ДОННАЯ СТАНЦИЯ

Полезная модель относится к морским автономным донным сейсмическим станциям, предназначенным для проведения сейсмической съемки в различных климатических условиях на акваториях с глубинами от О до 500 метров, в прибрежной зоне и на суше для получения бесшовного профиля.
Известны донные сейсмические станции [RU 24890, 2002; Глубоководная донная самовсплывающая сейсмическая станция АДС-8 / Соловьев С.Л., Контарь Е.А., Дозоров Т.А., Ковачев С.А. // Известия АН СССР Физика Земли, 1988, №9, с. 459-460; Ocean Bottom Seismometer (OBS) Systems. Company Profile/Project Companies Kieler Umwelt und Meerestechnik GmbH (K.U.M.), Signal-Elektronik und Nets Dienste GmbH (SEND), April 2002, 11 p.], представляющие собой 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.
Основным недостатком донных сейсмических станций является недостаточная мощность сигнала и искажение акустических сигналов за счет наличия границы грунт-металл, что, в конечном итоге, приводит к искажению результатов измерений. Кроме того, использование механизмов откидывания и прижима к грунту недостаточно эффективно вследствие их сложности, отсутствия контроля за их установкой, что приводит к попаданию блока измерительных датчиков в рыхлый грунт дна и, как следствие, к нарушению работоспособности.
Известна (RU 2294000, 2007) донная станция, содержащая герметичный корпус, состоящий из двух полусфер, снабженных в месте сочленения уплотнительным кольцом, внутри которого размещена геофизическая аппаратура, включающая измерительные датчики-геофоны и гидрофоны, блок управления и регистрации, включающий модули приема, регистрации, преобразования и хранения зарегистрированных сигналов, выполненные 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.
Недостатками станции являются ограниченный диапазон применения в прибрежной зоне, на мелководье, где наблюдаются турбулентные движения воды и подводные течения, что вызывает искажения сигнала и сложность формирования бесшовного сейсмического разреза на границе суши и сопряженных участках шельфа, а также недостаточная автономность.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является донная станция (RU 11691, 2011), содержащая герметичный корпус с контейнером цилиндрической формы со скругленными поверхностями крышки и донной области и выпуклой крышкой, на внешней поверхности корпуса установлен внешний гидрофон, электрический герморазъем, вакуум-порт, индикатор состояния и такелажные элементы. Внутри корпуса размещены блок геофонов, цифровой компас, блок питания и блок управления и регистрации, выполненный с обеспечением возможности приема, регистрации, преобразования и хранения зарегистрированных сигналов, включающий АЦП и блок памяти. Компас соединен с блоком геофонов, представляющим собой правую ортогональную тройку геофонов, через связанные между собой по мультиплексным каналам связи платы регистратора и интерфейсной платы блока управления и регистрации, выполненных под управлением микроконтроллеров и соединенных с платой задающего генератора, связанной по каналам мультиплексной связи с блоком геофонов. При этом интерфейсная плата соединена с блоком питания, а плата регистратора с гидрофоном и содержит четыре одинаковых, раздельных канала соединений с блоком геофонов и гидрофоном с обеспечением возможности приема, обработки и записи колебаний во флэш-память, как продольных, так и поперечных волн по четырем компонентам в направлениях X, Y, Z от блока геофонов и компоненте Н от гидрофона.
При этом блок геофонов и гидрофон связаны по каналам мультиплексной связи с многофункциональным чипом платы регистратора, содержащим программируемый усилитель и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), с обеспечением возможности приема, обработки и записи колебаний по четырем компонентам в направлениях X, Y, Z от блока геофонов и Н от гидрофона. Вышеуказанный программируемый усилитель предпочтительно выполнен с обеспечением возможности выбора и сохранения коэффициента усиления по каждому каналу и дополнительно содержит предварительный усилитель, установленный в канале связи с гидрофоном.
Плата регистратора снабжена цифровым фильтром низких частот (ФНЧ), реализованным программно-аппаратным образом на основе программируемого чипа, вход которого соединен с выходом АЦП, а выход с микроконтроллером платы регистратора, выполненным с обеспечением возможности преобразования битовых последовательностей информации от каждого канала датчиков геофонов и гидрофона в байто-страничную структуру, записи ее в блок памяти, а также обеспечением возможности синхронизации работы систем платы регистратора в едином времени от датчиков геофонов и гидрофона в байто-страничную структуру, записи ее в блок памяти, а также обеспечением возможности синхронизации работы систем платы регистратора в едином времени от задающего генератора. Блок памяти платы регистратора при этом, может быть выполнен в виде энергонезависимой флеш-памяти.
