ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС "АБИССАЛЬ-3" ДЛЯ МОРСКИХ ГЛУБОКОВОДНЫХ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ

Техническое решение относится к комбинированным средствам проведения геологоразведки в глубоководных (до 6000 м) акваториях Мирового океана, представляющим собой сочетание акустической разведки и разведки оптическими средствами.
Традиционная технология глубоководной геологоразведки создавалась за рубежом [10] и в СССР [11] в основном в конце 1970-х - начале 1980-х годов. Средства глубоководной съемки представляли, как правило, буксируемые судами-носителями забортные модули, используемые автономно друг от друга. Так, в [11] дано описание раздельно используемых буксируемых гидроакустического и фототелевизионного модулей.
Однако имевшиеся на вооружении средства морской геологоразведки исчерпывают свои возможности, морально и технологически устаревают и не удовлетворяют повышенным требованиям, предъявляемым в настоящее время к качеству проведения глубоководной геологоразведочной съемки.
В последнее время запатентован ряд устройств (отдельных аппаратов и комплексов) морской геологоразведки: подводные телеуправляемые аппараты [8, 9], подводный фотосъемочный комплекс [7], буксируемое подводное устройство [6], комплекс [5] для выполнения подводно-технических работ, комплекс [4] для гидрографических и геофизических работ на акваториях, глубоководный фототелевизионный комплекс [3], технологический комплекс [2] для исследования шельфа, морской геоакустический комплекс [1].
Эти известные системы, предназначенные для морской геофизической [2, 4, 5], гидрографической [4, 6] или фототелевизионной [3, 7-9] съемки, традиционно содержат бортовой модуль, размещенный на судне, и забортный буксируемый аппаратный модуль, соединенный с бортовым модулем кабель-тросом. Структура таких устройств определяется спецификой морской съемки: геофизической, гидрографической или фототелевизионной, что приводит, в ряде случаев, к неприемлемо узкой специфике решаемых задач и не позволяет достигнуть высокой разрешающей способности при выполнении геологоразведочных работ и, как следствие, препятствует получению требуемой детальности, точности и достоверности съемки, особенно в глубоководных районах Мирового океана.
Так, глубоководный фототелевизионный комплекс [3] не позволяет проводить гидроакустические исследования дна океана, а технологический комплекс [2], напротив, предназначен только для геоакустических измерений, в то время, как для повышения качества съемки требуется одновременное совокупное использование акустического и фототелевизионного методов исследований при обеспечении технологической совместимости применяемого оборудования.
Известный комплекс [1], принятый за прототип, содержит размещенную на судне-носителе бортовую часть (БЧ), соединенную кабель-тросом с буксируемой забортной частью комплекса (ЗЧК), причем БЧ связана с судовым спуско-подъемным устройством, судовой аппаратурой спутниковой радионавигационной системы (СРНС) и судовой аппаратурой гидроакустической навигационной системы (ГНС) и включает блок управления работой ЗЧК, блок сбора данных измерений и блок обработки и регистрации информации.
Однако забортная часть ЗЧК комплекса [1] включает лишь геоакустическую аппаратуру (гидролокаторы бокового обзора, акустический профилограф и эхолот) и не позволяет уточнять информацию с помощью фототелевизионной съемки. Комплекс [1] ограничивает потенциальные функциональные возможности глубоководной геологоразведки, которые могут быть получены только при комплексировании акустической и фототелевизионной технологий съемки, и тем самым препятствуют достижению возможной высокой производительности и эффективности морских геологоразведочных работ. При этом структуру комплекса [1] нельзя признать оптимальной, поскольку отсутствует резервирование и дублирование измерений, что снижает их точность, надежность и достоверность. Кроме того, разрешение и детальность съемки только гидроакустическими средствами может, в ряде случаев, оказаться недостаточной для адекватной интерпретации результатов измерений.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании такого технологического комплекса для морских геологоразведочных работ (специальное название: «Абиссаль-3»; от абиссаль - глубоководная 3000-6000 м зона дна Мирового океана, 3 - число забортных модулей), который позволил бы при сохранении достоинств известных устройств [1-3] реализовать более рациональную конструкцию и расширить функциональные возможности геологоразведки путем одновременного совокупного использования гидроакустических и фототелевизионных средств съемки.
