УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА БИОРЕСУРСОВ С ПОМОЩЬЮ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована для исследования биоресурсов, обеспечивая повышение производительности и качества рыбохозяйственной деятельности, мониторинга биосферы в океане в интересах увеличения добычи морепродуктов при условии сохранения и рационального использования биоресурсов океана.
Известно, что для мониторинга биоресурсов, как правило, используются гидроакустические средства (ГАС), работающие в режиме активной гидролокации.
При типовом проектировании гидроакустических комплексов антенное устройство комплекса представляет собой устройство с электроакустическими преобразователями. Аналоговый электрический сигнал от антенного устройства по кабелям подается на комплект аппаратуры предварительной обработки, который расположен на удалении от антенного устройства. Одна из проблем возникающая при разработке комплексов это возникновение в соединительных кабелях электрических наводок, вносящих искажение в принимаемый сигнал и как следствие снижающих эксплуатационные характеристики комплекса в целом. Любой источник электромагнитного излучения создаёт помехи, тем самым снижая качество обработки сигнала, размещение элементов предварительной обработки и оцифровки сигнала внутри антенного устройства, в непосредственной близости от чувствительных элементов, позволяет минимизировать длину линий передачи аналогового сигнала (несколько сантиметров), что обеспечивает снижение уровня наведенных помех, тем самым обеспечивают дальность обнаружения цели и обеспечивают возможность размещение комплекса в любом месте с точки зрения электромагнитной совместимости (универсальность)
Наиболее близким по технической сущности и принятый за прототип является гидроакустический комплекс мониторинга и освещения подводной обстановки по патенту на полезную модель №114170, кл. G01S 15/88, опубл.10.03.2012, содержащий приемную акустическую антенну, состоящую из антенных модулей, выполненных многоэлементными и многоканальными, причем каждый из антенных модулей выполнен с возможностью независимого управления характеристиками направленности.  Данное устройство имеет следующий недостаток
Отдельное выполнение приемной антенны (АП) и излучающей антенны (АИ), это ведет к увеличению габаритов конечного изделия.
Отдельное исполнение генераторного устройства и отдельное исполнение приемно-передающего тракта, это также ведет к увеличению габаритов и наличию протяженных линий передачи аналогового сигнала.
Наличие протяженных линий передачи аналогового сигнала являющихся причиной наведенных шумов в принятом сигнале.
Технической проблемой является устранение отмеченного недостатка. Технический результат заключается в повышении эксплуатационных характеристик за счет снижения уровня наведенных шумов в принятом сигнале.
Проблема решается, а технический результат обеспечивается тем, что устройство мониторинга биоресурсов содержит приемную акустическую антенну, состоящую из антенных модулей, выполненных многоэлементными и многоканальными. Каждый антенный модуль выполнен с возможностью независимого управления характеристиками направленности. Каждый антенный модуль содержит общие для всех каналов трансформатор гальванической развязки с линией FastEthernet, узел подключения к физической среде, узел приема синхросигнала, узел поддержки стека TCP/IP, узел равномерного распределения нагрузки исходящего трафика, детектор начала излучения, узел формирования заголовка пакета, узел управления считыванием, узел загрузки пакета параметров излучаемого сигнала, узел загрузки пакета параметров задержек излучения сигналов, узел загрузки пакета параметров приема сигналов, буферный узел хранения пакетов параметров излучаемого сигнала, буферный узел хранения параметров задержки излучения сигналов, буферный узел  хранения заголовка пакета, узел формирования пакетов данных, буферный узел  хранения пакетов данных, узел формирования сигнала, и содержит для каждого канала свой экземпляр узла формирования сигнала, трансформатора гальванической развязки, узла переключения, усилителя принимаемого сигнала, аналого-цифрового преобразователя и приемно-излучающего пьезоэлектрического преобразователя.
