ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО РЕГИСТРАЦИИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ

Полезная модель относится к геофизике, конкретно, к системам для долговременной регистрации геофизических параметров волновых полей различной природы, и может быть использована для проведения исследовательских работ в области океанологии, в частности, для исследований, связанных с генерацией и распространением внутренних волн, исследованием энергообмена между поверхностными и внутренними волнами, а также для решения задач, связанных с распространением гидроакустических волн и модуляцией гидроакустического сигнала поверхностными и внутренними волнами.
Известны автономные и стационарные гидрофизические донные станции. В зависимости от набора первичных преобразователей станции могут быть предназначены для гидроакустического, сейсмического или экологического мониторинга. Как правило, станции выполнены в виде корпуса-носителя аппаратуры, внутри которого расположены электронная аппаратура, источник питания и измерительные преобразователи, которые могут находится в выносных системах, при этом их связь с аппаратурой осуществляется через кабельные гермовводы.
Известен автономный комплекс из нескольких работающих в синхронном режиме донных станций для измерения и регистрации на цифровые накопители гидрофизической информации. Независимое управление станциями осуществляется по гидроакустическому каналу связи. Станции оснащены датчиками глубины, температуры, скорости распространения звука и микропроцессорной системой сбора и обработки информации, которая заносится в автономную память на цифровой накопитель (п. РФ №50299 U1). Носитель информации и источник питания находятся непосредственно в исполнительном устройстве, что уменьшает время работы данных систем
Известна кабельная донная станция, предназначенная для выполнения долговременных сейсмоакустических исследований (п. РФ №65251 U1). Станция снабжена системой ориентации, бортовым вычислительным узлом, приемопередающей гидроакустической системой, трехкомпонентным сейсмодатчиком, низкочастотным гидрофоном для регистрации акустических сигналов, датчиком давления, источником питания станции, который непрерывно подзаряжается по магистральному кабелю с берегового блока питания.
Известен стационарный гидрофизический измерительный комплекс, включающий до 8 гидрофизических станций, предназначенный для измерения и регистрации в придонном слое и на некоторых фиксированных глубинах гидрофизической информации. Для управления, съема информации и подачи электропитания в станции установлена донная управляющая кабельная станция, соединенная посредством магистрального кабеля с береговым стационаром. Станция предназначена для измерения и регистрации в придонном слое и на некоторых фиксированных глубинах гидрофизической информации на цифровые накопители и передачи непрерывной информации на стационарный пост (п. РФ №66063 U1).
Однако, эти системы конструктивно сложны.
Наиболее близкой к заявляемой является гидроакустический кабельный комплекс для отслеживания вариаций поверхностного волнения, вызванного инфрагравитационными и гравитационными морскими волнами, а также низкочастотными звуковыми колебаниями до 500 Гц (диапазон рабочих частот), обусловленными искусственными и естественными источниками океана. Комплекс состоит из соединенных подводным кабелем донной станции (ДС), берегового блока управления ее работой, выполненным на базе персонального компьютера (ПК), и источника питания. Станция выполнена в виде снабженного основанием корпуса, на внешней стороне которого установлен приемник гидроакустических сигналов, состоящий из двух независимых гидрофонов, и термограф, а внутри электронный блок приема и передачи первичных данных. В основании станции расположены гермовводы, а для установки в место наблюдения станция оборудована грузом и поплавком (Приборы и техника эксперимента, 2007, №6, с.140-141).
Однако известный гидроакустический комплекс не позволяет определять направление на источник сигналов, поскольку в его конструкции реализована антенна с круговой диаграммой направленности, обладает малой чувствительностью и недостаточно широким диапазоном рабочих частот, а установка одного термографа на корпусе, обладающим большой тепловой инерцией, накладывает ограничения на исследование быстротекущих температурных процессов.
Задача, решаемая заявляемым комплексом, состоит в расширении возможностей комплекса, повышением чувствительности, расширении диапазона рабочих частот.
