КАБЕЛЬНАЯ ДОННАЯ СЕЙСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ

Техническое решение относится к конструктивному выполнению средств морских сейсмических исследований и может быть использовано для долговременных сейсмологических исследований.
Известны автономные донные станции, представляющие собой корпус-носитель аппаратуры с расположенными внутри электронной аппаратурой, источником питания и измерительными преобразователями, а вне-необходимыми приемными датчиками.
Автономная донная сейсмическая станция (АДСС), принятая в качестве прототипа, [В.В.Перунов, А.Е.Малашенко, В.И.Филимонов, B.C.Рожков, Автономная донная сейсмическая станция, патент №49286, МПК G01V 1/38, дата публикации 10.11.2005], представляет собой глубоководный носитель аппаратуры (НА), состоящий из двух полусфер стянутых болтами на флянцах, для обеспечения герметичности на специальных канавках, прорезанных по кругу, проложены два уплотнительных резиновых кольца. Внутри НА установлены: на верхней полусфере блок системы ориентации, бортовой вычислительный узел (БВУ) устанавливаемого с помощью приборного кольца; на нижней полусфере источник питания, датчик герметичности, трехкомпонентный сесмодатчик, прибор срочности (ПС) и размыкатель (исполнительная часть вынесена наружу на специальную площадку нижней полусферы). Снаружи на верхней полусфере, на площадке установлены низкочастотный гидрофон, ресивер высокочастотный (приемопередающий гидроакустический датчик), предназначенный для гидроакустической связи, датчик давления (ДД), определяющий текущую глубину погружения станции, антенна радиолокационного отражателя и радиопередатчика, проблесковый маяк (ПМ), антенна спутниковой радионавигационной системы (СРНС). За нижнюю полусферу крепится тренога, изготовленная из металлических труб жестко стянутая с помощью исполнительной части размыкателя, который затягивается гайкой, на подошву треноги крепятся башмаки балласты. При этом часть треноги возвращается со станцией, а другая часть с башмаками балластами остаются на дне. Блок системы ориентации состоит из компасного устройства и датчика наклона. Показания с датчика наклона и с компасного устройства заносятся на локальную память и по команде могут быть переданы на блок гидроакустической связи в бортовом вычислительном узле.
При неоспоримых достоинствах прототип имеет существенный недостаток, заключающийся в ограничении налагаемой источником питания автономной системы на длительность непрерывной работы. Это касается в особенности систем предназначенных для долговременной регистрации информации.
Для систем предназначенных для долговременной непрерывной регистрации информации в прибрежных шельфовых районах на границе
свала глубин, данный недостаток можно устранить с помощью кабельных донных станции. С помощью проложенных по дну кабеля осуществляется съем информации, передача команд и электропитания на донную сейсмическую станцию
Предлагаемая полезная модель кабельная донной сейсмической станции (КДСС) предназначена для выполнения долговременных сейсмологических исследований.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании КДСС, позволяющей, в течении длительного времени (нескольких лет) проводить в шельфовой зоне (глубина 200-300 м) на границе свала глубин производить непрерывную регистрацию сейсмических сигналов с трехкомпонентного сейсмодатчика и акустических сигналов с низкочастотного гидрофона при долговременных сейсмологических исследованиях. При этом кабельная донная станция должна иметь возможность возвращения на поверхность моря для выполнения текущих ремонтно-профилактических работ или для проведения модернизации станции, либо при необходимости съема накопленной сейсмоакустической информации с накопителя информации (НИ).
На приемный пункт стационара подается непрерывный поток сейсмоакустической информации, а на накопитель информации (НИ) в КДСС регистрируется по определенному алгоритму, только импульсные сигналы (сигналы землетрясения).