Фильтр нижних частот, в предпочтительном варианте полезной модели содержит четыре раздельных канала обработки сигнала по четырем компонентам от гидрофона и блока геофонов, выполненные с обеспечением возможности передачи обработанного сигнала в последовательном коде, в виде битовой последовательности на микроконтроллер платы регистратора и снабжен программно-аппаратными средствами передачи обработанного сигнала на микроконтроллер со сдвигом по фазе сигналов соседних каналов друг относительно друга, в предпочтительном варианте на 0,25 периода квантования друг от друга.
Блок геофонов снабжен программно-аппаратным средством коррекции ориентации в направлении оси X, связанным с данными цифрового компаса и, в зависимости от контролируемых платой регистратора положения и данных цифрового компаса, с обеспечением возможности корректировки данных непрерывно во времени при постановке на профиле. Определение ориентации компонент при постановке донного модуля на профиле за счет корректировки ориентации блока геофонов в направлении оси X по данным цифрового компаса позволяет синхронизировать работу сети донных станций на профиле и обеспечить максимально достоверные результаты измерений.
Интерфейсная плата содержит микроконтроллер и синхронизатор, выполненный с обеспечением возможности синхронизации работы всех донных станций, работающих на профиле по сигналам GPS или ГЛОНАСС, а также с обеспечением возможности синхронизации блока управлении 5
регистрации к текущему времени.
Недостатками станции являются недостаточный срок автономной работы и уход внутренних часов при длительных сроках эксплуатации, невозможность при данной конструкции станции обеспечить больший запас энергии в аккумуляторах, а также недостаточная чувствительность.
Технической задачей, решаемой авторами, являлось повышение надежности работы донной станции.
Технический результат достигался тем, что в донной станции, содержащей сборный герметичный корпус с внешним гидрофоном, электрическим герморазъемом и вакуумпортом, блоки сопряжения с бортовым модулем, такелажные элементы, а также размещенные внутри корпуса геофизическую аппаратуру, содержащую блок геофонов, цифровой компас, блок питания и блок управления и регистрации под управлением процессора, включающий АЦП и блок памяти, причем компас соединен с блоком геофонов через связанные между собой по мультиплексным каналам связи платы регистратора и интерфейсной платы блока управления и регистрации, выполненных под управлением микроконтроллеров и соединенных с платой задающего генератора, связанной по каналам мультиплексной связи с блоком геофонов, при этом интерфейсная плата соединена с блоком питания, а плата регистратора с гидрофоном, блок питания выполнен из аккумуляторов, установленных в шахматном порядке в кольцеобразный кожухе, схема регистратора дополнительно снабжена предварительным усилителем с низким уровнем шумов «чопером» систему самотестирования по каждому из четырех каналов, а регистратор содержит система самотестирования выполненную в виде программно-аппаратного блока.
Особенностью конструкции станции является сочетание схемы расположения аккумуляторов в шахматном порядке и включение в состав станции системы самотестирования по каждому из четырех каналов и 6
регистратора, содержащего как программируемый усилитель, так и предварительный усилитель с низким уровнем шумов, так называемый «чопер». При этом использование схемы расположения аккумуляторов в шахматном порядке позволило не меняя корпуса станции использовать литий-ионные аккумуляторы типа 18650, что повысило не только повысило ее автономность, но и создало определенный запас энергоресурсов, что в свою очередь позволило усовершенствовать регистратор, включив в него кроме программируемого усилителя, предварительный усилитель с низким уровнем шумов, что позволяет повысить чувствительность системы на порядок (низкий уровень шумов системы крайне важен при работе на средних и больших глубинах, где внешние сейсмические шумы, как правило, малы), а также систему самотестирования по каждому из четырех каналов. Система самотестирования представляет собой программно-аппаратный блок, входящий в Блок регистрации донной станции. Система самотестирования позволяет перед каждой постановкой станции на дно подавать известные сигналы на геофоны с последующим считыванием из памяти, визуализацией и сравнением с эталоном реакции от подаваемых импульсов; тем самым исключается возможность постановки на профиль станции с параметрами не соответствующими норме, а также повысить надежность ее работы. В качестве «чопера» станция, как правило, содержит чип ADA 4528.
В оптимальном варианте индикатор состояния, размещенный с внешней стороны корпуса и соединенный с интерфейсной платой, расположен рядом с устройством управления индикатором, что позволяет работать с индикатором в стойке из группы станций и значительно повышает удобство работы с донной станцией на профиле.
