Автономная гидрофизическая станция
AUTONOMOUS HYDROPHYSICAL STATION

Изобретение относится к аппаратуре для исследований Мирового океана и может быть применено в конструкциях систем, устанавливаемых на морском дне и использующих для взаимодействия с внешними системами всплывающие/погружаемые буи, связанные с донной частью разматываемым/сматываемым кабель-тросом.
Автономные гидрофизические станции (АГС) относятся к аппаратуре дистанционного контроля параметров морской среды. Общие принципы построения таких станций приведены в статье [Башилов И.П., Зубко Ю.Н., Левченко Д.Г. и др. Донные геофизические обсерватории. Методы конструирования и области применения // Научное приборостроение. 2008. Т. 18. №2. С. 86-97]. Обобщенно задачи АГС сводятся к следующим:
- измерение и консервация измеряемых параметров;
- передача массивов измеренных данных на внешние устройства обработки и анализа информации.
Для выполнения этих задач в состав АГС должны входить
- датчики измеряемых гидрофизических полей, наблюдения подводной обстановки, сейсмоактивности и др.;
- электронные системы первичной обработки информации, в том числе консервация и хранение;
- устройства передачи информации во внешние системы для последующей обработки (если АГС не одноразовая кратковременного действия);
- система электропитания аппаратуры АГС.
Известны различные технические решения построения АГС, связанные с контролем конкретных параметров морской обстановки и особенностями применения [Патенты РФ №2381530. Морская автономная донная станция для выполнения геофизических и геолого-разведочных работ, №2406639. Автономная геофизическая станция вертикального профилирования, №2406640. Циклическая автономная гидрофизическая станция вертикального профилирования, №162221. Донная станция гидроакустического измерительно-регистрационного комплекса]. Так, в патенте №2381530 отсутствует возможность погружения буя, через радиоантенну которого осуществляется передача информации во внешние системы. При длительной работе АГС такая конструкция создает опасность потери буя при шторме, т.к. буй находится в свободном дрейфе. В патенте №2406639 для передачи сообщений во внешние системы всплывает/погружается весь измерительный модуль с помощью находящейся на дне электролебедки. При этом для снижения энергопотребления электролебедки при погружении измерительного модуля введен дополнительный поплавок, который, по принципу сообщающихся сосудов, уравновешивает положительную плавучесть измерительного модуля. Связь между лебедкой, измерительным модулем и поплавком осуществляется по гидроакустическому каналу. Такая многозвенная конструкция сложна при установке, т.к. при неровностях дна, неверной ориентации антенн гидроакустической связи система оказывается неработоспособной. Техническое решение, предлагаемое в патенте №2406640, отличается от патента №2406639 введением в конструкцию поплавка дополнительного датчика для измерения параметров морской среды на различных глубинах при спуске/подъеме измерительного модуля. При этом сохраняются указанные выше недостатки патента №2406639. В полезной модели №162221, как и в патенте №2381530, не предусмотрено погружение буя. В распределенной системе датчиков, представленной в статье [Ковзель Д.Г. Технические средства гидроакустического мониторинга сейсморазведочных работ на шельфе // Акуст. журн. 2018. Т. 64. №5. С.605-617], связь между отдельными датчиками и с надводным кораблем, где находится общая система управления, осуществляется по гидроакустическому каналу. Кроме того, ряд датчиков по кабелю связан с береговым постом. Дополнительно имеются датчики, соединенные с плавающими на поверхности буями, с помощью которых можно обмениваться информацией по спутниковым (УКВ) каналам. Фактически в статье описано несколько вариантов построения системы мониторинга морской среды, а в части АГС сохраняются недостатки патентов №2381530, №2406639, №2406640, №162221.
Наиболее близким по функциональным и техническим характеристикам к заявляемому изобретению является АГС, предложенная в патенте №2406639. АГС состоит из всплывающего измерительного модуля, устройства всплытия и погружения, включающего установленную на дне электролебедку, которая наматываемым на барабан тросом соединена с измерительным модулем и поплавком, служащим для уравновешивания положительной плавучести измерительного модуля при его всплытии. Поплавок удерживается якорем. В измерительном модуле имеется радиоантенна, с помощью которой после всплытия по УКВ или спутниковому каналу можно передать информацию на внешние устройства.
