ГИДРОХИМИЧЕСКАЯ ДОННАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ
HYDROCHEMICAL BOTTOM OBSERVATORY

Изобретение относится к области океанологии, а более конкретно к устройствам измерения геофизических и гидрохимических параметров в придонной зоне морей и океанов, и может быть использовано при оперативной оценке сейсмического и гидродинамического состояния районов и прогноза возможных сейсмических и экологических последствий природного и техногенного характера, а также при поиске подводных залежей углеводородов.
Известные автономные донные станции [патенты RU №№2270464, 2276388, 2294000] представляют собой цилиндрические или шарообразные корпуса, снабженные балластом для установки их на грунт, внутри и на корпусе которых установлены измерительные датчики и средства обработки первичной информации. В качестве измерительных датчиков используются, как правило, гидрофоны и геофоны. Зарегистрированная датчиками информация хранится на флеш-картах, которые после подъема донных станций обрабатываются на диспетчерских пунктах или считываются по каналам гидроакустической связи. Известные донные станции предназначены в основном для регистрации сейсмических сигналов на акватории моря. Так устройство [патент RU №2294000] представляет собой морскую автономную донную сейсмическую станцию, устанавливаемую на морское дно преимущественно с плавучих средств. Станция включает герметичный корпус, состоящий из двух полусфер, снабженных в месте сочленения уплотнительным кольцом. Внутри размещена геофизическая аппаратура, включающая измерительные датчики геофонного и гидрофонного типов, модули приема, регистрации, преобразования и хранения зарегистрированных сигналов, блоки сопряжения с бортовым модулем при всплытии, спутниковый и гидроакустический каналы связи, блок ориентации, блок синхронизации, блок управления размыкателем и блок питания. На внешней поверхности корпуса установлены гидроакустическая и спутниковая антенны, средства для поиска донной станции при всплытии, такелажные элементы и разъемы, устройство постановки на дно и обеспечения всплытия донной станции, выполненное в виде якоря-балласта. Технический результат повышение точности измерений, снижение трудоемкости и изготовления донной станции.
Недостатком известных автономных донных станций является то, что они предназначены для измерения только сигналов сейсмического происхождения. В то же время автономные донные станции могут применяться и при решении таких задач, как изучение строения земной коры в акваториях мирового океана, исследование совокупности проявления геофизических полей в зонах тектонических разломов непосредственно на дне океана, исследование состояния морской среды в придонной зоне и ее взаимодействие с тектоническими процессами, геофизический мониторинг сложных гидротехнических сооружений.
Известны также подводные обсерватории [патент ЕР №0519031, патент NO №911639, патент ЕР №0516662, патент AU №2002100749 от 04.09.2002. Средства и методы океанологических исследований. Смирнов Г.В., Еремееев В.Н., Агеев М.Д. и др. - М.: Наука, 2005], включающие донный сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, блок оптических измерений, средства первичной обработки и хранения информации, средства связи с диспетчерской станцией, установленные на платформе, что позволяет зарегистрировать более полный спектр геофизических сигналов и, как следствие этого, расширить функциональные возможности донных станций.
Недостатком известных подводных обсерватории является то, что состав измерительных средств не позволяет решить задачу, связанную с исследованием состояния морской среды в придонной зоне при взаимодействии с тектоническими процессами, а также задачу геофизического мониторинга сложных гидротехнических сооружений.
Выявленных недостатков лишено устройство, представляющее собой подводную обсерваторию [патент RU №2346300], состоящую из герметичного корпуса, установленного на раме, и содержащую средства регистрации геофизических сигналов, включающие донный сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, блок оптических измерений, средства хранения информации, средства связи с диспетчерской станцией, датчик пространственной ориентации, радиобуй, балласт, размыкатель балласта, дополнительно введены блок гидрохимических измерений, спектроанализатор, сейсмоакустический блок, блок гидроакустического телеуправления, блок контроля радиоактивного загрязнения, блок регистрации и управления, модем кабельной линии связи, в котором блок гидрохимических измерений своими входами соединен с выходами блока контроля радиоактивного загрязнения, спектроанализатора, а своим выходом соединен с входом блока регистрации и управления, который другими выходами соединен с выходами донного сейсмометра, гидрофизического модуля, датчика магнитного поля, блока оптических измерений, модемом кабельной линии связи, а входом-выходом соединен с входом-выходом блока гидроакустического телеуправления.
