Устройство для определения объема объектов, находящихся на дне водоемов

 

Полезная модель относится к геофизике, а именно к устройствам для обнаружения и определения объема различных объектов, находящихся на дне водоемов, и предназначена для оценки запасов полезных ископаемых, биомассы придонных организмов. Устройство содержит последовательно соединенные генератор импульсов, электроакустический преобразователь, усилитель, селектор и систему регистрации и обработки данных, а также блок памяти и воспроизведения и интегратор интенсивности. Входы блока памяти и воспроизведения соединены с выходами блоков усилителя и селектора, а выход с системой регистрации и обработки данных. Вход интегратора интенсивности соединен с выходом блока памяти и воспроизведения, а выход с входом системы регистрации и обработки данных. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства и повышении надежности обнаружения объектов, расположенных на дне водоемов.

Полезная модель относится к геофизике, а именно к устройствам для обнаружения и определения объема различных объектов, находящихся на дне океанов, морей и других водоемов или вблизи поверхности дна и может использоваться, например, для оценки запасов полезных ископаемых на дне водоемов или для оценки биомассы придонных организмов.

Известны гидроакустические устройства - гидролокаторы бокового обзора, которые успешно используются для обнаружения объектов на дне водоемов и определения их параметров. Они состоят из обтекаемого буксируемого модуля, на котором установлена акустическая антенна с веерной направленностью, и бортового устройства регистрации сигнала (например, гидролокатор бокового обзора МКС-В, ИО РАН им.Ширшова, (www.ocean.ru/countent/view/44/45/l/l/)). Гидролокаторы подразделяются на низкочастотные (рабочая частота до 10 кГц, с дальностью от единиц до десятков километров, разрешение сотни метров); среднечастотные (50-250 кГц, дальность сканирования до километра, разрешение десятки метров) и высокочастотные (от 300 кГц и выше, дальность сканирования 10-100 м., разрешение до 0,1 м). Основными недостатками гидролокаторов бокового обзора является то, что эти устройства могут работать только при малой скорости их буксировки, и то, что глубина их погружения зависит от скорости движения судна.

Этих недостатков лишены эхолоты и гидролокаторы, установленные на борту судна. Известны многолучевые эхолоты, например, модели фирмы Kongsberg (http://www.km.kongsberg.com/ks/web/nokbg0240.nsf/AllWeb/620F423FA7B503A7C1256BCD0023COE5?OpenDocument), позволяющие создать условную трехмерную картину дна. Основными недостатками многолучевых эхолотов являются их малая эффективность при обнаружении объектов на дне водоемов и высокая стоимость.

Известны эхолоты, основанные на параметрическом принципе излучения, которые используют для оценки объема объектов на дне водоемов. Например, параметрический эхолот - акустический профилограф SeaKing SBP (http://www.bnti.ru/des.asp?itm=3480&tb1=02.04) предназначен для поиска различных объектов на дне и в толще донного грунта. Такой эхолот состоит из генератора высокой частоты, генератора низкой частоты, модулятора, генератора электрических импульсов,

антенны, усилителя, системы регистрации и обработки данных. Принцип работы параметрического эхолота основан на генерации низкочастотного акустического сигнала при распространении в воде модулированного высокочастотного акустического сигнала или двух высокочастотных сигналов. В этом случае удается достичь генерации узконаправленного широкополосного низкочастотного излучения с применением относительно небольших и дешевых высокочастотных излучающих антенн. Использование низкочастотного и одновременно узконаправленного излучения позволяет проводить подробные исследования различных объектов, в том числе и на дне водоемов. Основным недостатком известных устройств является хорошо известный акустикам их крайне низкий коэффициент преобразования. Кроме того, при излучении узконаправленного сигнала, в случае качки судна, для осуществления высококачественных наблюдений с поверхности моря антенну необходимо устанавливать на стабилизированной платформе или использовать систему электронной стабилизации, что приводит к удорожанию всего комплекса.

