ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В МЕЛКОВОДНЫХ АКВАТОРИЯХ

Полезная модель относится к гидроакустике, в частности, к измерениям параметров звуковых волн в акваториях и может быть использована для измерений и мониторинга вертикального распределения скорости звука, температуры и уровня поверхности в мелководных акваториях: заливах, проливах, в области океанического шельфа, во внутренних природных и искусственных водоемах.
сигн
шум
сигн
шум
Известна система для оперативного мониторинга за состоянием океана (п. РФ №2282217, МПК G01V 1/38). Система включает многоканальные устройства регистрации, которые устанавливают на носителях, размещенных на морском дне и в морской среде. Носители, размещенные в водной среде, соединены между собой каналом гидроакустической связи и установлены с образованием веерных зон по азимуту и ярусных зон по месту угла. Глубина дрейфа носителей, расположенных в морской среде (ныряющие носители), устанавливается как половина среднего расстояния по вертикали между донными носителями многоканальных устройств регистрации и дрейфующими на поверхности. Всплытие на поверхность донных и ныряющих носителей многоканальных устройств регистрации выполняют одновременно, регистрацию сигналов генерируемых водной средой и средой на границе вода-грунт выполняют синхронно с привязкой к единому времени и календарю. Однако, данная система реализует пассивную методику измерений акустических сигналов. Уровни мощности регистрируемых датчиками полезных сигналов, в этом случае, крайне малы и соответствуют уровням окружающих шумов, что приводит к принципиальным сложностям выделения информационной части сигнала на уровне шума (А/А≅1) и как результат, снижению точности измеряемых параметров и невозможности постоянного контроля процессов в водной среде (например, при увеличении техногенного уровня шума или увеличения уровня шума в результате природных процессов до А<А).
В работе «Acoustic Oceanographic Buoy testing during the Maritime Rapid Environmental Assesment'2003 sea trial» (Proceedings of ECUA' 2004, p.271-279) описана схема эксперимента с целью быстрого дистанционного сбора гидрофизических данных в условиях мелкого моря с помощью технической системы акустических (томографических) измерений, включающей подводный акустический излучатель, буксируемый кораблем, свободно дрейфующий акустический океанографический радиобуй и аппаратно программный комплекс для акустических измерений и расчетов параметров среды, размещенный на корабле. Определение расстояний между излучателем и приемником производят с помощью системы GPS. Излучают сложный импульсный сигнал и регистрируют серию отраженных от границ и прошедших через исследуемую среду, импульсов. Расчет параметров среды проводят на основе метода решения обратной задачи акустической томографии океана, модифицированной для случая свободно дрейфующих приемных гидрофонов.
Данная техническая система измерений имеет большие погрешности определения параметров среды за счет невысокой точности определения дистанции по GPS между акустическим излучателем и приемниками звука. Вследствие этого невозможно определить точные времена прихода сигналов и выполнить идентификацию групп собственных лучей для функции отклика акустического канала на каждом гидрофоне. Также данная система не позволяет проводить мониторинг параметров среды и процессов во времени вдоль конкретного направления или между конкретными точками в пространстве ввиду неуправляемого дрейфа приемного радиобуя. Постановка судна с излучателем и радиоокеанографического буя на якоря только частично решает задачу точного определения дистанции между источником и приемниками акустических сигналов, так как не позволяет разместить их стационарно в пространстве. Следует также отметить высокую стоимость проводимых измерений с использованием данной системы, что ограничивает круг ее применимости.
В решении, приведенном в п. США №4805160, МПК G01V 1/00; G01V 1/22 и предназначенном для глубокого моря, предлагается устанавливать как минимум 4 автономных излучателя S1-S4 (R1, R2, R3, R4) вблизи оси подводного звукового канала (ПЗК) на глубине ~1300 м. Каждый излучатель закрепляют в пространстве с помощью троса и донного якоря. Четыре приемопередатчика R1-R4 также располагаются на оси ПЗК и закрепляют с помощью тросов и донных якорей на расстоянии 100-400 км от излучателей. В области между излучателями и приемопередатчиками на поверхности океана располагают плавающий буй-ретранслятор, соединенный сигнальным кабелем с акустическим приемником, расположенным на оси ПЗК и закрепленным с помощью троса и якоря на дне. Излучатели S1-S4 последовательно излучают импульсные сигналы, которые принимаются и передаются приемопередатчиками R1-R4. Переданные приемопередатчиками R1-R4 сигналы принимаются акустическим приемником буя-ретранслятора. Преобразованные в код с помощью аппаратуры преобразования на буе-ретрансляторе, эти сигналы в режиме реального времени передаются с помощью радиопередатчика с антенной, на спутник и с него на береговой пост.
