АКУСТИЧЕСКИЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕЧЕНИЙ
ACOUSTIC DOPPLER CURRENT METER

Устройство относится к области океанологии и гидрологии, а именно к области измерения скорости течений с использованием отражения акустических волн, и может быть использовано при проведении гидрофизических исследований для определения скоростей потоков жидкости как в открытых средах (реки, моря, океаны и т.п.), так и в закрытых (каналы, скважины, трубопроводы и т.п.), а также для прецизионного измерения расхода жидкости.
Принцип действия большинства современных приборов для измерения скорости течения жидкости основан на доплеровском смещении частоты сигнала, отраженного от неоднородностей в воде (взвесь твердых частиц, планктон, пузырьки воздуха). Например, по патентам US5483499, МПК G01S 15/58 публ. 09.01.96, и US 8223588, МПК (2006.01.) G01S 15/00 публ. 17.07.2012, известен акустический доплеровский измеритель течений, называемый в англоязычной литературе Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP), который периодически излучает импульсный ультразвуковой сигнал, принимает отраженный отклик и анализирует частотное смещение в зависимости от времени запаздывания отраженного сигнала, то есть, по сути, в зависимости от расстояния до отражателей-неоднородностей. Благодаря наличию трех-четырех, а иногда и более приемоизлучающих головок, установленных под углом друг к другу, измерения продольных скоростей могут быть пересчитаны в трехмерную декартову систему координат, таким образом восстанавливается распределение векторов скоростей течения в некотором объеме. Ряд приборов (особенно предназначенных для рек) способны на основании данных поля скоростей рассчитывать расход воды в реке или канале по определенной методике. Приборы устанавливаются стационарно либо на днище судна, работают в режимах непрерывной передачи данных или автономно, с записью результатов во встроенную память.
В патенте US 8223588 предлагается устройство, позволяющее наблюдать за одним (или более одного) океаническим процессом с помощью одного инструмента. Этот инструмент представляет собой акустический доплеровский измеритель течений, который наблюдает за несколькими процессами, каждый со своими собственными шкалами, включая временные шкалы, шкалы длины и/или шкалы скоростей. В процессе наблюдения, прибор оптимизирует сбор данных отдельно для каждого процесса, который он наблюдает.
Несомненным достоинством описываемого патентом US 8223588B2 акустического доплеровского измерителя течений является наличие возможности наблюдать более чем один океанический процесс с наборами акустических лучей, которые оптимизированы специально для каждого процесса.
Другим важным аспектом изобретения, описываемого патентом US8223588B2, является наличие возможности одновременного использования двух наборов зондирующих акустических лучей - один из которых обращен вверх, а другой - вниз. Такая возможность может быть использована для удвоения диапазона профилирования. Кроме того, в тех случаях, когда интересны измерения скорости в области, близкой к прибору, может быть добавлен третий набор лучей, направленных горизонтально - для заполнения данных в зазоре между лучами, направленными вверх и вниз.
Непосредственное излучение зондирующих акустических сигналов и прием эхо-сигналов осуществляется наклонными пьезокерамическими преобразователями поршневого типа.
Недостатком аналога является необходимость подстраиваться под несколько процессов и подбирать параметры акустических лучей в ходе измерения. Результат измерений обусловлен настройками устройства, сделанными перед измерениями, при изменении настроек появляется необходимость проведения повторных измерений.
На похожих принципах основана работа большинства современных приборов для измерения скорости течения жидкости.
