Автономная вертикальная акустико-гидрофизическая измерительная система

Автономная вертикальная акустико-гидрофизическая измерительная система предназначена для экспериментальных исследований внутренних волн и низкочастотного звука, распространяющихся в шельфовых зонах морей и океанов. Система содержит последовательно установленные на гибком носителе, снабженном кабельными линиями, якорь, источник питания, измерительные блоки, датчик преобразователя скорости течения и другие гидрологические датчики, аппаратурный блок. Измерительные блоки состоят из датчиков звукового давления и термодатчиков, расположенных в непосредственной близости друг от друга. Как минимум два измерительных блока кроме датчиков звукового давления и термодатчиков включают датчики гидростатического давления. Технический результат заключается в повышении полноты и точности получаемой информации, расширении функциональных возможностей системы, повышении удобства эксплуатации и обеспечении автономности работы устройства. 1 н.п.ф., 6 з.п.ф., фиг.

Полезная модель относится к океанологии, конкретно к акустико-гидрофизическим измерительным системам, в частности, для исследований влияния пространственно-временных неоднородностей поля скорости звука на распространение звука на шельфе, а также для исследования модовых структур низкочастотных звуковых полей и внутренних волн.

В известных зарубежных системах аналогичного назначения акустические многоканальные системы дополняются несколькими независимыми регистраторами температуры. Приборы регистрации других гидрологических параметров (гидростатического давления и скорости течения) выполняют в виде отдельных устройств, устанавливаемых на дне.

Так в статье John R. Apel, Mohsen Badiey, Ching-Sang Chiu and others "An Overview of the 1995 SWARM Shallow-Water Internal Wave Acoustic Scattering Experiment", IEEE J. Oceanic Eng., 1997, vol. 22, NO. 3, pp. 465-500 описано применение в эксперименте SWARM, проведенном на Атлантическом шельфе, 16 канальной автономной вертикальной акустической системы, которая была дополнена четырьмя независимыми регистраторами температуры. Система обеспечивала акустические измерения в частотном диапазоне до 1 кГц. Для контроля ее положения в пространстве использовались высокочастотные гидроакустические устройства позиционирования, что требует установки дополнительных акустических маяков, усложняющих и удорожающих эксперимент.

В описаниях более поздних экспериментов PRIMER (шельф Новой Англии. Brian J. Sperry, James F. Lynch, Glen Gawarkiewicz and others, "Characteristics of Acoustic Propagation to the Eastern Vertical Line Array Receiver During the Summer 1996, New England, Shelfbreak, PRIMER Experiment", 2003, IEEE J. Oceanic Eng., vol. 28, NO. 4, pp. 729-749) и ASIAEX (Южно-Китайское море, Peter С. Mignerey and Marshall H. Orr, "Observations of Matched-Field Autocorrelation Time in the South China Sea", 2004, IEEE J. Oceanic Eng., vol. 29, NO. 4, pp. 1280-1291) также представлены подобные измерительные системы, основанные на независимых акустических и гидрофизических преобразователях и не имеющие средств позиционирования. Очевидно, что комплексная и синхронная обработка данных, полученных от таких измерительных систем, сложна и требует больших трудозатрат и времени.

Наиболее близкой к заявляемой является вертикальная акустико-гидрофизическая измерительная система «Моллюск 97» (Рутенко А.Н. "Вертикальная акустико-гидрофизическая антенна «Моллюск-97»" // Приборы и техника эксперимента. 1998, №5, С. 141-144), которая состоит из измерительной части, аппаратурного блока, якоря, связующего кабеля и источника питания. Измерительная часть содержит последовательно расположенные на гибком носителе, снабженном кабельными линиями, восемь измерительных блоков. В нижней части гибкого носителя установлен якорь. Аппаратурный блок, предназначенный для приема, накопления и обработки информации, включает передающий блок, содержащий цифровую телеметрическую систему, и приемный блок, который принимает информацию и записывает ее на жесткий диск ЭВМ. При этом передающий блок расположен на гибком носителе в нижней его части, а приемный блок установлен на береговом посту, на котором расположен и источник питания системы. Таким образом, можно сказать, что известная система состоит из подводного модуля и берегового поста, которые соединены связующим кабелем для подачи электропитания и передачи информации в виде цифрового кода.