На чертеже (Фиг.1) приведена принципиальная схема устройства мониторинга биоресурсов. Устройство мониторинга биоресурсов состоит из нескольких антенных модулей (А) образующих цилиндрическую антенну, каждый из которых выполнен многоэлементным и многоканальным с возможностью независимого управления характеристиками направленности. Каждый антенный модуль содержит общие для всех каналов трансформатор 1, предназначенный для гальванической развязки с линией FastEthernet; узел 2 физического уровня сети, обеспечивающий подключение к физической среде передачи (медный кабель); узел 3 приема синхросигнала,  предназначенный для выделения синхросигнала из каналов FastEthernet и перевода его в цифровой вид; узел 4 поддержки стека TCP/IP,  обеспечивающего совместимость работы антенного модуля с сетями Ethernet при использование протоколов TCP/IP; узел 5 равномерного распределения нагрузки исходящего трафика, обеспечивающий равномерность отправки сформированных пакетов данных;  детектор 6 начала излучения,  анализирующего синхросигнал и формирующего управляющий импульс "начало излучения"; узел 7 формирования заголовка пакета,  предназначенный  для формирования общей части исходящего пакета данных; узел 8 управления считыванием,  анализирующий  синхросигнал и формирующий управляющие сигналы для работы АЦП; узел 9 загрузки пакета параметров излучаемого сигнала,  выполняющего проверку целостности пакета; узел 10 загрузки пакета параметров задержек излучения сигналов,  выполняющий проверку целостности пакета и проверку значений данных пакета на допустимые пределы изменения; Узел 11 загрузки пакета параметров приема сигналов,  выполняющий проверку целостности пакета и проверку значений данных пакета на допустимые пределы изменения; буферный узел 12 хранения пакетов параметров излучаемого сигнала, обеспечивающий хранение данных излучаемого сигнала и разграничение доступа к ним в режимах чтение/запись; буферный узел 13 хранения параметров задержки излучения сигналов,  обеспечивающий хранение параметров задержки излучения сигналов и разграничение доступа к ним в режимах чтение/запись; буферный узел 14 хранения заголовка пакета,  обеспечивающий хранение общей части исходящего пакета данных и разграничение доступа к нему в режимах чтение/запись; узел 15 формирования пакетов данных,  обеспечивающий формирование пакетов данных, поступающих от АЦП; буферный узел 16 хранения пакетов данных, обеспечивающий хранение сформированных пакетов данных и разграничение доступа к ним в режимах чтение/запись. Кроме того устройство содержит для каждого канала свой экземпляр узла 17 формирования сигнала, осуществляющего генерацию, усиление электрического сигнала излучения для заданного канала и формирующего управляющий сигнал "идет излучение"; трансформатора 18,  предназначенного для гальванической развязки узла 17 формирования сигнала  и узла 19 переключения, выполняющего  коммутацию выводов приемо-излучающего пьезокерамического преобразователя 22 между трансформатором 18 и усилителем 20, обеспечивающим предварительное усиление принимаемого сигнала и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 21, предназначенный  для оцифровки предварительно усиленного сигнала.
Работа устройства мониторинга биоресурсов заключается в следующем.
Каждый антенный модуль (А) выполняет следующие функции:
непрерывный прием акустического сигнала, его обработка и отправка данных по каналу FastEthernet;
прием информации по линиям канала FastEthernet и её обработка;
Непрерывный прием акустического сигнала, его обработка и отправка данных по каналу FastEthernet осуществляется следующим образом:
Принятый акустический сигнал при помощи пьезоэлектрического преобразователя 22 преобразуется в электрический сигнал и через узел переключения 19 подается на вход усилителя 20. С выхода усилителя 20 электрический сигнал подается на аналоговый вход АЦП 21. Поток данных с цифрового выхода АЦП 21 подается на вход узла 15 формирования пакетов данных, которой "раскладывает" их в памяти буферного узла 16 хранения пакетов данных. После того как в буферном узле 16 хранения пакетов данных будут собраны в пакеты данных, они будут отправлены узлом 5 равномерного распределения нагрузки исходящего трафика в узел 4 поддержки стека TCP/IP, откуда данные будут отправлены в узел 2 физического уровня сети, из которого в виде Ethernet пакетов по каналу FastEthernet будут отправлены в аппаратуру обработки сигнала.
Прием информации по линиям канала FastEthernet и её обработка осуществляется следующим образом: в линиях канала FastEthernet принимаются два типа сигнала:
синхросигнал;
сигнал сети Ethernet.
