ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ АВТОНОМНЫЙ ВОЛНОГРАФ
HYDROACOUSTIC SELF-CONTAINED WAVE RECORDER

Волнение моря измеряется по величине отклонения мгновенных значений уровня воды от среднего уровня моря в точке наблюдения. Приборы для измерения уровня моря во многих случаях пригодны также и для измерения параметров волнения, если они обладают достаточно высокой скоростью измерений. В состав измеряемых параметров волнения обычно входят высота, период и длина волны, а для специальных задач - также спектры высот и направления движения волн.
Известна конструкция резонансного акустического уровнемера [1], который принципиально может использоваться и для измерений волнения. Уровнемер содержит измерительную и компенсационную трубы, в которых установлены два электроакустических преобразователя. Преобразователи подключены к генератору шумового сигнала, который возбуждает во внутренней полости труб резонансные акустические колебания. Эти колебания воспринимаются двумя микрофонами, усиливаются предварительными усилителями и подаются на аналого-цифровой преобразователь. Преобразованные в цифровую форму колебания поступают в процессорный блок, который содержит первый и второй Фурье преобразователи и блок логарифмирования сигнала, которые методом кепстрального анализа выделяют частоты гармонических составляющих спектра. По резонансным частотам акустических колебаний в измерительной трубе рассчитывается уровень жидкости. Частоты гармоник в компенсационной трубе используются для введения поправок. Положительными качествами этого уровнемера является высокая точность измерений уровня, быстродействие и устойчивость к шумам окружающей среды.
К недостаткам уровнемера, применительно к задаче измерения морского волнения, является необходимость использования измерительной и компенсационной труб большого размера, которые не могут быть установлены в открытом море. Кроме того, электрическая схема прибора имеет большое энергопотребление, поскольку по составу блоков и режиму измерений рассчитана на электросетевое питание, что препятствует ее использованию в автономных приборах с батарейным питанием.
Известны также акустические многолучевые доплеровские измерители скорости течения и спектра волнения в открытом море (ADCP) [2]. Эти приборы выполнены в виде герметичного цилиндрического корпуса, на верхней крышке которого установлены четыре ортотональных остронаправленных антенны, излучающих акустические посылки в направлении снизу вверх под углом 30° относительно вертикали. Внутри корпуса размещены электронные блоки приемо-излучателей, усилители отраженных сигналов, микропроцессорный блок, флеш-память и батарейный источник питания. Приборы ADCP устанавливаются на дне моря с глубинами от 5 до 80 м на жесткой платформе, исключающей возможность перемещений под действием волнения. Принцип действия доплеровских измерителей волнения заключается в измерении орбитальных скоростей волнового движения глубинных вихрей воды по величине доплеровского смещения частоты отраженных сигналов. Измерения производятся четырьмя узконаправленными акустическими лучами. Вдоль каждого луча выделяют до 25 условных ячеек, протяженностью порядка 3 м и внутри каждой виртуальной ячейки измеряют скорость орбитального движения воды. Зондирующие импульсы излучаются с периодичностью 2 измерения в секунду, что дает общее количество источников исходной информации по четырем лучам порядка 200, обеспечивающее необходимую статистическую избыточность и возможность расчета спектра направления движения отдельных спектральных составляющих волнения. Спектр направленности волн рассчитывается с использованием специально разработанного алгоритма Maximum Liklihood Method (MLM) (метод максимального правдоподобия). Спектр высот волн, который является главной задачей измерений, вычисляют косвенным методом последовательного приближения за несколько итераций, используя теоретические соотношения гидродинамики между орбитальными скоростями глубинных вихрей и высотами волн на поверхности моря. Эти расчеты имеют относительно низкую точность, которая зависит от глубины моря, рельефа дна, близости береговой черты. Низкая точность измерения высоты волны и связанная с ней недостоверность измерений являются главными недостатками доплеровских измерителей волнения.
Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков и принципу действия является прибор Upward looking instrument - Wave Profiler канадской фирмы ASL Environmental Sciences [3] (Вверх смотрящий сонар - измеритель волнения). Этот прибор содержит герметичный цилиндрический корпус и установленный на его крышке пьезоэлектрический излучатель акустических посылок. Излучатель имеет острую диаграмму направленности, что дает малый диаметр пятна облучения на поверхности моря и тем самым обеспечивает высокое пространственное разрешение. Внутри корпуса размещены электронные узлы, включающие в себя генератор коротких импульсных посылок, приемник отраженных от поверхности воды сигналов, аналого-цифровой преобразователь, процессор, блок памяти и батарейный источник питания. Прибор устанавливается в составе притопленной буйковой станции на несущем буе, заглубленном от поверхности воды до 225 м. Глубина моря в точке постановки может быть значительно больше. В этом приборе высота волны измеряется прямым методом по временной задержке отраженного импульсного сигнала от поверхности воды, чем достигается достаточно высокая точность и достоверность измерений. Период волны измеряется обработкой ряда наблюдений, полученного зондированием с периодичностью не менее двух измерений в секунду. Для измерений спектра направленности волнения требуется одновременно использовать три синхронизированных прибора, разнесенных по дну на некоторой базе и установленных в вершинах треугольника.
Недостатком прототипа, снижающего его технико-экономические и эксплуатационные характеристики, является относительно большой вес и габариты, а также большое энергопотребление емкости батарей. Энергопотребление ограничивает срок автономной работы прибора до 3 месяцев при периодичности излучаемых посылок 4 Гц на несущей частоте 420 кГц.