Основной технический результат комплекса «Абиссаль-3» - синтез оптимальной функциональной и конструктивной структуры носителей забортной буксируемой аппаратуры в виде многозвенной разветвленной модульной схемы посредством комплексирования и обеспечения технологической совместимости автоматизированных гидроакустических и фототелевизионных средств разведки, а также повышение детальности, точности, достоверности и надежности съемки и, как следствие, - повышение производительности, качества и эффективности работ при высоком уровне адекватности информации о геологическом строении морского дна. При этом обеспечивается рациональное дублирование и резервирование средств измерений, а также оперативность получения данных в формате in situ с синхронизацией в едином времени.
Технический результат достигается следующим образом. Технологический комплекс для морских глубоководных геологоразведочных работ содержит размещенную на судне-носителе бортовую часть (БЧ), соединенную кабель-тросом с буксируемой забортной частью комплекса (ЗЧК), причем БЧ связана с судовым спуско-подъемным устройством, судовой аппаратурой спутниковой радионавигационной системы (СРНС) и судовой аппаратурой гидроакустической навигационной системы (ГНС) и включает блок управления работой ЗЧК, блок сбора данных измерений и блок обработки и регистрации информации.
Отличительной особенностью комплекса «Абиссаль-3» является то, что ЗЧК выполнена в виде многозвенной разветвленной модульной схемы и включает буксируемый судном-носителем на кабель-тросе модуль заглубителя (МЗ), а также соединенные с ним посредством кабель-тросов гидроакустический модуль (ГМ), снабженный блоком нейтральной плавучести, и фототелевизионный модуль (ФТМ), которые буксируются модулем заглубителя МЗ на разных удалениях от морского дна, определяемых соотношением
1
1
где h - альтитуда буксировки ГМ над морским дном, h=40÷50 м;
2
2
h - альтитуда буксировки ФТМ, h=3÷10 м,
при этом модуль заглубителя МЗ выполнен с возможностью стыковки с ФТМ в единый модуль на этапе вывода (приема) ФТМ за (на) борт судна-носителя и содержит блок питания ЗЧК, подводную лебедку с блоком управления положением ФТМ относительно дна при выполнении съемки и стыковки МЗ с ФТМ, блок подводной электроники (контроллер) для предварительной обработки данных ФТМ, эхолот-альтиметр, датчик давления, снабженные светильниками цифровые телекамеры и блок интерфейсов для интегрирования информационных потоков ГМ и ФТМ с последующей передачей данных на БЧ по каналу связи, выполненному в виде оптоволоконного грузонесущего кабель-троса.
МЗ может быть дополнительно оснащен гидроакустической аппаратурой в составе гидролокаторов бокового обзора высокой и низкой частоты, акустического профилографа и маяком-ответчиком ГНС.
Технологический комплекс отличается также тем, что гидроакустический модуль ГМ, снабженный блоком нейтральной плавучести, включает гидролокатор бокового обзора (ГБО) дальнего действия (ГБОН), ГБО высокого разрешения (ГБОВ), акустический профилограф (АП), эхолот (ЭЛ), маяк-ответчик (МО) ГНС, синтезатор зондирующих сигналов (СЗС), интерфейс сигналов управления, датчики пространственного положения ГМ, блок цифровых датчиков, блок датчика давления и аналоговых датчиков, а также кабельный интерфейс, цифровой приемопередатчик, одноплатную ЭВМ и блок питания, связанные посредством системной шины данных и управления, причем выходы синтезатора СЗС подключены к первым входам блоков ГБОН, ГБОВ, АП, ЭЛ и МО, входы-выходы интерфейса сигналов управления подключены ко вторым входам блоков ГБОН, ГБОВ, АП, ЭЛ и МО, выходы которых подключены к входам кабельного интерфейса, цифровой приемопередатчик связан входом-выходом с кабельным интерфейсом, подключенным посредством кабель-троса к модулю МЗ.
При этом ГБОН выполнен в виде гидролокатора бокового обзора дальнего действия с низкой рабочей частотой 30÷34 кГц и шириной полосы обзора на каждый борт судна-носителя до 1700 м, ГБОВ выполнен в виде гидролокатора высокого разрешения с высокой рабочей частотой 100 кГц и шириной полосы обзора на каждый борт судна-носителя до 400 м, а профилограф АП выполнен с размером элемента разрешения 0,1 м в диапазоне излучаемых частот от 2 до 8 кГц.
3
Блок нейтральной плавучести, выполненный из секций сферопластика с плотностью 650 кг/м, размещен в верхней части гидроакустического модуля ГМ.