КДСС представляет собой (фиг.1) носитель аппаратуры (НА) 1, состоящий из двух полусфер стянутых болтами 18 на флянцах 17, для обеспечения герметичности на специальных канавках, прорезанных по кругу, проложены два уплотнительных резиновых кольца 16. Внутри НА 1 установлены: на верхней полусфере блок системы ориентации 5, бортовой вычислительный узел (БВУ) 2 устанавливаемого с помощью приборного кольца 19; на нижней полусфере источник питания 3, датчик герметичности 20, трехкомпонентный сейсмодатчик 4 и размыкатель 6 (исполнительная часть вынесена наружу на специальную площадку нижней полусферы). Снаружи на верхней полусфере, на площадке с помощью кабельного ввода 9 осуществляется ввод во внутрь станции легкого сигнального кабеля 9-1, низкочастотный гидрофон 10, ресивер 11 высокочастотный (приемопередающий гидроакустический датчик), предназначенный для гидроакустической связи, антенна 12 радиолокационного отражателя и радиопередатчика, проблесковый маяк (ПМ) 13, датчик давления (ДД) 14, определяющий глубину погружения кабельной станции, антенна 15 спутниковой радионавигационной системы (СРНС). За нижнюю полусферу крепится тренога 7, изготовленная из металлических труб жестко стянутая с помощью исполнительной части размыкателя 6-1, который затягивается гайкой 6-2, на подошву треноги крепятся башмаки балласты 8. При этом часть треноги 7-1 возвращается со станцией, а 7-2 с башмаками балластами 8 остаются на дне. Блок системы ориентации 5 состоит из компасного устройства и датчика наклона (на фиг.1 они не показаны). Показания с
датчика наклона и с компасного устройства заносятся на локальную память и по команде могут быть переданы на блок управления (контроллер) (поз.29 на фиг.4) в бортовом вычислительном узле 2 для передачи на стационар по кабелю и на борт обеспечивающего судна по гидроакустическому каналу связи (по запросу с борта обеспечивающего судна).
Блок питания (вторичные источники тока) 3 собран из аккумуляторных батарей, который непрерывно подзаряжается от стационара по электрическому кабелю и выдает необходимый ряд напряжений питаний для различных блоков и узлов кабельной донной станции. Блок питания установлен таким образом, чтобы центр тяжести собранной станции располагался на нижней полусфере для обеспечения остойчивости кабельной станции на поверхности моря. В случае необходимости источник питания обеспечивает непрерывную работу в течении 3-х месяцев.
Датчик герметичности 20 представляет два контакта, которые при взаимодействии с морской водой замыкают цепь. Датчик герметичности располагается на нижней точке нижней полусферы, обеспечивая, таким образом, контроль за герметичностью станции (при обнаружении течи станции замыкает цепь, давая тем самым команду на блок управления исполнительным механизмом размыкателя (поз.35 на фиг.4)).
Исполнительный механизм размыкателя электромагнитного типа 6 при подаче импульса тока на обмотку электромагнита втягивает сердечник в стакан, при этом сердечник освобождает хвостовик крюка 6-3 и последний под действием силы растяжения проворачивается вокруг своей оси, освобождая серьгу 6-4. Винт 6-5 и гайка 6-2 предназначены для выборки люфта между всплывающей частью треноги 7-1 и частью 7-2 остающейся на дне, что способствует лучшей передаче сейсмических колебаний из грунта на сейсмодатчики.
Легкий сигнальный кабель 9-1 (фиг.2) крепится за возвращаемую раму 7-1 с помощью специальной скобы 9-2. С помощью этой скобы крепится также страховочный фал 9-5. Легкий кабель 9-1 имеет длину соответствующей 1,5-2 кратной глубине места, где производится постановка станции. Один конец кабеля 9-1 заведен в КДСС с помощью кабельного ввода 9, а другой конец кабеля 9-1 заведен в муфту-соединитель 9-3, куда с другой стороны заведен бронированный магистральный кабель 9-4 проведенный со стороны берегового стационара. Муфта-соединитель 9-3 жестко связана с якорем-балластом 8-1. Конец страховочного фала 9-5 закрепляется к балласту 8-1 с помощью кольца 9-6. Такая схема выбрана с целью упрощения и удешевления ремонтно-профилактических работ. Для выполнения этих работ достаточно по команде со стационара или с борта обеспечивающего судна подать команду на отдачу балласта 8. После выполнения команды КДСС отдает балласт 8 и всплывает на поверхность моря. В случае аварийного всплытия, КДСС удерживается в районе постановки якорем-балластом 8-1. Бронированный кабель выбран по причине того, что обычный кабель в прибрежной зоне быстро перетирается вследствие взаимодействия прибойной морской волны и песка, что приводит
к выходу кабеля из строя. Такая конструкция заметно облегчает проведение ремонтно-профилактических работ.
Бортовой вычислительный узел (БВУ) 2 включает в себе (фиг.3): четырехканальный блок фильтрации и усиления (ФУ) 21, обеспечивающий фильтрацию сигналов с выходов трехкомпонентных сейсмодатчиков и низкочастотного гидрофона в полосе 1-60 Гц и усиления сигналов для их передачи на вход блока четырех канального аналого-цифрового преобразователя (ЧАЦП) 22; каналы формирователей (КФ) 23, (КФ1) 28; запускающие импульсы ЧАЦП формируются в таймере 25; накопитель информации (НИ) 24, представляющий собой твердотельную (флэш) память с емкостью порядка 2 Гбайт; запуск НИ осуществляется с помощью порогового устройства (ПУ) 26.
