Морская автономная донная сейсмическая станция (АДСС "Ларге")

МОРСКАЯ АВТОНОМНАЯ ДОННАЯ СЕЙСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ (АДСС «ЛАРГЕ)
Техническое решение относится к конструктивному выполнению средств сейсмических исследований на акваториях и может быть использовано для региональных сейсмических исследований методом глубинного сейсмического зондирования.
Известны глубоководные донные сейсмические станции 4-9, состоящие из подводного (полевого) модуля и бортового модуля, причём подводный модуль включает регистратор, заключённый в герметичный контейнер, снабжённый устройством постановки на дно. При этом в ряде конструкций 2, 3 внутри контейнера размещены трёхкомпонентный геофон, регистратор (накопитель информации), датчики определения положения подводного модуля на дне, источник питания и система самовсплывания. Некоторые сейсмические станции 3,4 дополнительно снабжены гидрофонами. Устройства постановки на дно морских сейсмических станций 2, 3, 9, как правило, включают поплавок, балласт, размыкатель балласта и механизм откидывания блока датчиков. Сигнальные устройства для поиска всплывшего подводного модуля 1 - 3 могут включать радиомаяк, радиолокационный отражатель, источник проблескового огня, а в ряде случаев - гидроакустический маяк.
МПК: G 01 V 1/38
Основные трудности при эксплуатации донных сейсмостанций 2,3 возникают из-за искажений при передаче акустических сигналов на границе дно - прибор вследствие недостаточно надёжного контакта грунта дна с подводными модулями, имеющими, как правило, устройство постановки на дно в виде сборно-сварной конструкции (рамы). Механизмы 2, 3 откидывания и прижатия блоков датчиков к грунту сложны, недостаточно надёжны, контроль их работы трудноосуществим.
Кроме того, в известных донных сейсмостанциях 2, 3, 9 нередко возникают проблемы из-за неточного определения местоположения подводного модуля, как на дне, так и при его всплытии. При этом конструкция известных бортовых модулей сейсмических станций 2, 3 описана лишь в общем виде, что затрудняет их практическую реализацию и применение.
Наиболее полно структура и функциональные связи автономной донной станции, принятой за прототип, приведены в 1.
Автономная станция 1 гидроакустического наблюдения содержит подводный измерительный модуль, вычислительный бортовой модуль, устройство постановки и снятия подводного модуля с дна моря и сигнальные устройства для поиска всплывшего подводного модуля. При этом подводный модуль включает регистраторы гидроакустической информации с соответствующими усилителями, фильтрами, аналого-цифровыми преобразователями, накопитель цифровой информации (процессор), а также устройство определения ориентации подводного модуля, схему единого времени регистрации (схему синхронизации) и источник питания, которые размещены в герметичном контейнере. Вычислительный бортовой модуль включает устройство обработки информации (съёма информации с накопителей подводного модуля), определитель координат, временной
синхронизатор, блок управления, индикатор и блок питания. Устройство постановки и снятия подводного модуля со дна моря содержит механически связанные поплавки, якорь, гидроакустически связанные размыкатель отдачи якоря и гидроакустический блок команды на размыкание, а также гидроакустический маяк-ответчик для поиска подводного модуля на дне моря. Сигнальные устройства для поиска всплывающего подводного модуля состоят из радиолокационного поискового ответчика и источника проблескового огня. По сравнению с донными системами 2, 3 станция 1 позволяет посредством использования гидроакустического маяка-ответчика определять местоположение установленного на дне подводного модуля, однако при его всплытии поиск может быть затруднён вследствие отсутствия резервных устройств поиска всплывшего модуля. Кроме того, донная станция 1 ограничена по применению, поскольку предназначена только для гидроакустического наблюдения и регистрации с помощью датчиков давления (гидрофонов). Основным недостатком станций типа 1, как и 2, 3 является невозможность полной и адекватной передачи колебаний грунта на датчики (установленные на опорной трубчатой раме) и, как следствие, искажение результатов измерений. Использование механизмов откидывания и прижимания к грунту недостаточно эффективно вследствие их сложности, пеконтролируемости и возможности залипания блока датчиков в рыхлом грунте дна. Все перечисленные недостатки снижают точность и надёжность измерений, что, в конечном итоге, понижает качество и адекватность полученных геофизических и гидроакустических данных. Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании морской автономной донной сейсмической станции.
позволяющей обеспечить высокий коэффициент передачи сейсмических колебаний на границах грунт-балласт(якорь)-сейсмограф за счёт плотного, распределённого по плоскости контакта балласта с грунтом, контакта по достаточно большой площади балласта с носителем датчиков и самими датчиками, а также позволяющей получить синергетический эффект при определении местоположения подводного модуля как на дне моря, так и при его всплытии за счёт использования адекватного комплекса средств позиционирования, обеспечивающего надёжное резервирование устройств местоопределения.
