АВТОНОМНАЯ ДОННАЯ СЕЙСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ

Техническое решение относится к конструктивному выполнению средств морских сейсмических исследований и может быть использовано для долговременных сейсмологических исследований. Известны глубоководные автономные станции [Коновалов С.Л. Использование автономных донных станции в качестве универсального носителя измерительной аппаратуры., изд-во ГП «ВНИИФТРИ», 2000, с.135-139.], представляющие 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 размещаться в выносных системах, при этом связь с внутренней аппаратурой осуществляется через кабельные гермовводы. Полностью укомплектованная автономная станция должна иметь положительную плавучесть, а погружение под воду при этом осуществляется за счет теряемого балластного груза, закрепляемого к управляемому размыкателю балласта. При оснащении глубоководной автономной станции соответствующими сейсмическими приемниками, эти станции можно использовать, как глубоководные автономные донные сейсмические станции. Наиболее полно структура и функциональные связи автономной донной сейсмической станции, принятой за прототип, приведены в [Савостин Л.А. Автономная донная сейсмическая станция (АДСС «ЛАРГЕ»)., патент №2229146, МПК G 01 V 1/38, дата публикации 20.05.2004 г.]. АДСС «ЛАРГЕ» содержит устанавливаемый на морском дне глубоководный самовсплывающий носитель геофизической аппаратуры и устройства для поиска всплывшего подводного модуля. В основном приборном контейнере АДСС «ЛАРГЕ» размещены блок регистрации, блок определения ориентации носителя геофизической аппаратуры, блоки синхронизации, блок гидроакустического маяка, блок определения местоположения носителя геофизической аппаратуры при всплытии по сигналам спутниковой радионавигационной системы, устройство управления размыкателями и блок питания. Снаружи основного приборного контейнера установлены поплавок, откидной контейнер сейсмодатчиков на выносной штанге, антенна гидроакустического маяка, антенна спутниковой радионавигационной системы, а также устройство постановки и снятия носителя геофизической аппаратуры с грунта дна, выполненное в виде якоря - балласта и закрепленное посредством размыкателей в нижней части носителя геофизической аппаратуры, и средства для поиска всплывшего носителя геофизической аппаратуры, выполненного в виде проблескового маяка и радиолокационного отражателя.
В прототипе размыкатель срабатывает по команде передаваемой по гидроакустическому каналу связи либо по команде с блока синхронизации либо при помощи электрохимических узлов, что заметно снижает надежность срабатывания размыкателя вследствие отсутствия элементов дублирования.
Также к недостаткам можно отнести запись с выходов трехкомпонентного сейсмодатчика на один канал накопителя измерительной информации, тем самым, увеличивая вероятность потери цифровой информации и осуществление оцифровки с помощью двух АЦП (на сейсмический и на акустический каналы), что может привести к фазовым искажениям между этими каналами. К недостаткам можно отнести отсутствие избирательности информации, что приводит к избыточности накапливаемой информации. С целью жесткого крепления носителя аппаратуры для обеспечения более плотного контакта с балластом, на балласте выбран объем в виде полусферы сферического корпуса носителя аппаратуры, что может привести при длительной работе станции в подводном положении к слипанию носителя аппаратуры с балластом т.е. к потере станции.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании автономной донной сейсмической станции, позволяющей, с использованием независимых дублирующих команд исполнительному механизму размыкателя, обеспечить надежное возвращение станции, позволяющей, записью с выходов сейсмодатчика на три отдельные каналы накопителя информации, уменьшить вероятность потери информации, позволяющей, с использованием четырехканального АЦП уменьшить межканальные фазовые искажения, позволяющей, при помощи адаптивного порогового устройства с использованием регистра памяти, уменьшить избыточность накапливаемой информации, позволяющей, с помощью специально разработанной в качества системы жесткого придонения треноги-балласта, устранить возможное слипание станции с балластом. Отличительными особенностями автономной донной сейсмической станции (АДСС) являются то, что используемый накопитель информации содержит четыре информационных канала: на нулевой канал подается сигнал Р с гидрофона; на