АВТОНОМНАЯ ДОННАЯ СЕЙСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ (АДСС "ЛАРГЕ") Российский патент 2004 года по МПК G01V1/38 

Техническое решение относится к конструктивному выполнению средств сейсмических исследований на акваториях и может быть использовано для региональных сейсмических исследований методом глубинного сейсмического зондирования.

Известны глубоководные донные сейсмические [1, 2, 4, 5] и гидроакустические станции [3], состоящие из подводного (полевого) модуля и бортового модуля, причем подводный модуль включает регистратор, заключенный в герметичный контейнер, снабженный устройством постановки на дно. При этом в ряде конструкций [1, 2, 5] внутри контейнера размещены регистратор (накопитель информации), датчики определения положения (ориентации) подводного модуля на дне, источник питания и система самовсплывания. Гидроакустическая станция [3] и некоторые сейсмические станции [2, 4] снабжены гидрофонами. Устройства постановки на дно морских сейсмических станций [1, 2], как правило, включают поплавок, балласт, размыкатель балласта и механизм (штангу) откидывания блока датчиков (геофонов), соединенных кабелем с регистратором, размещенным в контейнере. Сигнальные устройства для поиска всплывшего подводного модуля могут включать [2, 3] радиомаяк, радиолокационный отражатель, источник проблескового огня, а в ряде случаев - гидроакустический маяк.

При эксплуатации известных донных сейсмостанций [2, 4, 5] нередко возникают проблемы из-за неточного определения местоположения подводного модуля как на дне, так и при его всплытии. Кроме того, трудности при использовании известных донных сейсмостанций обусловлены искажениями при передаче акустических сигналов на границе дно - прибор (каплинг-эффект [5]) вследствие недостаточно надежного контакта грунта дна с подводными модулями, имеющими, как правило, устройство постановки на дно в виде сборно-сварной конструкции из труб (рамы). Механизмы [1, 2] откидывания и прижатия блоков датчиков к грунту сложны, недостаточно надежны, контроль их работы трудноосуществим. При этом конструкция известных бортовых модулей сейсмических станций [2, 4, 5] описана лишь в общем виде, что затрудняет их практическую реализацию и применение.

Наиболее полно структура и функциональные связи автономной донной сейсмической станции, принятой за прототип, приведены в [1].

Автономная донная станция АДС-8 [1] содержит устанавливаемый на дне акватории глубоководный самовсплывающий носитель геофизической аппаратуры (НГА) и установленные на борту обеспечивающего судна бортовой модуль обработки и устройства для поиска всплывшего подводного модуля. Причем в основном приборном контейнере АДС-8 размещены блок регистрации, блок определения ориентации НГА, блоки синхронизации (автономные таймеры), блок гидроакустического маяка, устройство управления размыкателями и блок питания. Снаружи основного приборного контейнера установлены поплавок, откидной контейнер сейсмодатчиков на выносной штанге, антенна гидроакустического маяка (гидрофон), а также устройство постановки и снятия НГА с грунта дна, выполненное в виде якоря-балласта и закрепленное посредством размыкателей в нижней части НГА, и средства для поиска всплывшего НГА, выполненные в виде проблескового маяка и/или активного радиолокационного отражателя.

Для надежного гидроакустического местоопределения НГА водная трасса судно-антенна гидроакустического маяка НГА должна быть незатененной как при размещении НГА на дне, так и при его всплытии. Однако использование в [1] гидроакустического маяка-ответчика, размещенного ниже (или сбоку) основного приборного контейнера, в ряде случаев, исключает гидроакустическое определение местоположения НГА на дне вследствие затенения гидроакустической антенны контейнером НГА. Кроме того, поиск всплывшего НГА может быть затруднен [5] вследствие отсутствия резервных устройств точного определения места всплытия подводного модуля.

Значительным недостатком станции [1] (как и [2, 5]) является невозможность полной и адекватной передачи колебаний грунта на датчики (установленные на опорной трубчатой раме) и, как следствие, искажение результатов измерений. Использование в [1] механизмов откидывания и прижимания к грунту сейсмодатчиков недостаточно эффективно вследствие их сложности, неконтролируемости и возможности залипания блока датчиков в рыхлом грунте дна.