Основной технический результат предлагаемого технического решения - повышение чувствительности, точности и надёжности измерений за счёт исключения искажений сигналов при переходе через границу дно - подводный модуль, а также повышение надёжности и точности определения местоположения носителя геофизической аппаратуры как на дне моря, так и при его всплытии.
Технический результат достигается следующим образом.
АДСС «Ларге характеризуется наличием технических и программных средств и содержит устанавливаемый на дне акватории глубоководный самовсплывающий носитель геофизической аппаратуры (НГА) и бортовой вычислительный модуль (БВМ), установленный на борту обеспечивающего научно-исследовательского судна (НИС), находящегося на поверхности акватории у места постановки НГА.
Отличие АДСС «Ларге от прототипа заключается в том, что НГА включает размещенные в герметичном сферическом контейнере блок регистрации, блок определения ориентации НГА, блок синхронизации, блок гидроакустического приёмопередатчика, устройство управления размыкателями, блок определения местоположения НГА при всплытии по сигналам спутниковой радионавигационной системы (СРНС) и блок питания. Снаружи герметичного контейнера установлены
OY/Z. 4
гидроакустический датчик, гидроакустическая антенна, антенна СРНС, устройство постановки и снятия НГА с грунта дна, выполненное в виде якоря-балласта и закреплённое посредством размыкателей в нижней части НГА, и средства для поиска всплывшего НГА, выполненные в виде проблескового маяка и/или активного радиолокационного отражателя.
Отличительной особенностью АДСС «Ларге является то, что блок регистрации включает трёхкомпонентный (х, у, z) сейсмоприёмный модуль (ТСМ) и накопитель измерительной информации (НИ). К первому входу НИ через последовательно соединённые усилитель, фильтр и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) подключён выход ТСМ, ко второму входу НИ через герморазъём и А1Щ подключён выход гидроакустического датчика, к третьему входу НИ через АЦН подключены выходы блока определения ориентации НГА, к четвёртому входу НИ подключён выход блока синхронизации, гидроакустическая антенна через герморазъём подключена к входам блока гидроакустического приёмопередатчика и устройства управления размыкателями, антенна СРНС через герморазъём подключена к входу блока определения местоположения НГА при всплытии.
Основное отличие АДСС «Ларге заключается в том, что якорьбалласт выполнен в виде бетонного диска или прямоугольного параллелепипеда с полусферическим углублением для размещения контейнера НГА с закреплением его посредством размыкателей.
В АДСС «Ларге БВМ содержит блок съёма цифровой информации с НИ НГА, блок управления, а также связанные с блоком управления входами-выходами блок радиолокационного обнаружения всплывшего НГА, блок гидроакустической связи с НГА, блок определения местоположения по сигналам СРНС, устройство синхронизации времени (УСВ), радиохронометр и выполненное в виде
графопостроителя устройство отображения, УСВ связано входамивыходами с блоком определения местоположения по СРНС и радиохронометром, причём блок съёма цифровой информации и блок управления выполнены как специализированные программновычислительные блоки персонального компьютера и/или малогабаритного компьютера «Note book.
АДСС также отличается тем, что герметичный контейнер НГА выполнен из материала, выдерживающего большое гидростатическое давление и механические воздействия при постановке НГА на дно, например, из титана, стекла или высокопрочной пластмассы, и состоит из двух окрашенных люминесцентной краской полусфер, между которыми проложено уплотнительное резиновое кольцо.
При этом АДСС «Ларге отличается тем, что блок определения ориентации НГА выполнен в виде датчиков наклона и азимута, например, вертикального и горизонтального инклинометров или магнитного компаса.
Блок синхронизации НГА выполнен в виде таймера, синхронизированного с радиохронометром и сигналами СРНС перед установкой НГА на дно.
Блок приёмопередатчика выполнен в виде гидроакустического маяка-пингера.
В частных случаях устройство управления размыкателями выполнено с возможностью срабатывания по сигналу таймера или по гидроакустическому сигналу с БВМ.
При этом в качестве СРНС использованы СРНС «НАВСТАР и/или «ГЛОНАСС в дифференциальном режиме. В качестве гидроакустического датчика давления использован гидрофон.
В различных вариантах выполнения АДСС размыкатель выполнен в виде гидроакустического или электрохимического размыкателя.
АДСС «Ларге также отличается тем, что трёхкомпонентный модуль тем включает три геофона или три акселерометра для измерения компонент волнового поля по трём взаимно перпендикулярным осям х, у, z.