Новые отличительные признаки устройства [патент RU №2346300] по сравнению с известными устройствами заключаются в том, что в известное устройство дополнительно введены блок гидрохимических измерений, спектроанализатор, сейсмоакустических блок, блок гидроакустического телеуправления, блок контроля радиоактивного загрязнения, блок регистрации и управления, модем кабельной линии связи, в котором блок гидрохимических измерений своими входами соединен с выходами блока контроля радиоактивного загрязнения, спектроанализатора, а своим выходом соединен с входом блока регистрации и управления, который другими выходами соединен с выходами донного сейсмометра, гидрофизического модуля, датчика магнитного поля, блока оптических измерений, модемом кабельной линии связи, а входом-выходом соединен с входом-выходом блока гидроакустического телеуправления, которые позволяют решить техническую задачу не только оперативной оценки сейсмического состояния исследуемых районов, но и позволяют решить задачу оперативной оценки гидродинамического состояния на границе вода-грунт, обусловленных влиянием окружающей среды под воздействием процессов природного и техногенного характера. Однако состав измерительных средств данного устройство не позволяет выполнить анализ на содержание метана в водной среде в зонах размещения нефтегазовых трубопроводов при наличии утечек, а также выполнить полноценный экологический мониторинг окружающей среды.
Кроме того, при использовании сейсмических датчиков электромеханического типа возможны нарушения в их работе при наличии ударов при постановке донных станций на грунт.
Из известных конструкций донных станций наиболее близкими по своей сути к заявляемому техническому решению являются гидрохимические донные станции [Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. / Л.И.Лобковский, Д.Г.Левченко, А.В.Леонов, А.К.Абросимов. М.: Наука, 2005, с.97-99; Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. / Л.И.Лобковский, Д.Г.Левченко, А.В.Леонов, А.К.Абросимов. М.: Наука, 2005, с.99-100]. Гидрохимическая донная станция [Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. / Л.И.Лобковский, Д.Г.Левченко, А.В.Леонов, А.К.Абросимов. М.: Наука, 2005, с.97-99] состоит из следующих элементов: акустооптического спектрометра видимого диапазона волн 350-850 нм, датчика температуры морской воды, датчика скорости звука в воде, датчика скорости течения, датчика давления, датчика концентрации ионов водорода рН, управляющего микрокомпьютера, блока питания (12В) и преобразователя питания (12В/220В). Блок питания и преобразователь питания находятся в отдельном притопленном буе. Управление станцией и передача данных на берег производятся с помощью канала полудуплексной радиосвязи (400 МГц, 2000 Бод). Все элементы станции находятся в прочном цилиндрическом корпусе со сферическими крышками. Датчики и тубус спектрометра укреплены снаружи. Прочный корпус поднят над дном на высоту 3 м на опоре, выполненной в виде треноги. Притопленный буй установлен на глубине 15 м с помощью груза и троса. Радиотрансляционный буй находится на поверхности воды и соединен с притопленным буем и донной частью станции через кабель. Питание станции и связь с берегом может осуществляться по донному кабелю. По своим техническим и эксплуатационным возможностям данная станция может применяться в системах экологического мониторинга окружающей среды. Однако практическое использование известной донной станции наталкивается на серьезные принципиальные и технические трудности. Так как донные станции должны работать в автоматическом режиме, необходимо обеспечить их высокую надежность в течение длительного срока эксплуатации. Они должны иметь прочные корпусы для защиты аппаратуры от давления на глубине до 5-6 км, от ударов о борт судна и о твердое дно при их постановке. Имеется также ряд специфических проблем: влияние придонных течений на аппаратурные шумы, особенности сцепления корпуса сейсмических приемником с мягким дном, микросейсмические шумы, генерируемые поверхностными гравитационными волнами, особенности распространения сейсмических сигналов в коре океанического типа.
