Многоэлементная модульная акустико-гидрофизическая измерительная система
MULTI-ELEMENT MODULAR ACOUSTIC-HYDROPHYSICAL MEASURING SYSTEM

Изобретение относится к океанологии, конкретно, к акустико-гидрофизическим измерительным системам, преимущественно для исследований влияния пространственно-временных неоднородностей поля скорости звука на распространение звука на шельфе, а также для исследования модовых структур низкочастотных звуковых полей и внутренних волн или  в качестве приемника в системах звукоподводной связи.
Известные акустические многоканальные системы аналогичного назначения, установленные на гибком носителе, дополнены отдельными  независимыми регистраторами температуры и приборами регистрации других гидрологических параметров (например, гидростатического давления и скорости течения), которые представляют собой отдельные устройства, устанавливаемые на том-же гибком носителе. Для контроля положения систем в пространстве иногда используют внешние высокочастотные гидроакустические устройства позиционирования, что требует установки дополнительных акустических маяков, усложняющих и удорожающих эксперимент. Подобные измерительные системы, основанные на независимых акустических и гидрофизических преобразователях и не имеющие собственных средств позиционирования описаны, например,  в статьях  Brian J. Sperry, James F. Lynch, Glen Gawarkiewicz and others, “Characteristics of Acoustic Propagation to the Eastern Vertical Line Array Receiver During the Summer 1996, New England, Shelfbreak, PRIMER Experiment”, 2003, IEEE J. Oceanic Eng., vol. 28, NO. 4, pp. 729-749) и ASIAEX (Южно-Китайское море, Peter C. Mignerey and Marshall H. Orr, “Observations of Matched-Field Autocorrelation Time in the South China Sea”, 2004, IEEE J. Oceanic Eng., vol. 29, NO. 4, pp. 1280-1291.
Однако, комплексная и синхронная обработка данных, полученных от таких измерительных систем, сложна и требует больших трудозатрат и времени.
,
Известна автономная вертикальная акустико-гидрофизическая измерительная система, в которой на гибком носителе жестко закреплены измерительные блоки, содержащие гидрофоны и термодатчики (п. РФ № 73964 U1). Дополнительно система снабжена как минимум двумя датчиками гидростатического давления, установленными на разных горизонтах, что позволяет вычислить расположение датчиков системы по глубине. Сигналы от каждого датчика в аналоговом виде поступают в аппаратурный блок, преобразуются в цифровую форму и синхронно записываются на жесткий диск. При такой конструкции системы точность измерения глубины зависит только от количества датчиков гидростатического давления, которое желательно должно совпадать с количеством измерительных модулей. Однакопередача аналоговых сигналов в аппаратурный блок приводит к межканальному проникновению сигналов (перекрестным наводкам) и искажениям. Расположение датчиков на гибком носителе фиксированно, что снижает возможности адаптации системы к задачам конкретного эксперимента и затрудняет ремонт системы в случае повреждения датчиков или кабеля. Большое количество проводов в кабельной линии для передачи аналоговых сигналов от всех датчиков повышает вес системы и ее габариты при транспортировке.
Наиболее близкой к заявляемой является многоэлементная акустико-гидрофизическая измерительная система «Нева-ИПФ» (https://www.ipfran.ru/science/low-frequency-acoustics-of-the-ocean/hydroacoustic-antenna-complexes), состоящая из последовательно жестко установленных на гибком носителе аппаратурного блока с источником питания и соединенных с ним кабельными линиями измерительных блоков, соединение между которыми выполнено неразъемным  Система может устанавливаться как вертикально, так и горизонтально. В случае вертикальной установки позиционирование верхней части системы может производиться при помощи внешних средств, например высокочастотных акустических измерителей расстояния, и якоря. Аппаратурный блок служит для приема и накопления информации. Измерительные блоки содержат первичные преобразователи - цифровые датчики звукового давления (гидрофоны ЦГП-1 или ЦГП-3), термодатчики, аналоговые схемы обработки сигналов первичных преобразователей, 16-разрядный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), управляющий микроконтроллер и интерфейсные цепи. Данные от каждого блока по кабельной линии передаются в цифровой форме по протоколу Ethernet.