Кроме того, отличием комплекса является то, что фототелевизионный модуль ФТМ содержит подключенные к блоку электроники телекамеру, цифровую фотокамеру, снабженный модемом связи блок телеметрии и блок светильников, который включает, по крайней мере, два светильника заливающего света и импульсный светильник, а также связанные входами-выходами с блоком электроники блок стабилизации альтитуды ФТМ над морским дном, блок лазерных масштабирующих элементов и подключенные к блоку электроники эхолот-альтиметр, датчик крена-дифферента и гидроакустический приемник для определения местоположения ФТМ относительно судна-носителя, причем вход-выход блока телеметрии кабель-тросом подключен к модулю МЗ.
При этом блок стабилизации альтитуды ФТМ над морским дном оснащен подруливающим устройством типа «гребной винт в насадке» с возможностью регулирования альтитуды ФТМ за счет тяги движителя подруливающего устройства от 2 м на погружение до 5 м на всплытие.
Блок лазерных масштабирующих элементов включает три лазера для формирования трех параллельных лазерных лучей с заданными расстояниями между ними с последующим определением размеров подводного объекта по его фотоизображению и точкам падения лазерных лучей на этот подводный объект.
Конструктивно модули МЗ, ГМ и ФТМ размещены в сварных пространственных стержневых конструкциях (рамах), которые выполнены из труб круглого сечения и снабжены кронштейнами и ложементами, выполненными из листовой стали, на которых посредством ленточных хомутов или резьбовых соединений закреплено оборудование и герметичные боксы с аппаратурой.
Отличием комплекса также является то, что блок управления работой ЗЧК, блок сбора данных измерений и блок обработки и регистрации информации, включенные в бортовую часть БЧ комплекса, выполнены на базе подключенных к мониторам персональных компьютеров с соответствующим программным обеспечением и с возможностью функционирования в формате in situ с синхронизацией измерений и данных МЗ, ГМ и ФТМ в едином времени по сигналам СРНС.
В комплексе в качестве аппаратуры СРНС использована аппаратура СРНС «НАВСТАР» и/или «ГЛОНАСС», либо их дифференциальный вариант, а в качестве аппаратуры ГНС-аппаратура гидроакустической навигации с короткой или ультракороткой базой.
На фиг.1 представлена общая конструктивная схема технологического комплекса «Абиссаль-3» для морских глубоководных геологоразведочных работ с иллюстрацией конструкции модулей МЗ, ГМ и ФТМ, на фиг.2-4 приведены структурные схемы аппаратуры модулей МЗ, ГМ и ФТМ соответственно.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - судно-носитель;
2 - бортовая часть (БЧ) комплекса;
3 - кабель-трос;
4 - судовое спуско-подъемное устройство;
5 - судовая аппаратура СРНС;
6 - судовая аппаратура ГНС;
7 - модуль заглубителя (МЗ);
8 - гидроакустический модуль (ГМ);
9 - фототелевизионный модуль (ФТМ);
10 - блок питания ЗЧК;
11 - подводная лебедка МЗ;
12 - блок управления положением ФТМ относительно дна;
13 - блок электроники МЗ;
14 - эхолот-альтиметр;
15 - датчик давления;
16 - светильник;
17 - цифровые телекамеры;
18 - блок интерфейсов;
19 - ГБО высокой частоты;
20 - ГБО низкой частоты;
21 - акустический профилограф;
22 - маяк-ответчик ГНС;
23 - ГБОН модуля ГМ;
24 - ГБОВ модуля ГМ;
25 - профилограф АП модуля ГМ;
26 - эхолот модуля ГМ;
27 - маяк-ответчик ГНС модуля ГМ;
28 - синтезатор зондирующих сигналов (СЗС);
29 - интерфейс сигналов управления;
30 - датчики пространственного положения модуля ГМ;
31 - блок цифровых датчиков;
32 - блок датчика давления и аналоговых датчиков;
33 - интерфейс аналоговых датчиков;
34 - кабельный интерфейс;
35 - цифровой приемопередатчик;
36 - одноплатная ЭВМ;
37 - блок питания;
38 - блок электроники модуля ФТМ;
39 - телекамера;
40 - цифровая фотокамера;
41 - блок светильников;
42 - эхолот-альтиметр;
43 - датчик крена-дифферента;
44 - гидроакустический приемник;
45 - блок стабилизации альтитуды ФТМ;
46 - подруливающее устройство;
47 - блок лазерных масштабирующих элементов;
48 - лазеры блока 47;
49 - блок телеметрии, снабженный модемом связи.