Принципиальный вопрос представляет передача сейсмологической информации с донной станции на берег. Использование для этих целей гидроакустической связи не эффективно из-за ее малой пропускной способности и большой потребляемой мощности. Для использования радио- или спутниковой связи требуется поверхностный трансляционный буй, который должен быть устойчивым к штормам, дрейфующим льдам и возможным столкновением с судами.
Другая принципиальная трудность состоит в отсутствие серийно выпускаемых широкополосных сейсмических приемников, пригодных для использования в донных сейсмических станциях. Дело в том, что создание единой сейсмологической сети суша-море и возможности сопоставления полученных результатов, морские сейсмометры, по своим основным метрологическим характеристикам не должны существенно уступать наземным.
Известная гидрохимическая донная обсерватория [Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. / Л.И.Лобковский, Д.Г.Левченко, А.В.Леонов, А.К.Абросимов. М.: Наука, 2005, с.99-100] представляет собой комплекс океанологических измерительных приборов, объединенных в модульную конструкцию, предназначен для изучения геофизических и гидрохимических процессов в придонном слое мирового океана. В первую очередь - для предупреждения природных и антропогенных экологических катастроф.
Данная гидрохимическая донная обсерватория содержит трехкомпонентный цифровой сейсмограф с частотами регистрации 0,03-40 Гц, акустооптический спектрометр видимого диапазона волн (415-800 нм), измеритель скорости и направления течений, измеритель температуры воды, измеритель давления, измеритель электропроводности воды, магнитометр постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр, гидроакустический модуль для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне. Комплекс также оснащен устройством сбора и обработки информации с расширенными функциональными возможностями по измеряемым параметрам, объему записываемой информации, приему и передачи больших массивов информации в информационный центр. Комплекс обеспечивает непрерывную регистрацию и передачу геофизической информации по кабельной линии связи в течение не менее одного года, а в автономном режиме может работать не менее двух месяцев.
Конструктивно комплекс состоит из общей рамы с откидной консолью. К раме крепятся модули измерительных приборов и устройство сбора и передачи информации. На консоли закреплен блок сейсмических приемников. Модули соединены с датчиками и устройством сбора информации с помощью кабелей. Магнитометрический датчик вынесен на несколько метров над обсерваторией для исключения ее влияния.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей и повышение достоверности определения характеристик геофизических и гидрохимических процессов при сейсмических исследованиях посредством гидрохимической донной обсерватории, включая поиск подводных месторождений углеводородов.
Поставленная задача решается за счет того в устройство, представляющее собой гидрохимическую донную обсерваторию, которая содержит трехкомпонентный цифровой сейсмограф с частотами регистрации 0,03-40 Гц, акустооптический спектрометр видимого диапазона волн (415-800 нм), измеритель скорости и направления течений, измеритель температуры воды, измеритель давления, измеритель электропроводности воды, магнитометр постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр, датчик скорости звука в воде, датчик концентрации ионов водорода рН, гидроакустический модуль для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне, устройство сбора и обработки информации, включающее управляющий компьютер и блок регистрации и управления, размещенные на раме с откидной консолью, дополнительно введены датчик обнаружения метана, датчик сероводорода, соединенные своими выходами с блоком регистрации и управления, блок логической обработки, который своими входами соединен с выходами трехкомпонентного цифрового сейсмографа, блок гидрохимических измерений, который своим выходом соединен с входом устройства сбора и обработки информации, датчик пространственной ориентации и схема определения координат, соединенные своими выходами с соответствующими входами блока регистрации и управления.
Новые отличительные признаки, заключающиеся в том, что введены датчик обнаружения метана, датчик сероводорода, соединенные своими выходами с блоком регистрации и управления, блок логической обработки, который своими входами соединен с выходами трехкомпонентного цифрового сейсмографа, датчик пространственной ориентации, схема определения координат, блок гидрохимических измерений, который своим выходом соединен с входом устройства сбора и обработки информации, позволяют выполнить сейсмические исследования, актуальные аналитические работы по определению фонового содержания нефти, нефтепродуктов и нефтяных углеводородов в морской среде, а также водно-экологические исследования по оценкам перераспределения и условий трансформации углеводородов на акваториях, прилегающих к подводным месторождениям углеводородов.
