ГИДРОХИМИЧЕСКАЯ ДОННАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ Российский патент 2012 года по МПК G01V11/00 

Изобретение относится к области океанологии, а более конкретно к устройствам измерения геофизических и гидрохимических параметров в придонной зоне морей и океанов, и может быть использовано при оперативной оценке сейсмического и гидродинамического состояния районов и прогноза возможных сейсмических и экологических последствий природного и техногенного характера, а также при поиске подводных залежей углеводородов.

Известные автономные донные [1-3] представляют собой цилиндрические или шарообразные корпуса, снабженные балластом для установки их на грунт, внутри и на корпусе которых установлены измерительные датчики и средства обработки первичной информации. В качестве измерительных датчиков используются, как правило, гидрофоны и геофоны. Зарегистрированная датчиками информация хранится на флеш-картах, которые после подъема донных станций обрабатываются на диспетчерских пунктах, или считывается по каналам гидроакустической связи. Известные донные станции предназначены в основном для регистрации сейсмических сигналов на акватории моря. Так, устройство [3] представляет собой морскую автономную донную сейсмическую станцию, устанавливаемую на морское дно преимущественно с плавучих средств. Станция включает герметичный корпус, состоящий из двух полусфер, снабженных в месте сочленения уплотнительным кольцом. Внутри корпуса размещена геофизическая аппаратура, включающая измерительные датчики геофонного и гидрофонного типов, модули приема, регистрации, преобразования и хранения зарегистрированных сигналов, блоки сопряжения с бортовым модулем при всплытии, спутниковый и гидроакустический каналы связи, блок ориентации, блок синхронизации, блок управления размыкателем и блок питания. На внешней поверхности корпуса установлены гидроакустическая и спутниковая антенны, средства для поиска донной станции при всплытии, такелажные элементы и разъемы, устройство постановки на дно и обеспечения всплытия донной станции, выполненное в виде якоря-балласта.

Недостатком известных автономных донных станций является то, что они предназначены только для измерения сигналов сейсмического происхождения для выявления и прогноза подводных землетрясений.

В то же время автономные донные станции могут применяться и при решении таких задач, как изучение строения земной коры в акваториях Мирового океана, исследование совокупности проявления геофизических полей в зонах тектонических разломов непосредственно на дне океана, исследование состояния морской среды в придонной зоне и ее взаимодействия с тектоническими процессами, геофизический мониторинг сложных гидротехнических сооружений, поиск и обнаружение подводных залежей углеводородов.

Известны также подводные обсерватории [4-8], включающие донный сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, блок оптических измерений, средства первичной обработки и хранения информации, средства связи с диспетчерской станцией, установленные на платформе. Указанная измерительная аппаратура позволяет регистрировать более полный спектр геофизических сигналов и, как следствие этого, расширить функциональные возможности донных станций.

Недостатком известных подводных обсерваторий является то, что состав измерительных средств не позволяет решить задачу, связанную с исследованием состояния морской среды в придонной зоне при взаимодействии с тектоническими процессами, а также задачу геофизического мониторинга сложных гидротехнических сооружений.

Выявленных недостатков лишена подводная обсерватория [9], состоящая из герметичного корпуса, установленного на раме, и содержащая средства регистрации геофизических сигналов, включающие донный сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, блок оптических измерений, средства хранения информации, средства связи с диспетчерской станцией, датчик пространственной ориентации, радиобуй, балласт, размыкатель балласта, в которую также введены блок гидрохимических измерений, спектроанализатор, сейсмоакустический блок, блок гидроакустического телеуправления, блок контроля радиоактивного загрязнения, блок регистрации и управления, модем кабельной линии связи, при этом блок гидрохимических измерений своими входами соединен с выходами блока контроля радиоактивного загрязнения, спектроанализатора, а своим выходом - с входом блока регистрации и управления, который другими входами соединен с выходами донного сейсмометра, гидрофизического модуля, датчика магнитного поля, блока оптических измерений, модемом кабельной линии связи, а входом-выходом - с входом-выходом блока гидроакустического телеуправления.

Известная подводная обсерватория [9] позволяет решать технические задачи, заключающиеся как в оперативной оценке сейсмического состояния исследуемых районов, так и в оперативной оценке гидродинамического состояния на границе вода - грунт, обусловленного влиянием окружающей среды под воздействием процессов природного и техногенного характера. Однако состав измерительных средств данного устройства не позволяет в достаточной мере выполнить полный и достоверный анализ сейсмических колебаний для решения задачи поиска и обнаружения подводных залежей углеводородов, анализ на содержание метана в водной среде в зонах размещения нефтегазовых трубопроводов при наличии утечек, а также не позволяет провести полноценный экологический мониторинг окружающей среды на морских нефтегазоносных акваториях.

