Малогабаритная автономная сейсмоакустическая станция
COMPACT AUTONOMOUS SEISMIC-ACOUSTIC STATION

Техническое решение относится к конструктивному выполнению средств морских сейсмических исследований и может быть использовано для долговременных сейсмологических исследований.
Основные принципы построения автономных станций, ориентированных для работы на больших глубинах, приведены в (Коновалов С.Л. Использование автономных донных станций в качестве универсального носителя измерительной аппаратуры. Изд-во ГП «ВНИФТРИ», 2000, с. 135-139 [1]). Автономные гидрофизические станции, ориентированные для работы на больших глубинах, как правило, представляют 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 располагаться в выносных системах, при этом связь с аппаратурой осуществляется с помощью кабельных гермовводов. Полностью укомплектованная автономная станция должна иметь положительную плавучесть, а погружение осуществляется за счет теряемого балластного груза, закрепляемого к управляемому размыкателю балласта
Известна автономная донная сейсмическая станция (АДСС) (патент RU №49286 U1, 10.11.2005 [2]), которая устанавливается на морском дне на глубинах до 6000 м, защищена от окружающей морской среды прочным сферическим корпусом, оснащена одиночным гидрофоном, цифровой системой регистрации и накопления информации, телеметрической гидроакустической системой связи, системой поиска станции на поверхности моря, системой освобождения от балласта, устройством программного управления режимами работы.
Основным недостатком АДСС являются возможность регистрации только трех компонент сейсмических каналов и значительные весогабаритные характеристики носителя аппаратуры (НА) и вследствие этого обязательное условие, предъявляемое к обеспечивающему судну, - наличие мощного кранового хозяйства для выполнения постановочных и выборочных работ.
Опыт использования спутниковых систем навигации «ГЛОНАСС» и связи «Гонец» рассмотрены в полезной модели автономной сейсмоакустической гидрофизической станции (АСАГС) (патент RU №61895 U1, 10.03.2007 [3]) при выполнении сейсмоакустического и гидрофизического мониторинга за обширными морскими акваториями. При эксплуатации АСАГС здесь также требуются специальные суда, вооруженные кранами для проведения постановочных и выборочных работ.
Известно также применение в качестве накопителя информации флеш-карт, объединенных последовательно в виде отдельной кассеты (WO №2010032947 А2, 25.03.2002 [4], US №2002078297, 25.03.2010 [5], US №2007181699 A1, 09.08.2007 [6]).
Известные также АДСС (US №6560565 В2, 06.05.2003 [7], US №7016260 В2, 21.03.2006 [8], RU №2229146 С1, 20.05.2004 [9]) обладают также рядом существенных недостатков.
Известна также малогабаритная автономная сейсмоакустическая станция (МАСАС), предназначенная для сейсмоакустических исследований на шельфе при выполнении разведочных работ нефтегазоносных месторождений (патент RU №2540454 С2, 10.02.2015 [10]), выбранная в качестве прототипа.
Сущность известного технического решения [10] заключается в создании МАСАС, которая производит регистрацию сейсмоакустических сигналов с выходов трехкомпонентного сейсмоприемника и гидрофона. Для использования бесшовной геологической модели МАСАС могут быть установлены как на суше, так и на шельфе на глубинах до 500 м. При работе на суше используют МАСАС с отключенным акустическим каналом. Такая схема использования МАСАС позволяет проводить широкие площадные исследования с использованием методов КМПВ и MOB. При выполнении площадных геологоразведочных работ требуются десятки синхронно работающих МАСАС. Поэтому к МАСАС предъявляются следующие требования: простота в эксплуатации; относительно малая стоимость; малые весогабаритные параметры, позволяющие производить постановку и выборку станции ручным способом с использованием маломерных судов. Надежное возвращение станции обеспечивается с использованием: дублирующих команд исполнительного механизма; световых маяков; активных радиомаяков; спутниковой системы навигации типа «Глонасс» и низкоорбитальной спутниковой системы связи типа «Гонец». Емкость непрерывной регистрации оцифрованной информации до 60 суток, которая обеспечивается за счет твердотельной памяти из четырех флеш-карт с емкостью по 20 Гбайт каждая. Современная элементная база позволяет заметным образом уменьшить весогабаритные параметры приборов. МАСАС имеет следующие весогабаритные параметры: внешний диаметр носителя - 350 мм; вес станции - 13 кг; вес балласта - 20 кг.