При этом отличительной особенностью АДСС «Ларге является то, что НИ выполнен в виде процессора с регистрацией информации на съёмные флэш-карты ёмкостью до 2,0 Гбайт.
В конкретном случае выполнения АДСС ТСМ, усилитель, фильтр и АЦП размещены в одном сейсмоприёмном модуле.
Причём АДСС «Ларге отличается тем, что при обработке информации в БВМ выход НИ подключён к информационному входу персонального компьютера или модуля «Note book, а входы синхронизации НИ подключены к выходам УСВ и радиохронометра.
На фиг.1 приведена обобщённая конструктивная схема носителя геофизической аппаратуры НГА АДСС; фиг.2 иллюстрирует общую схему размещения АДСС при геофизических исследованиях в море; на фиг.З приведена структурная схема аппаратуры, размещённой в герметичном контейнере НГА; на фиг.4 - структурная схема БВМ.
АДСС содержит НГА 1 и БВМ 2 (фиг.1, 2). НГА 1 (фиг.1, 3) включает контейнер 3, блок 4 регистрации, блок 5 определения ориентации НГА, блок 6 синхронизации, блок 7 гидроакустического приёмопередатчика (маяка), устройство 8 управления размыкателями, блок 9 определения местоположения НГА при всплытии по сигналам СРНС, блок 10 питания, гидроакустический датчик (гидрофон) 11, гидроакустическую антенну 12, антенну 13 СРНС, якорь-балласт 14, размыкатели 15, средства 16 для поиска всплывщего НГА (проблесковый маяк и/или радиолокационный отражатель), трёхкомпонентный сейсмический модуль ТСМ 17, накопитель 18 измерительной информации НИ, усилитель 19, фильтр 20, АЦП 21 ТСМ,
герморазъём 22 гидроакустического датчика, АЦП 23 гидроакустического датчика АЦП 24 блока определения ориентации ПГА, герморазъём 25 гидроакустической антенны и герморазъём 26 антенны СРНС.
БВМ 2 включает (фиг.4) блок 27 съёма цифровой информации с НИ, блок 28 управления БВМ, блок 29 радиолокационного обнаружения всплывшего ПГА, блок 30 гидроакустической связи БВМ с ПГА, блок 31 определения местоположения по СРПС, устройство 32 синхронизации времени УСВ, радиохронометр 33, устройство 34 отображения информации (графопостроитель), причём блоки 27 и 28 включены в персональный компьютер (или модуль «Note book) 35.
Работа АДСС «Ларге заключается в следующем.
С обеспечивающего ПИС ПГА 1 опускается на дно моря. Герметичный контейнер 3 ПГА 1 выполнен из материала, выдерживающего большое гидростатическое давление и механическое воздействие при постановке ПГА 1 на дно, например из титана, стекла или высокопрочной пластмассы, и состоит из двух окрашенных люминесцентной краской полусфер, между которыми проложено уплотнительное резиновое кольцо, что позволяет устанавливать ПГА 1 в глубоководных (до 6000м) районах акваторий. Свободное погружение ПГА 1 осуществляется под действием якоря-балласта 14, который при опускании на дно обеспечивает плотное прилегание (контакт) плоского основания якоря-балласта 14 к морскому дну. Поскольку контакт контейнера 3 ПГА с якорем-балластом 14 на достаточно большой площади (полусфере сферического контейнера), то это обеспечивает высокий коэффициент передачи сейсмических колебаний на границах грунт - балласт (якорь) - блок 4 регистрации. Приём сейсмической информации (компонент волнового поля) осуществляется тремя геофонами (или тремя акселераторами) по трём ортогональным
V
.iwr
направлениям х, у, z ТСМ 17, сигналы с выхода которого через усилитель 19, фильтр 20 и АЦП 21 поступают на первый вход накопителя 18 информации НИ, который выполнен в виде процессора с регистрацией информации на съёмные флэш-карты ёмкостью до 2,0 Гбайт. При этом ТСМ 17, усилитель 19, фильтр 20 и АЦП 21 в целях модульного построения блока регистрации размещены в одном модуле. На второй вход НИ 18 через герморазъём 22 и АЦП 23 поступает информация от гидроакустического датчика 11 (гидрофона). На третий вход НИ 18 через АЦП 24 поступают сигналы с выхода блока определения ориентации НГА, представляющего в частном случае выполнения датчики наклона и азимута контейнера 3, например вертикальный и горизонтальный инклинометры. Синхронность записи данных в НИ 18 обеспечивается блоком 6 синхронизации, который может быть выполнен в виде таймера, синхронизированного с радиохронометром 33 БВМ 2 и/или по сигналам СРНС перед установкой НГА 1 на дно.