Задачей настоящего изобретения является улучшение технико-экономических показателей прототипа в направлении снижения энергопотребления, уменьшения веса и габаритов, увеличения срока автономности до 1 года. Указанная задача решается тем, что в гидроакустическом волнографе, содержащем герметичный цилиндрический корпус и установленный на его крышке остронаправленный пьезокерамический приемо-излучатель с размещенными внутри корпуса генератором коротких акустических посылок, приемником отраженных от поверхности сигналов, микропроцессорным анализатором с встроенным аналого-цифровым преобразователем, с блоком памяти и батарейным источником питания, генератор акустических посылок построен из двух SMD - ключей взаимодополняющего типа проводимости, соединенных с приемо-излучателем через индуктивность, образующую с емкостью приемо-излучателя резонансный контур, в цепь резонансного контура включен низкоомный резистор, с которого заведена положительная обратная связь на входы SMD - ключей через усилитель, выполненный из двух последовательно включенных логических инверторов, при этом выход приемо-излучателя подключен к микропроцессорному анализатору, первый выход которого соединяется с компьютером для считывания данных из блока памяти, второй выход подан на управляющий вход логического инвертора.
Гидроакустический волнограф отличается также тем, что микропроцессорный анализатор дополнен блоком корреляционной обработки, который вычисляет функцию взаимной корреляции излученных и отраженных сигналов.
Благодаря указанным отличительным признакам волнограф приобретает новые положительные качества. Многократное повышение экономичности энергопотребления достигается предложенной схемой генератора акустических посылок, который имеет более высокий КПД за счет резонансной настройки пьезокерамического излучателя и режима работы импульсного самовозбуждения, при котором отсутствует необходимость в предварительном генераторе внешнего возбуждения. При скважности излучаемых импульсов порядка 1000 отсутствие дополнительного непрерывно работающего генератора внешнего возбуждения дает большую экономию энергопотребления.
Второй положительный эффект в предложенном устройстве достигается благодаря блоку корреляционной обработки сигналов. По сравнению с традиционным вариантом обработки сигнала амплитудным детектором, требующим соотношение уровня принятого сигнала к уровню помех не менее 5, корреляционный блок позволяет надежно принимать сигналы при отношении сигнала к помехам на уровне 1. Это позволяет в 5 раз снизить мощность излучаемых импульсов и тем самым получить дополнительную экономию энергопотребления. Кроме того, корреляционная обработка сигнала по сравнению с амплитудным детектированием позволяет в несколько раз повысить разрешающую способность эхолокации по дальности до уровня порядка половины периода несущей частоты. Это, в свою очередь, дает возможность снизить несущую частоту зондирования с 420 кГц до 200 кГц при заданном разрешении по дальности 5 см. За счет значительно меньшего затухания частоты 200 кГц пропорционально увеличивается предельная глубина постановки прибора с 225 м до 350 м.
Функциональная блок-схема устройства приведена на Фиг.1. В состав схемы входят пьезокерамический приемо-излучатель 1, подключенный к выходу двух SMD - ключей взаимодополняющего типа проводимости 2 через индуктивность 3, образующую с емкостью излучателя последовательный резонансный контур. В цепь резонансного контура включен низкоомный резистор 4, с которого заведена положительная обратная связь на входы SMD -ключей через усилитель, построенный из двух логических инверторов 5.
Выход приемо-излучателя 1 подключен к входу приемника отраженных сигналов 6, выход которого подключен к входу микропроцессорного анализатора 7, имеющего в своем составе аналого-цифровой преобразователь, блок корреляционной обработки и блок памяти. Первый выход микропроцессорного анализатора соединяется с компьютером для считывания данных из блока памяти, а второй выход подан на управляющий вход логических инверторов 5. Питание всех блоков устройства осуществляется от батарейного источника 8.
Работа волнографа происходит в следующей последовательности. После включения питания по команде микропроцессорного анализатора 7 с его второго выхода поступают импульсы синхронизации на логический вход инверторов 5 с тактовой частотой 4 Гц длительностью 0,1 мс. Под действием каждого импульса инверторы 5 переходят в активный режим работы и вызывают генерацию мощного импульса на керамическом приемо-излучателе 1 за счет поочередного переключения SMD - ключей 2 и резонансного усиления в контуре, образованном индуктивностью 3 и емкостью приемо-излучателя 1. В контуре происходит резонанс токов, которые образуют на низкоомном резисторе 4 падение напряжения, поддерживающее автоколебания по цепи положительной обратной связи. Импульсная посылка от приемо-излучателя излучается в воду и одновременно, проходя через приемник 6, записывается в блоке корреляционной обработки микропроцессорного анализатора 7 для последующего сравнения с отраженным от поверхности импульсом. Акустическая посылка отражается от поверхности воды, принимается приемо-излучателем 1 и приемником 6 и поступает в микропроцессорный анализатор 7. В анализаторе посылка преобразуется в цифровую форму и обрабатывается в блоке корреляционной обработки, который вычисляет функцию взаимной корреляции излученного и принятого сигналов.
По временной задержке сигнала, измеренного блоком коррекционной обработки, микропроцессорный анализатор рассчитывает дистанцию зондирования и мгновенное значение высоты волны. Мгновенные отсчеты высоты волны с интервалом 0,25 с дают непрерывный профиль волны, который записывается в блок памяти. Один сеанс зондирования продолжается в течение 10 мин и включает в себя 2400 отсчетов высоты волны. Выбранная дискретность отсчетов позволяет регистрировать спектр волн с минимальным периодом волнения 1 с. Сеансы измерения повторяются с периодичностью 1 час.
Результаты измерения считываются из блока памяти в компьютер после подъема прибора на поверхность.
Литература
7
1. RU (11) 2249186 (13) C1 (51) МПК  G01F 23/28, G01F 23/296. Резонансный акустический уровнемер.
2. ADCP Multi-Directional Wave Gange, www.rdintstuments.com.
3. Wave Profiler, www.aslenv.com. (прототип).