Данная техническая система предлагается для измерений и контроля параметров среды в крупномасштабных областях, включающих объекты в виде течений и вихрей открытого океана. Система не предполагает дистанционного и в реальном масштабе времени управления излучением (выбор мощности и параметров сигналов), что в силу высокой изменчивости уровней шумов и принимаемых сигналов, может приводить как к замираниям, так и перегрузкам по уровню при их приеме. Ввиду того, что излучатели и приемники расположены в среде, а их закрепление производится с помощью гибких тросов на дне, то расстояния между излучателями и приемниками меняется во времени и зависит от глубины размещения, течений и условий обтекания систем в точке установки. Неконтролируемое изменение дистанции и положения излучателей и приемников также приводит к ошибкам при расчете параметров среды в процессе томографического восстановления и, как следствие, общему снижению точности получаемых результатов. Поскольку система предназначена для продолжительного периода наблюдений глобальных процессов требуется длительное автономное энергообеспечение и высокая надежность используемых электронных и механических блоков, что при практической реализации приведет к высоким стоимостным затратам на создание и эксплуатацию данной технической системы.
Наиболее близкой к заявляемой является система из двух автономных акустических станций для дистанционных измерений профилей скорости звука и векторов течений в условиях мелководных акваторий с точной временной синхронизацией сигналами системы GPS. В состав каждой из станций входят: обратимый акустический преобразователь для излучения и приема сигналов, связанный кабелем с донным аппаратным цилиндрическим контейнером, в котором располагаются, усилитель мощности излучаемых сигналов, усилитель принимаемых сигналов и аккумуляторный блок питания электронной аппаратуры, плавающая на поверхности буй-веха с антенной GPS, связанная кабелем с донным контейнером и содержащая на нижнем конце другой контейнер с автономным одноплатным компьютером, систему спутникового позиционирования GPS, блок питания и кабель, связывающий компьютер и буй-веху. Для точного измерения времени распространения импульсных сигналов между стационарно установленными на дне ресиверами используют сигналы точного времени системы GPS. Запись принимаемых сигналов и первичная обработка проводится с помощью компьютера станции, а параметры среды определяют только после подъема станций и переноса полученных данных на стационарный береговой компьютер (Гончаров В.В., Иванов В.Н., Кочетов О.Ю., Курьянов Б.Ф., Серебряный А.Н. К локальной акустической томографии на морском шельфе. Доклады XXII сессия Российского акустического общества и Сессия Научного совета по акустике РАН, М., 2010, с.225-228).
Однако данная система не позволяет получать информацию в реальном масштабе времени, не дает возможности управления параметрами излучения в реальном времени и оперативного реагирования на возникающие изменения в исследуемой среде, что особенно актуально при длительных наблюдениях. На решение данной задачи и направлен предлагаемый гидроакустический комплекс дистанционного мониторинга гидрофизических параметров.
Технический результат - повышение оперативности измерений параметров среды и характеристик динамических процессов в мелководных акваториях и расширение технических возможностей измерений за счет управления режимами излучения в различных (включая экстремальные) условиях.
Поставленная задача решается гидроакустическим комплексом дистанционного мониторинга гидрофизических параметров в мелководных акваториях, включающим стационарно размещенные в акватории гидроакустический излучатель, соединенный электрическим кабелем с береговым постом, и приемный гидрофон, соединенный сигнальным кабелем с радиогидрофизическим буем (РГБ), снабженным донным якорем, при этом РГБ включает радиопередатчик, соединенный через блок АЦП с приемным гидрофоном, блок GPS - ГЛОНАСС позиционирования и аккумуляторный блок автономного питания РГБ, а аппаратура берегового поста состоит из приемника радиосигналов и последовательно соединенных с ним блока регистрации сигналов, блока цифровой корреляционной обработки сигналов и блока управления и отображения результатов, соединенного с блоком формирования фазоманипулированных импульсных сигналов, который через блок усиления и согласования соединен с гидроакустическим излучателем, а также включает автономный блок системы точного времени, соединенный с блоком формирования фазоманипулированных импульсных сигналов, блоками регистрации и корреляционной обработки сигналов.