Каждый измерительный блок системы включает датчик звукового давления, в непосредственной близости от которого расположен термодатчик (точность 0,5°С, разрешение 0,01°С). Между измерительными блоками расположены распределенные датчики температуры. В качестве датчиков звукового давления установлены гидрофоны с полосой пропускания 20-600 Гц.

Известная система обеспечивает синхронные измерения звукового давления и температуры воды на восьми горизонтах, а также средней температуры семи слоев воды, перекрываемых цепочкой распределенных датчиков температуры. Однако система не обеспечивает достаточно точную и полную картину влияния пространственно-временных неоднородностей поля скорости звука на распространение звука на шельфе, а также модовых структур низкочастотных звуковых полей и внутренних волн вследствие отсутствия средств позиционирования по глубине. Сильно ограничен выбор места постановки системы из-за необходимости прокладки связующей кабельной линии. Кроме того, установка системы требует значительных трудозатрат на укладку кабельной линии для связи с береговым постом.

Задача полезной модели состоит в повышении полноты и точности получаемой информации, расширении функциональных возможностей акустико-гидрофизической

измерительной системы, повышении удобства эксплуатации и обеспечении автономности работы устройства.

Поставленная задача решается вертикальной акустико-гидрофизической системой, состоящей из источника питания, аппаратурного блока для приема, накопления и обработки информации и из последовательно установленных на гибком носителе, снабженном кабельными линиями, якоря и измерительных блоков, содержащих расположенные в непосредственной близости друг от друга датчики звукового давления и термодатчики, при этом источник питания и аппаратурный блок установлены на гибком носителе, как минимум два измерительных блока дополнительно содержат датчики гидростатического давления, а система дополнительно снабжена как минимум одним датчиком преобразователя скорости течения, установленном на гибком носителе.

Дополнительно система может быть снабжена акустическим размыкателем, установленным между якорем и источником питания, что позволяет использовать одноразовый якорь и отсоединять его при подъеме антенны.

Кроме этого, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности получаемой информации система может включать приборы регистрации других гидрологических параметров, например датчики солености, электропроводности, которые устанавливают на гибком носителе.

В зависимости от задач эксперимента измерительные блоки могут быть установлены эквидистантно, а их количество может изменяться в зависимости как от задач эксперимента, так и от глубины места расположения системы.

Заявляемая система обеспечивает продолжительные, автономные (не зависимые от линий связи), широкополосные измерения акустического давления на исследуемых горизонтах синхронно с измерениями вариаций температуры воды возле каждого датчика звукового давления при одновременном контроле глубины в двух точках, обеспечивающих точное позиционирование системы.

На фиг. представлена блок-схема заявляемой акустико-гидрофизической измерительной системы, где 1 - якорь, 2 - акустический размыкатель, 3 - источник питания, 4 - измерительный блок, содержащий датчик звукового давления и термодатчик (на фиг. не показаны); 5 - датчик преобразователя скорости течения, 6 -измерительный блок, содержащий датчик звукового давления, термодатчик и датчик гидростатического давления (на фиг. не показаны), 7 - аппаратурный блок; 8 - гибкий носитель, снабженный кабельными линиями.

Вертикальная акустико-гидрофизическая измерительная система представляет собой гибкий носитель (8), снабженный кабельными линиями, с закрепленными на нем датчиком (5) преобразователя скорости течения и измерительными блоками (4, 6), а также аппаратурным блоком (7), якорем (1) и источником питания (3).

Гибкий носитель (8) обеспечивает как необходимую прочность всей вертикальной акустико-гидрофизической измерительной системы, так и подачу энергии. Он может быть выполнен в виде, например, кабель-троса со стальным экраном и медными жилами в хлорвиниловой изоляции, дополненным полевым телефонным кабелем.

В качестве источника питания (3) возможно использовать, например, два гелевых аккумулятора емкостью 65 Ампер-часов каждый, которые размещают в герметичном контейнере и которые обеспечивают автономную работу системы в течение 7 суток.

Аппаратурный блок (7) содержит телеметрическую систему для преобразования аналоговых сигналов в цифровой вид, накопления и обработки данных. Телеметрическая система включает каналы предварительной аналоговой обработки, систему преобразования аналоговых сигналов в цифровой вид - АЦП и систему накопления и обработки данных - бортовую ЭВМ, например, плата пром. компьютера формата PC 104 «Прометеус». Конкретная аппаратурная реализация блока (7) зависит от поставленной задачи эксперимента и требуемой точности.

