу квитанций, подтверждающих выполнение команд, а также подачу команд на всплытие радиобуев, сообщающих о превышении тех или иных параметров, измеряемых подводной обсерватории при работе в автономном и кабельном режимах. Технические характеристики АГАТ приведены в табл.1.

Таблица 1Технические характеристики АГАТ
Дальность гидроакустической связи, не более, м	8000
Число команд, передаваемое по гидроакустическому каналу	256
Число команд, принимаемое на подводной обсерватории	20
Число одновременно обслуживаемых подводных обсерваторий, не более	10
Формат команды	двоичный девятиразрядный код
Способ модуляции, используемый при передаче команд	многочастотная манипуляция
Диапазон частот сигналов переносчиков команд, кГц	7...10
Вероятность возникновения необнаруженной ошибки при приеме команды, не более, при уровне спектральной плотности шумового давления в зоне расположения подводной гидроакустической антенны АГАТ 0,001 Па/ Гц.	10-7
Аппаратурная среднеквадратическая ошибка измерения времени распространения команд от САГАТ до ПК, не более, при уровне спектральной плотности шумового давления в зоне установки подводной гидроакустической антенны - АГАТ и диспетчерской гидроакустической антенны АГАТ 0,001 Па/Гц	2 мсек
Подводная аппаратура АГАТ
Число принимаемых гидроакустических команд	20
Число передаваемых команд на аварийные радиобуи	5
Число одновременно обслуживаемых подводных обсерваторий	10
Формат команд	двоичный девятиразрядный код
Чувствительность приемника, мкВ, не хуже	10
Мощность, подводимая к подводной гидроакустической антенне АГАТ, Вт	200
Вид связи с блоком регистрации и управления	последовательный порт в стандарте EIA/TIA-232E со скоростью 115200 бит/с
Ток потребления в дежурном режиме, мА, не более	1,0
Напряжение питания, В	24
Ток потребления в рабочем режиме, мА, не более	35
Диспетчерская аппаратура АГАТ
Количество передаваемых команд	256
Чувствительность приемника квитанций, мкВ, не более	15
Вид связи с ЭВМ диспетчерской станции	Параллельный интерфейс ЕРР 1.7 в стандарте IEEE 1284
Напряжение питания, В	+24
Ток потребления, А, не более,	1

Ферма 10 представляет собой металлическую конструкцию и в сочетании с рамой 2, прочным корпусом 5 и силовой дугой 8 является элементом жесткости и обеспечивает ударопрочность подводной обсерватории при ее постановке на дно.

Гидрофизический модуль 11 (ГФМ) предназначен для выполнения измерений следующих величин:

- температуры;

- давления;

- электропроводимости;

- вектора скорости течения (трехосный акустический измеритель течений);

- ориентации платформы обсерватории (величины крен-дифферент).

Технические характеристики ГФМ приведены в табл.2, а общие показатели в табл.3.

Таблица 2Технические характеристики ГФМ
Гидрофизический модуль ГФМ
Величина	Диапазон	Погрешность	Разрешение	Временной дрейф, на 1 месяц
Скорость течения	0÷2 м/с	0.3 см/с	0.03 см/с	0.15 см/с
Направление	360 град	±2 град	1 град	-
Крен-дифферент	30 град	2 град	0.1 град	-
Температура1	-5÷45°С	0.25°С	0.015°С	-
Давление	6000 м	0.5%	0.1%	0.7% на диапазон температур 0÷50 градусов
Электропроводимость	2÷75 мСм/см	0.2 мСм/см	0.02 мСм/см	-
Температура	-2÷35°C	0.01°C	0.0001°C	0.002°С
Давление	7000 м	±0.05%	±7 м	±0.01%
Электропроводимость	0÷70 мСм/см	0.005 мСм/см	0.0001 мСм/см	0.002 мСм/см

Таблица 3Общие показатели назначения ГФМ
1. Напряжение питания	24 В
2. Ток потребления	20 мА
3. Максимальная частота опроса	2 Гц
4. Интерфейс	RS 232/RS-485 (ТТЛ), 9600
5. Период осреднения вектора скорости	1÷900 сек
6. Рабочая глубина	до 6000 м

Донный сейсмометр 12 предназначен для обеспечения непрерывного сейсмического мониторинга морского дна в широком частотном и динамическом диапазоне.