Кроме того, при использовании сейсмических датчиков электромеханического типа возможны нарушения в их работе при наличии ударов при постановке донных станций на грунт.

Из известных конструкций донных станций наиболее близкими по своей сути к заявляемому техническому решению являются гидрохимические донные станции [10, 11]. Гидрохимическая донная станция [10] состоит из следующих элементов: акустооптического спектрометра видимого диапазона волн 350-850 нм, датчика температуры морской воды, датчика скорости звука в воде, датчика скорости течения, датчика давления, датчика концентрации ионов водорода рН, управляющего микрокомпьютера, блока питания (12 В) и преобразователя питания (12 В/220 В). Блок питания и преобразователь питания находятся в отдельном притопленном буе. Управление станцией и передача данных на берег производятся с помощью канала полудуплексной радиосвязи (400 МГц, 2000 Бод). Все элементы станции находятся в прочном цилиндрическом корпусе со сферическими крышками. Датчики и тубус спектрометра укреплены снаружи. Прочный корпус поднят над дном на высоту 3 м на опоре, выполненной в виде треноги. Притопленный буй установлен на глубине 15 м с помощью груза и троса. Радиотрансляционный буй находится на поверхности воды и соединен с притопленным буем и донной частью станции через кабель. Питание станции и связь с берегом может осуществляться по донному кабелю. По своим техническим и эксплуатационным возможностям данная станция может применяться в системах экологического мониторинга окружающей среды. Однако практическое использование известной донной станции наталкивается на серьезные принципиальные и технические трудности. Так как донные станции должны работать в автоматическом режиме, необходимо обеспечить их высокую надежность в течение длительного срока эксплуатации. Они должны иметь прочные корпуса для защиты аппаратуры от давления на глубине до 5-6 км, от ударов о борт судна и о твердое дно при постановке. Имеется также ряд специфических проблем: влияние придонных течений на аппаратурные шумы, особенности сцепления корпуса сейсмических приемников с мягким дном, микросейсмические шумы, генерируемые поверхностными гравитационными волнами, особенности распространения сейсмических сигналов в коре океанического типа.

Принципиальный вопрос представляет передача сейсмологической информации с донной станции на берег. Использование для этих целей гидроакустической связи не эффективно из-за ее малой пропускной способности и большой потребляемой мощности. Для использования радио- или спутниковой связи требуется поверхностный трансляционный буй, который должен быть устойчивым к штормам, дрейфующим льдам и возможным столкновением с судами.

Другая принципиальная трудность состоит в отсутствии серийно выпускаемых широкополосных сейсмических приемников, пригодных для использования в донных сейсмических станциях. Дело в том, что морские сейсмометры для создания единой сейсмологической сети суша - море и возможности сопоставления полученных результатов по своим основным метрологическим характеристикам не должны существенно уступать наземным.

Известная гидрохимическая донная обсерватория [11] представляет собой комплекс океанологических измерительных приборов, объединенных в модульную конструкцию, предназначенную для изучения геофизических и гидрохимических процессов в придонном слое Мирового океана. В первую очередь для предупреждения природных и антропогенных экологических катастроф.

Данная гидрохимическая донная обсерватория содержит трехкомпонентный цифровой сейсмограф с частотами регистрации 0,03-40 Гц, акустооптический спектрометр видимого диапазона волн (415-800 нм), измеритель скорости и направления течений, измеритель температуры воды, измеритель давления, измеритель электропроводности воды, магнитометр постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр, гидроакустический модуль для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне. Комплекс также оснащен устройством сбора и обработки информации с расширенными функциональными возможностями по измеряемым параметрам, объему записываемой информации, приему и передачи больших массивов информации в информационный центр. Комплекс обеспечивает непрерывную регистрацию и передачу геофизической информации по кабельной линии связи в течение не менее одного года, а в автономном режиме может работать не менее двух месяцев.

