RU115929U1

RU115929U1 - HYDROACOUSTIC COMPLEX FOR REMOTE MONITORING OF HYDROPHYSICAL PARAMETERS IN SHALLOW WATER AQUATORIES

Info

Publication number: RU115929U1
Application number: RU2012100170/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Викторович Безответных; Евгений Анатольевич Войтенко; Юрий Николаевич Моргунов; Юрий Александрович Половинка; Александр Анатольевич Тагильцев
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2012-05-10

Abstract

Гидроакустический комплекс дистанционного мониторинга гидрофизических параметров в мелководных акваториях, включающий размещенные стационарно в акватории гидроакустический излучатель, соединенный электрическим кабелем с береговым постом, и приемный гидрофон, соединенный сигнальным кабелем с радиогидрофизическим буем (РГБ), снабженным донным якорем, при этом РГБ включает радиопередатчик, соединенный через блок АЦП с приемным гидрофоном, блок GPS - ГЛОНАСС позиционирования и аккумуляторный блок автономного питания, а аппаратура берегового поста состоит из приемника радиосигналов и последовательно соединенных с ним блока регистрации сигналов, блока цифровой корреляционной обработки сигналов и блока управления и отображения результатов, соединенного с блоком формирования фазоманипулированных импульсных сигналов, который через блок усиления и согласования соединен с гидроакустическим излучателем, а также включает автономный блок системы точного времени, соединенный с блоками формирования фазоманипулированных импульсных сигналов, регистрации сигналов и корреляционной обработки сигналов. A hydro-acoustic complex for remote monitoring of hydrophysical parameters in shallow water areas, including a hydro-acoustic emitter located stationary in the water area, connected by an electric cable to the shore station, and a receiving hydrophone connected by a signal cable to a radio hydrophysical buoy (RSL) equipped with a bottom anchor, while the RSL includes a radio transmitter through an ADC unit with a receiving hydrophone, a GPS unit - GLONASS positioning and an autonomous battery pack, and shore equipment The new post consists of a radio signal receiver and a signal recording unit connected in series with it, a digital correlation signal processing unit, and a control and display unit connected to a phase-manipulated pulse signal generating unit, which is connected to a sonar emitter through an amplification and matching unit, and also includes an autonomous block of the exact time system connected to the blocks of the formation of phase-manipulated pulse signals, registration of signals and correl signal processing.

Description

Полезная модель относится к гидроакустике, в частности, к измерениям параметров звуковых волн в акваториях и может быть использована для измерений и мониторинга вертикального распределения скорости звука, температуры и уровня поверхности в мелководных акваториях: заливах, проливах, в области океанического шельфа, во внутренних природных и искусственных водоемах.The utility model relates to hydroacoustics, in particular, to measurements of sound wave parameters in water areas and can be used to measure and monitor the vertical distribution of sound speed, temperature and surface level in shallow water areas: bays, straits, in the oceanic shelf, in the internal natural and artificial reservoirs.

Известна система для оперативного мониторинга за состоянием океана (п. РФ №2282217, МПК G01V 1/38). Система включает многоканальные устройства регистрации, которые устанавливают на носителях, размещенных на морском дне и в морской среде. Носители, размещенные в водной среде, соединены между собой каналом гидроакустической связи и установлены с образованием веерных зон по азимуту и ярусных зон по месту угла. Глубина дрейфа носителей, расположенных в морской среде (ныряющие носители), устанавливается как половина среднего расстояния по вертикали между донными носителями многоканальных устройств регистрации и дрейфующими на поверхности. Всплытие на поверхность донных и ныряющих носителей многоканальных устройств регистрации выполняют одновременно, регистрацию сигналов генерируемых водной средой и средой на границе вода-грунт выполняют синхронно с привязкой к единому времени и календарю. Однако, данная система реализует пассивную методику измерений акустических сигналов. Уровни мощности регистрируемых датчиками полезных сигналов, в этом случае, крайне малы и соответствуют уровням окружающих шумов, что приводит к принципиальным сложностям выделения информационной части сигнала на уровне шума (А_сигн/А_шум≅1) и как результат, снижению точности измеряемых параметров и невозможности постоянного контроля процессов в водной среде (например, при увеличении техногенного уровня шума или увеличения уровня шума в результате природных процессов до А_сигн<А_шум).A known system for operational monitoring of the state of the ocean (p. RF No. 2282217, IPC G01V 1/38). The system includes multi-channel recording devices that are installed on media located on the seabed and in the marine environment. Carriers located in the aquatic environment are interconnected by a sonar channel and installed with the formation of fan zones in azimuth and longline zones at the corner. The drift depth of carriers located in the marine environment (diving carriers) is set as half the average vertical distance between the bottom carriers of multichannel recording devices and drifting on the surface. Ascent to the surface of bottom and diving carriers of multi-channel recording devices is performed simultaneously, the registration of signals generated by the aquatic environment and the medium at the water-soil boundary is performed synchronously with reference to a single time and calendar. However, this system implements a passive method for measuring acoustic signals. The power levels detected by sensors useful signals, in this case, are extremely small and correspond to the levels of ambient noise, which leads to the principal difficulties allocation information part of the signal to noise level (A _Sig / A _noise ≅1) and as a result, reduction in the accuracy of the measured parameters and impossibility continuous monitoring of processes in the aquatic environment (for example, when the technogenic noise level increases or the noise level increases as a result of natural processes to A _signal <A _noise ).