Для иллюстрации сказанного можно отметить портативную систему для профилирования течений (патент US 9404744). Указанное устройство обладает основными признаками ADCP - многолучевой приемопередающей головкой, направления излучения/приема которой могут конфигурироваться по-разному - в зависимости от условий применения прибора; а также системой анализа данных (процессором) и системой передачи данных на внешний носитель. Основным недостатком указанного устройства является его пригодность только для использования на мелкой воде. При этом два из четырех акустических лучей, заявленных в изобретении, по факту применяются для технического обеспечения измерений - с их помощью промеряется расстояние от прибора до дна (первый «технический» звуковой пучок) и от прибора до кромки воды (второй «технический» звуковой пучок). Таким образом, информативными звуковыми пучками остаются только два из четырех, один из которых может быть направлен только горизонтально, и только последний может конфигурироваться в качестве сканирующего «профилирующего» звукового пучка. Такая система дешевле классических ADCP, и ее применение в качестве измерителя скоростей тока и расхода воды в небольших реках и ручьях может быть оправдано, но она заведомо менее информативна и обладает меньшей точностью измерения профиля скоростей потока, нежели классический профилограф ADCP, и, тем более, представляемое в настоящей заявке изделие. Обмен данными в указанном устройстве происходит только через канал связи RS 232, что в определенных условиях может налагать ограничения на длину канала передачи данных, что в свою очередь ограничивает варианты применения прибора в случае стационарной установки, а также исключает возможность объединения нескольких приборов в одну сеть.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изделию является акустический доплеровский измеритель течений, описываемый патентом US 5615173 МПК G01S 15/58 публ. 25.03.97, который выбран в качестве прототипа для заявляемого изобретения и представляет собой устройство измерения скоростей течений с использованием широкополосных акустических сигналов с кодированным импульсом. Автокорреляция двухфазных кодированных импульсов, находящихся в воде в течение одного цикла приемопередачи, используется для расчета допплеровской частоты.
К недостаткам устройства прототипа можно отнести следующее. Во-первых, из представленных в патенте схем и чертежей прослеживается локализация вычислительных мощностей непосредственно в корпусе устройства (встроенные вычислительные средства), которые в экспедиционных условиях находятся в воде. Такая архитектура устройства подразумевает необходимость применения мощной вычислительной аппаратуры, которая в состоянии обеспечивать сложную алгоритмическую обработку в реальном масштабе времени во встроенных вычислительных средствах прибора. Во-вторых, в заявленных схемных решениях устройства не предусмотрен обмен данными между субмодулями посредством высокоскоростных каналов связи (в известных аналогах и прототипе используется медленный канал связи RS 422/485).
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка акустического доплеровского измерителя течений, который позволяет упростить обслуживание и применение устройства и расширить его функциональные возможности, не только перенести процесс алгоритмической обработки на внешнее вычислительном устройстве, но и полностью организовать ее на пользовательском компьютере высокого уровня. Также задачей является сокращение времени обмена данными при обработке, расширение области применения прибора благодаря возможности обработки первичных данных на компьютере, снабженном специальным программным обеспечением.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработанный акустический доплеровский измеритель течений, также как и прототип, содержит четыре приемопередающих канала, процессор и встроенную память, конструктивно заключенные в один корпус, а также блок питания, блок обработки данных, канал связи RS 485, причем каждый из приемопередающих каналов содержит последовательно соединенные приемоизлучающую головку, приемопередающий модуль, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь.
Новым в разработанном акустическом доплеровском измерителе течений является то, что упомянутые четыре приемопередающих канала соединены с процессором через программируемую логическую интегральную схему, блок обработки данных реализован на внешнем вычислительном устройстве, процессор соединен с внешним вычислительным устройством высокоскоростным каналом связи, при этом внешнее вычислительное устройство снабжено программным обеспечением «Visual ADCP ».
Такое построение акустического доплеровского измерителя течений в соответствии с п. 1 формулы позволяет избежать сложных манипуляций для извлечения накопленных данных, перенастройки устройства и его программного обеспечения на новые алгоритмы работы, а так же позволяет реализовать «горячий» переход от алгоритма к алгоритму, осуществлять их комбинирование и совместную обработку данных при реализации нескольких алгоритмов одновременно. Наличие в предлагаемом устройстве высокоскоростного канала связи и программного обеспечения «Visual ADCP» позволяет пересылать на внешнее вычислительное устройство первичные данные, полученные непосредственно от приемоизлучающей головки, производить анализ, визуализацию, обработку данных, построение профиля скоростей течений в блоке обработки данных (внешнем вычислительном устройстве).