Перечисленные недостатки снижают точность и надежность измерений, что, в конечном итоге, понижает качество и адекватность полученных геофизических данных.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании морской автономной донной сейсмической станции, позволяющей получить синергетический эффект при определении местоположения подводного модуля как на дне моря, так и при его всплытии за счет использования адекватного комплекса средств позиционирования, обеспечивающего разрешение противоречия, присущего станции [1], по точному местоопределению НГА в любом положении и надежное резервирование устройств местоположения, а также позволяющей наиболее полно учитывать каплинг-эффект и обеспечить высокий коэффициент передачи сейсмических колебаний на границах грунт - балласт(якорь) - сейсмограф за счет плотного, распределенного по плоскости контакта балласта с грузом, контакта по достаточно большой площади балласта с носителем датчиков и самими датчиками.

Основной технический результат предлагаемого технического решения - повышение чувствительности, точности и надежности измерений за счет исключения искажений сигналов при переходе через границу дно - подводный модуль, а также повышение надежности и точности определения местоположения носителя геофизической аппаратуры как на дне моря, так и при его всплытии.

Технический результат достигается следующим образом. АДСС “Ларге” содержит устанавливаемый на дне акватории глубоководный самовсплывающий носитель геофизической аппаратуры (НГА) и установленный на борту обеспечивающего судна бортовой вычислительный модуль (БВМ), причем НГА включает размещенные в герметичном сферическом контейнере блок регистрации, блок определения ориентации НГА, блок синхронизации, блок гидроакустического маяка, устройство управления размыкателями и блок питания, а также установленные снаружи герметичного контейнера гидрофон, антенну гидроакустического маяка, устройство постановки и снятия НГА с грунта дна, выполненное в виде якоря-балласта и закрепленное посредством размыкателей в нижней части НГА, и средства для поиска всплывшего НГА, выполненные в виде проблескового маяка и/или активного радиолокационного отражателя.

Отличительными особенностями АДСС “Ларге” является то, что внутри герметичного контейнера НГА дополнительно размещен блок определения местоположения НГА при всплытии по сигналам спутниковой радионавигационной системы (СРНС), а снаружи контейнера установлена антенна СРНС. Причем в рабочем положении АДСС на дне акватории антенна гидроакустического маяка и гидрофон размещены на верхней полусфере контейнера, антенна СРНС и средства для поиска всплывшего НГА размещены на нижней его полусфере, а блоки НГА размещены в контейнере так, что центр тяжести контейнера смещен в сторону антенны гидроакустического маяка для обеспечения переворота контейнера на 180° относительно вертикальной оси при его отрыве от якоря-балласта и всплытии на поверхность акватории.

АДСС “Ларге” также отличается тем, что блок регистрации включает трехкомпонентный (х, у, z) сейсмоприемный модуль (ТСМ) и накопитель измерительной информации (НИ), к первому входу НИ через последовательно соединенные усилитель, фильтр и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) подключен выход ТСМ, ко второму входу НИ через герморазъем и АЦП подключен выход гидрофона, к третьему входу НИ через АЦП подключены выходы блока определения ориентации НГА, к четвертому входу НИ подключен выход блока синхронизации, антенна гидроакустического маяка через герморазъем подключена к входам блока гидроакустического маяка и устройства управления размыкателями, антенна СРНС через герморазъем подключена к входу блока определения местоположения НГА при всплытии по сигналам СРНС.

Кроме того, АДСС отличается тем, что БВМ содержит блок съема цифровой информации с НИ НГА, блок управления, а также связанные с блоком управления входами-выходами блок радиолокационного обнаружения всплывшего НГА, блок гидроакустической связи с НГА, блок определения местоположения по сигналам СРНС, устройство синхронизации времени (УСВ), радиохронометр и выполненное в виде графопостроителя устройство отображения, УСВ связано входами-выходами с блоком определения местоположения по СРНС и радиохронометром, причем блок съема цифровой информации и блок управления выполнены как специализированные программно-вычислительные блоки персонального компьютера и/или малогабаритного компьютера “Note book”.

