УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ГАЗОВЫХ "ФАКЕЛОВ" НА ДНЕ ВОДОЕМОВ

Полезная модель относится к геофизике, а именно к устройствам для определения местоположения источников всплывающих со дна океанов, морей и других водоемов газовых пузырьков, образующих газовые «факела».
На многих участках Мирового океана со дна поднимаются пузырьки газа, которые зачастую образуют в водной толще устойчивые области их повышенной концентрации - газовые «факела» (ГФ). Источники ГФ - области пузырькового истечения, встречаются в широком диапазоне глубин, от мелководья до нескольких сотен метров, а нередко на глубинах километр и более. Определение местоположения источников ГФ представляет большой практический интерес, поскольку они создают вокруг себя уникальное биогеохимическое и гидродинамическое окружение и оказывают существенное влияние на вертикальный транспорт газов, бактерий, осадков, поверхностно активных и питательных веществ. Кроме того, источники ГФ зачастую располагаются в местах выхода газогидратов метана к поверхности морского дна, а обнаружение газогидратов, являющихся перспективными источниками энергии, весьма актуально, поскольку в ближайшем будущем они могут заменить в качестве сырья нефть, запасы которой на Земле ограничены. (Ginsburg G.D., Soloviev V.A., Cranston R.E., Lorenson T.D., Kvenvolden K.A. Gas hydrates from the continental slope, offshore Sakhalin Island, Okhotsk Sea // Geo-Marine Letters. 1993. V. 13. P. 41-48).
Известно устройство, основанное на оптическом наблюдении за всплывающими пузырьками, позволяющее визуально определять местоположение источника ГФ (Blanchard D.C., Woodcock A.H. Bubble formation and modification in the sea and its meteorological significance // Tellus. 1957. V. 9. Р. 145-158). Устройство состоит из погружаемого блока, в состав которого входят источник света и регистратор в виде видео/кинокамеры или фотоаппарата. Устройство опускают на необходимую глубину и с его помощью визуально производят поиск источника ГФ.
Недостатком устройства, основанного на оптическом наблюдении, является то, что с его помощью можно обнаружить источники ГФ только на мелководье, поскольку всплывающие пузырьки должны попадать в поле зрения фото или видео/кинокамеры. В случае глубоководных ГФ, когда источники расположены на глубинах, превышающих сотни метров, такое устройство является не эффективным.
Известно устройство, основанное на излучении и приеме акустических сигналов, которое позволяет обнаружить ГФ и определить местоположение источника ГФ. (Зоненшайн Л.П. Газовый источник на дне Охотского моря // Природа 1987. №8. С.53-57). Известное устройство состоит из генератора электрических импульсов, электроакустического преобразователя, усилителя и регистратора. Акустический сигнал излучается в направлении дна. Рассеяный в водной толще сигнал поступает на преобразователь, преобразуется в электрический сигнал, который поступает на вход усилителя и далее после выпрямления на регистратор, где происходит его запись на эхоленту в виде эхограммы. На эхоленте в оттенках серого отображаются все рассеивающие звук объекты, в том числе морское дно и газовые пузырьки. При пересечении судном ГФ на эхоленте появляется изображение ГФ в виде наклонной вытянутой области повышенного рассеяния. Наклон области на эхограмме связан с углом наклона потока всплывающих со дна пузырьков и параметрами регистрации. Обычно за местоположение источников ГФ принимаются координаты судна в момент регистрации максимального эхосигнала от ГФ при его пересечении.
К недостаткам известного устройства следует отнести низкую точность определения местоположения источников ГФ, поскольку при записи сигналов на эхоленту время регистрации максимального эхосигнала от ГФ трудно определить с большой точностью. Кроме того, устройство не регистрирует координаты самого судна при пересечении ГФ.
