ДОННЫЙ МОДУЛЬ СЕЙСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ

Полезная модель относится к морским автономным станциям для проведения сейсмической съемки в различных климатических условиях на акваториях с глубинами от 0 метров до 500 метров и в прибрежной зоне, и на суше для получения бесшовного профиля.
Известны многочисленные донные сейсмические станции, состоящие из подводного модуля и бортового модуля. (RU 24890, 2002; RU 111691, 2020; RU 2572047, 2015; RU 2554283, 2915; RU 28778, 2003; RU 2294000, 2007; Современные донные станции для сейсморазведки и сейсмологического мониторинга / Зубко Ю.Н., Левченко Д.Г., Леденев В.В., Парамонов А.А // Научное приборостроение, 2003, том 13, №4, с. 70-82.)
Подводный модуль представляет собой, как правило, герметичный корпус, снабженный устройством постановки на дно, внутри которого размещена аппаратура регистрации гидроакустических сигналов с соответствующими фильтрами, формирователями, преобразователями, накопителями информации, схему синхронизации, источник питания и устройство определения ориентации подводного модуля (RU 2294000, 2007).
Основным недостатком известных станций является невозможность полной и адекватной передачи колебаний грунта на датчики измерения сигналов, что в сочетании с наличием границы грунт-металл вызывает дополнительные погрешности при прохождении акустических сигналов и в конечном итоге приводит к искажению результатов измерений.
Известна конструкция донного модуля для сейсморазведки и сейсмологического мониторинга, включающее герметичный корпус, внутри которого размещена геофизическая аппаратура, включающая измерительные датчики-геофоны и гидрофоны, блок управления и регистрации включающий модули приема, регистрации, преобразования и хранения зарегистрированных сигналов, выполненных под управлением процессора, блоки сопряжения с внешними устройствами, в том числе бортовым модулем при всплытии, спутниковый и гидроакустический каналы связи, блок ориентации, блок синхронизации, блок управления размыкателем и блок питания. На внешней поверхности корпуса установлены гидроакустическая и спутниковая антенны, средства для поиска донного модуля при всплытии, такелажные элементы и разъемы, устройство постановки на дно, выполненное в виде якоря-балласта (RU 2294000, 2007).
К числу недостатков данной конструкции следует отнести ограниченный диапазон применения в прибрежной зоне, на мелководье и сложность формирования бесшовного сейсмического разреза на границе суши и сопряженных участках шельфа.
Наиболее близким к заявляемому устройству является донная станция (RU 111691, 2011), содержащая правую ортогональную тройку геофонов, например, из геофонов GS-20DX, имеющих частотный диапазон входных сигналов от 10 до 250 Гц и чувствительность 27 В/м/сВ, в качестве гидрофона, предназначенного для приема звуковых и ультразвуковых волн, распространяемых в водной среде, может быть использовано любое известное в данной области техники оборудование, работающее, например, в частном диапазоне от 2 до 100 Гц и обладающие чувствительностью, не менее 25 мкВ/Па. Для определения положения станции в пространстве используют цифровой компас, например, компас-инклиномер HMR 3300 фирмы Honeywell, обеспечивающий диапазон измеряемых углов: по азимуту 360 градусов, по крену и дифференту +\-60 градусов от вертикали; точность измерения углов +1-2 градуса. Блок управления и регистрации может быть реализован на базе известных систем с микроконтроллерами, например, фирмы Analog Devise.
Основным недостатком известных станций является недостаточная чувствительность в связи с использованием, как правило, промышленных геофонов типа GS-20DS с полосой пропускания 10-250 Гц и не обладающих высокой чувствительностью.
Задачей, решаемой авторами заявленного технического решения, является повышение достоверности регистрации сейсмических колебаний на дне моря при исследовании характеристик сейсмического волнового поля верхней части разреза земной коры морского дна в шельфовых и транзитных зонах.
Технической задачей, решаемой авторами, является повышение точности и надежности регистрации слабых сейсмических сигналов за счет расширения диапазона частот, повышения чувствительности, а также повышение точности определения положения станции на дне моря за счет снижения магнитного поля станции.