Синхросигнал подается на вход узла 3 приема синхросигнала. Сигнал сети Ethernet подается на Ethernet вход узла 2 физического уровня сети и далее в узел 4 поддержки стека TCP/IP.  Узел 3 приема синхросигнала анализирует полученный из среды передачи сигнал и преобразует его в цифровой вид. Цифровой сигнал подается на входы детектора 6 начала излучения узла 7 формирования заголовка пакета и узла управления считыванием 8. Детектор 6 начала излучения анализирует поступающий на его вход синхросигнал и формирует управляющий сигнал "начало излучения". Этот сигнал подается на вход узла 17 формирования сигнала всех каналов антенного модуля. Узел 17 формирования сигнала, получив управляющий сигнал "начало излучения" от детектора 6 начала излучения, считывает параметры задержки для своего канала из буферного узла 13 хранения параметров задержки излучаемого сигнала и, если обслуживаемый канал выбран для излучения, то начинает формирование излучаемого сигнала в соответствии с параметрами, хранящимися в буферном узле 12 хранения параметров излучаемого сигнала.
Также на период формирования излучаемого сигнала узел 17 формирования сигнала формируют управляющий сигнал "излучение" для узла 19 переключения. Узел переключения 19 при отсутствии управляющего сигнала "излучение" коммутируют выводы приемно-излучающего пьезокерамического преобразователя 22 на вход усилителя 20. При наличии управляющего сигнала "излучение" выводы приемно-излучающего пьезокерамического преобразователя 22 коммутируются на выход трансформатора 18, а вход усилителя 20 замыкается на сопротивление. Узел 7 формирования заголовка пакета анализирует подаваемый на его вход сигнал и формирует заголовок отправляемого пакета, добавляя туда контрольные суммы параметров излучаемого сигнала и параметров задержки излучения, полученные от узла 9 загрузки пакета параметров излучаемого сигнала и узла 10 загрузки пакета задержек излучения сигнала. Сформированный заголовок пакета передается в буферный узел 14 хранения заголовка пакета. Узел 8 управления считыванием анализирует подаваемый на его вход сигнал и формирует управляющие сигналы для работ АЦП 21 всех каналов. Управляющие сигналы формируются всегда, независимо от наличия сигнала на входе устройства. Однако, при наличии входного сигнала, формируемые управляющие сигналы корректируются по фронтам с входным сигналом, обеспечивая синхронность работы АЦП как в пределах одного антенного модуля (А), так и между модулями.
Режим приема сигнала: узел 4 поддержки стека TCP/IP, полученный поток данных отправляет на узел 9 загрузки пакета параметров излучаемого сигнала, узел 10 загрузки пакета задержек излучения сигналов и узел 11 загрузки пакета параметров приема сигналов. Узел 9 загрузки пакета параметров излучаемого сигнала анализирует входящий поток данных и выделяет в них пакет, содержащий параметры излучаемого сигнала. При обнаружении такого пакета в нем будет проверена контрольная сумма и в случае совпадения рассчитанной и полученной сумм данные будут занесены в Буферный узел 12 устройство хранения параметров излучаемого сигнала и контрольная сумма занесена в буферный узел 14 хранения заголовка пакета. Узел 10 загрузки пакета задержек излучения сигнала анализирует входящий поток данных и выделяет в них пакет, содержащий параметры излучения для каналов. При обнаружении такого пакета в нем будет проверена контрольная сумма и в случае совпадения рассчитанной и полученной сумм данные будут занесены в буферный узел 13 хранения параметров задержки излучения сигнала и контрольная сумма занесена в буферный узел 14 хранения заголовка пакета. Узел 11 загрузки пакета параметров приема сигнала анализирует входящий поток данных и выделяет в них пакет, содержащий параметры приема сигнала. При обнаружении такого пакета в нем будет проверена контрольная сумма и в случае совпадения рассчитанной и полученной сумм данные будут переданы в узел 7 формирования заголовка пакета и узел 8 управления считыванием.
Такое техническое решение позволяет обеспечить обработку полученного сигала от близко находящегося объекта с устройство мониторинга биоресурсов и тем самым точно определить его местонахождение и идентифицировать объект.
Разработанное устройство мониторинга биоресурсов с помощью гидроакустических средств позволит уменьшить габариты устройства и исключить протяженных линий передачи аналогового сигнала.