Наиболее близким к заявляемому устройству является гидроакустический комплекс, позволяющий определять координаты источника ГФ. Принцип его работы основан на излучении и приеме акустических сигналов. Комплекс выполнен на основе эхолота ELAC (ФРГ), соединенного с компьютером, связанного с системой, определяющей текущие координаты судна. (Саломатин А.С., Юсупов В.И., Ли Б.Я. Дистанционные акустические исследования водной толщи и дна океана: аппаратура и методика // Дальневосточные моря России. М.: Наука, 2007. Кн. 4: Физические методы исследования. С.87-110). Комплекс состоит из генератора электрических импульсов, сигнал с выхода которого поступает на вход-выход электроакустического преобразователя. С выхода преобразователя сигнал поступает на вход усилителя, и далее усиленный сигнал поступает на вход компьютера, где визуализируется на экране в виде эхограммы. Электрический импульс, поступающий на вход электроакустического преобразователя, преобразуется в звуковую волну, которая распространяется в сторону дна. Звуковая волна отражается от пузырьков и возвращается в обратном направлении к электроакустическому преобразователю, который преобразует ее в электрический сигнал. Усилитель усиливает сигнал, который визуализируется на экране компьютера. На экране появляется изображение пузырьков, рассеивавших в обратном направлении звук. Процесс повторяется раз в одну или несколько секунд. В компьютер вводятся также сигналы с системы (приемник GPS), определяющей текущие координаты судна. При прохождении судна над газовым «факелом» на экране компьютера появляется изображение газового «факела» в виде наклонной области повышенного рассеяния в водной толще (Саломатин А.С., Шевцов В.П. Юсупов В.И. Океанологические исследования с помощью эхолотов. Опыт двадцатилетнего использования//Доклады 9-ой школы-семинара акад. Л.М.Бреховских. Москва, 2002, С.250-253). За местоположение источника ГФ принимают координаты судна в момент регистрации максимального эхосигнала от ГФ при его пересечении.
Недостатком прототипа является то, что точность определения местоположения источника ГФ зависит от расположения области эхосигнала (области повышенного рассеяния) от ГФ относительно дна. Если судно прошло непосредственно над источником ГФ, то эта область повышенного рассеяния на эхоленте соприкасается с изображением морского дна, и в этом случае точность определения местоположения источника ГФ максимальна. При пересечении ГФ на некотором расстоянии от источника ГФ область повышенного рассеяния от ГФ на эхоленте не соприкасается с изображением морского дна, и в этом случае точность определения местоположения источника ГФ уменьшается и определятся этим расстоянием.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение точности определения местоположения источника ГФ.
Технический результат достигается за счет определения и учета угла наклона потока всплывающих пузырьков от источника ГФ в пространстве.
Поставленная задача решается устройством для определения местоположения источника газового «факела» на дне водоемов, содержащим генератор электрических импульсов, соединенный с входом-выходом электроакустического преобразователя, выход которого соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом компьютера, соединенного с системой определения текущих координат судна, при этом устройство дополнительно содержит интегратор электрических сигналов и пороговое устройство, вход которого связан с выходом усилителя, а выход соединен с входом интегратора электрических сигналов, выход которого соединен с входом компьютера.
Предложенная конструкция устройства за счет использования в ней порогового устройства и интегратора электрических сигналов позволяет по обнаруженной авторами зависимости вертикального размера области ГФ на эхограмме в момент пересечения ГФ судном от угла наклона ГФ в пространстве с большой степенью точностью определить угол наклона ГФ в пространстве, по которому, зная наклон ГФ на эхограмме и направление генерального течения, определяют местоположение источников ГФ на дне океанов, морей и других водоемов.
Предложенное устройство позволяет более точно по сравнению с прототипом определять местоположение источника ГФ при пересечении судном ГФ на разном расстоянии от местоположения источника ГФ.