Поставленная задача решается за счет того, что подводный модуль донной станции, состоящий из герметичного корпуса, включающего блок геофонов, гидрофон, источник питания, цифровой блок управления и регистрации, опорный генератор, датчик пространственной ориентации, отличается применением в блоке геофонов трех взаимно перпендикулярных молекулярных немагнитных геофонов, жестко соединенных через блок регистрации с датчиком пространственной ориентации, способных регистрировать сигналы от 1 Гц и выше.
Технический результат достигается использованием донного модуля, содержащего герметичный корпус с контейнером цилиндрической формы, снабженного защитными элементами, предохраняющими корпус от механических повреждений, электрический герморазъем, вакуум-порт и индикатор состояния, связанные с расположенной внутри контейнера платой соединителя, объединенной с помощью мультиплексных каналов связи с платой регистратора и интерфейсной платой в блок управления и регистрации, работающий под управлением микроконтроллеров. При этом плата соединителя соединена с платой цифрового компаса, платой опорного генератора и блоком питания, а плата регистратора содержит четыре одинаковых, раздельных канала соединений с блоком геофонов и гидрофоном с обеспечением возможности приема, обработки и записи во флеш-память сейсмических колебаний по четырем компонентам в направлениях X, Y, Z от блока геофонов и компоненте Н от гидрофона. При этом в качестве геофонов используются блок из трех взаимно перпендикулярных молекулярных немагнитных геофонов, с полосой пропускания 1-300 Гц и чувствительностью 100 В/(м/с), жестко соединенный с блоком управления и регистрации.
Оптимальный результат достигается, если в качестве геофонов он содержит молекулярные геофоны ГМ-07 компании ООО «Физтех Моргео».
Особенностью предлагаемого решения является то, что собственное магнитное поле модуля снижено до минимально возможного за счет применения немагнитных материалов в конструкции, немагнитных датчиков, электронных узлов с малым потреблением, что позволяет использовать в качестве датчика пространственной ориентации высокоточный измеритель углов.
В результате появляется возможность регистрировать сигналы от 1 Гц и выше без искажений, что упрощает обработку сейсмического сигнала.
Общий вид модуля представлен на фиг. 1, где используются следующие наименования: 1 - корпус; 2 - аккумуляторы блока питания; 3 - блок управления и регистрации; 4 - блок геофонов; 5 - винты; 6 - винты; 7 - контроллер блока питания; 8 - винты.
Донный модуль представляет собой малогабаритный компактный герметичный сборный корпус 1 цилиндрической формы с фиксируемой, выпуклой верхней крышкой и радиусным скруглением боковой поверхности в области смежной с плоским дном. В корпус установлены: аккумуляторы блока питания 2, блок управления и регистрации 3, а так же блок геофонов 4.
Блок геофонов 4 крепится к корпусу винтами 5. Блок управления и регистрации 3 с размещенным в нем датчиком пространственной ориентации крепится с помощью винтов 8 к блоку геофонов 4. Блок питания 2 с размещенным на нем контроллером 7 крепится к корпусу модуля винтами 6.
В процессе эксплуатации донный модуль может находиться как на дне акваторий, во время непосредственно работ на профиле, так и на любых плавсредствах, включая маломерные суда, понтоны. В помещении на плавсредстве, модули должны быть установлены в ячейки технологического стеллажа, обеспечивающие их надежное крепление во время шторма.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
С судна донный модуль с прикрепленными буем и якорем погружается на дно акватории. При приближении ко дну за счет смещенного центра тяжести модуля и стабилизирующего действия растяжек корпус станции ориентируется дном вниз и в таком положении ложится на дно. Таким образом, корпус 1 с плоским дном и полукруглой крышкой обеспечивает надежный контакт модуля с морским дном при любых его рельефах и составе.
В рабочем состоянии, а так же при длительном хранении модуля, полость внутри герметичного корпуса должна находиться под пониженным атмосферным давлением, около 0,1 атм. Тем самым повышается надежность герметизации корпуса и обеспечивается отсутствие влаги внутри контейнера. Это производится через так называемый вакуум-порт с помощью вакуум-насоса, который представляет собой отверстие малого диаметра закрытое в нерабочем состоянии заглушкой.