Известен высокочастотный (10-30 кГц) эхолот для исследования объектов на дне водоемов (Ультразвук / под ред. И.П.Голямина. 1979. М.: Советская энциклопедия. 400 с.), состоящий из генератора импульсов, излучателя, приемной антенны, усилителя, блока звукового контроля и регистратора. Мощный ультразвуковой импульс от генератора поступает на направленный излучатель и излучается в воду. Отраженный сигнал принимается антенной (магнитострикционные преобразователи или пьезокерамические преобразователи), усиливается и подается на блок слухового контроля и регистратор - самописец, записывающий принятый, усиленный и продетектированный сигнал на движущуюся бумажную ленту электротермическим или электрохимическим способом. При такой регистрации все источники рассеянного в обратном направлении к эхолоту сигнала отображаются на эхоленте в оттенках серого, при этом наиболее сильным сигналам соответствует черный цвет, а отсутствию сигнала или очень слабому сигналу - белый. Дно обычно является очень сильным рассеивателем и прописывается на эхоленте в виде непрерывной линии. Сигналы от объектов, находящихся на дне водоемов, обычно более слабые и при правильно выбранных параметрах регистрируются в оттенках серого. Основным недостатком известного устройства является то, что выделение сигнала от объектов, находящихся на дне водоемов, и сигнала от дна, осуществляются визуально оператором. Во многих случаях это затруднительно или даже невозможно сделать, поскольку граница между объектами и поверхностью дна на эхоленте не выделяется.

Известны эхолоты, в которых выделение сигнала обратного рассеяния от поверхности дна водоемов, происходит автоматически. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является эхолот, который применяется, в частности, для обнаружения косяков рыб вблизи поверхности дна. (Тикунов А.И. Рыбопоисковые приборы и комплексы / Учебник. 1989. Л.: Судостроение. 288 с.). Эхолот состоит из генератора электрических импульсов, вырабатывающего импульсы с заданными длительностью, частотами заполнения и повторения. Электрические импульсы поступают на вход электроакустического преобразователя и в виде акустических сигналов излучаются в воду в направлении дна. Сигналы обратного рассеяния, рассеянные от различных неоднородностей водной толщи и дна, преобразуются электроакустическим преобразователем в электрические сигналы, которые после усиления усилителем поступают на селектор и в блок памяти и воспроизведения. В блоке памяти и воспроизведения в любой момент времени хранится информация о сигнале обратного рассеяния, предшествующего данному моменту времени, с водного слоя, толщина которого определяется задаваемой оператором исследуемой придонной толщиной L. Выход селектора соединен с входами блока памяти и воспроизведения и системой регистрации и обработки данных. В момент прихода сигнала от дна селектор вырабатывает управляющий сигнал, который подается в блок памяти и воспроизведения и в систему регистрации и обработки данных. С приходом управляющего сигнала на блок памяти и воспроизведения с его выхода записанная информация, соответствующая сигналу обратного рассеяния с исследуемого придонного слоя толщины L, поступает в систему регистрации и обработки данных. Выделение придонного слоя необходимо, поскольку именно в этом слое находятся объекты, расположенные на дне водоемов.

Основным недостатком известного устройства является то, что наличие объектов на дне водоемов определяется оператором визуально по появлению изображений объектов в виде характерного сигнала в придонном слое на экране компьютера, кроме того, известное устройство не позволяет определять объем объектов, находящихся на дне водоемов.

Задачей заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства за счет определения объема объектов, находящихся на дне водоемов, и повышение надежности обнаружения объектов за счет автоматизации их обнаружения.

Поставленная задача решается устройством для определения объема объектов, находящихся на дне водоемов, состоящим из последовательно соединенных генератора импульсов, электроакустического преобразователя, усилителя, селектора и системы регистрации и обработки данных, и содержащим блок памяти и воспроизведения, входы которого соединены с выходами блоков усилителя и селектора, а выход с системой регистрации и обработки данных, при этом устройство дополнительно содержит интегратор интенсивности, вход которого соединен с выходом блока памяти и воспроизведения, а выход с входом системы регистрации и обработки данных.

Блок-схема заявляемого устройства представлена на фиг.1.

Устройство состоит из генератора импульсов (1), электроакустического преобразователя (2), усилителя (3), селектора (4), блока памяти и воспроизведения (5), системы регистрации и обработки данных (6) и интегратора интенсивности (7).