Конструктивно комплекс состоит из общей рамы с откидной консолью. К раме крепятся модули измерительных приборов и устройство сбора и передачи информации. На консоли закреплен блок сейсмических приемников. Модули соединены с датчиками и устройством сбора информации с помощью кабелей. Магнитометрический датчик вынесен на несколько метров над обсерваторией для исключения ее влияния.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей и повышение достоверности определения характеристик геофизических и гидрохимических процессов.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройство, представляющее собой гидрохимическую донную обсерваторию, конструктивно состоящую из выносного контейнера сейсмоприемников, приборного контейнера, соединенных кабель-тросом, поверхностного радиобуя, соединенного с выносным контейнером, и содержащую измерительные датчики, включающие сейсмограф с частотами регистрации 0,03-40 Гц, акустооптический спектрометр видимого диапазона волн (415-800 нм), измеритель скорости и направления течений, измеритель температуры воды, измеритель давления, измеритель электропроводности воды, магнитометр постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр, датчик скорости звука в воде, датчик концентрации ионов водорода рН, гидроакустический модуль для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне, устройство сбора и обработки информации, включающее управляющий компьютер и блок регистрации и управления, размещенные на раме с откидной консолью, дополнительно введены датчик обнаружения метана, соединенный своими выходами с блоком регистрации и управления, блок логической обработки, блок гидрохимических измерений, который своим выходом соединен с входом устройства сбора и обработки информации, датчик пространственной ориентации и определения координат, выполненный в виде инерциально-измерительного блока, соединенный своими выходами с соответствующими входами блока регистрации и управления, гравитационный градиентометр, соединенный своими выходами с соответствующими входами блока регистрации и управления, при этом сейсмограф включает вертикальный и два горизонтальных сейсмических приемника электрохимического типа, а корпус поверхностного радиобуя выполнен из армированной пластмассы и металлического основания со стабилизаторами, образующими стабилизирующее устройство, причем поверхностный радиобуй состоит из трех частей: основной водоизмещающей, выполненной в виде цилиндра диаметром d_o и общей высотой Н_о; нижней конической части высотой Н_н и диаметром нижнего меньшего основания конуса d_н; верхней конической части высотой Н_в и диаметром верхнего большого основания корпуса d_в, а отношения d/H выбраны из условия: H_в=(1,3-1,4)d_o; Н_о=(0,5-0,6)d_o; H_н=(0,4-0,5)d_о; метацентрическая высота буя составляет не менее 5% его осадки.

Новые отличительные признаки, заключающиеся в том, что в устройство введены датчик обнаружения метана, соединенный своими выходами с блоком регистрации и управления, блок логической обработки, блок гидрохимических измерений, который своим выходом соединен с входом устройства сбора и обработки информации, датчик пространственной ориентации и определения координат, выполненный в виде инерциально-измерительного блока, соединенный своими выходами с соответствующими входами блока регистрации и управления, гравитационный градиентометр, соединенный своими выходами с соответствующими входами блока регистрации и управления, при этом сейсмограф включает вертикальный и два горизонтальных сейсмических приемника электрохимического типа, а корпус поверхностного радиобуя выполнен из армированной пластмассы и металлического основания со стабилизаторами, образующими стабилизирующее устройство, причем поверхностный радиобуй состоит из трех частей: основной водоизмещающей, выполненной в виде цилиндра диаметром d_o и общей высотой Н_о; нижней конической части высотой Н_н и диаметром нижнего меньшего основания конуса d_н; верхней конической части высотой Н_в и диаметром верхнего большого основания корпуса d_в, а отношения d/H выбраны из условия: H_в=(1,3-1,4)d_o; H_o=(0,5-0,6)d_o; H_н=(0,4-0,5)d_o; метацентрическая высота буя составляет не менее 5% его осадки, позволяют использовать данное устройство для сейсмических исследований, актуальных аналитических работ по определению фонового содержания нефти, нефтепродуктов и нефтяных углеводородов в морской среде, водно-экологических исследований по оценкам перераспределения и условий трансформации углеводородов на акваториях, прилегающих к подводным месторождениям углеводородов, и, кроме того, позволяют повысить информативность и достоверность измеряемых сигналов за счет исключения негативных воздействий.

Датчик обнаружения метана предназначен для измерения концентрации метана в водной толще. Датчик представляет собой полупроводниковый прибор, принцип работы которого заключается в том, что диффузия молекул углеводородов из воды через специальную силиконовую мембрану транслируется в камеру датчика. Адсорбция молекул углеводов на активном слое датчика приводит к электронному обмену с молекулами кислорода, меняя таким образом сопротивление активного слоя, которое преобразуется в выходное (измеряемое) напряжение.