В частном случае реализации разработанного акустического доплеровского измерителя течений целесообразно соединить блок обработки данных (внешнее вычислительное устройство) с процессором высокоскоростным каналом связи Ethernet 1 OOBase-ТХ. Подразумевается возможность использования внутреннего (аккумуляторный блок) и/или внешнего источника питания.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
На Фиг. 1 представлена схема технической реализации акустического доплеровского измерителя течений.
На Фиг. 2 представлен общий вид корпуса акустического доплеровского измерителя течений без аккумуляторного блока в масштабе 1:4.
На Фиг. 3 представлен общий вид корпуса акустического доплеровского измерителя течений с аккумуляторным блоком в масштабе 1:4.
На Фиг. 4 представлен вариант установки акустического доплеровского измерителя течений на дно.
На Фиг. 5 представлен вариант установки акустического доплеровского измерителя течений на днище судна.
Разработанный акустический доплеровский измеритель течений содержит конструктивно заключенные в один корпус четыре идентичных приемопередающих канала, соединенные с программируемой логической интегральной схемой 5, подключенной к процессору 6, соединенному со встроенной памятью 7. При этом каждый из приемопередающих каналов включает в себя последовательно соединенные приемоизлучающую головку 1, приемопередающий модуль 2, усилитель 3 и аналогово-цифровой преобразователь 4. Процессор 6 посредством двух каналов связи: медленного 8 (RS 485) и высокоскоростного 9 (Ethernet) соединен с внешним вычислительным устройством 10.
Разработанный акустический доплеровский измеритель течений снабжен внешним источником питания 11 и встроенным источником питания 12.
В частном случае реализации разработанного акустического доплеровского измерителя течений в качестве приемоизлучающей головки 1 использована акустическая головка производства ООО «Медуза» (г.Нижний Новгород), в качестве аналогово-цифрового преобразователя 4 - преобразователь семейства AD7766, в качестве программируемой логической интегральной схемы 5 - ПЛИС семейства Cyclone V, процессор 6 - семейства ADSP BF518, встроенная память 7 - объемом 128 ГБ формата microSD. Также используется высокоскоростной канал связи 9 - Ethernet 100 Base-TX, который допускает обмен данными со скоростью до 100 Мбод (примерно 10 Мб/с). Встроенный источник питания 12 - аккумулятор, внешний источник питания 11 - стационарный блок питания. В качестве внешнего вычислительного устройства 10 используется компьютер или ноутбук, с установленным программным обеспечением «VisualADCP».
Разработанный акустический доплеровский измеритель течений работает следующим образом. Возможна параллельная работа всех четырех приемопередающих каналов, однако для исключения взаимного влияния (приема отраженных импульсов, излученных другой головкой) приемопередающие каналы работают последовательно. Работа устройства показана на примере одного приемопередающего канала.
Излучающий сигнал поступает на приемоизлучающую головку 1 от блока обработки данных (внешнего вычислительного устройства) 10 через канал связи Ethernet 9 и/или канал связи RS485 8, процессор 6, программируемую логическую интегральную схему 5, аналогово-цифровой преобразователь 4, усилитель 3 и приемопередающий модуль 2 в режиме передачи. Далее акустический доплеровский измеритель течений переключается в режим приема.
Отраженный акустический сигнал принимается приемоизлучающей головкой 1, работающей в режиме приема, и далее поступает через приемопередающий модуль 2 в режиме приема, усилитель 3, аналогово-цифровой преобразователь 4, программируемую логическую интегральную схему 5, процессор 6, канал связи Ethernet 9 и/или канал связи RS485 8 в блок обработки данных 10. Одновременно данные накапливаются во встроенной памяти 7. Питание осуществляется от внешнего 11 или внутреннего 12 источника питания.