Вышеописанная система обеспечивает синхронные измерения звукового давления и температуры воды как минимум в 29-ти точках. Однако при вертикальной постановке система не обеспечивает необходимую точность для получения полной картины влияния пространственно-временных неоднородностей поля скорости звука на распространение звука на шельфе, а также модовых структур низкочастотных звуковых полей и внутренних волн, поскольку  не имеет своих средств позиционирования и не позволяет точно позиционировать измерительные блоки по глубине, что при акустических и гидрологических измерениях является самым важным параметром.
В случае позиционирования системы внешними устройствами существенно усложняется как эксперимент, так и обработка записанных данных. Измерительные блоки в данной системе неразъемно связаны между собой гибким носителем, их тип, количество и расстояния между ними жестко фиксированы, что существенно снижает возможности адаптации системы к условиям и задачам конкретного эксперимента и затрудняет ремонт системы в случае повреждения датчиков или кабеля. Примененные в измерительных блоках 16-разрядных АЦП обеспечивают динамический диапазон измерения акустического сигнала, достаточный только в заранее известных и стабильных условиях, что снижает функциональные возможности применения системы.
Проблема состоит в расширении типов акустико-гидрофизических измерительных систем, обеспечивающих повышение полноты и точности получаемой информации, расширение функциональных возможностей, повышение удобства эксплуатации и возможностей адаптации системы к условиям и задачам конкретного эксперимента, а также повышению ремонтопригодности системы в случае ее повреждений.
Проблема решается многоэлементной акустико-гидрофизической системой, содержащей последовательно установленные на гибком носителе якорь, аппаратурный блок приема и обработки данных с источником питания, набор измерительных модулей, включающих как минимум датчик звукового давления, термодатчик, датчик гидростатического давления, управляющий микроконтроллер с уникальным идентификационным номером (ID), соответствующий параметрам и характеристикам данного модуля, цепи питания, цепи предварительной аналоговой обработки акустического сигнала, АЦП и интерфейсные цепи, при этом измерительные блоки и аппаратурный блок соединены через герморазъемы между собой кабельными вставками, по которым данные поступают в аппаратурный блок сразу в цифровой форме по линии, образованной интерфейсными цепями измерительных модулей и кабельными вставками.
Заявляемая система обеспечивает продолжительные, автономные (независимые от линий связи), широкополосные измерения акустических сигналов (вариаций давления) на исследуемых горизонтах либо в точках установки на дне и синхронные с ними измерениягидрологических параметров (гидростатического давления и температуры) в тех же точках.
При вертикальной постановке система дополнительно может быть снабжена акустическим размыкателем, установленным между якорем и аппаратурным блоком, что позволяет использовать одноразовый якорь и отсоединять его при подъеме антенны, а также поплавком.
На фиг. представлена блок-схема вертикальной модульной акустико-гидрофизической измерительной системы, где 1-якорь, 2–акустический размыкатель, 3–аппаратурный блок с источником питания и акустическим модемом, 4-измерительные модули, 5–кабельные вставки, 6 - гибкий носитель, 7 - поплавок.
Гибкий носитель (6) устанавливается между аппаратурным блоком и поплавком и обеспечивает необходимую прочность всей измерительной системы. Он может быть выполнен в виде, например, стального или текстильного троса. На носителе 6 устанавливаются измерительные модули (4), содержащие, как минимум, датчик звукового давления, термодатчик, датчик гидростатического давления, управляющий микроконтроллер с уникальным идентификационным номером (ID), цепи питания, цепи предварительной аналоговой обработки акустического сигнала, АЦП и интерфейсные цепи.
.
В зависимости от целей работы в качестве датчиков звукового давления используют, например, пьезокерамические или магнитострикционыые гидрофоныДля аналого-цифрового преобразования акустического сигнала устанавливают АЦП, предпочтительно, 24-разрядный сигма-дельта АЦП, например, AD7767 производства Analog Devices, обеспечивающий динамический диапазон измерений 140 дБ (в 1-герцовом окне БПФ). Для измерения глубины используют датчики гидростатического давления с цифровым интерфейсом, например, MS5837-30BA фирмы TE connectivity (Швейцария). Этот же датчик может использоваться для измерения температуры с высоким разрешением.