Одной из особенностей станции является то, что задающий генератор синхронизируется от встраиваемых атомных часов, что позволяет уменьшить уход внутренних часов станции до 3*10-10, что принципиально для 7
надежности и точности работы станций на профиле с длительными постановками (более месяца). Для атомных часов может использоваться, например, устройство Quantum SA.45.s Csac. Донная станция имеет возможность определять величину ухода в микросекундах своих внутренних часов относительно времени UTC за время нахождения на профиле, что позволяет использовать эту величину в обработке сейсмической информации.
Донная станция может содержать дополнительно внутри корпуса систему контроля вакуума, т.е. герметичности корпуса; результаты контроля выводятся на внешние устройства и на индикатор состояния, расположенный на внешней стороне корпуса. Контроль за состоянием вакуума внутри корпуса позволяет исключить постановку на профиль негерметичной донной станции.
Корпус может быть снабжен съемными грунтозацепами, повышающими сцепление с грунтом дна, что особенно важно в прибрежной зоне, где присутствуют различные течения, которые могли бы смещать стацию и тем самым создавать значительные сейсмические шумы.
Полезная модель донной станции, получившей условное наименование «ТАРТЛ», иллюстрируется чертежами: фиг. 1 - вид станции в разрезе по вертикали, на фиг. 2 - горизонтальный разрез станции, фиг. 3 - схема расположения геофонов и элементов питания, фиг. 4 - блок-схема станции.
На внешней поверхности герметичного контейнера 1 станции, изготовленного из немагнитного материала, например нержавеющей стали или алюминиево-магниевого сплава, располагаются гидрофон 2, коннектор 3 для инициализации станции, считывания информации и подзарядки блока питания, индикатор состояния 4 и устройство управления индикацией 5. Внешние устройства защищены полукольцами 6, изготовленными из полимерного материала. Внутри контейнера 1 располагаются блок геофонов 8
7, блок регистрации и управления 8, блок самотестирования 9, блок питания 10, атомные часы 11 и малошумящий предусилитель 12. На днище станции при постановке в прибойных зонах и зонах с сильным течением могут устанавливаться грунтозацепы 13. В блоке геофонов 7 геофоны горизонтальных составляющих X 16 и Y 15 располагаются попарно симметрично относительно геофона 14 вертикальной составляющей Z для минимизации влияния их магнитных масс на показания компаса станции. Литий-ионные аккумуляторы 17 в батарее элементов 18 располагаются в «шахматном» порядке для увеличения автономности станции по питанию и также попарно симметрично относительно вертикальной оси станции для снижения влияния на показания компаса магнитных масс элементов питания.
На блок - схеме фиг. 4, помимо вышеописанных, введены следующие обозначения: 19 - модуль заряда станции, 20 - модуль микроконтроллера управления, 21 - модуль расчета текущей емкости, 22 - модуль измерения температуры, 23 - внешние и бортовые устройства, 24 - интерфейс, 25 - микроконтроллер 2, 26 - блок памяти, 27 - регистратор, 28 - микроконтроллер 1, 29 - АЦП, 30 - схемы питания, 31 - флэш-память, 32 - программируемый усилитель, 33 - датчик вакуума, 34 - компас, 35 - задающий генератор.
Работа станции осуществляется следующим образом. Перед постановкой станций на дно осуществляется зарядка блока питания 10. Зарядка батареи литий-ионных элементов питания 18 осуществляется через модуль зарядки батарей 19 под управлением контроллера 20. При этом контролируется текущая емкость батарей и их температура модулями 21 и 22. Проводится вакуумизация станций. С помощью внешних устройств 23 через интерфейс 24 проводится инициализация станций, синхронизация часов 11 и с помощью системы самотестирования 9 осуществляется проверка всех станций. Станции устанавливаются на дно и осуществляют регистрацию сигналов от блока геофонов 7 и гидрофона 2.
9
Внесенные в конструкцию станции изменения - троекратное увеличение автономности по питанию, более чем на порядок увеличенная точность часов, контроль герметичности и текущей емкости батареи позволяет существенно повысить производительность работ. Так, после подъема станций на борт, с помощью индикатора состояний 4 осуществляется контроль герметичности станции по показаниям датчика вакуума 33, определяется текущая емкость батарей по показаниям модуля 21 и состояние регистратора. При штатных параметрах показаний индикатора 4, станции выставляются на следующий профиль без скачивания текущей информации, а станции с нештатными показаниями заменяются запасными. Скачивание информации в бортовой блок производится сразу для нескольких отработанных профилей во время технологических перерывов, например связанных с погодными условиями.