Известная МАСАС [10] представляет собой (фиг. 2 и фиг. 3 прототипа) конструкцию эллипсоидной формы (рабочая глубина до 500 м) носитель аппаратуры (НА), состоящий из двух полусфер и цилиндрической формы вставки (верхняя полусфера изготовлена из радиопрозрачных материалов, нижняя полусфера - из алюминиевых сплавов, между полусферами цилиндрическая вставка, изготовленная из алюминиевых сплавов), стянутых болтами на фланцах, для обеспечения герметичности на специальных канавках, прорезанных по кругу, проложены два уплотнительных резиновых кольца.
Внутри НА установлены: приемные антенны спутниковой системы навигации и связи; бортовой вычислительный узел (БВУ) с накопителем информации, устанавливаемым на приборном кольце; на нижней полусфере - источник питания; две горизонтальные и вертикальная компоненты сейсмоприемника и прибор срочности (ПС), расположенные в корпусе, и электрохимический размыкатель, исполнительная часть которого вынесена наружу на специальную площадку нижней полусферы. Снаружи на верхней полусфере, на специальных площадках верхней квадратной рамы установлены: гидрофон; антенна радиолокационного отражателя; проблесковый маяк (ПМ). За площадку нижней квадратной рамы крепится устройство жесткой посадки на грунт, изготовленное из металлических труб, жестко стянутое с помощью исполнительной части размыкателя; на подошву устройства крепятся башмаки-балласты. При всплытии МАСАС устройство с башмаками-балластами остается на дне. Источник питания собран из литиевых аккумуляторных батарей, обеспечивающих в настоящее время максимальную емкость на условную единицу весогабаритных батарей. Источник питания установлен таким образом, чтобы центр тяжести собранной станции располагался на нижней полусфере для обеспечения остойчивости станции на поверхности моря. Для обеспечения надежной остойчивости МАСАС на поверхности моря при работе со спутниковыми системами навигации и связи на нижней части корпуса закреплен дополнительный груз. При выборке МАСАС на борт судна используется специальное устройство захвата, основание которого жестко закреплено за площадку верхней квадратной рамы, а наконечник прикреплен к концу фала, другой конец фала прикреплен к поплавку. В транспортировочном варианте фал наматывается на поплавок длина фала 15-20 м.
Автономный прибор срочности представляет собой электронный таймер с автономным источником питания для непосредственного приведения в действие исполнительного механизма размыкателя в действие.
Механизм размыкателя электрохимического типа при подаче тока на размыкатель в течение нескольких минут срабатывает, тем самым освобождая МАСАС от устройства жесткой посадки на грунт с башмаками-балластами.
Обладая существенными преимуществами перед аналогичными техническими решениями [1-9] в части выполнения МАСАС в малогабаритном исполнении, в то же время, известная МАСАС [10] имеет и существенные недостатки. Основным недостатком является то, что балласт выполнен в виде башмаков.
При постановке носителя измерительной аппаратуры на неровное дно, а также при наличии подводных течений носитель измерительной аппаратуры может принимать неустойчивое положение, а при сочетании неблагоприятных подводных условий может завалиться на бок.
Кроме того, наличие устройств жесткой посадки, разнесенных между собой на небольшие расстояния, при наличии подводных течений может явиться причиной появления нежелательных дополнительных акустических шумов.
Также к недостаткам следует отнести размещение носителя аппаратуры непосредственно на устройстве жесткой посадки, что не позволяет исключить влияние на качество регистрации сейсмических сигналов придонных течений, которые раскачивают устройство жесткой посадки совместно с носителем аппаратуры и вызывают вихревые помехи вокруг тонкомерных элементов подводной конструкции.
