ДОННАЯ СТАНЦИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНО-РЕГИСТРАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА

Полезная модель относится к океанологии, конкретно, к автономным донным гидроакустическим станциям и может использоваться для продолжительных стационарных измерений вариаций акустического давления в составе измерительных комплексов, в том числе в режиме реального времени.
Автономные донные акустические станции, способные вести запись акустического сигнала на встроенный накопитель и передавать данные по кабельной линии на телеметрический буй для обеспечения режима акустического мониторинга в режиме реального времени известны.
Например, известны акустические регистраторы (автономные донные акустические станции) производства RTsys (http://www.rtsys.eu/en/wp-content/uploads/EA-SDA14_DataSheet_020.pdf; http://www.rtsys.eu/en/wp-content/uploads/Sylence_DataSheet_004.pdi), способные вести запись акустического сигнала на встроенный накопитель и передавать данные в цифровой форме по кабельной линии. Однако эти станции не имеют средств для параллельной обработки потоков данных - для записи на встроенный накопитель и для передачи на телеметрический буй.
Известна также мини донная станция ic-Listen Smart Hydrophone (http://oceansonic.com/iclisten-smart-hydrophones/), которая может быть подключена через кабельную линию к телеметрическому бую (http://planet-ocean.co.uk/PDF/Acoustibuoy.pdf). Однако эта станция не имеет средств для параллельной обработки потоков данных - для записи на встроенный накопитель и для передачи на телеметрический буй. Кроме того, эта станция не имеет возможности длительной записи прямого акустического сигнала из-за малого объема внутренней памяти (32 ГБ).
Наиболее близкой к заявляемой является донная станция автономной радиогидроакустической системы для мониторинга акустических сигналов на шельфе (п. РФ №86003 U1). Система включает донную станцию, содержащую источники питания, акустический регистратор и кодирующий модуль. Акустический регистратор содержит платы предварительной аналоговой обработки сигналов и плату промышленного компьютера, содержащего встроенный АЦП, процессор и накопитель на жестком диске, а кодирующий модуль включает АЦП, микроконтроллер и драйвер кабельной линии.
В данной станции образованы два измерительных тракта: канал прямой записи измерительного сигнала от гидрофона (первичного преобразователя акустического давления) на жесткий диск промышленного компьютера и канал передачи данных по радиоканалу. Оба канала цифровые. Канал прямой записи обеспечивает динамический диапазон 75 дБ в частотном диапазоне 1-15000 Гц. Канал передачи данных по радиоканалу обеспечивает динамический диапазон 75 дБ в частотном диапазоне 2-2000 Гц.
Однако динамический диапазон измерений в данной системе ограничивается наводками от жесткого диска на аналоговые цепи и вибрациями жесткого диска, фиксируемыми акустическим трактом. Система требует батарей питания высокой емкости, достаточной для непрерывной работы компьютера донной стации и радиопередатчика в течении времени акустического мониторинга.
Задача полезной модели - расширение возможностей подводных гидроакустических систем, минимизация аппаратной части.
Технический результат - повышение динамического диапазона измерений акустического сигнала, упрощение схемы и снижение веса и габаритов.
Поставленная задача решается донной станцией для гидроакустического измерительно-регистрационного комплекса, содержащей источник питания и акустический регистратор, при этом станция оборудована платой АЦП, вход которого соединен с выходом первичного преобразователя акустического сигнала, а выход параллельно соединен с акустическим регистратором и с субмодулем преобразования частоты дискретизации и драйвера кабельной линии, а акустический регистратор выполнен на основе микроконтроллера и твердотельных накопителей.
В отличие от прототипа, где реализовано два измерительных тракта - прямой записи измерительного сигнала и передачи данных в телеметрический буй, каждый из которых снабжен отдельным АЦП, в заявляемом решении используется единый АЦП. Распараллеливается не аналоговый сигнал, полученный от первичного преобразователя, а цифровой поток на выходе АЦП, а понижение частоты дискретизации в соответствие с требованиями телеметрии производится посредством субмодуля преобразования частоты дискретизации в цифровой форме. Такое решение сокращает количество аналоговых электронных цепей, требующих применения прецизионных электронных компонентов и точной настройки, что удешевляет станцию, повышает ее надежность. Кроме того, сокращение числа аналоговых электронных цепей, снижает чувствительность схемы к наводкам и таким образом создает условия для снижения уровней собственных шумов электроники, что расширяет динамический диапазон, повышает качество и область применения станции.