Блок ЧАЦП 22 состоит из четырех 14-разрядных АЦП и имеет четыре выхода; выходы ЧАЦП 22 по отдельности подаются на входные каналы формирователя (КФ) 23, (КФ1) 28, где из сигналов с датчиков и гидрофона формируется массив отдельной выборки с длиной в шестнадцатиразрядное слово (информация занимает четырнадцать младших разрядов, старшие 15 и 16 разряды формируют номера соответствующих информационных каналов, причем 0 соответствует каналу Р, 1 - сейсмическому каналу X, 2 - каналу У, 3 - каналу Z). Для каждого информационного канала формируется файл длиной 250 Кбайт (из расчета, что частота квантования равна 200 Гц и при длине реализации 10 мин., объем реализации составляет 240 Кбайт, на остальные 10 Кбайт записывается наименование файла, свободные ячейки забиваются нулями, причем эти 10 Кбайт формируют начало каждого файла). Для устранения потери информации на каждый канал предусмотрен 16-разрядный (старшие 15 и 16 разряды характеризуют номер соответствующего канала) регистр памяти 27 с объемом памяти 1024 (1К) ячеек, с выхода, которого затем подается на соответствующий канал входа блоков КФ 23 и КФ1 28.
С выхода КФ 23 информация подается с помощью передатчика через специальные соединители на легкий кабель 9-1 и далее по магистральному кабелю 9-4 на береговой стационар.
Ввод информации в НИ 24 осуществляется по команде с адаптивного порогового устройства 26. На вход порогового устройства 26 подается информация с четвертого канала ЧАЦП 22 соответствующего вертикальной компоненте Z трехкомпонентного сейсмодатчика 4. При превышении на определенную величину (10 дБ) текущего значения сигнала относительно усредненного в течение соответствующей 1К отсчету времени предшествующей текущему времени сигнала, вырабатывается команда на одновременное включение КФ1 28 и НИ 24. Одновременно с выхода порогового устройства 26 подается команда таймеру 25 на формирование кода времени, содержащего год, месяц, часы, минуты, секунды, доли секунды с точностью 0,005 сек, который подается на четыре канала блока ФУ 21 для формирования наименования файла. Длина вводимой реализации 10 минут, выбрана с целью регистрации акустической компоненты (Т-фазы)
подводного землетрясения, приходящие в точку регистрации заметно позже сейсмических продольных (Р) и поперечных (S) волн. Если в период ввода информации произошло очередное событие, то с этого момента счетчик вводимых отсчетов обнуляется, и счетчик запускается заново, при этом наименование файла не меняется, т.е. происходит непрерывная регистрация очередного события. Таким образом, в НИ 24 регистрируются все сейсмические события удовлетворяющие выше рассмотренному алгоритму. Таймер 25 представляет цифровой блок, где в качестве тактового генератора использован кварц типа «Гиацинт» с помощью которого формируются, временной код с точностью 0,005 сек и запускающие импульсы с частотой 200 Гц для ЧАЦП 22.
В БВУ 2 располагаются (фиг.4): кроме выше указанного блок управления (БУ) 29, блок управления исполнительным механизмом размыкателя (УИМ) 35, блок гидроакустической связи (ГАС) 34, блок космической навигации (КН) 36, блок пеленгации и локации (ПЛ) 37.
Блок управления 29 представляет собой микроконтроллер, который управляет всеми устройствами КДСС по команде, со стационара полученной по кабельной линии или по команде полученной по гидроакустическому каналу связи либо по радиоканалу (на поверхности моря). В блоке управления ежедневно в 00 ч 00 м 00 с по Гринвичу производится корректировка времени (обнуление таймера). Обнуление производится со стационара в автоматическом режиме.
По сигналу с датчика давления 14 в надводном положении (при аварийном всплытии) БУ 29 включает проблесковый маяк (ПМ) 13, блок пеленга и локации (ПЛ) 37, блок КН 36. Блок 37 через антенну 12 периодически излучает непрерывный тональный сигнал на частоте стандартного пеленгатора, прерываемый кодированным сообщением, содержащим условный номер станции, одновременно готов отразить локационный сигнал со стандартного судового радиолокатора, позволяющий четко отметить местоположение станции. В подводном положении по сигналу с датчика давления 14 БУ 29 отключает выше указанные блоки (36 и 37) и включает блок ГАС 34.
