АВТОНОМНЫЙ РЕГИСТРАТОР ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

Полезная модель относится к океанологии, а именно к информационно-измерительной технике, и может быть использована для гидрофизических исследований в морях и океанах.
Одним из современных и перспективных методов исследования гидрофизических полей в океане (гидроакустического поля, поля температуры и поля гидростатического давления) является использование для измерения автономных приборов регистраторов, которые устанавливают на дне. Как правило, используют один или несколько приборов регистраторов со встроенными либо выносными датчиками гидрофизических полей.
Поскольку все гидрофизические поля связаны и оказывают существенное взаимное влияние, то для получения достоверных результатов измерений необходимо учитывать также их взаимодействие, а значит желательно проводить измерения этих полей с помощью расположенных на минимальном расстоянии друг от друга датчиков. При этом одновременно требуется отслеживать пространственные перемещения точки измерения параметров (регистратора), которая, как правило, из-за различных гидродинамических процессов (течения, внутренние волны) в водной среде может менять местонахождение регистрирующего устройства. Данная проблема особенно актуальна при использовании распределенных антенн, а также использовании дрейфующих и разнесенных по глубине регистраторов.
Известна морская автономная донная станция, решающая технические задачи регистратора, выполненная в виде установленного на дне акватории глубоководного самовсплывающего носителя геофизической аппаратуры (п. РФ №2572046 С1, опубл. 27.12.2015). Станция включает размещенные в герметичном контейнере блок регистрации, блок синхронизации, блок гидроакустического канала, блок питания, блок определения ориентации, выполненный в виде датчиков наклона и азимута и устройство хранения информации. Однако использование ее только в варианте постановки на дно и отсутствие каналов записи поля температуры и поля гидростатического давления сужает круг решаемых станцией задач.
Известна автономная станция гидроакустического наблюдения, гидроакустический антенный модуль которой содержит несколько конструктивно объединенных гидроакустических регистраторов со встроенными в них предварительными усилителями, общие для всех гидроакустических регистраторов систему единого времени и систему определения ориентации, выходы которых соединены с входами процессоров гидроакустических регистраторов. Каждый гидроакустический регистратор выполнен в виде последовательно соединенных гидроакустического приемника давления, усилителя с фильтром, аналого-цифрового преобразователя, процессора и накопителя цифровой информации, источника питания (п. РФ №24890 U1, опубл. 27.08.2002). Однако отсутствие внешнего датчика температуры и системы отслеживания изменений ориентации антенного модуля не позволяет отслеживать гидрологическое состояние внешней среды, а использование низкоразрядного аналого-цифрового преобразователя акустических сигналов снижает помехозащищенность системы.
Известны вертикальные антенные системы для изучения гидроакустических полей, например, вертикальная акустико-гидрофизическая антенна, снабженная последовательно расположенными на гибком носителе измерительными модулями, каждый из которых включает датчик звукового давления (гидрофон), в непосредственной близости от которого расположен термодатчик (Вертикальная акустико-гидрофизическая антенна «Моллюск-97»" // Приборы и техника эксперимента. 1998, №5, С. 141-144). Однако система не позволяет измерять гидростатическое давление и отслеживать изменения положения измерительного модуля в пространстве.
Наиболее близким к заявляемому является измерительный блок акустико-гидрофизической антенны, который включает расположенные в непосредственной близости друг от друга датчик звукового давления, термодатчик и датчик гидростатического давления. Посредством кабеля измерительный блок подключен к блокам питания и регистрации (п. РФ №73964 U1).
Однако данный измерительный блок не позволяет получить точные данные о параметрах гидрофизических полей, поскольку измерительные блоки не имеют датчика измерения положения в пространстве, что существенным образом влияет на достоверность измерения гидрофизических полей. Кроме того, измерительный блок является только частью автономной системы, в которой блоки питания, регистрации и записи вынесены за его пределы и соединены с измерительным блоком посредством гибкого кабеля, а система в целом не имеет возможности поддержки синхронизации с другими аналогичными устройствами, что в целом ограничивает область его использования.
Техническая проблема состоит в разработке автономного регистратора гидрофизических полей с расширенными функциональными возможностями и удобством эксплуатации.
Технический результат состоит в повышении достоверности измеряемых параметров гидрофизических полей, расширение функциональных возможностей.