Прием компонент волнового поля осуществляется молекулярными немагнитными геофонами по трем ортогональным направлениям и гидрофоном. Геофоны собраны в блок 4, жестко прикрепленный винтами 5 к донной части корпуса модуля. Сейсмический сигнал от X, Y, Z каналов блока геофонов поступает на плату коммутации, одновременно с сигналом гидрофона, находящегося внутри корпуса, но имеющего через отверстия в корпусе связь с водной средой. С платы коммутации на геофоны 4 заведено питание. Сигнал на плате коммутации поступает на четыре раздельных управляемых аттенюатора-усилителя, которые позволяют оптимально настроить каналы для планируемых геофизических исследований. При этом более сильный сигнал геофонов может быть ослаблен, а более слабый сигнал с гидрофона может быть предварительно усилен. Сигналы с платы коммутации поступают на вход платы регистратора, расположенной в блоке управления и регистрации 3. Блок регистрации жестко соединен с блоком геофонов 4 с помощью винтов 8.
На плате регистратора сигнал каждого канала поступает на многофункциональный чип, состоящий из программируемого усилителя и АЦП. Усиленный в соответствии с предустановленными для каждого канала коэффициентами усиления сигнал передается на блок АЦП, где оцифровывается 24 разрядным АЦП и подается на другой чип, являющийся цифровым фильтром, в котором зашиты аппаратные алгоритмы ФНЧ имеющего, например, 5 полос 100, 200, 400, 800, 1600 Гц, которые соответственно жестко связаны с частотой дискретизации сигнала 250, 500, 1000, 2000, 4000 Гц.
С выхода ФНЧ каждого канала сигнал в последовательном коде, в виде битовой последовательности подается на микроконтроллер. Микроконтроллер преобразует битовые последовательности с каждого из каналов в байто-страничную структуру и записывает ее в блок энергонезависимой флеш-памяти. При этом, микроконтроллер платы регистратора осуществляет постоянную синхронизацию в едином времени от задающего генератора, имеющего частоту генерации 8,192 МГц, обеспечивающую частоту дискретизации сигнала.
Кроме преобразования и записи в блок памяти фиксируемой сейсмической информации с привязкой ее ко времени, все остальные операции, выполняемые донным модулем, производятся под управлением программно-аппаратного блока интерфейсной платы, снабженной отдельным мощным микроконтроллером. Контроллер интерфейсной платы через плату соединителя опрашивает датчики состояния донной станции. В частности, контроллер интерфейсной платы регулярно осуществляет опрос датчика пространственной ориентации, записывая его показания в собственную флэш-память. Электронные компоненты интерфейсной платы и соединителя либо отключены, либо работают на пониженной частоте, обеспечивая минимальное потребление энергии.
По окончании работы модуля на профиле интерфейсная плата обеспечивает взаимодействие модуля с внешними устройствами и бортовыми системами. К числу основных функции интерфейсной платы можно отнести:
считывание сейсмической информации из блока памяти платы регистратора и передача ее по скоростному каналу на внешний сервер;
считывание, хранение в своей внутренней памяти данных с датчика пространственной ориентации; а также передача этой информации на внешний сервер;
индикация состояний, в котором находится донный модуль, при этом инициирование индикации осуществляется с помощью специального датчика, расположенного в корпусе станции, с которого передается управляющих сигнал на интерфейсную плату, с последующим отображением на индикаторе информации состояния, соответствующей текущему состоянию модуля, в виде световой информации или любой иной, применимой в компактных устройствах данного вида;
контроль за степенью заряженности аккумуляторов блока питания 2, закрепленного в станции винтами 6, и управление работой станции и контроллером блока питания 7 в зависимости от степени разряда аккумуляторов.
По окончании этапа регистрации сейсмических сигналов на дне акватории, максимальный срок которого ограничен временем автономной работы блока питания и ресурсом флеш-памяти, донный модуль, используя прикрепленный к нему буй, поднимается на борт судна. Возможно прикрепление к одному бую гирлянды донных модулей, соединенных между собой тросами. После поднятия донного модуля на борт судна, он подсоединяется посредством герморазъема к бортовому оборудованию питания и связи, и осуществляется съем информации из памяти модуля для последующей обработки.
Таким образом, очевидно, что заявленная полезная модель, при установке ее на дно с разным профилем и разными грунтами позволяет точно фиксировать положение корпуса, а применение высокочувствительных широкополосных геофонов, собранных в блок, жестко прикрепленный ко дну корпуса, повышает достоверность регистрируемой устройством сейсмоинформации, расширяет спектр применения модели.