Для получения абсолютной точности измерений обычно периодически проводят стандартную калибровку измерительного модуля.
LVDS,
Для передачи данных предпочтительнее использовать слабосигнальный интерфейс физического уровня, например,  что обеспечит низкий уровень наводок на аналоговые цепи измерительных модулей и позволит получить широкий динамический диапазон.
Измерительные модули (4) могут устанавливаться на носителе (6) в любом порядке и любом необходимом для выполняемой системой задачи количестве. Модули могут быть установлены как эквидистантно, так и на разных расстояниях друг от друга.
Модули (4) соединяются между собой и с аппаратурным блоком (3) кабельными вставками (5) необходимой длины с герметичными разъемами на концах. Кабельные вставки совместно с интерфейсными цепями измерительных модулей образуют линии передачи синхронизирующего сигнала и полученных данных. При необходимости они могут быть оперативно заменены на резервные, при этом не потребуется никаких дополнительных действий по подготовке системы к работе и при последующей обработке данных.
При необходимости дополнения системы датчиками какого-либо другого типа измерительные модули с такими датчиками, удовлетворяющие формату передачи данных в кабельной линии и имеющие аналогичные интерфейсные цепи, могут быть просто установлены на гибкий носитель в необходимых местах. Данные этих модулей будут включены в общий поток данных и записаны автоматически, без необходимости перепрограммирования микроконтроллеров системы.
Аппаратурный блок (3) приема и обработки данных включает, управляющий микроконтроллер, накопитель данных на картах памяти SD, SDHC или SDXC или выполнен на жестком диске или SSD, систему общей синхронизации.
Для удобства дальнейшей работы и надежности аппаратурный блок может быть оборудован системой реальных даты-времени, акустическим модемом.
Система работает следующим образом.
При включении управляющая программа контроллера аппаратурного блока производит самотестирование (измеряет напряжение батарей и наличие свободного места на картах памяти) и затем подает в кабельную линию синхронизирующий сигнал, после чего начинает прием и запись данных от измерительных модулей в файлы на картах памяти аппаратурного блока. Программа автоматически определяет количество подключенных измерительных модулей и устанавливает необходимые параметры записи данных.
Акустические и гидрофизические сигналы, поступающие на первичные преобразователи (датчики) измерительных модулей (4), под управлением микроконтроллера модуля преобразуются в цифровые последовательности и по кабельной линии передаются в аппаратурный блок (3). Помимо измеряемых сигналов в эти цифровые последовательности периодически включаются текущие результаты самотестирования модуля, напряжение его питания и ID номер, что затем при обработке данных позволяет автоматически распознать данный модуль, его характеристики и порядок его установки на носителе.
Все поступающие от модулей (4) данные в аппаратурном блоке (3) периодически дополняются результатами его самотестирования, и при наличии, данными системы RTCC (система реальных даты-времени) и записываются в файлы на картах памяти.
Текущее состояние системы (исправность акустических каналов всех измерительных модулей, напряжение батарей электропитания и напряжение питания каждого модуля, наличие свободного места в памяти для записи данных) в любой момент, на воздухе и в воде может быть не прерывая работы системы считано с борта судна с помощью установленного в аппаратном блоке акустического модема системы, например, описанного в п. РФ №161987U1, и телекомандного устройства, которым снабжают судно или береговую станцию. Также акустический модем может быть использован для поиска системы в случае ее смещения из точки постановки.
Для дальнейшей окончательной обработки собранных данных система обращается к базе данных, содержащей параметры и характеристики всех имеющихся измерительных модулей, сопоставимых с их ID номерами, которая находиться, как правило, на другом компьютере, который занимается обработкой, или на сетевом сервере для общего пользования  Таким образом, конечная обработка данных с учетом характеристик каждого конкретного измерительного модуля производится автоматически, что в дальнейшем кардинально ускоряет обработку и повышает ее надежность, исключая возможные человеческие ошибки в ходе эксперимента и во время обработки.