Сущность технического решения поясняется чертежами.
Фиг.1. - блок-схема гидрохимической донной обсерватории. Блок-схема включает трехкомпонентный цифровой сейсмограф 1 с частотами регистрации 0,03-40 Гц, акустооптический спектрометр 2 видимого диапазона волн (415-800 нм), измеритель скорости и направления течений 3, измеритель температуры воды 4, измеритель давления 5, измеритель электропроводности воды 6, магнитометр 7 постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр 8, датчик скорости звука в воде 9, датчик концентрации ионов водорода рН 10, гидроакустический модуль 11 для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне, устройство сбора и обработки информации 12, включающее управляющий компьютер 13 и блок регистрации и управления 14, размещенные на раме с откидной консолью, дополнительно введены датчик обнаружения метана 15, датчик сероводорода 16, соединенные своими выходами с блоком регистрации и управления 14, блок логической обработки 17, который своим входом соединен с выходом трехкомпонентного цифрового сейсмографа 1, блок гидрохимических измерений 18, датчик пространственной ориентации 19, схема определения координат 20.
Фиг.2 - блок-схема блока логической обработки. Блок логической обработки 17 состоит из схемы сопряжения 21, фазового амплитудного фильтра 22, двух пороговых устройств 23 и 24, селектора 25 шаговых импульсов, формирователя 26 времени анализа и счетчика 27 импульсов.
1
1
2
2
1
2
Фиг.3 - диаграмма технологии приема сейсмических сигналов при поиске подводных залежей углеводородов. Сейсмографы 1 в составе гидрохимической донной обсерватории установлены на грунте 28 на расстоянии D друг от друга. Вдоль оси Z прием микросейсмических волн осуществляется одним сейсмографом 1 по расстояниям L от точек P и Р горизонта 29 залегания углеводородов (Н), а другим сейсмографом 1 по расстояниям L от точек P и Р соответственно. Δφ - внутренний угол между осью Z и направлением прихода микросейсмических волн.
Цифровой сейсмограф 1 представляет собой трехкомпонентный сейсмоакустический датчик с частотами регистрации 0,03-40 Гц и предназначен для преобразования третьей производной колебания грунта в электрический сигнал в соответствующем динамическом и частотном диапазоне. Основные технические характеристики датчика: количество сейсмоакустических каналов 3, частотный диапазон 20-1000 Гц, динамический диапазон в полосе 1/3 октавы и центральной частотой 30 Гц не менее 60 дБ, амплитуда выходного сигнала не более ±10 В, амплитуда контрольного сигнала при токе нагрузки 4 мА не более ±5 В.
Акустооптический спектрометр 2 видимого диапазона волн (415-800 нм) предназначен для измерения спектров комбинационного рассеяния оптического излучения в составе подводной обсерватории. По спектрам комбинационного рассеивания получают информацию о составе морской воды. Основные технические характеристики спектроанализатора 2: спектральный диапазон 0,52-0,78 мкм, полоса пропускания 0,54 нм на 0,783 мкм, точность позиционирования по спектру 0,2 нм, число спектральных каналов 4096.
Измеритель скорости и направления течений 3, измеритель температуры воды 4, измеритель давления 5, измеритель электропроводности воды 6, датчик скорости звука в воде 9 объединены в гидрофизический модуль, который предназначен для выполнения измерений следующих параметров:
- температуры воды;
- гидростатического давления;
- электропроводимости;
- вектора скорости течения (трехосный акустический измеритель течений);
- солености;
- условной плотности;
- аномалий потенциальной плотности;
- скорости звука;
- глубины;
- динамической высоты;
- потенциальной температуры;
- частоты Вяйселя-Брента;
- градиента потенциальной температуры;
- градиента солености.
Гидрофизический модуль установлен на внешней стороне рамы. Магнитометр 7 постоянного магнитного поля предназначен для измерения абсолютного значения магнитной индукции поля земли в морских акваториях до глубин 6000 м. Основные технические характеристики датчика: диапазон измеряемой величины магнитной индукции 20 000…100 000 нТ, погрешность отсчитывания ±10 нТ.