первый канал - сигнал X; на второй канал - сигнал У; на третий канал - сигнал Z трехкомпонентного сейсмодатчика. С целью регистрации и накопления сигналов от подводного землетрясения в сейсмической станции применены специально разработанные адаптивные пороговые устройства. Отличительными, также особенностями в АДСС являются использование, с целью увеличения надежности срабатывания размыкателя, дублирующих команд, вырабатываемых от программного устройства, прибора срочности, датчика давления, датчика герметичности, датчика наклона и блока гидроакустической связи. Также для дублирования исполнительного механизма размыкателя используется электрохимический размыкатель (магниевый болт). Отличительной особенностью АДСС является использование в качестве балласта специально разработанной треноги - балласта. Отличительной особенностью АДСС является адаптивного порогового устройства и регистра памяти. Автономная донная сейсмическая станция представляет собой (фиг.1): глубоководный (рабочая глубина 6000 м) носитель аппаратуры (НА) 1, состоящий из двух сферических полусфер стянутых болтами 18 на фланцах 17, для обеспечения герметичности на специальных канавках, прорезанных по кругу, проложены два уплотнительные резиновые кольца 16. Внутри НА 1  установлены: на верхней полусфере блок системы ориентации 5, бортовой вычислительный узел (БВУ) 2 устанавливаемого с помощью приборного кольца 19; на нижней
полусфере источник питания 3, датчик герметичности 20, трехкомпонентный сейсмодатчик 4, прибор срочности (ПС) 9 и размыкатель 6 (исполнительная часть вынесена наружу на специальную площадку нижней полусферы). Снаружи на верхней полусфере, на площадке установлены низкочастотный гидрофон 10, ресивер 11 высокочастотный (приемопередающий гидроакустический датчик), предназначенный для гидроакустической связи, датчик давления (ДД) 14, определяющий текущую глубину погружения станции, антенна 12 радиолокационного отражателя и радиопередатчика, проблесковый маяк (ПМ) 13, антенна 15 спутниковой радионавигационной системы (СРНС). За нижнюю полусферу крепится тренога 7, изготовленная из металлических труб жестко стянутая с помощью исполнительной части размыкателя 6 и болта - электрохимического размыкателя 6-1, который затягивается гайкой 6-2, на подошву треноги крепятся башмаки-балласты 8. При этом часть треноги 7-1 возвращается со станцией, а 7-2 с башмаками-балластами 8 остаются на дне. Блок системы ориентации 5 состоит из компасного устройства и датчика наклона (на фиг.1 они не показаны). Показания с датчика наклона и с компасного устройства заносятся на локальную память и по команде могут быть переданы на блок гидроакустической связи (поз.27 на фиг.3) в бортовом вычислительном узле 2.
Источник питания 3 собран из литиевых аккумуляторных батарей обеспечивающих в настоящее время максимальную емкость на условную единицу весогабаритных характеристик батарей. Источник питания установлен таким образом, чтобы центр тяжести собранной станции располагался на нижней полусфере для обеспечения остойчивости станции на поверхности моря. Датчик герметичности 20 представляет два контакта, которые при взаимодействии с морской водой замыкают цепь. Датчик герметичности располагается на нижней точке нижней полусферы, обеспечивая, таким образом, контроль за герметичностью станции (при обнаружении течи станции замыкается цепь, давая тем самым команду на блок управления исполнительным механизмом размыкателя (поз.28 на фиг.3)). Автономный прибор срочности 9 представляет собой электронный таймер с автономным источником питания для непосредственного приведения в действие исполнительного механизма размыкателя 6 в действие. Исполнительный механизм размыкателя электромагнитного типа 6 при подаче импульса тока на обмотку электромагнита втягивает сердечник в стакан, при этом сердечник освобождает хвостовик крюка 6-3 и последний под действием силы растяжения проворачивается вокруг своей оси, освобождая серьгу 6-4. Винт 6-5 и гайка 6-2 предназначены для выборки люфта между всплывающей частью треноги 7-1 и частью 7-2 остающейся на дне, что способствует лучшей передаче сейсмических колебаний из грунта на сейсмодатчики. Бортовой вычислительный узел (БВУ) 2 включает в себе следующие блоки (фиг.2): четырехканальный блок фильтрации и усиления (ФУ) 21, обеспечивающий фильтрацию сигналов с выходов трехкомпонентных сейсмодатчиков и низкочастотного гидрофона в полосе 1-60 Гц и усиления сигналов для их передачи на вход блока четырехканального аналого-цифрового преобразователя (ЧАЦП) 22; запускающие импульсы ЧАЦП формируются в таймере 25; накопитель информации (НИ) 24, представляющий собой твердотельную (флэш) память с емкостью порядка 2 Гбайт; запуск НИ