За счет передачи в реальном времени в блок корреляционной обработки и регистрации берегового поста, принятых гидрофоном сигналов, которые излучаются гидроакустическим излучателем и распространяются в исследуемой среде, достигается получение информации в реальном масштабе времени, а за счет соединения гидроакустического излучателя с блоком усиления и согласования и блоком управления и отображения результатов берегового поста - возможность управления мощностью и параметрами излучения в реальном времени и оперативного реагирования на возникающие изменения в исследуемой среде. Наличие автономного блока точного времени, расположенного в составе аппаратуры берегового поста, позволяет синхронизировать процессы излучения, приема, регистрации импульсных сигналов и обеспечивает заданную точность измерения времени распространения импульсных акустических сигналов в среде.
На фиг 1 схематично изображен заявляемый гидроакустический комплекс, где 1 - гидроакустический излучатель, 2 - гидрофон, 3 - радиогидроакустический буй, 4 - береговой пост, 5 - донный якорь.
На фиг.2 приведена блок-схема работы заявляемого комплекса, включающая блок гидроакустического излучателя, блок аппаратуры берегового поста, блок радиогидрофизического буя и блок приемного гидрофона.
Заявляемый комплекс работает следующим образом. Фазоманипулированный импульсный сигнал, сформированный в блоке формирования (4.3), синхронизированный с сигналами точного времени блока (4.2), поступает через блок усиления и согласования (4.4) по электрическому кабелю (1.1) на гидроакустический излучатель (1) и излучается в измеряемую среду. Прошедший в среде акустический сигнал регистрируется приемным гидрофоном (2). Сигнал с гидрофона по сигнальному кабелю (электрическому или оптическому) поступает на блок АЦП (3.3) радиогидрофизического буя (3). Далее цифровые сигналы с блока АЦП (3.3) и блока позиционирования GPS-ГЛОНАСС (3.2) с помощь радиопередатчика с антенной (3.1) передаются на радиоприемник с антенной (4.1), распложенный на береговом посту (4). Принятые приемником (4.1) сигналы, синхронизируются с помощью сигналов блока системы точного времени (4.2) и поступают в блок регистрации (4.5) и блок корреляционной обработки (4.6). В блоке корреляционной обработки (4.6) производится свертка принятых гидрофоном (2) сигналов с электронной маской сигнала, сформированного в блоке формирования (4.3). Результаты корреляционной обработки поступают в блок управления и отображения результатов (4.7), где производится в реальном масштабе времени расчет и отображение на экране дисплея функции отклика акустического канала, времен прихода отдельных импульсов, а также рассчитанные по временам прихода импульсов вертикальные профили скорости звука и температуры, а также вариации уровня в пространстве между излучателем и гидрофоном. Корректировка уровня мощности и параметров излучаемого сигнала производится в режиме реального времени с помощью блока управления (4.7) на основании оценки качества полученных результатов измерений оператором.
Отличительными признаками заявляемого комплекса являются наличие берегового поста, оборудование поста и РГБ приемопередающей радиосистемой, соединение гидроакустического излучателя с береговым постом, а также оборудование берегового поста автономным блоком точного времени.
За счет перечисленных конструктивных изменений комплекса решается поставленная задача и достигается заявленный технический результат, а именно, оперативность проведения измерений и отображение результатов в режиме реального времени, за счет передачи измеренных сигналов по радиоканалу на береговой пост и надежность и независимость получения информации в периоды техногенных угроз и в экстремальных природных условиях, связанных как с водной средой, так и со состоянием атмосферы. Возможность управления параметрами излучения в реальном времени в заявляемой полезной модели позволяет расширить технические возможности измерений для широкого диапазона соотношений сигнал/шум, как за счет изменений мощности излучаемых сигналов, так и за счет изменений параметров сигналов (частоты, длительности, параметров фазовой модуляции). Это необходимо, например, в условиях долгосрочных наблюдений, когда уровень окружающего шума при приеме сигналов может значительно увеличиваться за счет природных процессов (ветер, волнение, дождь, шумы биологического происхождения), техногенных шумов в акваториях (строительные, транспортные, производственные и др.). В прототипе изменение параметров излучения можно производить только после получения доступа к контейнеру с компьютером и анализа полученных результатов, при этом в случае, если уровень шумов за прошедший интервал наблюдений превышал уровень сигналов, получить измеряемые параметры в прототипе будет невозможно.