Работа комплекса заключается в следующем.
1
2
В районе съемки с судна-носителя 1 посредством спуско-подъемного устройства 4 и кабель-троса 3, при управлении с БЧ 2 и координировании по аппаратуре СРНС 5 и ГНС 6 производится развертывание (заглубление) многозвенной разветвленной модульной схемы комплекса, включающей три забортных модуля (три звена) МЗ 7, ГМ 8 и ФТМ 9 (фиг.1), которые в процессе съемки буксируются на кабель-тросе 3. При этом до спуска на заданную глубину модулей МЗ 7 и ГМ 8 модули МЗ 7 и ФТМ 9 состыкованы в единый модуль. При достижении заданной глубины модулем МЗ 7 модуль ГМ 8 при помощи блока нейтральной плавучести размещается в положение с альтитудой h, а посредством подводной лебедки 11, управляемой блоком 12 модуля МЗ 7 (фиг.2) модуль ФТМ 9 опускается ближе к морскому дну до альтитуды h в соответствии с соотношением (1). Таким образом, в комплексе «Абиссаль-3» модули ГМ 8 и ФТМ 9 размещаются на различных глубинах, которые являются адекватными для оптимальной и качественной работы гидроакустической и фототелевизионной аппаратуры. Эхолот-альтиметр 14 и датчик давления 15 осуществляют контроль глубины погружения модулей, а цифровые телекамеры 17 со светильниками служат для наблюдения за работой подводной лебедки 11 при спуске (подъеме) модуля ФТМ 9 и его стыковкой с модулем МЗ 7.
Геологическая съемка производится при скорости бксировки ЗЧК со скоростью от 1,5 до 2,5 узлов на глубинах 3000÷6000 м и волнении моря до 4 баллов. При этом данные с измерительных блоков модулей ГМ 8 и ФТМ 9 поступают по кабель-тросам (поводкам) в блок электроники (контроллер) 13 модуля МЗ 7 и после предварительной обработки через блок интерфейсов 18, где производится интегрирование информационных потоков ГМ 8 и ФТМ 9, данные передаются в БЧ 2 по каналу связи, выполненному в виде оптоволоконного грузонесущего кабель-троса 3.
Работа аппаратуры модуля ГМ 8 в основном аналогична работе забортного аппаратного модуля комплекса [1] и заключается в следующем. Сигналы с выходов ГБОН 23, ГБОВ 24, АП 25, ЭЛ 26 и МО 27 в соответствии с сигналами СЗС 28 и сигналами управления с интерфейса 29 поступают на кабельный интерфейс 34, работой которого управляет одноплатная ЭВМ 36. Сигналы с цифровых датчиков 30 и 31 и аналоговых датчиков 32 через интерфейс 33 также поступают на выход модуля ГМ 8. Излучение ГБОН 23, ГБОВ 24, АП 25, ЭЛ 26 и МО 27 формируется цифровым приемопередатчиком 35. Питание блоков модуля ГМ 8 обеспечивает блок 37 питания. При этом блоки 31 и 32 цифровых и аналоговых датчиков в частных случаях выполнения могут включать датчики углов ориентации модуля ГМ 8, датчики качки, датчик скорости звука, а также измеритель глубины «эхолот вверх», сигналы с выходов которых также поступают на вход модуля МЗ 7 (контроллера 13) и, далее, в БЧ 2.
Резервирование (и дублирование) измерений гидроакустических параметров может обеспечить дополнительное оснащение модуля МЗ 7 гидроакустической аппаратурой в составе ГБОВ 19, ГБОН 20 и АП 21 при координировании модуля МЗ 7 посредством маяка-ответчика 22 ГНС.
При этом ГБОН 23 и ГБОН 20 выполнены в виде гидролокаторов бокового обзора дальнего действия с низкой рабочей частотой 30÷34 кГц и шириной полосы обзора на каждый борт судна-носителя 1 до 1700 м. ГБОВ 24 и ГБОВ 19 выполнены в виде гидролокаторов высокого разрешения с высокой рабочей частотой 100 кГц и шириной полосы обзора на каждый борт судна-носителя 1 до 400 м. АП 21 и АП 25 выполнены с размером элемента разрешения 0,1 м в диапазоне излучаемых частот от 2 до 8 кГц и с глубиной пенетрации мягких осадков до 100 м.