Основные характеристики датчика:

- 10 µм силиконовая мембрана,

- рабочая глубина 0-3500 м,

- рабочая температура 2-20°С,

- время измерения от 1 до 3 сек,

- время стабилизации диффузии до 5 мин, в зависимости от турбулентности;

- входное напряжение 9-36 В,

- расход энергии 160 мА/ч;

- выходной сигнал 0-5 В (аналоговый) и RS - 485 (цифровой),

- метан 50 нмоль/л - 10 µмоль/л.

Аналогом датчика обнаружения метана является датчик типа METS («CAPSUM»). Датчик обнаружения метана соединен своими выходами с блоком регистрации и управления.

Блок логической обработки состоит из схемы сопряжения, фазового амплитудного фильтра, двух пороговых устройств, селектора шаговых импульсов, формирователя времени анализа и счетчика импульсов. Одно из пороговых устройств блока логической обработки подключено к выходу усилителя высокочастотного канала сейсмографа и к входу селектора шаговых импульсов, подключенного к D-входу счетчика импульсов, а другое пороговое устройство подключено к выходу усилителя низкочастотного канала сейсмографа, входу формирователя времени анализа и входу С-счетчика импульсов; выход формирователя времени анализа подключен к R-входу счетчика импульсов и к второму входу селектора шаговых импульсов, выход счетчика импульсов является первым выходом блока логической обработки.

Данное схемное решение позволяет в блоке логической обработки производить анализ сигналов, поступающих с высокочастотного и низкочастотного канала. При этом на выходе формируется сигнал, свидетельствующий о наличии или отсутствии антропогенного воздействия в зоне исследований.

Фазовый амплитудный фильтр, предназначенный для выделения микросейсмических волн при анализе излучаемых микросейсмических сигналов в процессе поиска подводных месторождений углеводородов, извлекает продольные микросейсмические волны и исключает поперечные микросейсмические волны.

Блок гидрохимических измерений своим выходом соединен с входом устройства сбора и обработки информации. Данный блок предназначен для классификации загрязнений морской воды по спектральным характеристикам и молекулярному составу. Аналогами блока гидрохимических измерений являются устройства [12-15].

Датчик пространственной ориентации и определения координат выполнен в виде инерциально-измерительного блока и соединен своими выходами с соответствующими входами блока регистрации и управления. Датчик состоит из шестиосных сверхполупроводниковых акселерометров, позволяющих реализовать функции стабилизации и курсоуказания. В комбинации с гравитационным градиентометром такой датчик представляет собой градиентометрическую инерциальную навигационную систему.

Градиентометр соединен своими выходами с соответствующими входами блока регистрации и управления. Градиентометр построен по осесимметричной схеме, принципиально исключающей влияние кросс-каплинг эффекта, и представляет собой трехтензорный градиентометр, в котором пять независимых тензоров позволяют получить предварительную информацию о геологической структуре до начала сейсмических исследований в полном объеме.

Сейсмограф включает вертикальный и два горизонтальных сейсмических приемника электрохимического типа. Основные преимущества электрохимических сейсмических приемников состоят в малой чувствительности к ударам, возможности работы как в вертикальном, так и в горизонтальном положении, малых габаритах и весе, экономичном питании. На частотах от 0,03 до 40 Гц регистрируют микросейсмические колебания, начиная с частот от 0,03 Гц, посредством широкополосных цифровых сейсмических приемников, размещенных на границе подножия континентального склона парами, при анализе каждого дискретного участка отбирают гармоники от двух сейсмических приемников, отраженных одновременно с практически равными амплитудами.

Поскольку микросейсмические волны представляют собой нестационарные процессы, то при обработке сигналов микросейсмических волн используют усредненные во времени корреляционные и спектральные характеристики нестационарных процессов. При этом при прохождении случайных нестационарных сигналов через линейные цепи широкополосных регистраторов сигналов усредненные во времени корреляционная и спектральная функции трансформируется этими цепями так же, как и соответствующие характеристики для стационарных процессов.

Зарегистрированные сигналы при регистрации разбиваются на частотные поддиапазоны, что дает существенный выигрыш в сокращении требуемого объема памяти накопителя информации и объема вычислений при определении корреляционных и спектральных функций случайных процессов.

При практической реализации заявляемого устройства весь частотный диапазон широкополосного сейсмического приемника был разбит на два поддиапазона (0,03-0,2 Гц и 0,1-40 Гц). Район «сшивки» поддиапазона 0,1-0,2 Гц был выбран в области устойчивого максимума микросейсмических волн, в котором практически не производится регистрация землетрясений. В низкочастотном поддиапазоне осуществлялась цифровая запись с частотой квантования 1 Гц в каждом из четырех каналов регистрации. В высокочастотном поддиапазоне осуществлялась аналоговая запись на магнитную ленту с последующим квантованием и вычислением корреляционных функций и спектров. Такое техническое решение позволяет примерно в 100 раз увеличить время работы сейсмического приемника на дне в режиме непрерывной регистрации микросейсмических волн.

