АВТОНОМНАЯ РАДИОГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МОНИТОРИНГА АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА ШЕЛЬФЕ

Полезная модель относится к океанологии, конкретно, к автономным донным гидроакустическим станциям и может использоваться для продолжительных стационарных измерений на шельфе вариаций акустического давления в реальном времени.
Известны автономные донные акустические станции и цифровые радиогидроакустические буи для акустических измерений на шельфе (http://www.ocean.ru/content/view/79/50). Донные станции обеспечивают запись акустических сигналов на жесткий диск, однако не позволяют вести их мониторинг в реальном времени. Для обработки информации, записанной станцией, ее необходимо поднять на борт судна, прервав запись. Для мониторинга акустической обстановки в реальном времени могут быть использованы цифровые радиогидроакустические буи. Однако они имеют малую автономность и не способны передавать на приемный пост непосредственно акустический сигнал вследствие низкой пропускной способности используемого в буе радиомодема. Передаются лишь результаты обработки исходного сигнала по заранее заданному алгоритму, что существенно ограничивает область применения такого буя.
Наиболее близкой к заявляемой является автономная радиогидроакустическая система для непрерывного измерения в реальном времени уровня акустических шумов на шельфе. Система состоит из донной станции и приемного пункта. Станция выполнена в виде соединенных последовательно кабель тросом первичного преобразователя акустического давления в аналоговое напряжение (гидрофон), аппаратного контейнера, включающего источники питания станции и акустический регистратор, содержащий платы предварительной аналоговой обработки сигналов и плату промышленного компьютера со встроенным многоканальным АЦП, а также радиобуя для передачи акустических данных по аналоговому УКВ радиотелеметрическому каналу на приемный пункт, находящийся на береговом посту или судне. Источники питания, установленные в аппаратном контейнере, обеспечивают питание как самой станции, так и радиобуя. Между радиобуем и аппаратным контейнером установлен якорь для предотвращения механических воздействий радиобуя на корпус аппаратного контейнера станции и первичного преобразователя акустического давления под воздействием течения и поверхностных волн. (С.В.Борисов, Д.Г.Ковзель, А.Н.Рутенко, В.Г.Ущиповский «Автономная гидроакустическая станция с радиоканалом для акустических измерений на шельфе». Приборы и техника эксперимента, 2008, №5, с.132-137).
В акустическом регистраторе станции образованы два измерительных тракта: цифровой канал прямой записи измерительного сигнала от гидрофона на жесткий диск промышленного компьютера и аналоговый канал передачи данных по радиоканалу. Канал прямой записи обеспечивает динамический диапазон 75 дБ в частотном диапазоне 1-15000 Гц. Аналоговый канал передачи данных по радиоканалу обеспечивает динамический диапазон 30 дБ в частотном диапазоне 10-5000 Гц. Однако динамический диапазон аналоговой телеметрии, использованный в прототипе, недостаточен, например, для измерения импульсных акустических сигналов, при этом качество передачи данных зависит от внешних факторов (погодных условий, дальности передачи данных, интенсивности помех в канале связи), что существенно сужает область применения известной автономной гидроакустической системы.
Задача полезной модели - расширение возможностей подводных гидроакустических систем.
Технический результат - повышение динамического диапазона радиотелеметрического канала системы и качества получаемых акустических данных за счет реализации в заявляемой системе цифрового канала передачи данных.
Поставленная задача решается автономной радиогидроакустической системой для мониторинга акустических сигналов на шельфе, состоящей из приемного пункта и донной станции, включающей последовательно соединенные кабельными линиями первичный преобразователь акустического давления, аппаратный контейнер, включающей источники питания и акустический регистратор, содержащий платы предварительной аналоговой обработки сигналов и плату промышленного компьютера со встроенным многоканальным АЦП, а также якорь и радиобуй, снабженный устройствами приема цифрового сигнала с кабельной линии и его передачи на приемный пункт, который включает приемник радиосигнала, фильтр низких частот, аналого-цифровой преобразователь и регистрирующую ЭВМ, при этом донная станция дополнительно снабжена установленным в аппаратном контейнере кодирующим модулем цифровой радиотелеметрической системы, а приемный пункт соответствующим декодирующим модулем, установленным между приемником радиосигнала и фильтром низких частот.
Питание радиобуя в зависимости от задач эксперимента, дистанции и длительности работы может быть обеспечено либо от источников питания донной станции, установленных в аппаратном контейнере, либо источники питания радиобуя могут быть установлены в дополнительном подводном контейнере.