При этом АДСС отличается тем, что блок определения ориентации НГА выполнен в виде датчиков наклона и азимута, например вертикального и горизонтального инклинометров или магнитного компаса. Блок синхронизации НГА выполнен в виде таймера, синхронизированного с радиохронометром и сигналами СРНС перед установкой НГА на дно. В качестве СРНС использованы СРНС “Навстар” и/или “ГЛОНАСС” в дифференциальном режиме.

В частных случаях размыкатель может быть выполнен в виде гидроакустического или электрохимического размыкателя.

Отличием АДСС является также то, что трехкомпонентный модуль ТСМ включает три геофона или три акселерометра для измерения компонент волнового поля по трем взаимно перпендикулярным осям х, у, z.

В АДСС “Ларге” НИ выполнен в виде процессора с регистрацией информации на съемные флэш-карты емкостью до 2,0 Гбайт.

При этом особенностью АДСС “Ларге” является то, что при обработке информации в БВМ выход НИ подключен к информационному входу персонального компьютера или модуля “Note book”, а входы синхронизации НИ подключены к выходам УСВ и радиохронометра.

АДСС отличается, кроме того, тем, что якорь-балласт выполнен в виде бетонного диска или прямоугольного параллелепипеда с плоским основанием и с полусферическим углублением в верхней части для размещения контейнера НГА с закреплением его посредством размыкателей.

При этом в конкретных случаях якорь-балласт выполнен из пористого бетона с возможностью изменения его удельного веса.

Причем герметичный контейнер НГА выполнен из материала, выдерживающего большое гидростатическое давление и механические воздействия при постановке НГА на дно, например из титана, стекла или высокопрочной пластмассы, и состоит из двух окрашенных люминесцентной краской полусфер, между которыми проложено уплотнительное резиновое кольцо.

Фиг.1 иллюстрирует общую схему размещения АДСС при геофизических исследованиях в море; на фиг.2 приведена обобщенная конструктивная схема носителя геофизической аппаратуры НГА АДСС; на фиг.3 - структурная схема аппаратуры НГА; на фиг.4 - структурная схема БВМ.

АДСС (фиг.1) содержит НГА 1 и БВМ 2. НГА 1 (фиг.2, 3) включает контейнер 3, блок 4 регистрации, блок 5 определения ориентации НГА, блок 6 синхронизации, блок 7 гидроакустического маяка, устройство 8 управления размыкателями, блок 9 определения местоположения НГА при всплытии по сигналам СРНС, блок 10 питания, гидрофон 11, антенну 12 гидроакустического маяка, антенну 13 СРНС, якорь-балласт 14, размыкатели 15, средства 16 для поиска всплывшего НГА (проблесковый маяк и/или радиолокационный отражатель), трехкомпонентный сейсмический модуль ТСМ 17, накопитель 18 измерительной информации НИ, усилитель 19, фильтр 20, АЦП 21 ТСМ, герморазъем 22 гидрофона, АЦП 23 гидрофона, АЦП 24 блока определения ориентации НГА, герморазъем 25 антенны гидроакустического маяка и герморазъем 26 антенны СРНС.

БВМ 2 (фиг.4) включает блок 27 съема цифровой информации с НИ, блок 28 управления БВМ, блок 29 радиолокационного обнаружения всплывшего НГА, блок 30 гидроакустической связи БВМ с НГА, блок 31 определения местоположения по СРНС, устройство 32 синхронизации времени УСВ, радиохронометр 33, устройство 34 отображения информации (графопостроитель), причем блоки 27 и 28 включены в персональный компьютер (или модуль “Note book”) 35.

Работа АДСС “Ларге” заключается в следующем.