Заявляемое устройство работает следующим образом. Генератор электрических импульсов (1) вырабатывает электрические импульсы, которые поступают на вход электроакустического преобразователя (2), например, пьезокерамического или магнитострикционного, преобразующего их в звуковую волну, и посылает ее в воду в направлении дна. Звуковая волна отражается от различных неоднородностей в водной толще и дна и возвращается к электроакустическому преобразователю (2), который преобразует ее в электрический сигнал, поступающий на вход усилителя (3). Усилитель усиливает этот сигнал и посылает его на селектор (4) и блок памяти и воспроизведения (5). В блоке памяти и воспроизведения (5) в любой момент времени хранится информация о сигнале обратного рассеяния, предшествующего данному моменту времени, с водного слоя, толщина которого определяется задаваемой оператором исследуемой придонной толщиной L. В момент прихода сигнала от дна селектор (4) вырабатывает управляющий сигнал, который подается в блок памяти и воспроизведения (5) и в систему регистрации и обработки данных (6). С приходом управляющего сигнала хранящаяся в блоке памяти и воспроизведения (5) информация поступает одновременно в систему регистрации и обработки данных (6) и на интегратор интенсивности (7), выход которого соединен с входом системы регистрации и обработки данных (6). Интегратор интенсивности (7) производит операцию возведения в квадрат поступающего сигнала и осуществляет его интегрирование, что соответствует энергии обратного рассеяния в исследуемом придонном слое толщиной L. В системе регистрации и обработки данных (6), помимо отображения в виде эхограммы исследуемого придонного слоя толщины L, выводится непрерывная информация об

энергии сигнала обратного рассеяния в исследуемом придонном слое толщиной L, которая пропорциональна объему объектов, находящихся на дне водоемов.

Конкретное аппаратурное оформление заявляемого устройства, а именно генератор импульсов (1), электроакустический преобразователь (2), усилитель (3), селектор (4) являются стандартными, и их характеристики определяются поставленной задачей измерения и требуемой точностью.

Интегратор интенсивности (7) выполняют на стандартных микросхемах, транзисторах или с использованием обычного микропроцессора.

Систему регистрации и обработки (6) данных выполняют, например, с использованием персонального компьютера или на базе обычного микропроцессора.

Принцип действия заявляемого устройства основан на теоретически определенной авторами закономерности, что энергия сигнала обратного рассеяния от придонного слоя пропорциональна объему объектов, находящихся на дне водоемов, при условии, когда разрешение эхолота по дальности l много меньше высоты исследуемых объектов h0 , а полуширина диаграммы направленности эхолота удовлетворяет условию: 1>tg>(2h0/H)1/2 , где Н - расстояние от электроакустического преобразователя до поверхности дна, которое при зондировании с поверхности моря совпадает с глубиной дна. (Саломатин А.С., Юсупов В.И., Ли Б.Я. Дистанционные акустические исследования водной толщи и дна океана: аппаратура и методика / Дальневосточные моря России. М.: Наука, 2007. Кн.4: Физические методы исследования. С.87-110.) В этом случае профиль интенсивности сигнала от придонного слоя описывает распределение поверхностей объектов, находящихся на дне водоемов, по высотам над дном: на каждом горизонте интенсивность сигнала обратного рассеяния от объектов пропорциональна площади их сечения. Следовательно, объем объектов, находящихся на дне водоемов, пропорционален энергии сигнала обратного рассеяния от них.

Устройство для определения объема объектов на дне водоемов наиболее эффективно использовать в случаях, когда, во-первых, сигнал обратного рассеяния от объектов, расположенных на поверхности дна, существенно ниже сигнала обратного рассеяния от дна, во-вторых, сами объекты во всем районе исследований являются достаточно однородными как по акустическим, так и по плотностным характеристикам.

Для проведения натурных исследований заявляемое устройство предварительно калибруют для определения коэффициента пропорциональности между амплитудой сигнала с выхода интегратора интенсивности и объемом объектов на единице площади

исследуемого района дна. Этот коэффициент заводят в измерительный блок. В результате проведенной калибровки устройство в любой момент времени выдает информацию об объеме объектов на единичной площади исследуемого района дна. В случае, когда физические свойства исследуемых объектов на дне водоемов хорошо известны, калибровку можно заменить расчетом.