Использование в заявляемой станции единого АЦП и выполнение акустического регистратора на базе микроконтроллера и твердотельного накопителя не имеющего движущихся механических частей с низким потреблением энергии и соответственно с низким уровнем наводок на аналоговые цепи АЦП позволяет получить динамический диапазон измерительно-регистрационного тракта не ниже 140 дБ (в 1 Гц окне БПФ) в частотном диапазоне 2-15000 Гц. По этим же причинам существенно по сравнению с прототипом уменьшился вес и габариты станции заявляемого комплекса. Время непрерывной работы донной станции возрастает до 4 месяцев от 40 батареек D типа (у прототипа 3 месяца от 400 батареек).
Конкретная аппаратная реализация заявляемой станции может быть выполнена различным образом с использованием стандартных известных на сегодняшний день составляющих элементов. Например, АЦП может быть выполнено в виде печатной платы на основе микросхемы сигма-дельта АЦП AD7767-2 производства Analog Devices. Вместо платы промышленного компьютера установлен микроконтроллер, например типа PIC32MX795F512H производства Microchip.Твердотельный накопитель может быть реализован, например, на базе SD-карт памяти.
Источники питания станции могут быть выполнены, например, с использованием 1 или 2-х модулей питания, содержащих по 40 батареек D типа.
На фиг. 1 приведена структурная схема комплекса, где 1 - первичный преобразователь акустического сигнала; 2 - донная станция; 3 - якорь; 4 - телеметрический буй; 5 - кабельные линии.
На фиг. 2 приведена функциональная схема комплекса на базе заявляемой донной станции, где 6 - АЦП, 7 - акустический регистратор; 8 - субмодуль преобразователя частоты дискретизации и драйвера кабельной линии; 9 - источник питания комплекса.
Комплекс на базе заявляемой станции работает следующим образом.
С выхода первичного преобразователя (1) сигнал поступает в станцию (2) на плату АЦП (6), выполненную, например, по следующей схеме: каскад, выполняющий одновременно функции буферного малошумящего усилителя и фильтра нижних частот третьего порядка для защиты от наложения спектров, затем 24-разрядный сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь, с выхода которого последовательность 24-битных слов данных поступает параллельно на регистратор (7) и на субмодуль (8) преобразователя частоты дискретизации и драйвера кабельной линии. Регистратор (7) записывает измеренный сигнал на съемные твердотельные накопители, например, SD карты типов SDHC или SDXC. Субмодуль понижает частоту дискретизации данных с 30240 Гц до 4200 Гц, что обусловлено пропускной способностью УКВ канала передачи данных телеметрического буя, путем цифровой фильтрации, аппроксимации и взятия отсчетов сигнала с выходной частотой дискретизации. Далее по кабельной линии (5) данные подаются в телеметрический буй (4).
Заявляемая донная станция в составе гидроакустического измерительно-регистрационного комплекса прошела успешные испытания в лабораторных и натурных условиях. Летом 2015 г, во время сейсморазведки на северо-восточном шельфе о. Сахалин, в акустическом мониторинге было задействовано 22 описанных донных станций.
Таким образом, предлагаемая схема реализации двух трактов обработки данных в заявляемой станции путем разделения потоков данных с выхода АЦП для прямой записи и для телеметрии и использование малопотребляющей, с низким уровнем наводок на аналоговые цепи и без движущихся механических частей электроники, дает возможность работать комплексу в режиме акустического мониторинга реального времени, при этом позволяет получить динамический диапазон измерительно-регистрационного тракта не ниже 140 дБ в частотном диапазоне 2-15000 Гц, увеличивает время непрерывной работы донной станции, снижает ее вес и габариты.