осуществляется с помощью порогового устройства 26 (режим «пороговый») или с программного устройства (ПУ) 29 (режим «непрерывный»). Блок ЧАЦП 22 состоит из четырех 14-разрядных АЦП и имеет четыре выхода; выходы ЧАЦП 22 по отдельности подаются на входные каналы формирователя (КФ) 23, где из сигналов с датчиков и гидрофона формируются массив отдельной выборки с длиной в шестнадцатиразрядное слово (информация занимает четырнадцать младших разрядов, старшие 15 и 16 разряды формируют номера соответствующих информационных каналов, причем 0 соответствует каналу Р, 1 - сейсмическому каналу X, 2 - каналу У, 3 -каналу Z). Для каждого информационного канала формируется файл длиной 250 КБайт (из расчета, что частота квантования равна 200 Гц и при длине реализации 10 мин, объем реализации составляет 240 КБайт, на остальные 10 КБайт записываются наименование файла, свободные ячейки забиваются нулями, причем эти 10 Кбайт формируют начало каждого файла). Для устранения потери информации на каждый канал предусмотрен 16-разрядный (старшие 15 и 16 разряды характеризуют номер соответствующего канала) регистр памяти 23 с объемом 1024 (1К) ячеек, с выхода, которого затем подается на соответствующий канал входа блока ФУ 21. Ввод информации осуществляется по команде с адаптивного порогового устройства 26 (режим «пороговый») или по команде с ПУ 29 (режим «непрерывный»). На вход порогового устройства 26 подается информация с четвертого канала ЧАЦП 22 соответствующего вертикальной компоненте Z трехкомпонентного сейсмодатчика 4. При превышении на определенную величину (10 дБ) текущего значения сигнала относительно усредненного в течение соответствующей 1 К отсчету времени предшествующей текущему времени сигнала, вырабатывается команда на одновременное включение ФУ 21 и НИ 24. Одновременно с выхода порогового 26 подается команда таймеру 25 на формирование кода времени, содержащего год, месяц, сутки, часы, минуты, секунды, доли секунды с точностью 0,005 сек, который подается на четыре канала блока ФУ 21 для формирования наименования файла (при режиме «непрерывный» формируется одно наименование файла соответствующий моменту включения НИ 24 по команде с ПУ 29). Длина вводимой реализации 10 минут выбрана с целью регистрации акустической компоненты (Т-фазы) подводного землетрясения, приходящие в точку регистрации заметно позже сейсмических продольных (Р) и поперечных (S) волн. Если в период ввода информации произошло очередное событие, то с этого момента счетчик вводимых отсчетов обнуляется, и счетчик запускается заново, при этом наименование файла не меняется, т.е. происходит непрерывная регистрация очередного события. Таким образом, в случае вступления потока импульсных сигналов с периодом менее 10 минут, станция переходит в непрерывный режим записи, (это соответствует случаю сейсмопрофилирования с периодом излучения менее 10 минут). Таймер 25 представляет цифровой блок, где в качестве тактового генератора использован высокостабильный кварц типа «Гиацинт» с помощью которого формируются, временной код с точностью 0.005 сек и запускающие импульсы с частотой 200 Гц для ЧАЦП 22. В БВУ 2 располагаются (фиг.3): кроме выше указанного программного устройства (ПУ) 29, блок управления исполнительным механизмом размыкателя (УЙМ) 28, блок гидроакустической связи (ГАС) 27, блок космической навигации (КН) JPS 30, блок пеленгации и локации (ПЛ) 31.
Программное устройство 29 представляет собой микроконтроллер, который управляет всеми устройствами АДСС по заданной программе или по команде полученной по гидроакустическому каналу связи либо радиоканалу (на поверхности).
По сигналу с датчика давления 14 в надводном положении ПУ 29 включает проблесковый маяк (ПМ) 13, блок пеленга и локации (ПЛ) 31, блок КН 30. Блок пеленга и локации 31 через антенну 12 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 14 ПУ 29 отключает выше указанные блоки (30 и 31) и включает блок ГАС 27. ПУ 29 по программе включает или выключает, блок ГАС 27, исполняет все команды, получаемые, с помощью блока ГАС и при необходимости передает через блок ГАС 27, с помощью ресивера 11 запрашиваемую информацию. Кроме этого ПУ 29 управляет режимами регистрации НИ 24 по заданной программе.