Отличием прототипа от известных технических решений является возможность оперативного всплытия/погружения измерительного модуля (буя) с радиоантенной. В то же время устройство-прототип обладает рядом недостатков:
- вся рабочая часть (датчики, электронная аппаратура, радиоантенна) находится во всплывающем модуле, что из-за очевидных ограничений по его массогабаритным характеристикам сокращает функциональные возможности по номенклатуре и массе используемых датчиков (включая крупногабаритные);
- как указано выше, проблемной является задача согласованного размещения на дне лебедки, с которой соединен измерительный модуль, и якоря поплавка, которые соединены тросом, не являющимся жестким соединением;
- при недостаточном разнесении в пространстве лебедки и якоря возникает опасность «перехлестывания» тросов, отходящих от измерительного модуля и поплавка;
- передача команд между отдельными частями станции осуществляется по гидроакустическому каналу, что при установке на неровном дне может привести к потере контакта из-за неправильной ориентации рабочих поверхностей акустических преобразователей; такая ситуация приведет к полной или частичной потере управления системой;
- при передаче команд по гидроакустическому каналу на больших расстояниях между корреспондентами (по описанию к прототипу - до 400 м) будет сказываться влияние помех, связанных с отражениями сигналов от поверхности моря.
Основной задачей предлагаемого технического решения является обеспечение надежной передачи зарегистрированной АГС информации при длительной работе АГС и многократных сеансах связи с внешними устройствами.
К техническим результатам можно отнести
- расширение функциональных возможностей АГС по номенклатуре контролируемых параметров морской среды;
- возможность выбора и изменения функциональных задач, решаемых АГС, по командам от внешней системы;
- повышение помехоустойчивости передачи информации между донной и всплывающей частями АГС;
- удобство установки АГС на морском дне.
Для решения поставленных задач и обеспечения технических результатов в автономную гидрофизическую станцию (АГС), выполненную с возможностью работы в режиме сбора гидрофизической информации, в режиме передачи данных во внешние устройства и в режиме приема данных от внешних устройств, содержащую устанавливаемую на морском дне часть и всплывающую (погружаемую) часть, причем донная часть состоит из первого герметичного приборного блока (ПБ1), в состав которого входит блок гидрофизических датчиков и электронной аппаратуры (блок БДА), источника электропитания, донной электролебедки, обеспечивающей погружение всплывающей части, выполненной в виде буя с положительной плавучестью, а также электронного блока (ЭБ) с радиоантенной (А), размещенных в всплывающей части,
дополнительно введены следующие признаки, а именно:
- в донную часть АГС, содержащую блок ПБ1 с блоком БДА, донную электролебедку и источник электропитания, дополнительно введены водозаполненный негерметичный отсек (ВО) с содержащимися в нем первым гидроакустическим преобразователем (ГАП1) и вторым гидроакустическим преобразователем (ГАП2) и второй герметичный приборный блок (ПБ2), укрепленный на вращающейся стенке барабана донной электролебедки, а донная электролебедка снабжена намотанным на ее барабан кабель-тросом;
- в корпусе блока ПБ1 дополнительно размещены фазовый модулятор (ФМ) и фазовый демодулятор (ФД), генератор несущей частоты (ГНЧ) и первый электронный многоканальный переключатель (П1);
- в корпусе блока ПБ2 размещены второй электронный многоканальный переключатель (П2) и зарядное устройство (ЗУ);
- при работе АГС в режиме сбора гидрофизической информации ГНЧ через П1 соединен с ГАП1, ГАП2 через П2 соединен с ЗУ;
- при работе АГС в режиме передачи БДА соединен с первым входом ФМ, ГНЧ через П1 соединен со вторым входом ФМ, выход ФМ через П1 соединен с ГАГИ, ГАП2 через П2, кабель-трос и ЭБ соединен с антенной;
- при работе АГС в режиме приема антенна через ЭБ, кабель-трос и П2 соединена с ГАП2, ГАГИ через П1 соединен с первым входом ФД, ГНЧ через П1 - со вторым входом ФД, а вход БДА соединен с выходом ФД;
- ВО представляет собой открытую конструкцию, одна из стенок которой является стенкой барабана электролебедки, а внутрь ВО входит вал барабана электролебедки, на котором жестко закреплен ГАП2, а на элементах конструкции ВО закреплен ГАП1;
- гидроакустические преобразователи ГАП1 и ГАП2 выполнены обратимыми и размещены в ВО соосно, активными поверхностями встречно друг к другу, причем ось вращения барабана совпадает с акустическими осями ГАП1 и ГАП2.
Поскольку гидрофизические датчики размещаются на установленном на дне приборном блоке ПБ1, и блок ПБ1 не является всплывающим, как предложено в устройстве-прототипе, его габариты и полезные объемы могут быть существенно увеличены. Такое увеличение дает возможность разместить в ПБ1 или на его поверхностях сравнительно крупногабаритные датчики, например, приемные/излучающие низкочастотные гидроакустические антенны. Размещение дополнительных датчиков и соответствующей аппаратуры первичной обработки существенно расширит номенклатуру измеряемых параметров морской среды.