Он включает в себя сейсмические датчики, сейсмоакустический датчик 19, блок пространственной ориентации 16.

Сейсмические датчики представляют собой три компоненты сейсмических датчиков: две горизонтальные и одну вертикальную, и предназначены для преобразования скорости колебания грунта в электрический сигнал в соответствующем динамическом и частотном диапазоне. Технические характеристики сейсмических датчиков приведены в табл.4.

Таблица 4Технические характеристики сейсмических датчиков
Тип сейсмоприемника	СМ-5
Тип канала	велосиметр
Количество сейсмических датчиков	3
Частотный диапазон регистрируемых сейсмических сигналов, Гц	0,03-40
Полный динамический диапазон, дБ, не менее	120
Вид выходного сигнала	аналоговый, парафазный
Диапазон значений выходного сигнала, В, не более	±10
Шумы, приведенные ко входу на частоте 1 Гц, по смещению, м, не более	10-9
Амплитуда калибровочного сигнала при токе нагрузки 4 мА, В, не более	±5
Ток потребления, мА, не более	13
Допустимый угол наклона при сохранении работоспособности, угл. град.	±10

Сейсмоакустический датчик 19 представляет собой трехкомпонентный сейсмоакустический датчик и предназначен для преобразования третьей производной колебания грунта в электрический сигнал в соответствующем динамическом и частотном диапазоне. Основные технические характеристики датчика 19: количество сейсмоакустических каналов 3, частотный диапазон 20-1000 Гц, динамический диапазон в полосе 1/3 октавы и центральной частотой 30 Гц не менее 60 дБ, амплитуда выходного сигнала не более ±10 В, амплитуда контрольного сигнала при токе нагрузки 4 мА не более ±5 В.

Датчик пространственной ориентации 16 предназначен для определения точного положения в пространстве всех сейсмодатчиков.

В качестве датчика используется модуль электрического компаса ТСМ-2 фирмы "Precision Navigation", представляющий из себя трехосный феррозондовый магнитометр и блок электроники выполненные на одной плате.

Технические характеристики датчика пространственной ориентации приведены в табл.5.

Таблица 5Технические характеристики датчика пространственной ориентации
Среднеквадратическое значение ошибки измерения курсового угла при горизонтальном положении датчика, град	±0,5
Разрешение измерения курсового угла, град	0,1
Повторяемость измерения курсового угла, град	±0,1
Погрешность измерения углов наклона, при максимальном отклонении ±20 град, град	±0,2
Разрешение измерения углов наклона, град	0,1
Повторяемость измерения углов наклона, град	±0,2
Погрешность измерения температуры, °С	±1
Разрешение измерения температуры, °С	±1
Время выхода на режим, не более мин	15
Средняя мощность, потребляемая в режиме измерения, не более, Вт	100

Датчик магнитного поля 18 предназначен для измерения абсолютного значения магнитной индукции поля земли в морских акваториях до глубин 6000 м. Основные технические характеристики датчика 18: диапазон измеряемой величины магнитной индукции 20000...100000 нТл, погрешность отсчитывания ±10 нТл.

Датчик магнитного поля 13 с блоком управления и катушкой прецессии 14 предназначен для контроля магнитного поля в точках регистрации геофизических параметров.

Коммутационная коробка 15 обеспечивает связь при подключении внешних устройств при всплытии подводной обсерватории.

Подводная обсерватория также содержит антенны 21 и 17 спутниковой навигационной системы, канала гидроакустической связи соответственно, а также аварийный радиобуй, гидроакустический размыкатель балласта 18 и непосредственно балласт, аналогами которых являются аналогичные узлы и элементы устройства [3].