В работе «Acoustic Oceanographic Buoy testing during the Maritime Rapid Environmental Assesment'2003 sea trial» (Proceedings of ECUA' 2004, p.271-279) описана схема эксперимента с целью быстрого дистанционного сбора гидрофизических данных в условиях мелкого моря с помощью технической системы акустических (томографических) измерений, включающей подводный акустический излучатель, буксируемый кораблем, свободно дрейфующий акустический океанографический радиобуй и аппаратно программный комплекс для акустических измерений и расчетов параметров среды, размещенный на корабле. Определение расстояний между излучателем и приемником производят с помощью системы GPS. Излучают сложный импульсный сигнал и регистрируют серию отраженных от границ и прошедших через исследуемую среду, импульсов. Расчет параметров среды проводят на основе метода решения обратной задачи акустической томографии океана, модифицированной для случая свободно дрейфующих приемных гидрофонов.Acoustic Oceanographic Buoy testing during the Maritime Rapid Environmental Assesment'2003 sea trial (Proceedings of ECUA '2004, p.271-279) describes an experimental design for the rapid remote collection of hydrophysical data in shallow seas using an acoustic technical system (tomographic) measurements, including an underwater acoustic emitter towed by a ship, a freely drifting acoustic oceanographic radio beacon and a hardware-software complex for acoustic measurements and calculation of environmental parameters located on the ship. The determination of the distances between the emitter and the receiver is made using the GPS system. A complex pulse signal is emitted and a series of pulses reflected from the boundaries and transmitted through the medium under study is recorded. Calculation of environmental parameters is carried out on the basis of a method for solving the inverse problem of ocean acoustic tomography, modified for the case of freely drifting receiving hydrophones.

Данная техническая система измерений имеет большие погрешности определения параметров среды за счет невысокой точности определения дистанции по GPS между акустическим излучателем и приемниками звука. Вследствие этого невозможно определить точные времена прихода сигналов и выполнить идентификацию групп собственных лучей для функции отклика акустического канала на каждом гидрофоне. Также данная система не позволяет проводить мониторинг параметров среды и процессов во времени вдоль конкретного направления или между конкретными точками в пространстве ввиду неуправляемого дрейфа приемного радиобуя. Постановка судна с излучателем и радиоокеанографического буя на якоря только частично решает задачу точного определения дистанции между источником и приемниками акустических сигналов, так как не позволяет разместить их стационарно в пространстве. Следует также отметить высокую стоимость проводимых измерений с использованием данной системы, что ограничивает круг ее применимости.This technical measurement system has large errors in determining the parameters of the medium due to the low accuracy of determining the distance by GPS between the acoustic emitter and sound receivers. As a result of this, it is impossible to determine the exact time of arrival of the signals and to identify the groups of natural rays for the response function of the acoustic channel at each hydrophone. Also, this system does not allow monitoring of environmental parameters and processes in time along a specific direction or between specific points in space due to uncontrolled drift of the receiving beacon. Setting a vessel with a transmitter and a radio-oceanographic buoy at anchors only partially solves the problem of accurately determining the distance between the source and receivers of acoustic signals, since it does not allow them to be stationary in space. It should also be noted the high cost of measurements using this system, which limits the range of its applicability.