Архитектурная форма поверхностного радиобуя определена исходя из требований функционального назначения, заключающегося в надежной передаче по спутниковому радиоканалу измеренной информации при наличии качки. С этой целью корпус радиобуя выполнен из армированной пластмассы и металлического основания со стабилизаторами, образующими стабилизирующее устройство, которое выполняет двойную роль. С одной стороны, оно является твердым балластом и служит для понижения центра масс, а с другой стороны, основание с четырьмя треугольными пластинами является демпфером и препятствует угловой качке. При этом дрейфующий буй состоит из трех частей: основной водоизмещающей, выполненной в виде цилиндра диаметром d_o и общей высотой Н_о; нижней конической части высотой Н_н и диаметром нижнего меньшего основания конуса d_н; верхней конической части высотой Н_в и диаметром верхнего большого основания корпуса d_в. При этом отношения d/H выбраны из условия: чем меньше это отношение, тем меньше присоединенная масса цилиндра, отнесенная к массе вытесненной этим объемом воды, а именно H_в=(1,3-1,4)d_o; H_o=(0,5-0,6)d_o; H_н=(0,4-0,5)d_o, что позволяет с минимальным искажением отслеживать волну по вертикали и иметь ограниченную угловую качку для надежной радиопередачи информации через связной спутник связи, а также обеспечивает запас плавучести порядка 30%, что, в свою очередь, определяет объем надводной части буя, а также положительную остойчивость. При этом метацентрическая высота буя составляет не менее 5% его осадки.

Акустооптический спектрометр видимого диапазона волн (415-800 нм) предназначен для измерения спектров комбинационного рассеяния оптического излучения в составе подводной обсерватории. По спектрам комбинационного рассеивания получают информацию о составе морской воды. Основные технические характеристики спектроанализатора: спектральный диапазон 0,52-0,78 мкм, полоса пропускания 0,54 нм на 0,783 мкм, точность позиционирования по спектру 0,2 нм, число спектральных каналов 4096.

Измеритель скорости и направления течений, измеритель температуры воды, измеритель давления, измеритель электропроводности воды, датчик скорости звука в воде объединены в гидрофизический модуль, который предназначен для выполнения измерений следующих параметров:

- температуры воды;

- гидростатического давления;

- электропроводимости;

- вектора скорости течения (трехосный акустический измеритель течений);

- солености;

- условной плотности;

- аномалий потенциальной плотности;

- скорости звука;

- глубины;

- динамической высоты;

- потенциальной температуры;

- частоты Вяйселя - Брента;

- градиента потенциальной температуры;

- градиента солености.

Гидрофизический модуль установлен на внешней стороне рамы.

Магнитометр постоянного магнитного поля предназначен для измерения абсолютного значения магнитной индукции поля земли в морских акваториях до глубин 6000 м.

Основные технические характеристики датчика: диапазон измеряемой величины магнитной индукции 20000…100000 нТ, погрешность отсчитывания ±10 нТ.

Гамма-спектрометр предназначен для определения in situ содержания гамма-излучающих радионуклидов (как техногенного, так и естественного происхождения) в морской воде.

Основные технические характеристики гамма-спектрометра: диапазон регистрируемых энергий 0,2-3,0 мэВ, энергетическое разрешение по линии цезия 137 13%, число уровней квантования спектра 256, максимальное число отсчетов в канале 65000, максимальная скорость регистрации не менее 1000 1/с.

Аналог датчика концентрации ионов водорода рН приведен в источнике [10].

Гидроакустический модуль предназначен для связи с обеспечивающим судном или береговым диспетчерским пунктом, а также для позиционирования гидрохимической донной обсерватории на дне.

Устройство сбора и обработки информации включает управляющий компьютер и блок регистрации и управления, размещенные на раме с откидной консолью.

Блок регистрации и управления предназначен для сбора информации от датчиков гидрохимической донной обсерватории, привязки ее к системе точного времени, сжатия и передачи по гидроакустической линии связи через соответствующий модем, а также для записи информации на жесткий магнитный диск в автономном режиме. Блок регистрации и управления содержит также модуль гидроакустического телеуправления, который предназначен для управления режимами работы и тестирования гидрохимической донной обсерватории.