С обеспечивающего НИС НГА 1 опускается на дно моря. Герметичный контейнер 3 НГА 1 выполнен из материала, выдерживающего большое гидростатическое давление и механическое воздействие при постановке НГА 1 на дно, например из титана, стекла или высокопрочной пластмассы, и состоит из двух окрашенных люминесцентной краской полусфер, между которыми проложено уплотнительное резиновое кольцо, что позволяет устанавливать НГА 1 в глубоководных (до 6000 м) районах акваторий. Свободное погружение НГА 1 осуществляется под действием якоря-балласта 14, который при опускании на дно обеспечивает плотное прилегание (контакт) плоского основания якоря-балласта 14 к морскому дну. Поскольку контакт контейнера 3 НГА с якорем-балластом 14 находится на достаточно большой площади (полусфере сферического контейнера), то это обеспечивает высокий коэффициент передачи сейсмических колебаний на границах грунт - балласт (якорь) - блок 4 регистрации. Прием сейсмической информации (компонент волнового поля) осуществляется тремя геофонами (или тремя акселераторами) по трем ортогональным направлениям х, у, z TCM 17, сигналы с выхода которого через усилитель 19, фильтр 20 и АЦП 21 поступают на первый вход накопителя 18 информации НИ, который выполнен в виде процессора с регистрацией информации на съемные флэш-карты емкостью до 2,0 Гбайт. При этом TCM 17, усилитель 19, фильтр 20 и АЦП 21 в целях модульного построения блока регистрации размещены в одном модуле. На второй вход НИ 18 через герморазъем 22 и АЦП 23 поступает информация от гидрофона 11. На третий вход НИ 18 через АЦП 24 поступают сигналы с выхода блока определения ориентации НГА, представляющего в частном случае выполнения датчики наклона и азимута контейнера 3, например вертикальный и горизонтальный инклинометры. Синхронность записи данных в НИ 18 обеспечивается блоком 6 синхронизации, который может быть выполнен в виде таймера, синхронизированного с радиохронометром 33 БВМ 2 и/или по сигналам СРНС перед установкой НГА 1 на дно.

После проведения запланированных донных сейсмических исследований посредством размыкателей 15 контейнер 3 НГА 1 отделяется от якоря-балласта 14 по сигналу с устройства 8 управления размыкателями, которое выполнено с возможностью срабатывания по сигналу таймера или по гидроакустическому сигналу. Размыкатели 15 могут быть выполнены в виде гидроакустических или электрохимических размыкателей, причем гидроакустический размыкатель срабатывает по сигналу, принятому гидроакустической антенной 12 и поступившему через герморазъем 25 на блок 7 гидроакустического приемопередатчика, выполненного в виде маяка-пингера.

Поскольку центр тяжести контейнера 3 смещен в сторону антенны 12 гидроакустического маяка путем соответствующего размещения блоков 4-10 (например, путем смещения массивного блока 10 питания в сторону антенны 12), то после отделения контейнера 3 от якоря-балласта 14 контейнер 3 переворачивается на 180° относительно вертикальной оси и всплывает на поверхность акватории с размещенной в воде антенной 12, что обеспечивает гидроакустическую связь с блоком 30 БВМ 2. Таким образом, как на дне, так и при всплытии (вследствие переворота контейнера 3) НГА антенна 12 гидроакустического маяка остается незатененной на водной трассе судно-антенна 12.

После всплытия контейнера 3 на поверхность его поиск и обнаружение производится с использованием средств 16 (проблескового маяка и/или радиолокационного отражателя), а также при помощи гидроакустического маяка 7. Местоположение всплывшего контейнера 3 НГА с высокой точностью определяется при использовании дифференциального режима СРНС “Навстар” и/или “ГЛОНАСС” посредством антенны 13 СРНС, сигналы с которой через герморазъем 26 поступают на вход блока 9 определения местоположения. Для поиска всплывшего НГА 1 служат: блок 30 гидроакустической связи БВМ 2 с гидроакустическим маяком 7 НГА 1, блок 31 БВМ 2 определения местоположения по СРНС “Навстар” и/или “ГЛОНАСС” в дифференциальном режиме. Тем самым реализуется комплекс средств позиционирования, обеспечивающий надежное резервирование устройств местоопределения.

