МАЛОГАБАРИТНАЯ АВТОНОМНАЯ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
SMALL-SCALE SELF-CONTAINED SEISMOACOUSTIC STATION

Техническое решение относится к конструктивному выполнению средств морских сейсмических исследований и может быть использовано для долговременных сейсмологических исследований.
Основные принципы построения автономных станций, ориентированных для работы на больших глубинах, приведены в [Коновалов С.Л. Использование автономных донных станций в качестве универсального носителя измерительной аппаратуры, изд-во ГП «ВНИФТРИ», 2000, с.135-139.]. Автономные гидрофизические станции, ориентированные для работы на больших глубинах, как правило, представляют собой прочный корпус-носитель аппаратуры, рассчитанный на определенное гидростатическое давление и соответственно предельную рабочую глубину. Внутри корпуса располагается электронная аппаратура, источники электропитания и измерительные преобразователи. Измерительные преобразователи могут также располагаться в выносных системах, при этом связь с аппаратурой осуществляется с помощью кабельных гермовводов. Полностью укомплектованная автономная станция должна иметь положительную плавучесть, а погружение осуществляется за счет теряемого балластного груза, закрепляемого к управляемому размыкателю балласта
За прототип принята полезная модель автономной донной сейсмической станции (АДСС) [RU №49286 U1, 10.11.2005]. Автономная донная сейсмическая станция, принятая в качестве прототипа, устанавливается на морском дне на глубинах до 6000 м, защищена от окружающей морской среды прочным сферическим корпусом, оснащена одиночным гидрофоном, цифровой системой регистрации и накопления информации, телеметрической гидроакустической системой связи, системой поиска станции на поверхности моря, системой освобождения от балласта, устройством программного управления режимами работы.
Основным недостатком АДСС являются возможность регистрации только трех компонент сейсмических каналов и значительные весогабаритные характеристики носителя аппаратуры (НА) и вследствие этого обязательное условие, предъявляемое к обеспечивающему судну, - наличие мощного кранового хозяйства для выполнения постановочных и выборочных работ.
Опыт использования спутниковых систем навигации «ГЛОНАСС» и связи «Гонец» рассмотрены в полезной модели автономной сейсмоакустической гидрофизической станции (АСАГС) [RU №61895 U1, 10.03.2007] при выполнении сейсмоакустического и гидрофизического мониторинга за обширными морскими акваториями. При эксплуатации АСАГС здесь также требуются специальные суда, вооруженные кранами для проведения постановочных и выборочных работ.
Известно, также применение в качестве накопителя информации флеш-карт, объединенных последовательно в виде отдельной кассеты [WO №2010032947 А2, 25.03.2002], [US №2002078297, 25.03.2010], [US №2007181699 A1, 09.08.2007].
Малогабаритная автономная сейсмоакустическая станция (МАСАС) в момент сборки на монтажном столе приведена на фиг.1. МАСАС предназначена для сейсмоакустических исследований на шельфе при выполнении разведочных работ нефтегазоносных месторождений. Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании МАСАС, которая производит регистрацию сейсмоакустических сигналов с выходов трехкомпонентного сейсмоприемника и гидрофона. Для использования бесшовной геологической модели МАСАС могут быть установлены как на суше, так и на шельфе на глубинах до 500 метров. При работе на суше используют МАСАС с отключенным акустическим каналом. Такая схема использования МАСАС позволяет проводить широкие площадные исследования с использованием методов КМПВ и MOB. При выполнении площадных геологоразведочных работ требуются десятки синхронно работающих МАСАС. Поэтому к МАСАС предъявляются следующие требования: простота в эксплуатации; относительно малая стоимость; малые весогабаритные параметры, позволяющие производить постановку и выборку станции ручным способом с использованием маломерных судов. Надежное возвращение станции обеспечивается с использованием: дублирующих команд исполнительного механизма; световых маяков; активных радиомаяков; спутниковой системы навигации типа «Глонасс» и низкоорбитальной спутниковой системы связи типа «Гонец». Емкость непрерывной регистрации оцифрованной информации до 60 суток, которая обеспечивается за счет твердотельной памяти из 4 флеш-карт с емкостью по 20 Гбайт каждая. Современная элементная база позволяет заметным образом уменьшить весогабаритные параметры приборов. МАСАС имеет следующие весогабаритные параметры: внешний диаметр носителя - 350 мм; вес станции - 13 кг; вес балласта - 20 кг.