Оборудование заявляемой акустической системы цифровым радиотелеметрическим каналом позволяет получить динамический диапазон радиотелеметрического измерительно-регистрационного тракта не ниже 75 дБ в частотном диапазоне 2-2000 Гц вне зависимости от внешних условий на расстояниях до 25 км.
Конкретная аппаратная реализация заявляемой системы, в том числе кодирующего и декодирующего модулей, обеспечивающих цифровой канал передачи данных, может быть выполнена различным образом с использованием известных на сегодняшний день составляющих их элементов.
Например, в качестве первичного преобразователя акустического давления используют цилиндрический гидрофон ГИ-50 со встроенным предусилителем. Плата предварительной аналоговой обработки сигналов акустического регистратора может быть выполнена как в прототипе на основе масштабирующего усилителя и фильтра нижних частот. Плата промышленного компьютера со встроенным многоканальным АЦП, например, на основе одноплатного компьютера формата РС/104 Prometheus компании Diamond Systems Corporation.
Источник питания донной станции может быть выполнен, например, с использованием трех включенных параллельно герметичных свинцово-гелевых аккумуляторов емкостью по 115 А/ч, которые могут быть использованы и для питания радиобуя.
При установке источника питания радиобуя в дополнительном подводном контейнере возможно использование, например, нескольких элементов питания Duracell 903_US_Procell, что позволит получить источник электропитания радиобуя с выходным напряжением 60 В и электроемкостью около 141 А/ч.
Цифровой канал передачи данных в заявляемой системе может быть реализован с использованием кодирующего модуля, подключенного к цифровому УКВ радиопередатчику, и декодирущего модуля, подключенного к УКВ радиоприемнику. Передача цифровых данных по каналу связи может осуществляться, например, с использованием OQPSK кодировки.
На фиг.1 приведена структурная схема донной станции, где 1 - первичный преобразователь акустического давления; 2 - аппаратный контейнер донной станции; 3 - контейнер питания радиобуя; 4 - якорь; 5 - радиобуй; 6 - кабельные линии
На фиг.2 приведена функциональная схема заявляемой радиогидроакустической системы, где 7 - акустический регистратор; 8 - кодирующий модуль; 9 - источник питания аппаратного контейнера; 10 - источник питания радиобуя; 11 - приемник радиосигнала; 12 - декодирующий модуль; 13 - фильтр низких частот; 14 - АЦП; 15 - регистрирующая ЭВМ; 16 - приемный пункт.
Система работает следующим образом.
С выхода предварительного усилителя гидрофона (1) сигнал поступает в аналоговый тракт акустического регистратора (7) и параллельно на вход кодирующего модуля (8), выполненного, например, по следующей схеме: каскад, выполняющий одновременно функции буферного малошумящего усилителя и фильтра нижних частот третьего порядка для защиты от наложения спектров, затем 24-разрядный сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь (АЦП), с выхода которого последовательность 24-битных слов данных поступает на микроконтроллер и далее обрабатывается программно. Сначала микроконтроллер производит симметрирование входного сигнала относительно среднего уровня. Затем производится преобразование 24-битных слов данных АЦП в 16-битные слова данных цифровой системы. При этом производится выбор необходимого коэффициента передачи цифрового тракта в диапазоне от 1 до 256. Далее 16-битные слова данных цифровой системы дополняются битами синхронизации и перекодируются, например, в код OQPSK. Далее код подается в кабельную линию, соединяющую аппаратный контейнер донной станции (2) с контейнером (3) питания радиобуя (5). Источником питания радиобуя (5) в зависимости от задач эксперимента, дистанции и длительности работы могут служить как аккумуляторы (9) в аппаратном контейнере донной станции, так и элементы питания (10) установленные в дополнительном подводном контейнере (3) как показано на фиг.1. В буе (5) сигнал принимается и через согласующие каскады подается на УКВ радиопередатчик и далее передается на приемный пункт (16), включающий радиоприемник (11), декодирующий модуль (12), после которого восстановленная декодером информация через фильтр (13) нижних частот подается на АЦП (14) и далее на регистрирующую ЭВМ (15).
Заявляемая автономная радиогидроакустическая система для мониторинга акустических сигналов была реализована и прошла успешные испытания в лабораторных и натурных условиях мониторинга акустических шумов, генерируемых в том числе и во время выполнения работ связанных с установкой в море нефтегазодобывающей платформы и строительством подводного трубопровода. Актуальность данной информации обусловлена необходимостью контроля в реальном времени параметров индустриальных сейсмоакустических сигналов и шумов, с целью исключения возможного антропогенного влияния на морских обитателей.