После проведения запланированных донных сейсмических исследований посредством размыкателей 15 контейнер 3 НГА 1 отделяется от якоря-балласта 14 по сигналу с устройства 8 управления размыкателями, которое выполнено с возможностью срабатывания по сигналу таймера или по гидроакустическому сигналу. Размыкатели 15 могут быть выполнены в виде гидроакустических или электрохимических размыкателей, причём гидроакустический размыкатель срабатывает по сигналу, принятому гидроакустической антенной 12 и поступившему через герморазъём 25 на блок 7 гидроакустического приёмопередатчика, выполненного в виде маяканингера.
После всплытия контейнера 3 на поверхность его поиск и обнаружение производится с использованием средств 16
т
(проблескового маяка и/или радиолокационного отражателя), а также при помощи гидроакустического маяка 7. Местоположение всплывшего контейнера 3 НГА с высокой точностью определяется при использовании дифференциального режима СРНС «Навстар и/или «ГЛОНАСС посредством антенны 13 СРНС, сигналы с которой через герморазъём поступают на вход блока 9 определения местоположения. Для поиска всплывшего НГА 1 служат: блок 30 гидроакустической связи БВМ 2 с гидроакустическим маяком 7 НГА 1, блок 31 БВМ 2 определения местоположения по СРНС «Навстар и/или «ГЛОНАСС в дифференциальном режиме. Тем самым реализуется комплекс средств позиционирования, обеспечиваюш;ий надёжное резервирование устройств местоопределения.
В БВМ осуш;ествляется обработка сейсмических данных, в результате которой отображаются и документируются разрезы осадочной толщи земной коры и определяются скоростные характеристики основных слоев. Блоком 27 производится съём цифровой информации с флэш-карт НИ 18 с синхронизацией данных посредством УСВ 32 и радиохронометра 33, установка которого производится по часам СРНС «Навстар и/или «ГЛОНАСС с помощью блока 31. Результаты исследований в виде разрезов и карт визуализируются и оформляются на устройстве 34 отображения информации (графопостроителе). Работой всех блоков БВМ 2 управляет блок 28 управления БВМ 2, причём блок 28 управления и блок 27 съёма цифровой информации выполнены как специализированные програмновычислительные блоки персонального компьютера (или малогабаритного компьютерного модуля «Note book) 35.
Таким образом, совокупность известных из 1 - 3 и новых признаков АДСС «Ларге позволяет реализовать высокий (близкий к единице) коэффициент передачи сейсмических колебаний грунта на
датчики путём оптимального контакта грунта с НГА и тем самым повысить чувствительность, точность и надёжность измерений за счёт исключения возможных искажений при переходе через границу дноНГА. Кроме того, достоинством АДСС «Ларге является возможность параллельного использования нескольких средств поиска всплывшего НГА с определением его точного местоположения, что обеспечивает надёжность и безотказность работы АДСС.
Примечание. Специальное название АДСС «Ларге является аббревиатурой названия фирмы «ЛАборатория Региональной ГЕодинамики (LARGE Ltd.), директором которой является профессор Л.А.Савостин.
gooi- f
A2.
ИСТОЧНИКИ ИО УРОВИЮ ТЕХНИКИ I. Нрототип и аналоги:
1.Св-во на ПМ №24890, МПК G 10 К 11/00, G 01 Н 17/00, опубл. 27.08.2002: БИНМ №24, с.459 - 460 (прототип).
2.Соловьёв С.Л., Контарь Е.А., Дозоров Т.А., Ковачёв С.А. Глубоководная донная самовсплывающая сейсмическая станция АДС-8. - Изв. АН СССР. Физика земли, 1988, №9, с.75 - 85 (аналог).
3.Ocean Bottom Seismometer (OBS) Systems. Company Profile/ Нроспект фирм Kieler Umwelt und Meerestechnik GmbH (K.U.M.), SignalElektronik und Netz-Dienste GmbH (SEND), April 2002, 1 Ip (аналог).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
4.А.с. СССР №1557539, МНК G 01 V 1/38, опубл.: Б.И., 1990, №14,с.215.
5.А.с. СССР №1833824, МНК G 01 V 1/38, опубл.: 15.08.93: Б.И., 1993,№30, С.20.
6.А.с. СССР №1669297, МНК G 01 V 1/38, опубл.: Б.И., 1991, №29.
7.А.с. СССР №1664039, МНК G 01 V 1/38, опубл.: Б.И., 1991, №26.
8.А.с. СССР №1118198, МНК G 01 V 1/38, 1984.
9.Белавин Ю.С. Автономная аппаратура для сейсмических исследований в океане. - Труды Сах КНИИ ДВНЦ АН СССР, вып. 23, 1972,с.91-96.