В решении, приведенном в п. США №4805160, МПК G01V 1/00; G01V 1/22 и предназначенном для глубокого моря, предлагается устанавливать как минимум 4 автономных излучателя S1-S4 (R1, R2, R3, R4) вблизи оси подводного звукового канала (ПЗК) на глубине ~1300 м. Каждый излучатель закрепляют в пространстве с помощью троса и донного якоря. Четыре приемопередатчика R1-R4 также располагаются на оси ПЗК и закрепляют с помощью тросов и донных якорей на расстоянии 100-400 км от излучателей. В области между излучателями и приемопередатчиками на поверхности океана располагают плавающий буй-ретранслятор, соединенный сигнальным кабелем с акустическим приемником, расположенным на оси ПЗК и закрепленным с помощью троса и якоря на дне. Излучатели S1-S4 последовательно излучают импульсные сигналы, которые принимаются и передаются приемопередатчиками R1-R4. Переданные приемопередатчиками R1-R4 сигналы принимаются акустическим приемником буя-ретранслятора. Преобразованные в код с помощью аппаратуры преобразования на буе-ретрансляторе, эти сигналы в режиме реального времени передаются с помощью радиопередатчика с антенной, на спутник и с него на береговой пост.In the decision cited in No. US No. 4805160, IPC G01V 1/00; G01V 1/22 and intended for the deep sea, it is proposed to install at least 4 autonomous emitters S1-S4 (R1, R2, R3, R4) near the axis of the underwater sound channel (SAD) at a depth of ~ 1300 m. Each emitter is fixed in space with cable and bottom anchor. Four transceivers R1-R4 are also located on the axle of the slam-shut device and are fixed with cables and bottom anchors at a distance of 100-400 km from the emitters. In the area between the emitters and transceivers on the surface of the ocean there is a floating buoy repeater connected by a signal cable to an acoustic receiver located on the slam-axle axis and fixed with a cable and an anchor at the bottom. The emitters S1-S4 sequentially emit pulsed signals that are received and transmitted by transceivers R1-R4. The signals transmitted by the transceivers R1-R4 are received by the acoustic receiver of the transponder buoy. Converted to the code using the conversion equipment on the buoy repeater, these signals are transmitted in real time using a radio transmitter with an antenna to and from the satellite to the coastal post.

Данная техническая система предлагается для измерений и контроля параметров среды в крупномасштабных областях, включающих объекты в виде течений и вихрей открытого океана. Система не предполагает дистанционного и в реальном масштабе времени управления излучением (выбор мощности и параметров сигналов), что в силу высокой изменчивости уровней шумов и принимаемых сигналов, может приводить как к замираниям, так и перегрузкам по уровню при их приеме. Ввиду того, что излучатели и приемники расположены в среде, а их закрепление производится с помощью гибких тросов на дне, то расстояния между излучателями и приемниками меняется во времени и зависит от глубины размещения, течений и условий обтекания систем в точке установки. Неконтролируемое изменение дистанции и положения излучателей и приемников также приводит к ошибкам при расчете параметров среды в процессе томографического восстановления и, как следствие, общему снижению точности получаемых результатов. Поскольку система предназначена для продолжительного периода наблюдений глобальных процессов требуется длительное автономное энергообеспечение и высокая надежность используемых электронных и механических блоков, что при практической реализации приведет к высоким стоимостным затратам на создание и эксплуатацию данной технической системы.This technical system is proposed for measuring and monitoring environmental parameters in large-scale areas, including objects in the form of currents and eddies of the open ocean. The system does not involve remote and real-time control of radiation (selection of power and signal parameters), which, due to the high variability of noise levels and received signals, can lead to both fading and level overloads when receiving them. Due to the fact that the emitters and receivers are located in the medium, and their fastening is done using flexible cables at the bottom, the distance between the emitters and receivers varies over time and depends on the depth of placement, currents and flow conditions around the systems at the installation point. An uncontrolled change in the distance and position of the emitters and receivers also leads to errors in calculating the parameters of the medium in the process of tomographic reconstruction and, as a result, to a general decrease in the accuracy of the results obtained. Since the system is designed for a long period of observation of global processes, a long autonomous power supply and high reliability of the used electronic and mechanical units are required, which in practical implementation will lead to high cost costs for the creation and operation of this technical system.