Гамма-спектрометр 8 предназначен для определения in situ содержания гамма-излучающих радионуклидов (как техногенного, так и естественного происхождения) в морской воде.
Основные технические характеристики гамма-спектрометра 8: диапазон регистрируемых энергий 0,2-3,0 мэВ, энергетическое разрешение по линии цезия 137 13%, число уровней квантования спектра 256, максимальное число отсчетов в канале 65 000, максимальная скорость регистрации не менее 1000 1/с.
Аналогом датчика концентрации ионов водорода рН 10 является устройство, приведенное в источнике [Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. / Л.И.Лобковский, Д.Г.Левченко, А.В.Леонов, А.К.Абросимов. М.: Наука, 2005, с.97-99].
Гидроакустический модуль 11 предназначен для связи с обеспечивающим судном или береговым диспетчерским пунктом, а также для позиционирования гидрохимической донной обсерватории на дне.
Устройство сбора и обработки информации 12 включает управляющий компьютер 13 и блок регистрации и управления 14, размещенные на раме с откидной консолью.
Блок регистрации и управления 14 предназначен для сбора информации от датчиков гидрохимической донной обсерватории, привязки ее к системе точного времени, сжатия и передачи по гидроакустической линии связи через соответствующий модем, а также для записи информации на жесткий магнитный диск в автономном режиме. Блок регистрации и управления 14 содержит также модуль гидроакустического телеуправления, который предназначен для управления режимами работы и тестирования гидрохимической донной обсерватории.
Модуль гидроакустического телеуправления состоит из двух частей и включает аппаратуру, входящую в состав диспетчерской станции, которая осуществляет передачу команд управления на расстоянии до 8 километров и предназначенную для управления режимами работы путем передачи гидроакустических команд управления, прием квитанций от гидрохимической донной обсерватории, подтверждающих выполнение команд, измерение дальности до гидрохимической донной обсерватории.
-7
Подводная часть модуля гидроакустического телеуправления, размещенная на гидрохимической донной обсерватории, обеспечивает прием и декодирование гидроакустических команд управления режимами работ гидрохимической донной обсерватории и передачу квитанций, подтверждающих выполнение команд, а также подачу команд на передачу сообщений при превышении тех или иных измеряемых параметров, при работе в автономном режиме. Дальность гидроакустического канала связи не более 8000 м. Число команд, передаваемое по гидроакустическому каналу - 256. Число команд, принимаемое на гидрохимической донной обсерватории, - 20. Число, одновременно обслуживаемых гидрохимических донных обсерваторий, не более 10. Формат команды - двоичный девятиразрядный код. Способ модуляции, используемый при передаче команд, - многочастотная манипуляция. Диапазон частот сигналов переносчиков команд - 7-10 кГц. Вероятность возникновения необнаруженной ошибки при приеме команды, не более, при уровне спектральной плотности шумового давления в зоне расположения подводной гидроакустической антенны 0,001 Па/ Гц не более 10. Вид связи с блоком регистрации и управления - последовательный порт в стандарте EIA/TIA-232Е со скоростью 115200 бит/с. Вид связи с ЭВМ диспетчерской станции - параллельный интерфейс ЕРР 1.7 в стандарте IEEE 1284.
Датчик обнаружения метана 15 предназначен для измерения концентрации метана в водной толще. Датчик представляет собой полупроводниковый прибор, принцип работы которого заключается в том, что диффузия молекул углеводородов из воды через специальную силиконовую мембрану транслируется в камеру датчика. Адсорбция молекул углеводов на активном слое датчика приводит к электронному обмену с молекулами кислорода, таким образом, меняя сопротивление активного слоя, которое преобразуется в выходное (измеряемое) напряжение.
Основные характеристики датчика:
- 10 мкм силиконовая мембрана;
- рабочая глубина 0-3500 м;
- рабочая температура 2-20°С;
- время измерения от 1 до 3 сек;
- время стабилизации диффузии до 5 минут, в зависимости от турбулентности;
- входное напряжение 9-36 В;
- расход энергии 160 мА/ч;
- выходной сигнал - аналоговый 0-5 В и цифровой RS - 485;
- метан 50 нмоль/л - 10 мкмоль/л.