Поставленная задача решается гидроакустическим комплексом по регистрации геофизических параметров волновых полей, состоящим из не менее четырех донных станций, соединенных между собой, с береговым пунктом управления и источником питанием комплекса посредством транзитного кабеля, включающего линии питания и приема-передачи данных, при этом каждая из донных станций представляет собой оборудованный поплавком и грузом герметичный, снабженный основанием, корпус с расположенным внутри электронным блоком приема и передачи первичных данных, а снаружи приемником гидроакустических сигналов и термографом, при этом приемник гидроакустических сигналов выполнен в виде гидрофона, состоящего из параллельно соединенных гидроакустических преобразователей, помещенного в водопроницаемый обтекатель, установленный в нижней части основания станции, термограф выполнен в виде термокосы, а береговая станция управления дополнительно снабжена микропроцессорной системой обмена информации.
Объединение в одном комплексе не менее четырех донных станций, каждая из которых оборудована гидрофоном, позволяет реализовать антенну с известными характеристиками направленности для исследования волновых полей различной природы, а выполнение термографа в виде термокосы, снабженной распределенными по ней термодатчиками, обеспечивает получение информации об изменениях температуры на перекрываемых термокосой глубинах.
Береговой пункт управления работой комплекса может быть выполнен, например, на базе персонального компьютера (ПК), и дополнительно снабжен системой обмена информации (СОИ), реализованной на микропроцессоре, которая опрашивает датчики геофизических параметров донных станций, принимает информацию об измеряемом параметре, накапливает эту информацию и передает ее в ПК, где она записывается на жесткий диск. СОИ может обеспечить регистрацию данных по 24 каналам с частотой опроса до 100 Гц. СОИ дает возможность настройки характеристик приемных сигналов, а также в случае необходимости вводить корректирующие добавки к исходным сигналам с целью исключить, например, влияние температуры на измеряемые величины, что позволяет улучшить качество получаемой от комплекса информации.
Выполнение приемника гидроакустических сигналов в виде одного гидрофона, состоящего из параллельно соединенных гидроакустических преобразователей, количество которых определяется поставленной задачей исследования, позволяет регулировать чувствительность и частотный диапазон комплекса.
Так, выполнение гидрофона в виде четырех параллельно соединенных гидроакустических преобразователей, например, ЦТС-19, позволило расширить частотный диапазон комплекса от 0,1 до 1000 Гц
В зависимости от поставленной задачи направление термокосы может быть вертикальным (вверх или вниз) или горизонтальным. Термокоса может быть расположена вдоль тросов, соединяющих корпус станции с поплавком или грузом или может быть оборудована собственным поплавком, удельный вес которого определяет направление расположения косы. Количество устанавливаемых на ней термодатчиков произвольно и зависит от поставленных задач исследования и требуемых глубин регистрации температуры.
На фиг. представлена одна из возможных схем заявляемого гидроакустического комплекса, состоящая из четырех однотипных донных станций, где 1 - поплавок донной станции, 2 - корпус с электронным блоком приема и передачи первичных данных, 3 - основание станции, 4 - водопроницаемый обтекатель, 5 - гидрофон, 6 - груз, 7 - термокоса, 8 - поплавок термокосы, 9 - транзитный кабель, 10 - береговой блок управления, 11 - источник питания.
Все конструктивные элементы комплекса выполняются с использованием известных стандартных комплектующих.
Так, электронный блок приема и передачи первичных данных (2) может быть реализован, например, на базе управляющего контроллера ATMEGA16.
Заявляемый комплекс работает следующим образом.
Комплекс устанавливают в исследуемом районе по ранее заданным для каждой ДС координатам с помощью GPS или любым другим способом, обеспечивающим постановку станций комплекса в точки с известными координатами. После подключения кабеля идущего с берега от источника питания (11), а также линии берегового блока управления (10), соединяющих последовательно все донные станции, комплекс готов к работе. Первичные сигналы от гидрофонов (5) и термодатчиков, установленных на косе (7) каждой из станций, поступают на СОИ в блоке управления (10), где после обработки записываются на жесткий диск.
Таким образом, за счет того, что осуществляется возможность регистрации температур на различных глубинах и при этом с помощью гидрофона регистрация вариаций полей давления, создаваемых распространяющимися по поверхности воды волнами различного происхождения, оказывается возможным изучение закономерностей взаимного влияния внутренних и поверхностных волн. Кроме того, возможность регистрации при этом гидроакустических сигналов дает возможность исследования влияния внутренних и поверхностных волн на распространение гидроакустических сигналов. Наличие в составе комплекса не менее четырех ДС дает возможность исследовать не только скалярные характеристики, но также векторные составляющие исследуемых полей за счет формирования диаграммы направленности антенны, образуемой размещенными на акватории ДС.