Модуль гидроакустического телеуправления состоит из двух частей и включает аппаратуру, входящую в состав диспетчерской станции, которая осуществляет передачу команд управления на расстоянии до 8 километров, и предназначенную для управления режимами работы путем передачи гидроакустических команд управления, приема квитанций от гидрохимической донной обсерватории, подтверждающих выполнение команд, измерения дальности до гидрохимической донной обсерватории.

Подводная часть модуля гидроакустического телеуправления, размещенная на гидрохимической донной обсерватории, обеспечивает прием и декодирование гидроакустических команд управления режимами работ гидрохимической донной обсерватории и передачу квитанций, подтверждающих выполнение команд, а также подачу команд на передачу сообщений при превышении тех или иных измеряемых параметров при работе в автономном режиме. Дальность гидроакустического канала связи не более 8000 м. Число команд, передаваемое по гидроакустическому каналу - 256. Число команд, принимаемое на гидрохимической донной обсерватории, - 20. Число одновременно обслуживаемых гидрохимических донных обсерваторий - не более 10. Формат команды - двоичный девятиразрядный код. Способ модуляции, используемый при передаче команд, - многочастотная манипуляция. Диапазон частот сигналов переносчиков команд - 7-10 кГц. Вероятность возникновения необнаруженной ошибки при приеме команды (при уровне спектральной плотности шумового давления в зоне расположения подводной гидроакустической антенны не более 0,001 Па/Гц) - не более 10~⁷. Вид связи с блоком регистрации и управления - последовательный порт в стандарте EIA/TIA-232E со скоростью 115200 бит/с. Вид связи с ЭВМ диспетчерской станции - параллельный интерфейс ЕРР 1.7 в стандарте IEEE 1284.

Устройство сбора и обработки информации предназначено для работы в составе средств гидрохимической донной обсерватории и осуществляет сбор, оцифровку и накопление сигналов от датчиков. Подсистема представляет собой программно-аппаратный комплекс для Intel-совместимого семейства процессоров и снабжена средствами отладки и тестирования. Предусмотрены три режима регистрации сигналов: непрерывный, старт-стопный по заданной программе и старт-стопный с управлением по уровню сигнала. Управление параметрами устройства сбора и обработки информации производится по результатам экспресс-обработки сигналов на основе анализа уровня энергии и спектрального состава с помощью быстрых алгоритмов реального времени.

Диспетчерские станции выполнены в виде береговых сооружений или плавсредств (плавучие, стационарные и заякоренные платформы, суда).

Средства диспетчерской станции включают в себя:

- персональный компьютер, совместимый с IBM PC;

- приемник спутниковой навигационной системы GPS;

- блок автономного гидроакустического размыкателя;

- аппаратуру гидроакустического телеуправления.

Минимальная конфигурация персонального компьютера включает:

- процессор - Pentium 166 МГц;

- ОЗУ - 32 Мбайт;

- плату SVGA с памятью 1 Мбайт;

- дополнительную плату с двумя последовательными портами с FIFO памятью (UART 16550-совместимая).

Они используются для обработки информации, полученной с каждой гидрохимической донной обсерватории.

Программно-математическое обеспечение средств диспетчерской станции предназначено для проверки всех измерительных каналов гидрохимической донной обсерватории и блока регистрации и управления через последовательный порт RS-485, привязки к системе единого времени внутренних часов блока регистрации и управления посредством блока гидроакустического телеуправления и приемника GPS, установленного на диспетчерской станции, а также для осуществления привязки к географическим координатам посредством блока гидроакустического телеуправления и получения информации по результатам тестовых проверок после установки гидрохимической донной обсерватории на дно.

Алгоритм основного режима работы диспетчерской станции заключается в обеспечении связи между гидрохимической донной станцией и диспетчерской станцией, которая может осуществляться посредством гидроакустического канала связи или через оптоволоконный глубоководный кабель по методу доступа с временным разделением абонентов. Каждая гидрохимическая донная обсерватория имеет свой адрес. В этом случае сеть диспетчерских станций работает в симплексном режиме. К одной диспетчерской станции одновременно возможно подключение через глубоководный кабель до 16-ти гидрохимических донных обсерваторий, работающих в автономном необслуживаемом режиме.

Количество измерительных каналов и видов связи в каждой гидрохимической донной обсерватории зависит от решаемой задачи в конкретном месте постановки гидрохимической донной обсерватории. В принципе максимальное количество цифровых измерительных каналов может быть до 30, а аналоговых - до 6.