Аналогом датчика обнаружения метана 15 является датчик типа METS («CAPSUM»).
Датчик сероводорода 16 соединен своим выходом с блоком регистрации и управления 14. Полупроводниковый слой датчика сероводорода 16 выполнен из частично галогенированного безметального или содержащего переходной металл фталоцианина, при этом галогенирование используемого фталоцианина выполнено до замещения атомами галогена (Cl, Вr, I) 50-75% периферических атомов водорода, входящих в изоиндольные группировки фталоцианинового макрокольца. Аналогом датчика сероводорода является датчик сероводорода, приведенный в описании к патенту RU №1789915.
Блок логической обработки 17 состоит из схемы сопряжения 21, фазового амплитудного фильтра 22, двух пороговых устройств 23 и 24, селектора 25 шаговых импульсов, формирователя 26 времени анализа и счетчика 27 импульсов.
Блок логической обработки 17 выполнен в виде двух пороговых устройств 23 и 24, одно из которых подключено к выходу цифрового сейсмографа 1 и к входу селектора 25 шаговых импульсов, подключенного к D-входу счетчика 27 импульсов, а другое пороговое устройство подключено к выходу цифрового сейсмографа 1, к входу формирователя 26 времени анализа и к входу С счетчика 27 импульсов, выход формирователя 26 времени анализа подключен к R-входу счетчика 27 импульсов и к второму входу селектора 25 шаговых импульсов, выходом блока логической обработки 17 является фазовый амплитудный фильтр 22.
Данное схемное решение позволяет в блоке логической обработки 17 производить анализ сигналов, поступающих с сейсмического канала. При этом на выходе формируется сигнал, свидетельствующий о наличии или отсутствии антропогенного воздействия в зоне исследований.
Фазовый амплитудный фильтр 22 предназначен для выделения микросейсмических волн для анализа излучаемых микросейсмических сигналов при поиске подводных месторождений углеводородов (фиг.3).
2
1
2
1
Для всех излучающих микросейсмических точек (например, точка Р на фиг.3) вдоль оси Z расстояния L и L будут равны. Для некоторых других точек, внутренний угол Δφ (например, для точки P) равен:
3
cp
cp
Допуская, что время задержки t=ΔL/(V), где V - средняя скорость продольных микросейсмических волн, равная 2325 м/с (получено при натурных испытаниях в Бенгальском заливе), и гармонический период Тг=1/fг, где Тг - период гармонической волны в секунду и частота fг гармонической волны в Гц.
1
2
Для получения всех сигналов внутри угла Δφ выбираются все гармоники от двух сейсмографов 1, отраженных одновременно с практически равными амплитудами А=А.
Так как фазовое изменение между двумя парами гармоник может быть меньше чем значение
При этом условием выбора гармоник является условие:
которое и выполняется посредством фазового амплитудного фильтра 22, который извлекает продольные микросейсмические волны и исключает поперечные микросейсмические волны.
Угол Δφ может быть выбран двумя путями. С одной стороны, угол Δφ не должен быть больше 10 градусов ввиду большой скорости продольной волны, что может привести к ошибкам, обусловленным геометрией расположения излучаемых сигналов по лучам их распространения. С другой стороны, угол Δφ не должен быть меньше 1 градуса, так как необходимая точность времени фиксации сигналов будет не достаточна и в сочетании с существующей чувствительностью сейсмических датчиков увеличивается погрешность измерений. С учетом этого, угол Δφ для конкретного исполнения гидрохимической донной станции составляет 7 градусов.
Блок гидрохимических измерений 18 представляет собой устройство, которое предназначено для классификации загрязнений морской воды по спектральным характеристикам и молекулярному составу морской воды, аналогом которого являются устройства, приведенные в источниках [1. Основные процессы и аппаратура химической технологии./ Под ред. Дытнерского Ю.Н. - М.: Химия, 1983. 2. Химико-аналитические комплексы фирмы Agilent Technologies (US), http;//www.chem.agilent.com. 3. Химико-аналитические комплексы фирмы SRI Instruments (US), http;//www.perichrom.com. 4. Химико-аналитические комплексы ЗАО "Хроматэк" (RU), http;//www.chronomatec.m.].