Составляющие донной части АГС могут быть размещены на едином массивном фундаменте (якоре), что не требует дополнительного пространственного сопряжения отдельных элементов донной части АГС.
Обмен информацией между аппаратурой донной части и всплывшего буя осуществляется по кабель-тросу, а не по гидроакустическому каналу, что исключает влияние отражений от поверхности моря и волнения, а в результате повышается помехоустойчивость при передаче информации; упрощается структура АГС, т.к. не требуется включать в состав АГС средства гидроакустической связи.
Дополнительно следует отметить, что в предлагаемом техническом решении предложена связь между аппаратурой приборного блока ПБ1 и электронным блоком буя без электрического контакта. Использование такого контакта в случае передачи информации через раскручивающийся кабель для обеспечения электрического контакта, требует установки токоперехода со скользящими контактами. Такие токопереходы используются, например, в электродвигателях [Патенты RU2611566 Двигатель постоянного тока со скользящими контактами, RU2667889 Многосекционный двигатель постоянного тока с кольцевыми скользящими контактами], но требуют дополнительной герметизации, а скользящие контакты, изготавливаемые из специальных материалов, быстро изнашиваются. В скользящем контакте возникают помехи, связанные с искрением. В то же время предложенная технология передачи сигналов по акустическому каналу является всесторонне освоенной [Орлов Л.В., Шабров А.А. Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота. Л.: Судостроение, 1987 (гл. 3)].
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-5.
На фиг. 1 представлен обобщенная функциональная схема состава АГС. На фиг. 1 опущено устройство электропитания, которое может быть размещено в блоке ПБ1 1, а также не показаны служебные управляющие сигналы, например, сигналы установки многоканальных переключателей в необходимые положения.
На фиг. 2-4 представлены обобщенные функциональные схемы при работе АГС в различных режимах: режиме сбора гидрофизической информации (фиг. 2), режима передачи информации во внешние устройства (фиг. 3), режима приема информации от внешних систем (фиг. 4). На фиг. 2-4 показаны только участвующие в работе соответствующего режима работы устройства; устройства АГС, показанные на фиг. 1 и не вошедшие в фиг. 2-4, находятся в «спящем» режиме.
На фиг. 5 показаны устройство и принцип работы акустической части токоперехода.
В состав донной части АГС (фиг. 1) входят:
- первый приборный блок (ПБ1) 1, содержащий блок БДА 2, в состав которого входят различные гидрофизические датчики и электронная аппаратура обработки данных, поступающих от датчиков, включая цифровой вычислительный комплекс (перечисленные устройства не показаны на фиг. 1), который управляет работой всех устройств АГС по заранее введенной программе или в соответствии с принятыми от внешних систем командами, фазовый модулятор (ФМ) 3, фазовый демодулятор (ФД) 4, генератор несущей частоты (ГНЧ) 5, первый многоканальный электронный переключатель (П1) 6;
- водозаполненный (негерметичный) отсек (ВО) 7 с размещенными в нем первым гидроакустическим преобразователем (ГАП1) 8 и вторым гидроакустическим преобразователем (ГАП2) 9; ГАП1 закреплен на элементах конструкции ВО;
- электролебедка (не показана на фиг. 1) с укрепленным на вращающейся стенке ее барабана вторым приборным блоком (ПБ2) 10, в котором расположены зарядное устройство (ЗУ) 11 и второй многоканальный электронный переключатель (П2) 12; одна из стенок барабана электролебедки является стенкой ВО, а ГАП2 жестко закреплен на валу барабана электролебедки.
В состав всплывающей/погружаемой части АГС (фиг. 1) входят:
- буй 13, в герметичном отсеке которого находится электронный блок (ЭБ) 14, а снаружи установлена радиоантенна (А) 15;
- кабель-трос 16, имеющий силовые и информационные жилы. Фрагменты водозаполненного отсека (ВО) и части электролебедки,
поясняющие принцип передачи сигналов от донной части к всплывающей части АГС по акустическому каналу без электрического контакта представлены на фиг. 5. ВО представляет собой открытую конструкцию, одна из стенок которой является стенкой 17 барабана 18 электролебедки. Внутрь ВО входит вал барабана электролебедки. На валу жестко закреплен ГАП2 9, а на элементах конструкции ВО закреплен ГАП1 8. Преобразователи ГАП1 и ГАП2 расположены соосно и обращены рабочими поверхностями друг к другу. При всплытии/погружении буя 13 стенка 17 вместе с закрепленным на ней вторым приборным блоком ПБ2 10 и закрепленным на валу преобразователем ГАП2 вращаются, а преобразователь ГАП1 остается неподвижным.