Управляющий компьютер диспетчерской станции и программно-математическое обеспечение реального времени предназначены для управления оборудованием гидрохимической донной обсерватории, диагностирования ее неисправностей, приема данных, получаемых с гидрохимической обсерватории, и размещения получаемых данных на устройствах накопления информации. Функционирование всего аппаратно-программного комплекса определяется файлом конфигурации, который создается специальной программой и задает наличие гидрохимических донных обсерваторий, тип используемых геофизических каналов, параметры каналов, а также наличие или отсутствие аппаратуры синхронизации времени (приемник GPS).

При запуске программы регистрации считывается конфигурация всей сети гидрохимической донной обсерватории, а также производится привязка времени по Гринвичу с точностью до нескольких десятков микросекунд и расчет поправок к частоте кварца компьютера для поддержания функционирования гидрохимической донной обсерватории в случае кратковременного отказа приемника GPS. Синхронизация времени осуществляется каждую секунду от приемника GPS.

Вслед за синхронизацией происходит опрос, программирование, синхронизация и запуск оборудования отдельных гидрохимических донных обсерваторий. Запрашивается состояние оборудования каждой гидрохимической донной обсерватории (ее исправность, наличие каналов, исправность каналов и т.д.). В случае возникших проблем на экран выдается соответствующее сообщение (оно также записывается в файл протокола функционирования). В блок регистрации и управления гидрохимической донной обсерватории передается программа работы для каждого измерительного канала, частота опроса и коэффициент усиления.

Перед запуском каждый блок управления и регистрации синхронизируется по времени компьютера диспетчерской станции (в дальнейшем синхронизация проводится каждые 10 сек). При синхронизации учитывается время прохождения сигнала от компьютера диспетчерской станции до синхронизируемого блока регистрации и управления. После этого блок регистрации и управления запускается и начинает сбор данных с измерительных каналов. Блок регистрации и управления в каждой гидрохимической донной обсерватории работает независимо и всю информацию сжимает и складывает в буферную память.

Управляющий компьютер диспетчерской станции циклически запрашивает у соответствующего блока регистрации и управления данные о зарегистрированных датчиками сигналах и, в случае их наличия, принимает и записывает их в свои буфера в оперативной памяти. После накопления достаточного количества данных для канала они переписываются в файл, соответствующий типу канала. Обычно эти файлы расположены на другом компьютере и доступны по локальной сети, хотя для кратковременных экспериментов система может быть сконфигурирована таким образом, что будет использоваться локальный диск. При кратковременных разрывах связи (до 10 мин) данные не теряются в силу наличия у каждого блока регистрации и управления достаточно большого собственного буфера. В процессе обмена данными оператором может быть проведена калибровка любого измерительного канала, входящего в состав сети диспетчерской станции. При возникновении нештатных ситуаций (разрыв связи с гидрохимической донной обсерваторией, его поломка, отказ отдельных каналов, либо восстановления вышеперечисленного), а также некоторых штатных ситуаций (возникновение события или запуск калибровки соответствующего измерительного канала) выдается сообщение на экран, включающее время по Гринвичу наступления ситуации, имена подводных обсерваторий и канала, а также само сообщение. Сообщения также записываются в буфер размером 100 строк и в файл протокола. Буфер может быть просмотрен оператором в любое время.

Измерительные датчики гидрохимической донной обсерватории после ее постановки на дно функционируют по прямому назначению. Зарегистрированные датчиками сигналы записываются на средства хранения информации и при сеансах связи передаются на диспетчерскую станцию, где выполняется полный анализ оценки сейсмического и гидродинамического состояния исследуемых районов, по результатам которого делается прогноз о возможных сейсмических и экологических последствий природного и техногенного характера, а также о наличии возможных подводных залежах углеводородов в исследуемой акватории.

На диспетчерской станции по полученным результатам измерений посредством измерительных датчиков гидрохимической донной станции выполняется комплексный мониторинг морских нефтегазоносных акваторий и акваторий, на которых расположены морские объекты хозяйственной деятельности. Анализ полученных результатов выполняют с использованием известных параметрических и гидродинамических моделей [16].

Реализация устройства технической сложности не представляет, так как устройство реализовано на серийно выпускаемых датчиках и элементах микроэлектроники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "промышленная применимость".