Блок гидрохимических измерений 21 представляет собой устройство, которое предназначено для классификации загрязнений морской воды по спектральным характеристикам и молекулярному составу морской воды. Аналогами устройств 1, 4, 21 являются устройства, приведенные в источниках (1. Основные процессы и аппаратура химической технологии. / Под ред. Дытнерского Ю.Н. - М.: Химия, 1983. 2. Химико-аналитические комплексы фирмы Agilent Technologies (US), http://www.chem.agilent.com. 3. Химико-аналитические комплексы фирмы SRI Instruments (US), http://www.perichrom.com. 4. Химико-аналитические комплексы ЗАО "Хроматэк" (RU), http://www.chronomatec.ru.).

Диспетчерские станции выполнены в виде береговых сооружений или плавсредств (плавучие, стационарные и заякоренные платформы, суда). Средства диспетчерской станции включают в себя:

- персональный компьютер совместимый с IBM PC;

- приемник спутниковой навигационной системы GPS;

- блок автономного гидроакустического размыкателя;

- аппаратуру гидроакустического телеуправления.

Минимальная конфигурация персонального компьютера включает:

- процессор - Pentium 166 МГц;

- ОЗУ - 32 Мбайт;

- плату SVGA с памятью 1 Мбайт;

- дополнительную плату с двумя последовательными портами с FIFO памятью (UARТ16550-совместимая).

Они используются для обработки информации, полученной с подводной обсерватории.

Программно-математическое обеспечение средств диспетчерской станции предназначено для проверки всех измерительных каналов подводной обсерватории и блока регистрации и управления 7 через последовательный порт RS-485, привязки к системе единого времени внутренних часов блока регистрации и управления 7 посредством аппаратуры гидроакустического телеуправления 9 и приемника GPS, осуществления привязки к географическим координатам посредством аппаратуры гидроакустического телеуправления 9, получения информации по результатах тестовых проверок после установки подводной обсерватории на дно.

Блок автономного гидроакустического размыкателя предназначен для управления работой размыкателя балласта, необходимого для проведения спускоподъемных работ подводной обсерватории.

Алгоритм основного режима работы диспетчерской станции заключается в обеспечении связи между подводным комплексом и диспетчерской станцией, которая осуществляется через оптоволоконный глубоководный кабель по методу доступа с временным разделением абонентов. Каждая подводная обсерватория имеет свой адрес. В этом случае сеть диспетчерских станций работает в симплексном режиме. К одной диспетчерской станции одновременно возможно подключение через глубоководный кабель до 16-ти подводных обсерваторий, работающих в автономном необслуживаемом режиме.

Количество измерительных каналов в каждой подводной обсерватории зависит от решаемой задачи в конкретном месте постановки подводной обсерватории. В принципе максимальное количество цифровых измерительных каналов может быть до 30, а аналоговых - до 6.

Управляющий компьютер диспетчерской станции и программно-математическое обеспечение реального времени предназначены для управления оборудования подводной обсерватории, диагностирования ее неисправностей, приема данных, получаемых с подводной обсерватории, и размещения получаемых данных на устройствах накопления информации. Функционирование всего аппаратно-программного комплекса определяется файлом конфигурации, который создается специальной программой и задает наличие подводных обсерваторий, тип используемых геофизических каналов, параметры каналов, а также наличие или отсутствие аппаратуры синхронизации времени (приемник GPS).

При запуске программы регистрации считывается конфигурация всей сети подводной обсерватории и производится привязка времени по Гринвичу с точностью до нескольких десятков микросекунд и расчет поправок к частоте кварца компьютера для поддержания функционирования комплекса в случае кратковременного отказа приемника GPS. Синхронизация времени осуществляется каждую секунду от приемника GPS.

Вслед за синхронизацией происходит опрос, программирование, синхронизация и запуск оборудования отдельных подводных обсерваторий. Запрашивается состояние оборудования каждой подводной обсерватории (ее исправность, наличие каналов, исправность каналов и т.д.). В случае возникших проблем на экран выдается соответствующее сообщение (оно также записывается в файл протокола функционирования). В блок регистрации и управления подводной обсерватории передается программа работы для каждого измерительного канала, частота опроса и коэффициент усиления.