Наиболее близкой к заявляемой является система из двух автономных акустических станций для дистанционных измерений профилей скорости звука и векторов течений в условиях мелководных акваторий с точной временной синхронизацией сигналами системы GPS. В состав каждой из станций входят: обратимый акустический преобразователь для излучения и приема сигналов, связанный кабелем с донным аппаратным цилиндрическим контейнером, в котором располагаются, усилитель мощности излучаемых сигналов, усилитель принимаемых сигналов и аккумуляторный блок питания электронной аппаратуры, плавающая на поверхности буй-веха с антенной GPS, связанная кабелем с донным контейнером и содержащая на нижнем конце другой контейнер с автономным одноплатным компьютером, систему спутникового позиционирования GPS, блок питания и кабель, связывающий компьютер и буй-веху. Для точного измерения времени распространения импульсных сигналов между стационарно установленными на дне ресиверами используют сигналы точного времени системы GPS. Запись принимаемых сигналов и первичная обработка проводится с помощью компьютера станции, а параметры среды определяют только после подъема станций и переноса полученных данных на стационарный береговой компьютер (Гончаров В.В., Иванов В.Н., Кочетов О.Ю., Курьянов Б.Ф., Серебряный А.Н. К локальной акустической томографии на морском шельфе. Доклады XXII сессия Российского акустического общества и Сессия Научного совета по акустике РАН, М., 2010, с.225-228).Closest to the claimed one is a system of two autonomous acoustic stations for remote measurement of sound velocity profiles and current vectors in shallow water areas with accurate time synchronization by GPS signals. The structure of each station includes: a reversible acoustic transducer for emitting and receiving signals, connected by a cable to the bottom hardware cylindrical container, in which are located, a power amplifier of the emitted signals, an amplifier of the received signals and a battery pack of electronic equipment floating on the surface of the buoy-pole with GPS antenna, connected by a cable to the bottom container and containing at the lower end another container with an autonomous single-board computer, GPS satellite positioning system, b power lock and cable connecting the computer and the buoy. For accurate measurement of the propagation time of pulsed signals between receivers fixed at the bottom, GPS accurate time signals are used. Recording of received signals and primary processing is carried out using the station's computer, and the environmental parameters are determined only after the stations are lifted and the received data is transferred to the stationary coastal computer (Goncharov V.V., Ivanov V.N., Kochetov O.Yu., Kuryanov B. F., Serebryany AN Toward local acoustic tomography on the sea shelf, Reports of the XXII Session of the Russian Acoustic Society and the Session of the Scientific Council on Acoustics of the Russian Academy of Sciences, M., 2010, pp. 225-228).

Однако данная система не позволяет получать информацию в реальном масштабе времени, не дает возможности управления параметрами излучения в реальном времени и оперативного реагирования на возникающие изменения в исследуемой среде, что особенно актуально при длительных наблюдениях. На решение данной задачи и направлен предлагаемый гидроакустический комплекс дистанционного мониторинга гидрофизических параметров.However, this system does not allow real-time information to be obtained, it does not make it possible to control radiation parameters in real time and to respond quickly to emerging changes in the medium under study, which is especially important for long-term observations. The proposed hydroacoustic complex for remote monitoring of hydrophysical parameters is aimed at solving this problem.

Технический результат - повышение оперативности измерений параметров среды и характеристик динамических процессов в мелководных акваториях и расширение технических возможностей измерений за счет управления режимами излучения в различных (включая экстремальные) условиях.The technical result is an increase in the efficiency of measurements of environmental parameters and characteristics of dynamic processes in shallow water areas and the expansion of the technical capabilities of measurements by controlling the radiation regimes in various (including extreme) conditions.