Блок-схема заявляемого устройства представлена на фиг.1, где (1) - генератор электрических импульсов, (2) - электроакустический преобразователь, (3) - усилитель, (4) - компьютер, (5) - система определения текущих координат судна, (6) - пороговое устройство, (7) - интегратор электрических сигналов.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Генератор 1 электрических импульсов периодически выдает электрические импульсы, которые поступают на вход электроакустического преобразователя 2, который преобразует их в звуковую волну и посылает в воду. Звуковая волна отражается от всплывающих в водной толще пузырьков и возвращается к электроакустическому преобразователю 2, который преобразует ее в электрический сигнал, поступающий на вход усилителя 3. Усилитель 3 усиливает, выпрямляет этот сигнал и посылает его на компьютер 4 и пороговое устройство 6. На экране компьютера 4 появляется изображение области эхосигнала от ГФ. Сигнал с выхода порогового устройства 6 поступает на вход интегратора электрических сигналов 7 и далее поступает на вход компьютера 4, который по значению сигнала на выходе интегратора электрических сигналов 6 с учетом глубины пересечения ГФ, координат судна в момент его пересечения, определенных системой 5 определения текущих координат судна, и направления генерального течения, вводимого оператором, вычисляет местоположение источника ГФ на дне и отображает на мониторе компьютера 4 полученный результат графически или в цифровом виде.
1
2
Принцип действия заявляемого устройства основан на обнаруженной авторами зависимости вертикального размера области ГФ на эхограмме на экране компьютера 4 в момент пересечения ГФ судном от угла наклона ГФ в пространстве. На фиг.2 условно изображен электроакустический преобразователь 2, полуширина главного лепестка диаграммы направленности которого составляет φ. ГФ, который расположен под судном на глубине Н, условно показан в виде расположенных на наклонной прямой пузырьков. Угол наклона ГФ к вертикали составляет α и определяется соотношением скорости всплытия пузырьков к скорости течения. В данный момент времени область с повышенным уровнем рассеяния на эхограмме эхолота фиксируется в стороне от источника ГФ и занимает диапазон глубин ΔН от R до R. Как легко получить из геометрических соображений:
Из формулы видно, что диапазон глубин изображения ГФ на эхограмме в данный момент времени линейно зависит от Н и сложным образом от угла наклона ГФ α. Зависимость (8) можно преобразовать к виду:
На фиг.3 представлен вид зависимости α от f при φ=5°. В представленном диапазоне углов наклона ГФ эта зависимость хорошо аппроксимируется полиномом:
Д
Таким образом, по эхограмме на экране компьютера в момент пересечения ГФ определяется ΔН как вертикальный размер участка повышенного рассеяния в водной толще. Затем по формуле (9), зная Н, определяется f. Далее по формуле (10) определяется угол наклона ГФ. Таким образом, на первом этапе по вертикальному размеру области ГФ на эхограмме в момент пересечения ГФ определяется реальный угол наклона ГФ в пространстве α. Далее из простых геометрических соображений с учетом направления генерального течения определяется расположение источника ГФ относительно судна. На фиг.4 в трехмерной системе координат (оси X, Y, Z) представлена схема, поясняющая этот расчет. На фиг.4 поверхность моря совпадает с плоскостью Z=0, а поверхность дна - с плоскостью Z=Н. Судно, двигаясь в направлении оси X, при Х=В, Y=0 пересекает ГФ (показан пунктирной линией), расположенный в пространстве под углом α к вертикали, в точке А на глубине Н. Источник ГФ расположен в точке D. На данный рисунок условно помещена эхограмма, плоскость которой совпадает с плоскостью Y=0, и все размеры которой совпадают с реальными. Изображение ГФ на эхограмме фиг.4 выделяется в виде серого эллипса, ось которого наклонена к вертикали под углом β и пересекает ось Х в точке Е. Из фиг.4 видно, что:
Д
Из фиг.4 также видно, что располагая информацией о реальном (α), видимом по эхограмме (β) углам наклона ГФ, глубине пересечения ГФ (Н) и глубине дна (Н) определяются местоположение двух симметричных, относительно плоскости Y=0 точек D и С. Для того чтобы выбрать точку, соответствующую источнику ГФ (D), необходимо воспользоваться дополнительной информацией о направлении генерального течения в данном месте, вводимой оператором. В случае, представленном на фиг.4, направление генерального течения имело отрицательную компоненту по оси Y, поэтому из двух найденных по формулам (11) и (12) точек, следует отбросить точку С и в качестве источника ГФ выбрать точку D. Поскольку координаты судна в точке В известны (определяются соединенной с компьютером 4 системой определения текущих координат судна 5), предложенный алгоритм, определяя поправки BE (ось X, совпадающая с направлением движения судна) и DE (ось Y, перпендикулярная направлению движения судна), позволяет определить месторасположение источника ГФ (точка D на фиг.4).