Источники информации

1. RU 2270464 C1, 20.02.2006.

2. RU 2276388 C1, 10.05.2006.

3. RU 2294000 C1, 20.02.2007.

4. EP 0519031 B1, 02.08.1995.

5. NO 911639 A, 26.10.1992.

6. EP 0516662, В1, 10.04.1996.

7. Смирнов Г.В., Еремееев В.Н., Агеев М.Д. и др. Океанология: средства и методы океанологических исследований. - М.: Наука, 2005.

8. AU 2002100749 A4, 14.11.2002.

9. RU 2346300 C1, 10.02.2009.

10. Л.И.Лобковский и др. Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. - М.: Наука, 2005, с.97-99.

11. Л.И.Лобковский и др. Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. - М.: Наука, 2005, с.99-100.

12. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию под ред. Дытнерского Ю.Н. - М.: Химия, 1983.

13. Химико-аналитические комплексы фирмы Agilent Technologies (US), http://www.chem.agilent.com.

14. Химико-аналитические комплексы фирмы SRI Instruments (US), http://www.perichrom.com.

15. Химико-аналитические комплексы ЗАО "Хроматэк" (RU), http://www.chromatec.ru.

16. Л.И.Лобковский и др. Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. - М.: Наука, 2005, с.122-210.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для измерения гидрохимических и гидрофизических параметров. Сущность: обсерватория включает выносной контейнер сейсмоприемников, приборный контейнер и поверхностный радиобуй. Выносной и приборный контейнеры соединены кабель-тросом. Радиобуй соединен с выносным контейнером. Донная обсерватория содержит следующие устройства: сейсмограф с частотами регистрации 0,03-40 Гц, акустооптический спектрометр видимого диапазона волн (415-800 нм), измеритель скорости и направления течений, измеритель температуры воды, измеритель давления, измеритель электропроводности воды, магнитометр постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр, датчик скорости звука в воде, датчик концентрации ионов водорода рН, гидроакустический модуль для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне, устройство сбора и обработки информации, включающее управляющий компьютер и блок регистрации и управления; датчик обнаружения метана, блок логической обработки, блок гидрохимических измерений, датчик пространственной ориентации и определения координат, гравитационный градиентометр. Технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, повышение достоверности результатов исследований. 3 з.п. ф-лы.

1. Гидрохимическая донная обсерватория, конструктивно состоящая из выносного контейнера сейсмоприемников, приборного контейнера, соединенных кабель-тросом, поверхностного радиобуя, соединенного с выносным контейнером, и содержащая измерительные датчики, включающие сейсмограф с частотами регистрации 0,03-40 Гц, акустооптический спектрометр видимого диапазона волн (415-800 нм), измеритель скорости и направления течений, измеритель температуры воды, измеритель давления, измеритель электропроводности воды, магнитометр постоянного магнитного поля, гамма-спектрометр, датчик скорости звука в воде, датчик концентрации ионов водорода рН, гидроакустический модуль для связи с обеспечивающим судном и позиционирования на дне, устройство сбора и обработки информации, включающее управляющий компьютер и блок регистрации и управления, размещенные на раме с откидной консолью, отличающаяся тем, что дополнительно введены датчик обнаружения метана, соединенный своими выходами с блоком регистрации и управления, блок логической обработки, блок гидрохимических измерений, который своим выходом соединен с входом устройства сбора и обработки информации, датчик пространственной ориентации и определения координат, выполненный в виде инерциально-измерительного блока, соединенный своими выходами с соответствующими входами блока регистрации и управления, гравитационный градиентометр, соединенный своими выходами с соответствующими входами блока регистрации и управления.

2. Гидрохимическая донная обсерватория по п.1, отличающаяся тем, что сейсмограф включает вертикальный и два горизонтальных сейсмических приемника электрохимического типа.

3. Гидрохимическая донная обсерватория по п.1, отличающаяся тем, что корпус поверхностного радиобуя выполнен из армированной пластмассы и металлического основания со стабилизаторами, образующими стабилизирующее устройство.

4. Гидрохимическая донная обсерватория по п.1 или 3, отличающаяся тем, что поверхностный радиобуй состоит из трех частей: основной водоизмещающей, выполненной в виде цилиндра диаметром d_o и общей высотой Н_о; нижней конической части высотой Н_н и диаметром нижнего меньшего основания конуса d_н; верхней конической части высотой Н_в и диаметром верхнего большого основания корпуса d_в, при этом отношения d/H выбраны из условия: H_в=(1,3-1,4)d_o; H_o=(0,5-0,6)d_o; H_н=(0,4-0,5)d_o, при этом метацентрическая высота буя составляет не менее 5% его осадки.