Поставленная задача решается гидроакустическим комплексом дистанционного мониторинга гидрофизических параметров в мелководных акваториях, включающим стационарно размещенные в акватории гидроакустический излучатель, соединенный электрическим кабелем с береговым постом, и приемный гидрофон, соединенный сигнальным кабелем с радиогидрофизическим буем (РГБ), снабженным донным якорем, при этом РГБ включает радиопередатчик, соединенный через блок АЦП с приемным гидрофоном, блок GPS - ГЛОНАСС позиционирования и аккумуляторный блок автономного питания РГБ, а аппаратура берегового поста состоит из приемника радиосигналов и последовательно соединенных с ним блока регистрации сигналов, блока цифровой корреляционной обработки сигналов и блока управления и отображения результатов, соединенного с блоком формирования фазоманипулированных импульсных сигналов, который через блок усиления и согласования соединен с гидроакустическим излучателем, а также включает автономный блок системы точного времени, соединенный с блоком формирования фазоманипулированных импульсных сигналов, блоками регистрации и корреляционной обработки сигналов.The problem is solved by a hydro-acoustic complex for remote monitoring of hydrophysical parameters in shallow water areas, including a hydro-acoustic emitter stationary in the water, connected by an electric cable to the coastal post, and a receiving hydrophone connected by a signal cable to a radio-hydrophysical buoy (RSL) equipped with a bottom anchor, while the RSL a radio transmitter connected through an ADC with a receiving hydrophone, a GPS unit - GLONASS positioning and an autonomous battery pack power supply of the RSL, and the equipment of the coastal post consists of a radio signal receiver and a signal recording unit connected in series with it, a digital signal correlation processing unit and a control and display unit connected to a phase-manipulated pulse signal generating unit, which is connected to the hydroacoustic unit through the amplification and matching unit emitter, and also includes an autonomous unit of the exact time system connected to the unit for generating phase-manipulated pulse signals s, registering units and correlation processing of signals.

За счет передачи в реальном времени в блок корреляционной обработки и регистрации берегового поста, принятых гидрофоном сигналов, которые излучаются гидроакустическим излучателем и распространяются в исследуемой среде, достигается получение информации в реальном масштабе времени, а за счет соединения гидроакустического излучателя с блоком усиления и согласования и блоком управления и отображения результатов берегового поста - возможность управления мощностью и параметрами излучения в реальном времени и оперативного реагирования на возникающие изменения в исследуемой среде. Наличие автономного блока точного времени, расположенного в составе аппаратуры берегового поста, позволяет синхронизировать процессы излучения, приема, регистрации импульсных сигналов и обеспечивает заданную точность измерения времени распространения импульсных акустических сигналов в среде.By real-time transmission to the unit of correlation processing and registration of the coastal post, signals received by the hydrophone that are emitted by the sonar emitter and propagated in the medium under study, real-time information is obtained, and by connecting the sonar emitter to the amplification and matching unit and the unit control and display of the results of the coastal post - the ability to control the power and parameters of radiation in real time and operational response n and emerging changes in the environment being studied. The presence of an autonomous accurate time unit located in the equipment of the coastal post allows synchronizing the processes of radiation, reception, registration of pulsed signals and provides the specified accuracy of measuring the propagation time of pulsed acoustic signals in the environment.

На фиг 1 схематично изображен заявляемый гидроакустический комплекс, где 1 - гидроакустический излучатель, 2 - гидрофон, 3 - радиогидроакустический буй, 4 - береговой пост, 5 - донный якорь.In Fig 1 schematically shows the inventive sonar system, where 1 is a sonar emitter, 2 is a hydrophone, 3 is a sonar buoy, 4 is a coastal post, 5 is a bottom anchor.

На фиг.2 приведена блок-схема работы заявляемого комплекса, включающая блок гидроакустического излучателя, блок аппаратуры берегового поста, блок радиогидрофизического буя и блок приемного гидрофона.Figure 2 shows a block diagram of the operation of the claimed complex, including a unit of a sonar emitter, a unit of equipment of a coastal post, a block of a radio hydrophysical buoy and a block of a receiving hydrophone.