В БВМ осуществляется обработка сейсмических данных, в результате которой отображаются и документируются разрезы осадочной толщи земной коры и определяются скоростные характеристики основных слоев. Блоком 27 производится съем цифровой информации с флэш-карт НИ 18 с синхронизацией данных посредством УСВ 32 и радиохронометра 33, установка которого производится по часам СРНС “Навстар” и/или “ГЛОНАСС” с помощью блока 31. Результаты исследований в виде разрезов и карт визуализируются и оформляются на устройстве 34 отображения информации (графопостроителе). Работой всех блоков БВМ 2 управляет блок 28 управления БВМ 2, причем блок 28 управления и блок 27 съема цифровой информации выполнены как специализированные програмно-вычислительные блоки персонального компьютера (или малогабаритного компьютерного модуля “Note book”) 35.

Таким образом, совокупность известных из [1 - 3] и новых признаков АДСС “Ларге” позволяет реализовать высокий (близкий к единице) коэффициент передачи сейсмических колебаний грунта на датчики путем оптимального контакта грунта с НГА и тем самым повысить чувствительность, точность и надежность измерений за счет исключения возможных искажений при переходе через границу дно - НГА. Кроме того, достоинством АДСС “Ларге” является возможность параллельного использования нескольких средств поиска всплывшего НГА с определением его точного местоположения, что обеспечивает надежность и безотказность работы АДСС.

Примечание. Специальное название АДСС “Ларге” является аббревиатурой названия фирмы “ЛАборатория Региональной ГЕодинамики” (LARGE Ltd.), директором которой является профессор Л.А. Савостин.

Источники информации

1. Соловьев С.Л., Контарь Е.А., Дозоров Т.А., Ковачев С.А. Глубоководная донная самовсплывающая сейсмическая станция АДС-8. - Изв. АН СССР. Физика земли, 1988, № 9, с.75-85, фиг.2 (прототип).

2. Ocean Bottom Seismometer (OBS) Systems. Company Profile. / Проспект фирм Kieler Umwelt und Meerestechnik GmbH (K.U.M.), Signal-Elektronik und Netz-Dienste GmbH (SEND), April 2002, p. 11 (аналог).

3. Св-во на ПМ № 24890, МПК G 10 К 11/00, G 01 Н 17/00, опубл. 27.08.2002: БИПМ № 24, с.459-460 (аналог).

4. А.с. СССР №1557539, МПК G 01 V 1/38, опубл. в БИ №14, 1990, с.215 (аналог)

5. Островский А.А. Донные сейсмоэксперименты. - М.: Наука, 1998. - 255 с. (аналог: с.34-39, 85-86).