Датчик пространственной ориентации 19 предназначен для определения точного положения в пространстве сейсмографов 1.
В качестве датчика используется модуль электрического компаса ТСМ-2 фирмы "Precision Navigation", представляющий собой трехосный феррозондовый магнитометр с блоком электроники, выполненные на одной плате.
Схема определения координат 20 предназначена для преобразования координат (географических) газового образования, которые определяют по положению газового образования относительно гидрохимической донной обсерватории.
Так как географические координаты места установки гидрохимической донной обсерватории известны, то решением геодезической задачи определяют координаты газового образования в географической системе координат относительно каждой гидрохимической донной обсерватории. При этом в качестве измеряемых параметров наиболее простым решением является определение направления (пеленг) и дистанции до газового образования, что осуществляется посредством гидроакустических средств (блок гидроакустического управления и гидроакустическая антенна), установленных на гидрохимической донной обсерватории.
Устройство сбора и обработки информации 12 предназначено для работы в составе средств гидрохимической донной обсерватории и осуществляет сбор, оцифровку и накопление сигналов от датчиков. Подсистема представляет собой программно-аппаратный комплекс для Intel-совместимого семейства процессоров и снабжена средствами отладки и тестирования. Предусмотрены три режима регистрации сигналов:
непрерывный, старт-стопный по заданной программе и старт-стопный с управлением по уровню сигнала. Управление параметрами устройства сбора и обработки информации 12 производится по результатам экспресс-обработки сигналов на основе анализа уровня энергии и спектрального состава с помощью быстрых алгоритмов реального времени.
Диспетчерские станции выполнены в виде береговых сооружений или плавсредств (плавучие, стационарные и заякоренные платформы, суда).
Средства диспетчерской станции включают в себя:
- персональный компьютер совместимый с IBM PC;
- приемник спутниковой навигационной системы GPS;
- блок автономного гидроакустического размыкателя;
- аппаратуру гидроакустического телеуправления.
Минимальная конфигурация персонального компьютера включает:
- процессор - Pentium 166 МГц;
- ОЗУ - 32 Мбайт;
- плату SVGA с памятью 1 Мбайт;
- дополнительную плату с двумя последовательными портами с FIFO памятью (UART 16550-совместимая).
Они используются для обработки информации, полученной с каждой гидрохимической донной обсерватории.
Программно-математическое обеспечение средств диспетчерской станции предназначено для проверки всех измерительных каналов гидрохимической донной обсерватории и блока регистрации и управления 14 через последовательный порт RS-485, привязки к системе единого времени внутренних часов блока регистрации и управления 14 посредством блока гидроакустического телеуправления и приемника GPS, установленного на диспетчерской станции и осуществления привязки к географическим координатам посредством блока гидроакустического телеуправления, получения информации по результатам тестовых проверок после установки гидрохимической донной обсерватории на дно.
Алгоритм основного режима работы диспетчерской станции заключается в обеспечении связи между гидрохимической донной станцией и диспетчерской станцией, которая может осуществляться посредством гидроакустического канала связи или через оптоволоконный глубоководный кабель по методу доступа с временным разделением абонентов. Каждая гидрохимическая донная обсерватория имеет свой адрес. В этом случае сеть диспетчерских станций работает в симплексном режиме. К одной диспетчерской станции одновременно возможно подключение через глубоководный кабель до 16-ти гидрохимических донных обсерваторий, работающих в автономном необслуживаемом режиме.
Количество измерительных каналов и видов связи в каждой гидрохимической донной обсерватории зависит от решаемой задачи в конкретном месте постановки гидрохимической донной обсерватории. В принципе максимальное количество цифровых измерительных каналов может быть до 30, а аналоговых - до 6.
Управляющий компьютер диспетчерской станции и программно-математическое обеспечение, реального времени предназначены для управления оборудования гидрохимической донной обсерватории, диагностирования ее неисправностей, приема данных, получаемых с гидрохимической обсерватории и размещения получаемых данных на устройствах накопления информации. Функционирование всего аппаратно-программного комплекса определяется файлом конфигурации, который создается специальной программой и задает наличие гидрохимических донных обсерваторий, тип используемых геофизических каналов, параметры каналов, а также наличие или отсутствие аппаратуры синхронизации времени (приемник GPS).