В качестве датчиков звукового давления используют пьезокерамические гидрофоны с диапазоном рабочих частот не менее 5 кГц со встроенным предварительным усилителем, например, модуль приемно-усилительный ЭПБА 3.

В качестве датчиков температуры используют датчики, позволяющие обеспечить точность измерения температуры в диапазоне от минус 10 до плюс 30°С не ниже 0,01°С, например AD22100KT фирмы Analog Devices.

Для измерения глубины используют известные датчики гидростатического давления, например датчик PDCR 1830 D фирмы GE Druck (Англия), абсолютная точность определения глубины которого 0,1 м.

В качестве датчика скорости течения используют датчик, обладающий компактностью и малым энергопотреблением. В качестве такого датчика может быть установлен датчик, принцип работы которого основан на изменении сопротивления морской воды в зазоре датчика при прохождении через него лопасти «вертушки», например описанный на сайте http://mkrs.by.ru.

Система работает следующим образом.

Акустические и гидрофизические сигналы, поступающие на измерительные блоки (4, 6), преобразуются в электрические сигналы с калиброванными коэффициентами преобразования. Полученные электрические сигналы поступают в аппаратурный блок (7) на входы телеметрической системы. Далее они преобразуются в цифровой вид и сохраняются на жестком диске. Питание системы осуществляется от источника питания (3) по кабельным линиям. Постановка системы в исследуемый район осуществляется в сборе, а при подъеме имеется возможность сброса якоря (1) при помощи акустического размыкателя (2).

Позиционирование системы по глубине, осуществляемое с помощью введенных в измерительные блоки (6) датчиков гидростатического давления, позволяет контролировать точность оценки модовых структур низкочастотного звука и внутренних волн. Кроме этого, датчики позволяют оценить состояние морской поверхности (профили поверхностных волн) и учесть его влияние на распространение звука.

Дополнительно установленный на гибком носителе датчик скорости течения дает непосредственную информацию о перемещениях водных масс, влияющих на распространение звука, обеспечивает измерение как скорости приливных течений, так и скорости орбитального движения частиц воды во внутренних волнах. Это позволяет идентифицировать пространственно-временные неоднородности поля скорости звука, формируемые именно внутренними волнами.

Таким образом, заявляемое устройство решает задачу повышения полноты и точности получаемой информации о влиянии пространственно-временных неоднородностей поля скорости звука на распространение звука на шельфе, а также о модовых структурах низкочастотных звуковых полей и внутренних волн, позволяет расширить функциональные возможности вертикальной акустико-гидрофизической системы, а также решает задачу повышения удобств эксплуатации системы, обеспечивает продолжительные, автономные (не зависимые от линий связи), широкополосные - до 5 кГц измерения акустического давления на исследуемых горизонтах синхронно с измерениями вариаций температуры воды возле каждого датчика звукового давления при одновременном контроле глубины.

1. Вертикальная акустико-гидрофизическая система, включающая источник питания, аппаратурный блок для приема, накопления и обработки данных и последовательно установленные на гибком носителе, снабженном кабельными линиями, измерительные блоки, состоящие из расположенных в непосредственной близости друг от друга датчиков звукового давления и термодатчиков, и якорь, отличающаяся тем, что источник питания и аппаратурный блок установлены на гибком носителе, при этом как минимум два измерительных блока дополнительно содержат датчики гидростатического давления, а система дополнительно снабжена как минимум одним датчиком преобразователя скорости течения, установленном на гибком носителе.

2. Вертикальная акустико-гидрофизическая система по п.1, отличающаяся тем, что аппаратурный блок установлен в верхней, а источник питания в нижней части гибкого носителя.

3. Вертикальная акустико-гидрофизическая система по п.1, отличающаяся тем, что аппаратурный блок содержит телеметрическую систему, включающую каналы предварительной аналоговой обработки, систему преобразования аналоговых сигналов в цифровой вид и систему накопления и обработки данных.

4. Вертикальная акустико-гидрофизическая система по п.1, отличающаяся тем, что система дополнительно снабжена акустическим размыкателем, установленным между якорем и источником питания.

5. Вертикальная акустико-гидрофизическая система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена датчиком солености.

6. Вертикальная акустико-гидрофизическая система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена датчиком электропроводности.

7. Вертикальная акустико-гидрофизическая система по п.1, отличающаяся тем, что измерительные блоки установлены на гибком носителе эквидистантно.