Заявляемый комплекс работает следующим образом. Фазоманипулированный импульсный сигнал, сформированный в блоке формирования (4.3), синхронизированный с сигналами точного времени блока (4.2), поступает через блок усиления и согласования (4.4) по электрическому кабелю (1.1) на гидроакустический излучатель (1) и излучается в измеряемую среду. Прошедший в среде акустический сигнал регистрируется приемным гидрофоном (2). Сигнал с гидрофона по сигнальному кабелю (электрическому или оптическому) поступает на блок АЦП (3.3) радиогидрофизического буя (3). Далее цифровые сигналы с блока АЦП (3.3) и блока позиционирования GPS-ГЛОНАСС (3.2) с помощь радиопередатчика с антенной (3.1) передаются на радиоприемник с антенной (4.1), распложенный на береговом посту (4). Принятые приемником (4.1) сигналы, синхронизируются с помощью сигналов блока системы точного времени (4.2) и поступают в блок регистрации (4.5) и блок корреляционной обработки (4.6). В блоке корреляционной обработки (4.6) производится свертка принятых гидрофоном (2) сигналов с электронной маской сигнала, сформированного в блоке формирования (4.3). Результаты корреляционной обработки поступают в блок управления и отображения результатов (4.7), где производится в реальном масштабе времени расчет и отображение на экране дисплея функции отклика акустического канала, времен прихода отдельных импульсов, а также рассчитанные по временам прихода импульсов вертикальные профили скорости звука и температуры, а также вариации уровня в пространстве между излучателем и гидрофоном. Корректировка уровня мощности и параметров излучаемого сигнала производится в режиме реального времени с помощью блока управления (4.7) на основании оценки качества полученных результатов измерений оператором.The inventive complex operates as follows. The phase-manipulated pulse signal generated in the generating unit (4.3), synchronized with the exact time signals of the unit (4.2), enters through the amplification and matching unit (4.4) via an electric cable (1.1) to the sonar emitter (1) and is emitted into the measured medium. The acoustic signal transmitted in the medium is recorded by the receiving hydrophone (2). The signal from the hydrophone through the signal cable (electric or optical) is fed to the ADC unit (3.3) of the radio hydrophysical buoy (3). Next, digital signals from the ADC unit (3.3) and the GPS-GLONASS positioning unit (3.2) are transmitted using a radio transmitter with an antenna (3.1) to a radio receiver with an antenna (4.1) located at the coastal post (4). The signals received by the receiver (4.1) are synchronized using the signals of the block of the exact time system (4.2) and fed to the registration block (4.5) and the correlation processing block (4.6). In the correlation processing unit (4.6), the signals received by the hydrophone (2) are convolved with the electronic mask of the signal generated in the formation unit (4.3). The results of the correlation processing are sent to the control and display unit of results (4.7), where the real-time calculation and display on the display screen of the response function of the acoustic channel, the arrival times of individual pulses, as well as the vertical profiles of sound velocity and temperature calculated from the arrival times of the pulses, as well as variations in the level between the emitter and the hydrophone. The power level and parameters of the emitted signal are adjusted in real time using the control unit (4.7) based on an assessment of the quality of the obtained measurement results by the operator.

Отличительными признаками заявляемого комплекса являются наличие берегового поста, оборудование поста и РГБ приемопередающей радиосистемой, соединение гидроакустического излучателя с береговым постом, а также оборудование берегового поста автономным блоком точного времени.Distinctive features of the claimed complex are the presence of a coastal post, equipment of the post and the RSL with a transceiver radio system, the connection of a sonar emitter with a coastal post, and also the equipment of the coastal post with an autonomous accurate time unit.

За счет перечисленных конструктивных изменений комплекса решается поставленная задача и достигается заявленный технический результат, а именно, оперативность проведения измерений и отображение результатов в режиме реального времени, за счет передачи измеренных сигналов по радиоканалу на береговой пост и надежность и независимость получения информации в периоды техногенных угроз и в экстремальных природных условиях, связанных как с водной средой, так и со состоянием атмосферы. Возможность управления параметрами излучения в реальном времени в заявляемой полезной модели позволяет расширить технические возможности измерений для широкого диапазона соотношений сигнал/шум, как за счет изменений мощности излучаемых сигналов, так и за счет изменений параметров сигналов (частоты, длительности, параметров фазовой модуляции). Это необходимо, например, в условиях долгосрочных наблюдений, когда уровень окружающего шума при приеме сигналов может значительно увеличиваться за счет природных процессов (ветер, волнение, дождь, шумы биологического происхождения), техногенных шумов в акваториях (строительные, транспортные, производственные и др.). В прототипе изменение параметров излучения можно производить только после получения доступа к контейнеру с компьютером и анализа полученных результатов, при этом в случае, если уровень шумов за прошедший интервал наблюдений превышал уровень сигналов, получить измеряемые параметры в прототипе будет невозможно.Due to the above-mentioned structural changes of the complex, the task is solved and the claimed technical result is achieved, namely, the efficiency of measurements and the display of results in real time, by transmitting measured signals over the air to the coastal post and the reliability and independence of receiving information during periods of technological threats and in extreme environmental conditions associated with both the aquatic environment and the state of the atmosphere. The ability to control the radiation parameters in real time in the inventive utility model allows you to expand the technical measurement capabilities for a wide range of signal-to-noise ratios, both due to changes in the power of emitted signals and due to changes in signal parameters (frequency, duration, phase modulation parameters). This is necessary, for example, in conditions of long-term observations, when the level of ambient noise during signal reception can significantly increase due to natural processes (wind, waves, rain, noise of biological origin), industrial noise in water areas (construction, transportation, production, etc.) . In the prototype, changing the radiation parameters can only be done after gaining access to the container with a computer and analyzing the results, if the noise level for the past observation interval exceeds the signal level, it will be impossible to obtain the measured parameters in the prototype.