Применение средств для поиска всплывшего НА, выполненных в виде проблескового маяка, спутниковой системы навигации типа «Глонасс», низкоорбитальной спутниковой системы связи типа «Гонец» и активного радиолокационного отражателя, приводит к увеличению трудозатрат при изготовлении МАСАС, а получаемый при этом положительный эффект не всегда может быть достигнут.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности регистрации сейсмических сигналов.
Поставленная задача решается за счет того, что в малогабаритной автономной сейсмоакустической станции (МАСАС), содержащей устанавливаемый на морском дне всплывающий после отдачи балласта носитель аппаратуры (НА), причем НА включает в себя размещенные в герметичном сферическом контейнере бортовой вычислительный узел (БВУ), источник питания, трехкомпонентный сейсмоприемник, а также установленные снаружи герметичного контейнера гидрофон, устройство постановки и снятия НА с грунта, средства для поиска всплывшего НА, выполненные в виде проблескового маяка, спутниковой системы навигации типа «Глонасс», низкоорбитальной спутниковой системы связи типа «Гонец» и активного радиолокационного отражателя, размыкатель, дублируемый командами с прибора срочности, с датчика герметичности, с датчика давления, регистрирующий тракт, состоящий из четырехканального блока фильтрации и усиления, обеспечивающего фильтрацию сигналов с выходов трехкомпонентных сейсмоприемников и гидрофона в полосе частот 5-200 Гц и усиление сигналов для их подачи на вход блока четырехканального аналого-цифрового преобразователя (ЧАЦП), выходные сигналы с которого по отдельности подаются на входные каналы формирователя (КФ), где из сигналов гидрофона и сейсмоприемников формируется массив отдельной выборки с длиной из шестнадцатиразрядных слов, подающихся с выхода КФ на соответствующие каналы накопителя информации (НИ), представляющего собой твердотельную память из четырех флэш-карт с емкостью по 2 Гбайт каждая, причем блок ЧАЦП состоит из четырех 14-разрядных АЦП, устройство постановки и снятия НА с грунта выполнено в виде n понтонов, размещенных ярусами, образующих усеченную пирамиду и снабженных баллонами со сжатым газом и соответствующими впускными и выпускными клапанами, средства для поиска всплывшего НА, выполненные в виде проблескового маяка, спутниковой системы навигации типа «Глонасс», низкоорбитальной спутниковой системы связи типа «Гонец» и активного радиолокационного отражателя, размещены в навигационном буе, связанном с МАСАС кабелем-сцепкой, в которой кабель выполнен в виде гидросенсорного кабеля.
Блоки и устройства, реализующие соответствующие признаки ограничительной части известного технического решения, могут быть выполнены аналогично соответствующим блокам и устройствам прототипа [10].
В отличие от прототипа [10] в предлагаемом техническом решении устройство постановки и снятия НА с грунта выполнено в виде n понтонов, размещенных ярусами, образующих усеченную пирамиду и снабженных баллонами со сжатым газом и соответствующими впускными и выпускными клапанами, средства для поиска всплывшего НА, выполненные в виде проблескового маяка, спутниковой системы навигации типа «Глонасс», низкоорбитальной спутниковой системы связи типа «Гонец» и активного радиолокационного отражателя, размещены в навигационном буе, связанном с МАСАС кабелем-сцепкой, в которой кабель выполнен в виде гидросенсорного кабеля.
Устройство постановки и снятия НА с грунта, выполненное в виде n понтонов, размещенных ярусами, образующих усеченную пирамиду и снабженных баллонами со сжатым газом и соответствующими впускными и выпускными клапанами, обеспечивает мобильность размещения МАСАС, позволяя устанавливать МАСАС непосредственно на грунт и производить соответствующие измерения на нескольких уровнях по глубине погружения, регулируя плавучесть МАСАС, посредством устройства постановки и снятия НА с грунта с возможностью удерживать заданный подводный горизонт посредством скрепленных понтонов, соединенных шлангами с баллоном со сжатым газом и водяным насосом.