Работа аппаратуры модуля ФТМ 9 (фиг.4) в основном аналогична работе забортного аппаратного модуля глубоководного фототелевизионного комплекса [3]. Подаваемое с модуля МЗ 7 напряжение питания преобразуется встроенными в блок 49 телеметрии и блок 38 электроники сетевыми адаптерами в ряд напряжений, необходимых для работы блоков 38 и 49. После подачи напряжения и включения модема блока 49 телеметрии устанавливается связь между БЧ 2, МЗ 7 и модулем ФТМ 9, и комплекс готов к работе. При включенной телекамере 39 композитный видеосигнал телекамеры 39 поступает на блок 49 телеметрии, где производится его оцифровка и преобразование в цифровой стандарт JPEG. В блок 49 поступает информация из блока 38 электроники и от цифровой фотокамеры 40. В блоке 49, который обеспечивает обмен информацией между БЧ 2 (МЗ 7) и модулем ФТМ 9, все цифровые потоки объединяются в единый поток, который через встроенный в блок 49 модем подается по кабель-тросу (поводку) в модуль МЗ 7 и, далее, в БЧ 2. Одновременно сигналы управления с БЧ 2 через модемы связи передаются на подводный модуль ФТМ 9 и через блок 38 электроники распределяются на соответствующие блоки 41-44 модуля ФТМ 9. Блок 38 электроники выполнен в виде спецвычислителя и обеспечивает сбор информации от альтиметра 42, датчика 43 крена-дифферента и гидроакустического приемника 44, а также выдачу команд управления на блок 41 светильников. Работа альтиметра 42, датчика 43 крена-дифферента и гидроакустического приемника описана в [3, 10, 11]. Блок 45 стабилизации альтитуды ФТМ 9 над морским дном оснащен подруливающим устройством 46 типа «гребной винт в насадке», что обеспечивает регулирование альтитуды ФТМ 9 за счет тяги движителя подруливающего устройства 46 от 2 м на погружение до 5 м на всплытие. Блок 47 лазерных масштабирующих элементов, включающий три лазера 47, формирует три параллельных лазерных луча с заданными расстояниями между ними для последующего определения в БЧ 2 размеров подводного объекта по его фотоизображению (полученному цифровой фотокамерой 40) и точками падения лазерных лучей на этот подводный объект.
Конструктивно модули МЗ 7, ГМ 8 и ФТМ 9 размещены (см. фиг.1) в сварных пространственных стержневых конструкциях (рамах), которые выполнены из труб круглого сечения и снабжены кронштейнами и ложементами, выполненными из листовой стали, на которых посредством ленточных хомутов или резьбовых соединений закреплено оборудование и герметичные боксы с аппаратурой.
В технологическом комплексе «Абиссаль-3» в качестве судовой аппаратуры 5 СРНС использована аппаратура СРНС «НАВСТАР» и/или «ГЛОНАСС», либо их дифференциальный вариант, а в качестве аппаратуры 6 ГНС - аппаратура гидроакустической навигации с короткой или ультракороткой базой, работа которых известна и подробно описана, например, в [10].
Работа БЧ 2 подробно описана в [1] (в части гидроакустических измерений) и в [3] (в части фототелевизионной съемки). БЧ 2 осуществляет сбор, регистрацию и архивацию геоакустической и фототелевизионной информации, выбор режимов работы комплекса и управление работой аппаратуры забортной части комплекса ЗЧК. Выполненные на базе подключенных к мониторам персональных компьютеров блок сбора измерений и блок обработки и регистрации информации посредством соответствующего программного обеспечения реализуют функционирование комплекса в формате in situ с синхронизацией измерений и данных МЗ 7, ГМ 8 и ФТМ 9 в едином времени.
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналоги:
1. RU 38233 U1, 27.05.2004 (прототип).
2. RU 16406 U1, 27.12.2000 (аналог).
3. RU 64587 U1, 10.07.2007 (аналог).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
4. RU 28257 U1, 10.03.2003.
5. RU 2220880 С2, 10.01.2004.
6. RU 2148003 С1, 27.04.2000.
7. RU 47975 S, 16.10.2000.
8. RU 43439 S, 16.05.1997.
9. RU 41218 S, 27.09.1994.
10. Милн П. Подводные инженерные исследования: Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1984. - 344 с. (с.240-266).
11. Глумов И.Ф. Автоматизированные геофизические комплексы для изучения геологии и минеральных ресурсов Мирового океана. - М.: Недра, 1986. - 344 с. (с.329-335).