1
2
1
2
2
1
Автоматическое определение диапазона глубин с повышенным уровнем рассеяния ΔН в момент пересечения ГФ осуществляют с помощью последовательно соединенных порогового устройства и интегратора электрических сигналов. Пороговое устройство работает таким образом, что если сигнал на входе меньше величины порогового значения, то сигнал на выходе равен нулю. Если сигнал на входе порогового устройства равен или превышает пороговое значение, то сигнал на выходе порогового устройства принимает значение единицы. В этом случае в момент пересечения ГФ при глубинах меньших R и больших R сигнал на выходе порогового устройства будет равен нулю. А при глубинах больших R и меньших R сигнал на выходе порогового устройства будет равен единице. В этом случае сигнал на выходе интегратора будет пропорционален величине ΔН=R-R.
Выбор порогового значения определяется конкретными параметрами рассеянного сигнала при пересечении ГФ и в соседних фоновых областях.
Технические характеристики используемых элементов и блоков заявляемого устройства определяются параметрами измеряемой среды и условиями измерений.
Пороговое устройство и интегратор выполняют, например, на стандартных микросхемах, транзисторах или с применением обычного микропроцессора. Информация о направлении генерального течения заводится в компьютер оператором либо вводится автоматически.
Натурные испытания устройства были проведены в рейсе НИС "Академик М.А.Лаврентьев" на шельфе о. Сахалин в Охотском море.
Д
Устройство для определения местоположения источника ГФ включало генератор электрических импульсов, вырабатывающий сигналы длительностью 0,8 мс с частотой заполнения 12 кГц, поступающие на электроакустический преобразователь пьезоэлектрического типа, расположенный в днище судна на глубине 4,5 м ниже ватерлинии. Ультразвуковые сигналы излучались и принимались в вертикальном направлении. Усилитель, соединенный с электроакустическим преобразователем с помощью гибкого кабеля, осуществлял усиление и выпрямление принятого электроакустическим преобразователем эхо-сигнала. Сигнал с усилителя подавался на компьютер Silvio с процессором AMD Athlon и звуковой картой Creative Labs и отображался на его экране. Сигнал с усилителя подавался также на вход порогового устройства и затем на интегратор, собранных на базе стандартных микросхем. Уровень срабатывания порогового устройства был выбран равным 25 мВ. При превышении этого значения сигнал на выходе порогового устройства составлял 4 В. Сигнал с выхода интегратора поступал на компьютер. В момент пересечения ГФ сигнал с выхода интегратора соответствовал протяженности сигнала повышенного рассеяния от ГФ ΔН=32 м. Измеренная по эхограмме компьютера величина ΔН оказалось равной 33 м. Глубина ГФ при его пересечении составила Н=520 м, глубина дна в месте измерения - Н=700 м. Определенный по ΔН угол наклона ГФ составил α=52°. Определенный по эхограмме угол наклона изображения ГФ составил β=44°. Расчитанные на компьютере поправки с учетом направления генерального течения, которое имело отрицательную компоненту по оси Y, составили: по направлению движения (ось X) - 174 м, а по направлению, перпендикулярном направлению движения, (ось Y)+151 м. Таким образом, для определения искомого местоположения источника ГФ на карте за исходную точку берутся координаты судна при пересечении ГФ, далее по направлению движения судна от этой точки откладывается расстояние - 174 м (174 м в направлении противоположном движению судна) и, затем в направлении, перпендикулярном к движению судна, откладывается расстояние +151 м (вправо от направления движения судна).
Таким образом, совокупность всех существенных признаков предложенного устройства, в том числе использование порогового устройства и интегратора электрических сигналов, позволяет получить заявляемый технический результат и решить поставленную задачу.