Заявляемая полезная модель была реализована при проведении комплексных гидрофизических исследований в бухте Витязь в летне-осенний период 2011 года в части разработки методов и систем акустической томографии в условиях мелководных акваторий. Работы проводились на МЭС Шульц ТОЙ ДВО РАН в бухте Витязь. Использовались технические системы: стационарный акустический излучатель, акустическая автономная приемная система на базе радиогидробуя (РГБ) и система формирования, излучения, приема и корреляционной обработки, принимаемых импульсных акустических сигналов. Измерения и расчет (в реальном времени) функции отклика акустического канала и параметров среды, с синхронизацией по сигналам высокостабильной системы точного времени, выполнялись с помощью аппаратно-программного комплекса. Гидрологическое и навигационное обеспечение работ проводилось с помощью стандартного оборудования (GPS, эхолот, зонд STD) размещенных на яхте Орлан и на быстроходном моторном катере.The claimed utility model was implemented during complex hydrophysical studies in Vityaz Bay during the summer-autumn period of 2011 regarding the development of methods and systems of acoustic tomography in shallow water areas. The work was carried out at the MEC Schulz TOI FEB RAS in Vityaz Bay. Technical systems were used: a stationary acoustic emitter, an acoustic autonomous receiving system based on radiohydrobuying (RSL) and a system for generating, emitting, receiving and correlating processing of received pulsed acoustic signals. Measurements and calculation (in real time) of the response function of the acoustic channel and the parameters of the medium, with synchronization by signals of a highly stable accurate time system, were performed using a hardware-software complex. Hydrological and navigation support was carried out using standard equipment (GPS, echo sounder, STD probe) located on the Orlan yacht and on a high-speed motor boat.

Техническая реализация полезной модели включала размещение гидроакустического пьезокерамического излучателя на глубине 13,9 метров на расстоянии 310 метров от берегового поста. На расстоянии 808,5 метров от излучателя был поставлен на якорь радиогидрофизический буй, с приемным гидрофоном, установленным также на дне, на глубине 12,5 метра. Излучался фазоманипулированный импульсный сигнал с параметрами: несущая частота - 2 кГц, модуляция м-кодом с числом символов 255 / 4 периода на символ, с длительностью 0,51 секунды. Использовался приемный сферический пьезокерамический гидрофон с параметрами: диаметр - 50 мм, диаграмма направленности - круговая, АЧХ - 400-5000 Гц /3дБ, чувствительность - 120 мкВ/Па. Пьезокерамический излучатель имел следующие характеристики: пьезокерамическое кольцо с размерами - Н=12,5 см, Dвнеш=30 см, Dвнут=24 см, резонансная частота - 2000 кГц, добротность - 3, диаграмма направленности - круговая в горизонтальной плоскости и тороидальная ~80 градусов в вертикальной плоскости. Использовался приемо-передатчик Icom IC-F16 в диапазоне УКВ, несущая частота от 136.000 до 174.000 MHz с полосой пропускания 80 кГц и максимальной мощностью 1 Вт. Блок системы точного времени представлял собой цифровой таймер на основе высоко стабильного генератора опорных частот MV-103 с относительной нестабильностью частоты - 10^-8. Блок корреляционной обработки реализован по технологии ПЛИС с использованием контроллера Altera FPGA Starter Board Cyclone III. Разрядность блока АЦП составляла 14 бит. Блок автономного питания обеспечивал время работы РГБ до 7 суток. Блок управления и отображения результатов реализован на базе типового ПК с ЖК монитором.The technical implementation of the utility model included the placement of a hydroacoustic piezoceramic emitter at a depth of 13.9 meters at a distance of 310 meters from the coastal post. At a distance of 808.5 meters from the emitter, a radio-hydrophysical buoy was anchored, with a receiving hydrophone also installed at the bottom, at a depth of 12.5 meters. A phase-shift pulse signal was emitted with the following parameters: carrier frequency - 2 kHz, m-code modulation with the number of characters 255/4 periods per character, with a duration of 0.51 seconds. A receiving spherical piezoceramic hydrophone with the following parameters was used: diameter - 50 mm, radiation pattern - circular, frequency response - 400-5000 Hz / 3dB, sensitivity - 120 μV / Pa. The piezoceramic emitter had the following characteristics: a piezoceramic ring with dimensions - H = 12.5 cm, Dext = 30 cm, Dint = 24 cm, resonant frequency - 2000 kHz, Q factor - 3, radiation pattern - circular in the horizontal plane and toroidal ~ 80 degrees in the vertical plane. An Icom IC-F16 transceiver was used in the VHF band, a carrier frequency from 136,000 to 174,000 MHz with a bandwidth of 80 kHz and a maximum power of 1 W. The exact time system block was a digital timer based on a highly stable reference frequency generator MV-103 with a relative frequency instability of 10 ^-8 . The correlation processing unit is implemented using FPGA technology using the Altera FPGA Starter Board Cyclone III controller. The resolution of the ADC block was 14 bits. The self-contained power unit provided the RSL operating time up to 7 days. The control and display unit is implemented on the basis of a typical PC with an LCD monitor.