Натурные испытания заявляемого устройства были проведены в рейсах НИС "Академик М.А.Лаврентьев" во впадине Дерюгина в Охотском море. На выбранном участке дна на глубинах около полутора километров находится участок проявления баритовой минерализации (Астахова Н.В., Липкина М.И., Мельниченко Ю.И. Гидротермальная баритовая минерализация во впадине Дерюгина Охотского моря // Докл. АН СССР. 1987. Т.295. С.212-215). Как показали визуальные наблюдения, а также наблюдения гидролокатором бокового обзора и анализ поднятых драгой образцов, поверхность дна в областях распространения баритовой минерализации покрыта колоннообразными структурами, состоящими в основном из нерастворимых солей бария, - баритовыми постройками с высотой до 20 метров и диаметром до нескольких метров, которые расположены на расстоянии 20-100 м. друг от друга (Обжиров А.И., Деркачев А.Н., Баранов В.Б., Алоизи Дж. и др. Аномалии метана и сопряженные с ними бариты во впадине Дерюгина Охотского моря // Подводные технологии. 2006. №2. С.4-16. Cruise Report: KOMEX. RV "Akademik M.A. Lavrentiev" Cruise 29, Leg 1. GEOMAR Report 110. 2003. 190 p.). Поэтому толщина L исследуемого придонного слоя была выбрана равной 20 м.

Устройство для определения объема баритовых построек на дне водоемов включало генератор электрических импульсов, который вырабатывал сигналы длительностью 0,8 мс с частотой заполнения 12 кГц, электроакустический преобразователь пьезоэлектрического типа, вмонтированный в дно судна на глубине 4,5 м. ниже ватерлинии. Ультразвуковые сигналы излучались и принимались в вертикальном направлении. Система регистрации и обработки данных выполнена на базе компьютера Silvio с процессором AMD Athlon и звуковой картой Creative Labs. В блоке памяти и воспроизведения запоминалась поступающая информация с исследуемого придонного слоя толщиной 20 м.

Калибровка устройства была выполнена на одном из участков баритовой минерализации. Был определен коэффициент пропорциональности между амплитудой сигнала с выхода интегратора интенсивности в вольтах (В) и объемом объектов на единице площади дна (м3 2) К=0.86 м32 В.

Заявляемое устройство позволило обнаружить и оконтурить в Охотском море область с баритовыми постройками и оценить запасы барита, объем которых составил около 3 млн. м 3. Это хорошо совпадает с нижней оценкой запасов барита в данной области, которая была получена при исследовании области гидролокатором бокового обзора и устройством визуального наблюдения (Обжиров А.И., Деркачев А.Н., Баранов В.Б., Алоизи Дж. и др. Аномалии метана и сопряженные с ними бариты во впадине Дерюгина Охотского моря // Подводные технологии. 2006. №2. С.4-16). Таким образом, определяя энергию сигнала обратного рассеяния с исследуемого придонного слоя заявляемым устройством, можно эффективно и надежно обнаружить объекты, находящиеся на дне водоемов, и определить их объем.

Устройство для определения объема объектов, находящихся на дне водоемов, состоящее из последовательно соединенных генератора импульсов, электроакустического преобразователя, усилителя, селектора и системы регистрации и обработки данных и содержащее блок памяти и воспроизведения, входы которого соединены с выходами блоков усилителя и селектора, а выход с системой регистрации и обработки данных, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит интегратор интенсивности, вход которого соединен с выходом блока памяти и воспроизведения, а выход с входом системы регистрации и обработки данных.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к гидроакустической антенной технике и может быть использовано при конструировании гидроакустических систем

Полезная модель относится к области измерительной техники, а более конкретно к системам и устройствам для измерения пространственно-временной изменчивости распространения акустических сигналов в водной среде и может быть использована, например, для определения амплитуды и периода морских внутренних волн. Техническим результатом от использования настоящей полезной модели является повышение точности определения по вертикали особенностей профиля объемного обратного акустического рассеяния при измерениях с движущегося судна, приборами которые по отдельности не позволяют этого сделать.

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при проектировании шасси летательных аппаратов, например, самолетов, различного назначения
Наверх