Автономный прибор срочности 9 представляет собой электронный таймер с автономным источником питания не связанный с БВУ 2, непосредственно подающий исполнительному механизму размыкателя 6 необходимый электрический импульс. В заданный момент времени прибор срочности 9 выдает, независимо от программного устройства 29, необходимый электрический импульс исполнительному механизму размыкателя 6. При превышении данных с датчика давления 14 предельной величины, например, 6000 метров, либо при обнаружении течи с помощью датчика герметичности 20, либо по команде полученной по гидроакустическому каналу связи с помощью ресивера 11, либо при превышении угла наклона 30 градусов в блоке системы ориентации 5 программное устройство 29 дает команду УЙМ 28 на включение исполнительного механизма 6 (т.е. производится сброс балласта). Блок КН 30 с помощью антенны СРНС 15 позволяет обеспечивающему судну, осуществляющему поиск станции, с помощью спутниковой радионавигационной системы JPS, определять местонахождение станции. Работа АДСС заключается в следующем. На борту обеспечивающего судна перед постановкой АДСС проходит полный цикл подготовки, включающий в себя включение и тестирование различных узлов и блоков, занесение программы работы станции в программное устройство 29, задание времени срабатывания исполнительного механизма 6 на приборе срочности 9. После цикла подготовки АДСС опускается с борта обеспечивающего судна за борт с помощью выносного крана. С этого момента АДСС начинает погружение со средней скоростью 1.5-1.6 м/с. Герметичный контейнер 1 (фиг.1) выполненный из алюминиевых сплавов имеет предельную рабочую глубину 6000 м. АДСС производит придонение на треногу - балласт (7, 8).Через определенное время по команде из ПУ 29 в блоке системы ориентации 5 фиксируется показания компасного устройства и датчика наклона, которые заносятся в локальную память блока системы ориентации. Прием сейсмических сигналов производится с помощью низкочастотного гидрофона 10 и с трех сейсмоприемников 4, ориентированных по трем ортогональным направлениям X,
У, Z. При регистрации сигналов (режим "пороговый") от подводных землетрясений, включается адаптивное пороговое устройство 26, которое обеспечивает с малой вероятностью пропуска регистрацию этих сигналов. По команде с порогового устройства 26 запись сигналов осуществляется на четыре канала НИ 24 с длительностью в 10 мин. Каждая реализация имеет файловую структуру, причем наименование файлов соответствует времени вступления сигналов от подводного землетрясения (по каналу Z). При режиме работы "непрерывный", регистрация сигналов осуществляется независимо от порогового устройства.
При приеме с обеспечивающего судна команд на блок ГАС 27 по гидроакустическому каналу связи, эти команды исполняются ПУ 29. После завершения программы работ, заложенной в ПУ 29, программное устройство дает команду УЙМ 28 на отдачу балласта. В случае не прохождения команды, команда на сброс может быть продублирована с автономного прибора срочности 9. В случае не прохождения и этой команды, через некоторое время срабатывает электрохимический размыкатель 6-1. Экстренное всплытие АДСС может быть осуществлено в случае затекания станции по сигналу от датчика герметичности 20, в случае превышения АДСС глубины погружения 6000 м по сигналу от датчика давления 14, в случае превышения величины 30 градусов в датчике наклона блока ориентации 5 и по команде по гидроакустическому каналу связи через блок ГАС 27.
В момент отдачи балласта начинает разворачиваться и поплавок 32 закрепленный прямо на треноге 7. Поплавок 32 с намотанным пропиленовым фалом (длина фала 15 метров) предназначен для выборки станции на борт обеспечивающего судна. После всплытия станция включает проблесковый маяк 13 (в ночное время), начинает передавать радиосигнал пеленга через антенну 12 радиолокационного отражателя и радиопередатчика, кодированный сигнал через антенну СРНС 15. В случае приема сигнала от судового радиолокатора, антенна 12 начинает работу и в режиме активного отражателя. Обнаруженную станцию выбирают на борт судна, используя поплавок 32 с выборочным фалом. После выборки станции производят серию послепостановочных тестов, далее открывают станцию и осуществляют выемку НИ 24 с целью проведения обработки данных.
В качестве иллюстрации на фиг.4 представлены сигналы от подводного землетрясения зарегистрированные с помощью АДСС в Индийском океане на глубине 4000 м.