При запуске программы регистрации считывается конфигурация всей сети гидрохимической донной обсерватории и производится привязка времени по Гринвичу с точностью до нескольких десятков микросекунд и расчет поправок к частоте кварца компьютера для поддержания функционирования гидрохимической донной обсерватории в случае кратковременного отказа приемника GPS. Синхронизация времени осуществляется каждую секунду от приемника GPS.
Вслед за синхронизацией происходит опрос, программирование, синхронизация и запуск оборудования отдельных гидрохимических донных обсерваторий. Запрашивается состояние оборудования каждой гидрохимической донной обсерватории (ее исправность, наличие каналов, исправность каналов и т.д.). В случае возникших проблем на экран выдается соответствующее сообщение (оно также записывается в файл протокола функционирования). В блок регистрации и управления 14 гидрохимической донной обсерватории передается программа работы для каждого измерительного канала, частота опроса и коэффициент усиления.
Перед запуском каждый блок управления и регистрации 14 синхронизируется по времени компьютера диспетчерской станции (в дальнейшем синхронизация проводится каждые 10 сек). При синхронизации учитывается время прохождения сигнала от компьютера диспетчерской станции до синхронизируемого блока регистрации и управления 14. После этого блок регистрации и управления 14 запускается и начинает сбор данных с измерительных каналов. Блок регистрации и управления 14 в каждой гидрохимической донной обсерватории работает независимо и всю информацию сжимает и складывает в буферную память.
Управляющий компьютер диспетчерской станции циклически запрашивает у соответствующего блока регистрации и управления 14 данные о зарегистрированных датчиками сигналов, и, в случае их наличия, принимает их, и записывает в свои буфера в оперативной памяти. После накопления достаточного количества данных для канала они переписываются в файл, соответствующий типу канала. Обычно эти файлы расположены на другом компьютере и доступны по локальной сети, хотя для кратковременных экспериментов система может быть сконфигурирована таким образом, что будет использоваться локальный диск. При кратковременных разрывах связи (до 10 мин) данные не теряются в силу наличия у каждого блока регистрации и управления 14 достаточно большого собственного буфера. В процессе обмена данными оператором может быть проведена калибровка любого измерительного канала, входящего в состав сети диспетчерской станции. При возникновении нештатных ситуаций (разрыв связи с гидрохимической донной обсерваторией, его поломка, отказ отдельных каналов либо восстановления вышеперечисленного), а также некоторых штатных ситуаций - возникновение события или запуск калибровки соответствующего измерительного канала, выдается сообщение на экран, включающее время по Гринвичу наступления ситуации, имена подводных обсерваторий и канала и само сообщение. Сообщения также записываются в буфер размером 100 строк и в файл протокола. Буфер может быть просмотрен оператором в любое время.
Измерительные датчики гидрохимической донной обсерватории после ее постановки на дно функционируют по прямому назначению. Зарегистрированные датчиками сигналы записываются на средства хранения информации, при сеансах связи передаются на диспетчерскую станцию, где выполняется полный анализ оценки сейсмического и гидродинамического состояния исследуемых районов, по результатам которого делается прогноз о возможных сейсмических и экологических последствий природного и техногенного характера, а также о наличии возможных подводных залежах углеводородов в исследуемой акватории.
На диспетчерской станции по полученным результатам измерений посредством измерительных датчиков гидрохимической донной станции выполняется комплексный мониторинг морских нефтегазоносных акваторий и акваторий, на которых расположены морские объекты хозяйственной деятельности. Анализ полученных результатов выполняют с использованием известных параметрических и гидродинамических моделей [Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. / Л.И.Лобковский, Д.Г.Левченко, А.В.Леонов, А.К.Абросимов. М.: Наука, 2005, с.122-210].
Реализация устройства технической сложности не представляет, так как устройство реализовано на серийно выпускаемых датчиках и элементах микроэлектроники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "промышленная применимость".