МАСАС представляет собой (фиг.2 общий вид и фиг.3 вид сверху) эллипсоидной формы (рабочая глубина до 500 м) носитель аппаратуры (НА) 1, состоящий из двух полусфер и цилиндрической формы вставки (верхняя полусфера 2 изготовлена из радиопрозрачных материалов, нижняя полусфера 3 - из алюминиевых сплавов, между полусферами цилиндрическая вставка 4, изготовленная из алюминиевых сплавов), стянутых болтами 5 на фланцах 6, для обеспечения герметичности на специальных канавках, прорезанных по кругу, проложены два уплотнительных резиновых кольца. Внутри НА 1 установлены: приемные антенны спутниковой системы навигации и связи 7; бортовой вычислительный узел (БВУ) с накопителем информации 8, устанавливаемым на приборном кольце; на нижней полусфере - источник питания 9; две горизонтальные и вертикальная компоненты сейсмоприемника и прибор срочности (ПС), расположенные в корпусе 10, и электрохимический размыкатель 11, исполнительная часть которого вынесена наружу на специальную площадку нижней полусферы. Снаружи на верхней полусфере, на специальных площадках верхней квадратной рамы 12 установлены: гидрофон 13; антенна 14 радиолокационного отражателя; проблесковый маяк (ПМ) 15. За площадку нижней квадратной рамы 12 крепится устройство жесткой посадки на грунт 16, изготовленное из металлических труб, жестко стянутое с помощью исполнительной части размыкателя 11; на подошву устройства 16 крепятся башмаки-балласты 17. При всплытии МАСАС устройство 16 с башмаками-балластами 17 остаются на дне. Источник питания 9 собран из литиевых аккумуляторных батарей, обеспечивающих в настоящее время максимальную емкость на условную единицу весогабаритных батарей. Источник питания установлен таким образом, чтобы центр тяжести собранной станции располагался на нижней полусфере для обеспечения остойчивости станции на поверхности моря. Для обеспечения надежной остойчивости МАСАС на поверхности моря при работе со спутниковыми системами навигации и связи 7 на нижней части корпуса 1 закреплены дополнительный груз 18. При выборке МАСАС на борт судна используется специальное устройство захвата 21, основание которого жестко закреплено за площадку верхней квадратной рамы 12, а наконечник прикреплен к концу фала 20, другой конец фала прикреплен к поплавку 19. В транспортировочном варианте фал 20 наматывается на поплавок 19, длина фала 15-20 м.
Автономный прибор срочности 9 представляет собой электронный таймер с автономным источником питания для непосредственного приведения в действие исполнительного механизма размыкателя 11 в действие.
Механизм размыкателя электрохимического типа 11 при подаче тока на размыкатель в течение нескольких минут срабатывает, тем самым освобождая МАСАС от устройства жесткой посадки на грунт 16 с башмаками-балластами 17
Бортовой вычислительный узел (БВУ) 8 включает в себя измерительный и регистрирующий тракты со следующими блоками (фиг.4): четырехканальный блок фильтрации и усиления (ФУ) 23, обеспечивающий фильтрацию сигналов с выходов трехкомпонентных сейсмоприемников и гидрофона в полосе 5-200 Гц и усиление сигналов для их подачи на вход блока четырехканального аналого-цифрового преобразователя (ЧАЦП) 24; запускающие импульсы ЧАЦП с частотой 500 Гц формируются в таймере (Т) 27; выходы ЧАЦП 24 по отдельности подаются на входные каналы формирователя (КФ) 25, где из сигналов гидрофона и сейсмоприемников формируется массив отдельной выборки с длиной шестнадцатиразрядного слова (два байта); двухбайтные слова с акустического и трех сейсмических каналов с выхода КФ 25 подаются на соответствующие каналы - накопитель информации (НИ) 26, представляющий собой твердотельную память из 4 флэш-карт с емкостью по 20 Гбайт каждая (на один информационный канал по одной флэш-карте соответственно). Блок ЧАЦП 24 состоит из четырех 14-разрядных АЦП (обеспечивает более 80 дБ динамического диапазона) и имеет четыре выхода; выходы ЧАЦП 24 по отдельности подаются на входные каналы формирователя (КФ) 25, где из сигналов гидрофона и сейсмоприемников формируются 4 массива отдельной выборки с длиной из шестнадцатиразрядных слов (два байта). Выбранная таким образом схема регистрации может обеспечивать непрерывную регистрацию более 200 суток. Конструктивно четырехканальные блок фильтрации и усиления ФУ 23, АЦП 24 и каналы формирователя КФ 25 собраны на одной плате.