Управление и задание режимов программируемой логической интегральной схемы 5 осуществляет процессор 6. Он имеет ППЗУ для хранения программ конфигурации программируемой логической интегральной схемы 5, драйверы для связи с внешним вычислительным устройством 10 по каналу 9 Ethernet.
Управление аналогово-цифровым преобразователем 4 осуществляется от процессора 6 через программируемую логическую интегральную схему 5. Процессор 6 задает режим работы, тактовые частоты и полосу пропускания. После преобразования цифровые сигналы в последовательном виде поступают в программируемую логическую интегральную схему 5 для дальнейшей обработки или для передачи всего приемного необработанного массива данных сигнала во внешнее вычислительное устройство 10.
Управление усилителем 3 осуществляется через стандартный Ethernet порт. Процессор 6 получает параметры (амплитуда, частота, фаза, количество одновременно излучаемых частот) сигналов по каждому приемопередающему каналу, загружает эти параметры в программируемую логическую интегральную схему 5, которая формирует сложные сигналы по заданным параметрам.
Управление приемопередачей сигналов, их обработка, визуализация и анализ результатов происходит с помощью программного обеспечения «Visual ADCP».
Программное обеспечение «Visual ADCP», являющееся разработкой авторов, позволяет управлять расширенным набором параметров излучения/приема сигнала, записывать в файл в реальном масштабе времени данные АЦП, воспроизводить записанные данные, полностью эмулирую работу с устройством, осуществлять восстановление трех компонент скорости потока относительно абсолютных пространственных координат.
Особенностью работы предлагаемого акустического доплеровского измерителя течений по п. 1 формулы являются: наличие программируемой логической интегральной схемы 5, управляемой с помощью высокоскоростного канала связи 9 внешним вычислительным устройством 10. Также особенностью работы предлагаемого акустического доплеровского измерителя течений по п. 1 формулы является то, что основной блок и блок обработки данных 10 соединены, кроме медленного канала связи 8 (RS485), высокоскоростным каналом связи 9 (по п. 2 формулы Ethernet 100Base-TX). Это позволяет пересылать в блок обработки данных 10 первичные данные, полученные непосредственно от приемоизлучающей головки 1.
Также особенностью работы предлагаемого акустического доплеровского измерителя течений по п. 1 формулы является то, что регистрация, обработка, визуализация и анализ данных во внешнем вычислительном устройстве 10 осуществляются с помощью программного обеспечения «Visual ADCP». Это позволяет производить различные действия с сигналами и применять различные алгоритмы путем разработки дополнительных функций программного обеспечения.
Это обстоятельство позволяет избежать необходимости реализации сложной алгоритмической обработки в реальном масштабе времени во встроенных вычислительных средствах прибора и полностью перенести ее на внешний пользовательский компьютер высокого уровня.
При работе прибора в автономном режиме достаточная емкость флэш-памяти позволяет хранить принятые временные реализации сигналов. Нет необходимости накапливать результаты обработки, поскольку записываются все принятые «сырые» временные реализации, к которым может быть применена обработка с различными параметрами. Программное обеспечение высокого уровня имеет непосредственный доступ к этим данным, имеет встроенные функции как по обработке накопленных данных при различных подбираемых значениях параметров, так и «проигрывания» их, создающего полную имитацию работы с реальным устройством.
Таким образом, предлагаемый акустический доплеровский измеритель течений позволяет организовать процесс алгоритмической обработки полученных акустических сигналов на пользовательском компьютере высокого уровня, что существенно упрощает обслуживание и применение устройства в экспедиционных условиях, а также расширяет его функциональные возможности, то есть позволяет решить поставленную задачу. Возможность такой обработки расширяет область применения прибора.