БУ 29 по команде включает или выключает, блок ГАС 34, исполняет все команды, получаемые, с помощью блока ГАС 34 и при необходимости передает через ГАС 34, с помощью ресивера 11 запрашиваемую информацию. Кроме этого БУ 29 управляет режимами регистрации НИ 24 по заданной команде.
При превышении данных с датчика давления 14 предельной величины, например, 1000 метров, либо при обнаружении течи с помощью датчика герметичности 20, либо по команде полученной со стационара, либо по команде полученной по гидроакустическому каналу связи с помощью ресивера 11, либо при превышении угла наклона 30 градусов в блоке системы ориентации 5 блок управления 29 дает команду УЙМ 28 на включение исполнительного механизма 6 (т.е. производится сброс балласта).
Блок КН 36 с помощью антенны СРНС 15 позволяет обеспечивающему судну, осуществляющему поиск станции, с помощью спутниковой радионавигационной системы, определять местоположение станции.
Работа КДСС заключается в следующем. С помощью специального судна-кабелеукладчика прокладывают бронированный магистральный кабель от стационара до места установки КДСС. Конец бронированного магистрального кабеля 9-4 заводится в муфту-соединитель 9-3. С другой стороны муфты-соединителя 9-3 конец легкого сигнального кабеля 9-1, за кольцо 9-6 крепится страховочный фал 9-5. С помощью фала 9-5 устанавливаем на дно якорь-балласт 8-1.
На борту обеспечивающего судна перед постановкой КДСС проходит полный цикл подготовки, включающий в себя включение и тестирование различных узлов и блоков. После цикла подготовки КДСС опускается с борта обеспечивающего судна за борт с помощью выносного крана. Герметичный контейнер 1 (фиг.1) выполненный из алюминиевых сплавов имеет предельную рабочую глубину 1000 м. КДСС производит придонение на треногу-балласт (7, 8). Через определенное время по команде из БУ 29 в блоке системы ориентации 5 фиксируется показания компасного устройства и датчика наклона, которые заносятся на локальную память блока системы ориентации.
Прием сейсмоакустических сигналов производится с помощью низкочастотного гидрофона 10 и с трех сейсмоприемников 4, ориентированных по трем ортогональным направлениям Х, У, Z. После преобразования сигналы Р, X, У, Z непрерывным потоком в цифровом виде подаются на стационар через кабели 9-1 и 9-4.
При регистрации сигналов от землетрясений на накопитель (НИ) 24, включается адаптивное пороговое устройство 26, которое обеспечивает с малой вероятностью пропуска регистрацию этих сигналов. По команде с порогового устройства 26 запись сигналов осуществляется на четыре канала НИ 24 с длительностью 10 мин. Каждая реализация имеет файловую структуру, причем наименование файлов соответствует времени вступления сигналов от землетрясения (по каналу Z).
При выполнении ремонтно-профилактических работ с обеспечивающего судна подается команда на всплытие на блок ГАС 34 по гидроакустическому каналу связи, эти команды исполняются БУ 29, программное устройство дает команду УИМ 35 на отдачу балласта. В случае не прохождения команд команда на сброс может быть продублирована со стационара по сигнальному кабелю.
Экстренное всплытие КДСС может быть осуществлено в случае затекания станции по сигналу от датчика герметичности 20, в случае превышения КДСС глубины погружения 1000 м по сигналу от датчика давления 14, в случае превышения величины 30 градусов в датчике наклона блока ориентации 5 и по команде по гидроакустическому каналу связи через блок ГАС 27.
В момент отдачи балласта (аварийное всплытие или при выполнении ремонтно-профилактических работ) начинает разворачиваться и поплавок 32 закрепленный прямо на треноге 7. Поплавок 32 с намотанным пропиленовым фалом (длина фала 15 метров) предназначен для выборки станции на борт обеспечивающего судна. После всплытия станция включает проблесковый маяк 13 (в ночное время), начинает передавать радиосигнал пеленга через антенну 12 радиолокационного отражателя и радиопередатчика, кодированный сигнал через антенну СРНС 15. В случае приема сигнала от судового радиолокатора, антенна 12 начинает работу и режиме активного отражателя. Обнаруженную станцию
После выборки станции выполняют ремонтно-профилактические работы по устранению дефектов, замене блоков и узлов и модернизации станции на борту обеспечивающего судна. При необходимости осуществляется съем накопленной информации с НИ 24. После выполнения ремонтно-профилактических работ проводя постановку станции по выше рассмотренной технологии.