Использование: конструктивное выполнение средств сейсмических исследований на акваториях для региональных сейсмических исследований методом глубинного сейсмического зондирования. Сущность: станция содержит средства позиционирования подводного модуля как на дне, так и при его всплытии, обеспечивающие надежное резервирование средств местоопределения. Антенна гидроакустического маяка размещена на верхней полусфере контейнера станции. Антенна спутниковой радионавигационной системы и средства для поиска размещены на нижней полусфере контейнера. Блоки в контейнере размещены так, что центр тяжести контейнера смещен в сторону антенны гидроакустического маяка. Технический результат: повышение чувствительности, точности и надежности сейсмических измерений и повышение точности и надежности определения местоположения подводного модуля как на дне моря, так и при его всплытии. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Автономная донная сейсмическая станция (АДСС), содержащая устанавливаемый на дне акватории глубоководный самовсплывающий носитель геофизической аппаратуры (НГА) и установленный на борту обеспечивающего судна бортовой вычислительный модуль (БВМ), причем НГА включает размещенные в герметичном сферическом контейнере блок регистрации, блок определения ориентации НГА, блок синхронизации, блок гидроакустического маяка, устройство управления размыкателями и блок питания, а также установленные снаружи герметичного контейнера гидрофон, антенну гидроакустического маяка, устройство постановки и снятия НГА с грунта дна, выполненное в виде якоря-балласта и закрепленное посредством размыкателей в нижней части НГА, и средства для поиска всплывшего НГА, выполненные в виде проблескового маяка и/или активного радиолокационного отражателя, отличающаяся тем, что внутри герметичного контейнера НГА дополнительно размещен блок определения местоположения НГА при всплытии по сигналам спутниковой радионавигационной системы (СРНС), а снаружи контейнера установлена антенна СРНС, причем в рабочем положении АДСС на дне акватории антенна гидроакустического маяка и гидрофон размещены на верхней полусфере контейнера, антенна СРНС и средства для поиска всплывшего НГА размещены на нижней его полусфере, а блоки НГА размещены в контейнере так, что центр тяжести контейнера смещен в сторону антенны гидроакустического маяка для обеспечения переворота контейнера на 180° относительно вертикальной оси при его отрыве от якоря-балласта и всплытии на поверхность акватории.2. АДСС по п.1, отличающаяся тем, что блок регистрации включает трехкомпонентный (х, у, z) сейсмоприемный модуль (ТСМ) и накопитель измерительной информации (НИ), к первому входу НИ через последовательно соединенные усилитель, фильтр и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) подключен выход ТСМ, ко второму входу НИ через герморазъем и АЦП подключен выход гидрофона, к третьему входу НИ через АЦП подключены выходы блока определения ориентации НГА, к четвертому входу НИ подключен выход блока синхронизации, антенна гидроакустического маяка через герморазъем подключена к входам блока гидроакустического маяка и устройства управления размыкателями, антенна СРНС через герморазъем подключена к входу блока определения местоположения НГА при всплытии по сигналам СРНС.3. АДСС по п.1, отличающаяся тем, что БВМ содержит блок съема цифровой информации с НИ НГА, блок управления, а также связанные с блоком управления входами-выходами блок радиолокационного обнаружения всплывшего НГА, блок гидроакустической связи с НГА, блок определения местоположения по сигналам СРНС, устройство синхронизации времени (УСВ), радиохронометр и выполненное в виде графопостроителя устройство отображения, УСВ связано входами-выходами с блоком определения местоположения по СРНС и радиохронометром, причем блок съема цифровой информации и блок управления выполнены как специализированные программно-вычислительные блоки персонального компьютера и/или малогабаритного компьютера "Note book".4. АДСС по п.1, отличающаяся тем, что блок определения ориентации НГА выполнен в виде датчиков наклона и азимута, например, вертикального и горизонтального инклинометров или магнитного компаса.5. АДСС по п.1, отличающаяся тем, что блок синхронизации НГА выполнен в виде таймера, синхронизированного с радиохронометром и сигналами СРНС перед установкой НГА на дно.6. АДСС по п.1, отличающаяся тем, что в качестве СРНС использованы СРНС "НАВСТАР" и/или "ГЛОНАСС" в дифференциальном режиме.7. АДСС по п.1, отличающаяся тем, что размыкатель выполнен в виде гидроакустического или электрохимического размыкателя.8. АДСС по п.1, отличающаяся тем, что трехкомпонентный модуль ТСМ включает три геофона или три акселерометра для измерения компонент волнового поля по трем взаимно перпендикулярным осям х, у, z.9. АДСС по п.1, отличающаяся тем, что НИ выполнен в виде процессора с регистрацией информации на съемные флэш-карты емкостью до 2,0 Гбайт.10. АДСС по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что при обработке информации в БВМ выход НИ подключен к информационному входу персонального компьютера или модуля "Note book", а входы синхронизации НИ подключены к выходам УСВ и радиохронометра.11. АДСС по п.1, отличающаяся тем, что якорь-балласт выполнен в виде бетонного диска или прямоугольного параллелепипеда с плоским основанием и с полусферическим углублением для размещения контейнера НГА с закреплением его посредством размыкателей.12. АДСС по п.11, отличающаяся тем, что якорь-балласт выполнен из пористого бетона с возможностью изменения его удельного веса.13. АДСС по п.1, отличающаяся тем, что герметичный контейнер НГА выполнен из материала, выдерживающего большое гидростатическое давление и механические воздействия при постановке НГА на дно, например из титана, стекла или высокопрочной пластмассы, и состоит из двух окрашенных люминесцентной краской полусфер, между которыми проложено уплотнительное резиновое кольцо.