Заявляемая полезная модель была реализована при проведении комплексных гидрофизических исследований в бухте Витязь в летне-осенний период 2011 года в части разработки методов и систем акустической томографии в условиях мелководных акваторий. Работы проводились на МЭС Шульц ТОЙ ДВО РАН в бухте Витязь. Использовались технические системы: стационарный акустический излучатель, акустическая автономная приемная система на базе радиогидробуя (РГБ) и система формирования, излучения, приема и корреляционной обработки, принимаемых импульсных акустических сигналов. Измерения и расчет (в реальном времени) функции отклика акустического канала и параметров среды, с синхронизацией по сигналам высокостабильной системы точного времени, выполнялись с помощью аппаратно-программного комплекса. Гидрологическое и навигационное обеспечение работ проводилось с помощью стандартного оборудования (GPS, эхолот, зонд STD) размещенных на яхте Орлан и на быстроходном моторном катере.
-8
Техническая реализация полезной модели включала размещение гидроакустического пьезокерамического излучателя на глубине 13,9 метров на расстоянии 310 метров от берегового поста. На расстоянии 808,5 метров от излучателя был поставлен на якорь радиогидрофизический буй, с приемным гидрофоном, установленным также на дне, на глубине 12,5 метра. Излучался фазоманипулированный импульсный сигнал с параметрами: несущая частота - 2 кГц, модуляция м-кодом с числом символов 255 / 4 периода на символ, с длительностью 0,51 секунды. Использовался приемный сферический пьезокерамический гидрофон с параметрами: диаметр - 50 мм, диаграмма направленности - круговая, АЧХ - 400-5000 Гц /3дБ, чувствительность - 120 мкВ/Па. Пьезокерамический излучатель имел следующие характеристики: пьезокерамическое кольцо с размерами - Н=12,5 см, Dвнеш=30 см, Dвнут=24 см, резонансная частота - 2000 кГц, добротность - 3, диаграмма направленности - круговая в горизонтальной плоскости и тороидальная ~80 градусов в вертикальной плоскости. Использовался приемо-передатчик Icom IC-F16 в диапазоне УКВ, несущая частота от 136.000 до 174.000 MHz с полосой пропускания 80 кГц и максимальной мощностью 1 Вт. Блок системы точного времени представлял собой цифровой таймер на основе высоко стабильного генератора опорных частот MV-103 с относительной нестабильностью частоты - 10. Блок корреляционной обработки реализован по технологии ПЛИС с использованием контроллера Altera FPGA Starter Board Cyclone III. Разрядность блока АЦП составляла 14 бит. Блок автономного питания обеспечивал время работы РГБ до 7 суток. Блок управления и отображения результатов реализован на базе типового ПК с ЖК монитором.
В процессе тестирования комплекса выполнялись измерения функции отклика акустического канала, вертикальных профилей скорости звука и температуры, а также уровня моря в области бухты между излучателем и гидрофоном с периодичностью измерений один раз в минуту с циклами непрерывных измерений от одного часа до двух суток. С целью обеспечения метрологического контроля измерений абсолютных величин заявляемых параметров, синхронно выполнялся гидрологический промер параметров среды с помощью зонда STD, и проводилось сравнение табличных данных баротропного прилива в месте проведения измерений с измеренными параметрами вариаций уровня моря. На фиг.3, приведен пример отображения измеренной функции отклика акустического канала и рассчитанного вертикального профиля скорости звука для этого измерения. На фиг.4 приведены результаты акустического мониторинга профиля скорости звука и температуры в течение 450 минут и результаты мониторинга изменений уровня моря для района измерений. На фиг.5 приведены результаты мониторинга вертикального распределения температуры в течение 10 часов и, для сравнения, на Фиг.6 результаты измерений вертикального профиля температуры среды с помощью зонда STD в этот период времени.