В процессе тестирования комплекса выполнялись измерения функции отклика акустического канала, вертикальных профилей скорости звука и температуры, а также уровня моря в области бухты между излучателем и гидрофоном с периодичностью измерений один раз в минуту с циклами непрерывных измерений от одного часа до двух суток. С целью обеспечения метрологического контроля измерений абсолютных величин заявляемых параметров, синхронно выполнялся гидрологический промер параметров среды с помощью зонда STD, и проводилось сравнение табличных данных баротропного прилива в месте проведения измерений с измеренными параметрами вариаций уровня моря. На фиг.3, приведен пример отображения измеренной функции отклика акустического канала и рассчитанного вертикального профиля скорости звука для этого измерения. На фиг.4 приведены результаты акустического мониторинга профиля скорости звука и температуры в течение 450 минут и результаты мониторинга изменений уровня моря для района измерений. На фиг.5 приведены результаты мониторинга вертикального распределения температуры в течение 10 часов и, для сравнения, на Фиг.6 результаты измерений вертикального профиля температуры среды с помощью зонда STD в этот период времени.In the process of testing the complex, measurements were made of the response function of the acoustic channel, vertical profiles of the speed of sound and temperature, as well as sea level in the bay area between the emitter and the hydrophone with a measurement frequency of once a minute with cycles of continuous measurements from one hour to two days. In order to ensure metrological control of measurements of the absolute values of the declared parameters, a hydrological measurement of the environmental parameters was performed synchronously using the STD probe, and tabular data of the barotropic tide at the place of measurements were compared with the measured parameters of sea level variations. Figure 3, an example of the display of the measured response function of the acoustic channel and the calculated vertical profile of the speed of sound for this measurement. Figure 4 shows the results of acoustic monitoring of the profile of the speed of sound and temperature for 450 minutes and the results of monitoring sea level changes for the measurement area. Figure 5 shows the results of monitoring the vertical temperature distribution for 10 hours and, for comparison, Fig.6 results of measurements of the vertical profile of the temperature of the medium using the STD probe in this period of time.

Claims

A hydro-acoustic complex for remote monitoring of hydrophysical parameters in shallow water areas, including a hydro-acoustic emitter located stationary in the water area, connected by an electric cable to the shore station, and a receiving hydrophone connected by a signal cable to a radio-hydrophysical buoy (RSL) equipped with a bottom anchor, while the RSL includes a radio transmission through an ADC unit with a receiving hydrophone, a GPS unit - GLONASS positioning and an autonomous battery pack, and shore equipment The new post consists of a radio signal receiver and a signal recording unit connected in series with it, a digital signal correlation processing unit, and a control and display unit connected to a phase-manipulated pulse signal generating unit, which is connected to a sonar emitter via an amplification and matching unit, and also includes an autonomous block of the exact time system connected to the blocks of the formation of phase-manipulated pulse signals, registration of signals and correl signal processing.