Проблема решается автономным регистратором гидрофизических полей, включающим гидроизолированный корпус, в котором установлены блок питания, термостатированный кварцевый генератор тактовой частоты, соединенный последовательным синхронным интерфейсом с микроконтроллерным блоком управления и блоком энергонезависимой твердотельной SD памяти, а также подключенные к блоку управления канал регистрации гидроакустического поля в составе гидрофона, масштабирующего усилителя и аналого-цифрового преобразователя, канал регистрации поля гидростатического давления в составе тензометрического датчика гидростатического давления, согласующего усилителя и аналого-цифрового преобразователя, канал регистрации поля температуры в составе цифрового датчика температуры и канал записи параметров изменения положения в пространстве в составе трехкомпонентного акселерометра, при этом все электронные компоненты и акселерометр расположены на единой плате, а датчики гидростатического, гидроакустического давления и температуры установлены на внешней стороне корпуса в непосредственной близости друг от друга.
Предлагаемое решение за счет дополнительного оборудования регистратора высокоточным тактовым генератором и модулем позиционирования, а также установки всех электронных компонентов и акселерометра на единой плате и установку всех элементов конструкции внутри единого гидроизолированного корпуса, на внешней поверхности которого в непосредственной близости друг от друга располагаются гидрофон, датчик гидростатического давления и датчик температуры, позволяет повысить достоверность получаемых характеристик гидрофизических полей и одновременно обеспечивает возможность соединения нескольких регистраторов при необходимости создания из них антенных систем, увеличивая функциональные возможности регистратора.
На чертеже приведена блок-схема заявляемого регистратора, содержащая микроконтроллерный блок управления, термостатированный тактовый генератор, канал регистрации гидроакустического давления, включающий гидрофон, масштабирующий усилитель и аналого-цифровой преобразователь, канал регистрации поля гидростатического давления - тензометрический датчик гидростатического давления, согласующий усилитель и аналого-цифровой преобразователь, канал регистрации поля температуры - цифровой датчик температуры, канал записи параметров изменения положения в пространстве - модуль позиционирования.
2
Устройство работает следующим образом. При включении питания (не показан) микроконтроллерный блок управления (например, PIC32MM0064GPL036 (MicroChip) коммутирует входы 1-4 (Вх. 1, Вх. 2, Вх. 3, Вх. 4) приемного тракта и переходит в режим ожидания внешнего синхросигнала начала записи измерений, подаваемого на вход С (Вх. С). Тактовая частота для микроконтроллерного блока управления и «АЦП 32 бит» (например, ADS 1264 с частотой дискретизации 10 кГц (TexasInstruments) подается с высокостабильного термостатированного тактового генератора (например, МХO37/8Р (Мэджик Кристалл). С помощью входа «С» может также осуществляться синхронные запуск и работа регистраторов, если они находятся в составе дискретной распределенной антенны. При поступлении на вход «С» микроконтроллерного блока управления внешнего сигнала запускается процесс преобразования сигналов, поступающих на входы 1-4. На цифровой вход 1 (Вх. 1) по SPI протоколу поступает прошедший масштабирующий усилитель с фильтром низкой частоты и оцифрованный 32-х битным АЦП сигнал с гидрофона (например, пьезокерамического - модуль приемно-усилительный ЭПБА 3). На вход 2 (Вх. 2) по SPI протоколу поступает сигнал с датчика гидростатического давления (например, тензометрического датчика давления D-1 (Микротензор), прошедший согласующий усилитель и оцифрованный с помощью 16-разрядного АЦП (например, AD7792) с частотой дискретизации 10 Гц. На цифровой вход 3 (Вх. 3) по протоколу IC поступает сигнал с модуля позиционирования (цифрового трехкомпонентного акселерометра, например, GY 298 (Arduino) с частотой дискретизации 10 Гц). На цифровой вход 4 (Вх. 4) по протоколу 1wire поступает сигнал с внешнего цифрового датчика температуры (например, DS18B20 (DallasSemiconductor с частотой дискретизации 1 Гц). Данные накаливаются в буфере памяти микроконтроллерного блока управления и затем блоками записываются на энергонезависимую карту памяти типа SD.
Устройство реализуется с использованием известных компонентов и результаты измерения в виде структурированного блока данных сохраняются на энергонезависимой карте памяти стандарта SD с необходимой емкостью, например, 128 Гбайт, что позволяет обеспечить непрерывность записи на срок до трех месяцев.
Заявляемый регистратор может быть использован как в одиночной постановке, так и в составе распределенной приемной антенны за счет наличия высокоточного тактового генератора, обеспечивающего долговременную синхронизацию всех регистраторов, составляющих дискретную распределенную приемную антенну.