В БВУ 8 также располагаются (фиг.5): программное устройство (ПУ) 28, блок управления исполнительным механизмом размыкателя (УИМ) 29, блок космической навигации (КН) 30, блок пеленгации и локации (ПЛ) 31.
Программное устройство 29 представляет собой микроконтроллер, который управляет всеми устройствами МАСАС по заданной программе или по команде, полученной по радиоканалу (на поверхности).
По сигналу с датчика давления 22 в надводном положении ПУ 28 включает проблесковый маяк (ПМ) 15, блок пеленга и локации (ПЛ) 31, блок КН 30. Блок 31 через антенну (А) 14 периодически излучает непрерывный тональный сигнал на частоте стандартного пеленгатора, прерываемый кодированным сообщением, содержащим условный номер станции, одновременно готов отразить локационный сигнал со стандартного судового радиолокатора, позволяющий четко отметить местоположение станции. В подводном положении по сигналу с датчика давления 22 ПУ 28 отключает вышеуказанные блоки (30 и 31).
ПУ 28 по программе или по командам, получаемым с помощью блока КН 30 и антенны спутниковой связи 7, включает или выключает устройства и блоки МАСАС.
Автономный прибор срочности (ПС) 10 представляет собой электронный таймер с автономным источником питания, не связанный с БВУ 8. В заданный момент времени прибор срочности 10 выдает дублирующую команду на УИМ 29 независимо от программного устройства 28, необходимый электрический импульс определенной длительности - механизму размыкателя 11.
При превышении данных с датчика давления 14 предельной величины, например 500 метров, программное устройство 28 дает команду УИМ 29 на подачу тока на механизм 11 (т.е. производится размыкание устройства жесткой посадки на грунт 16 с башмаками-балластами 17 от МАСАС).
Блок КН 30 с помощью антенн спутниковой связи и навигации (ССН) 7 позволяет обеспечивающему судну, осуществляющему поиск станции с помощью спутниковой радионавигационной системы, определять местоположение станции.
Работа МАСАС заключается в следующем. На борту обеспечивающего судна перед постановкой МАСАС проходит полный цикл подготовки, включающий в себя включение и тестирование различных узлов и блоков, занесение программы работы станции в программное устройство 28, задание времени срабатывания механизма 11 на приборе срочности 9. После цикла подготовки МАСАС опускается с борта обеспечивающего судна за борт с помощью выносного крана или вручную. С этого момента МАСАС начинает погружение со средней скоростью 1.5-1.6 м/с. Герметичный контейнер 1 (фиг.2), выполненный в виде эллипсоидной формы имеет предельную рабочую глубину 500 м. МАСАС устанавливается с помощью устройства жесткой посадки на грунт 16 на дно. Прием сейсмоакустических сигналов производится с помощью гидрофона 10 и трехкомпонентных сейсмоприемников, ориентированных по трем ортогональным направлениям X, Y, Z. Запись сигналов производится на четыре канала НИ 26.
По команде ПУ 28 дает команду УИМ 28 на отдачу балласта. В случае непрохождения команд команда на сброс может быть продублирована с автономного прибора срочности 10. Экстренное всплытие МАСАС может быть осуществлено в случае превышения МАСАС глубины погружения 500 м.
В момент размыкания системы жесткой посадки на грунт 16 от МАСАС начинает разворачиваться поплавок 19, разматывая фал 20, намотанный на поплавок. Поплавок 19 с намотанным пропиленовым фалом 20 предназначен для выборки станции на борт обеспечивающего судна. После всплытия станция включает проблесковый маяк 15 (в ночное время), начинает передавать радиосигнал пеленга через антенну 14 радиолокационного отражателя и кодированный сигнал с координатами, полученными ССН через антенну 7. В случае приема сигнала от судового радиолокатора, антенна 14 начинает работу в режиме активного отражателя. Обнаруженную станцию выбирают на борт судна, используя поплавок 19 с выборочным фалом 20. После выборки станции производят серию послепостановочных тестов, далее открывают станцию и осуществляют выемку НИ 26 с целью проведения дальнейшей обработки полученных экспериментальных материалов.