Входящие в состав ПБ1 и ПБ2 устройства ФМ 3, ФД 4, ГНЧ 5 являются типовыми радиотехническими устройствами. Конструкции и методы расчета высокочастотных гидроакустических преобразователей (ГАП1 8, ГАП2 9) представлены в книге [Орлов Л.В., Шабров А.А. Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота. Л.: Судостроение, 1987 (гл. 3)].
Рассмотрим работу устройства.
АГС выполнена с возможностью работы в трех режимах: сбора гидрофизической информации, режиме передачи информации во внешние системы и режиме приема информации от внешних систем.
В режиме сбора гидрофизической информации (фиг. 2) в блоке БДА 2 накапливаются полученные от гидрофизических датчиков данные и формируется из них информационный массив. ГНЧ 5 через электронный переключатель П1 6 передает на ГАП1 8 синусоидальный сигнал, который преобразуется ГАП1 в акустический сигнал и передается на ГАП2 9. В ГАП2 принятый акустический сигнал преобразуется в электрический и через электронный переключатель П2 12 передается в зарядное устройство ЗУ 11, которое аккумулирует электроэнергию для электропитания ЭБ 14. Кабель-трос 16 смотан на барабан 18 электролебедки, так что буй 13 (см. фиг. 1) находится в нижнем положении. ФМ 3, ФД 4, аппаратура ЭБ 14 не функционируют, находятся в «спящем» режиме, поэтому не показаны на фиг. 2.
В режиме передачи информации во внешние системы (фиг. 3) сигналы из БДА 2 передаются во внешние системы по спутниковому (УКВ) каналу. Для этого по команде из БДА буй 13, содержащий ЭБ 14 и антенну 15, выпускается на поверхность за счет положительной плавучести буя. ФМ 3 активируется, с выхода БДА сигнал подается на первый вход ФМ, ГНЧ 5 через П1 6 подключается ко второму входу ФМ (вход опорного сигнала), выход ФМ через П1 подключается к ГАП1 8. П2 12 отключается от ЗУ 11, а ГАП2 9 через П2, кабель-трос и ЭБ подключается к антенне. ФД 4 находится в «спящем» режиме, а из ЗУ 11 (показан точками на фиг. 3) через силовую жилу кабель-троса подается электропитание на аппаратуру ЭБ.
В режиме приема сигналов от внешних систем (фиг. 4) сигнал от антенны 15 преобразуется в ЭБ 14 и через кабель-трос 16, П2 12 передается на ГАП2 9. ГАП2 преобразует электрический сигнал в акустический и излучает. Акустический сигнал принимается ГАП1 8, преобразуется в электрический и через П1 6 передается на первый вход ФД 4. Одновременно через П1 от ГНЧ 5 передается опорный сигнал на второй вход ФД. С выхода ФД сигнал передается в электронную аппаратуру БДА 2, где принимается решение о дальнейшей работе.
После окончания сеанса связи с внешними системами АГС переходит в режим сбора информации, буй с помощью электролебедки втягивается с поверхности моря и переходит в нижнее положение, после чего АГС переходит к схеме работы, представленной на фиг. 2.
Таким образом, достигается заявленный технический эффект, состоящий в следующем:
- донная часть АГС, в которой расположены основные, в том числе крупногабаритные, датчики гидрофизических параметров, не является всплывающей, поэтому ее массо-габаритные характеристики не ограничены возможностями устройства электропитания, основная энергия которого тратится на спуск буя;
- донная часть АГС устанавливается на одном массивном фундаменте, не требуется взаимная юстировка отдельных частей АГС, устанавливаемых на дне, т.к. эти работы могут выполняться до погружения АГС на дно;
- гидроакустический канал обмена информацией между отдельными блоками АГС отсутствует, что повышает помехоустойчивость и упрощает аппаратуру;
- связь между донной и подвижной (всплывающей) частями осуществляется без электрического контакта, что дополнительно устраняет помехи, возникающие в контактных токопереходах, а также повышает надежность и упрощает конструкцию токоперехода.
Предлагаемое устройство может быть использовано в донных автономных морских станциях, предназначенных для измерения различных характеристик гидрофизических, гидроакустических, сейсмических полей, а также других параметров водной среды. Предлагаемая станция может быть элементом мультистатической системы подводного наблюдения [Патент РФ №2741760. Распределенная система подводного наблюдения], предназначенной в качестве промежуточного пункта сбора и передачи информации по радиоканалу (спутниковому каналу) внешним потребителям.