Перед запуском каждый блок управления и регистрации синхронизируется по времени компьютера диспетчерской станции (в дальнейшем синхронизация проводится каждые 10сек). При синхронизации учитывается время прохождения сигнала от компьютера диспетчерской станции до синхронизируемого блока регистрации и управления. После этого блок регистрации и управления запускается и начинает сбор данных с измерительных каналов. Блок регистрации и управления в каждой подводной обсерватории работает независимо и всю информацию сжимает и складывает в буферную память.

Управляющий компьютер диспетчерской станции циклически запрашивает у соответствующего блока регистрации и управления данные о зарегистрированных датчиками сигналов и, в случае их наличия, принимает их и записывает в свои буфера в оперативной памяти. После накопления достаточного количества данных для канала они переписываются в файл, соответствующий типу канала. Обычно эти файлы расположены на другом компьютере и доступны по локальной сети, хотя для кратковременных экспериментов система может быть сконфигурирована таким образом, что будет использоваться локальный диск. При кратковременных разрывах связи (до 10 мин) данные не теряются в силу наличия у каждого блока регистрации и управления достаточно большого собственного буфера. В процессе обмена данными оператором может быть проведена калибровка любого измерительного канала, входящего в состав сети диспетчерской станции. При возникновении нештатных ситуаций (разрыв связи с подводной обсерваторией, его поломка, отказ отдельных каналов либо восстановления вышеперечисленного), а также некоторых штатных ситуаций - возникновение события или запуск калибровки соответствующего измерительного канала выдается сообщение на экран, включающее время по Гринвичу наступления ситуации, имена подводных обсерваторий и канала и само сообщение. Сообщения также записываются в буфер размером 100 строк и в файл протокола. Буфер может быть просмотрен оператором в любое время.

Измерительные датчики подводной обсерватории после ее постановки на дно функционируют по прямому назначению. Зарегистрированные датчиками сигналы записываются на средства хранения информации, при сеансах связи передаются на диспетчерскую станцию, где выполняется полный анализ оценки сейсмического и гидродинамического состояния исследуемых районов, по результатам которого делается прогноз о возможных сейсмических и экологических последствий природного и техногенного характера.

Аналогами измерительных датчиков являются датчики, описанные в источниках [9-19].

Реализация устройства технической сложности не представляет, так как устройство реализовано на серийно выпускаемых датчиках и элементах микроэлектроники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "промышленная применимость".

Источники информации

1. Патент RU №2270464.

2. Патент RU №2276388.

3. Патент RU №2294000.

4. Патент ЕР №0519031.

5. Патент NO №911639.

6. Патент ЕР №0516662.

7. Средства и методы океанологических исследований. Смирнов Г.В., Еремееев В.Н., Агеев М.Д. и др. - М.: Наука, 2005, c.61-80.

8. Патент AU №2002100749 от 04.09.2002.

9. Патент JP 4-16746.

10. Патент GB №21830038.

11. Патент US №3449950.

12. Патент ЕР №0490993.

13. Патент DE №4039070.

14. Патент FR №85 855258.

15. Патент US №5128907.

16. Патент NO №923428.

17. Патент NO №171084.

18. Патент NO №923269.

19. Ковчин И.С. Автономные океанографические средства измерений. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.

Подводная обсерватория, состоящая из герметичного корпуса, установленного на раме, и содержащая средства регистрации геофизических сигналов, включающие донный сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, блок оптических измерений, средства хранения информации, средства связи с диспетчерской станцией, датчик пространственной ориентации, радиобуй, балласт, размыкатель балласта, отличающаяся тем, что дополнительно введены блок гидрохимических измерений, спектроанализатор, сейсмоакустический блок, блок гидроакустического телеуправления, блок контроля радиоактивного загрязнения, блок регистрации и управления, модем кабельной линии связи, причем блок гидрохимических измерений своими входами соединен с выходами блока контроля радиоактивного загрязнения, спектроанализатора, а своим выходом соединен с входом блока регистрации и управления, который другими входами соединен с выходами донного сейсмометра, гидрофизического модуля, датчика магнитного поля, блока оптических измерений, модемом кабельной линии связи, а входом-выходом соединен с входом-выходом блока гидроакустического телеуправления.