Кабель представляет собой гидросенсорный кабель, в котором в качестве ключевого сенсорного элемента используются провода с оболочкой из трансэнергопластиков - высокоэлектропроводящего гибкого полимерного композита типа «ЭМИСТОП» (Необычные пластики - новые решения/ Ремонт * Инновации * Технология * Модернизация // Ритм, октябрь 2014, с. 10-12), что позволяет благодаря полимерной основе сенсорных жил обеспечить соответственно гибкость и высокую химическую стойкость кабеля. При этом такой кабель не подвержен коррозии долгое время и может работать во влажной среде.
Каждый кабель состоит из двух параллельных гибких сенсорных элементов - находящихся под напряжением металлических жил с оболочкой из высокоэлектропроводящей пластмассы. От взаимного замыкания жилы предохраняются за счет диэлектрического пластикового прутка, обвитого вокруг жил в виде восьмерок. Вся конструкция помещена в «сорбционный» чехол, изготовленный из капиллярно пористого волокнообразного материала, обладающего в сухом состоянии диэлектрическими свойствами.
Схема работы сорбционного кабеля заключается в следующем. Вода, соприкасаясь с чехлом за счет совокупности сорбционных и капиллярно пористых эффектов, начинает впитываться (распространяться по толщине чехла), образуя при этом совокупность электропроводящих взаимно проникающих микроканалов. В конечном итоге эти микроканалы замыкают электропроводящие поверхности двух сенсорных элементов. При замыкании генерируется электрический сигнал, передаваемый далее по металлической сердцевине сенсорных элементов. После соответствующей процедуры обработки сигнала на пульте управления появляется сообщение о факте затопления и его координатах.
Работа МАСАС заключается в следующем. На борту обеспечивающего судна перед постановкой МАСАС проходит полный цикл подготовки, включающий в себя включение и тестирование различных узлов и блоков, занесение программы работы станции в программное устройство. После цикла подготовки МАСАС опускается с борта обеспечивающего судна за борт с помощью выносного крана. В зависимости от горизонта постановки МАСАС понтоны заполняются забортной водой и МАСАС начинает погружение со средней скоростью 1.5-1.6 м/с. Герметичный контейнер, выполненный в виде эллипсоидной или шарообразной формы, имеет предельную рабочую глубину 500 м. МАСАС устанавливается с помощью устройства жесткой посадки на грунт на дно. Прием сейсмоакустических сигналов производится с помощью гидрофона и трехкомпонентных сейсмоприемников, ориентированных по трем ортогональным направлениям X, Y, Z. Запись сигналов производится на четыре канала НИ.
После выполнения заданного цикла регистрации сейсмических сигналов МАСАС поднимается на поверхность, посредством удаления воды из понтонов.
Преимуществом предлагаемого технического решения является возможность регистрации сейсмических сигналов не только при нахождении МАСАС на грунте, но и на заданных горизонтах погружения.
Положительный эффект также заключается в том, что обеспечивается при необходимости непрерывный режим определения местоположения МАСАС и, кроме того, балласт, выполненный в виде понтонов, не остается на морском дне.
Источники информации
1. Коновалов С.Л. Использование автономных донных станций в качестве универсального носителя измерительной аппаратуры. Изд-во ГП «ВНИФТРИ», 2000, с. 135-139.
2. Патент RU №49286 U1, 10.11.2005.
3. Патент RU №61895 U1, 10.03.2007.
4. Заявка WO №2010032947 А2, 25.03.2002.
5. Заявка US №2002078297, 25.03.2010.
6. Заявка US №2007181699 А1, 09.08.2007.
7. Патент US №6560565 В2, 06.05.2003.
8. Патент US №7016260 В2, 21.03.2006.
9. Патент RU №2229146 С1, 20.05.2004.
10. Патент RU №2540454 С2, 10.02.2015.