RU219977U1 - Автономный гидроакустический регистратор - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для долговременной синхронной записи гидроакустических и гидрофизических данных под водой в диапазоне низких и средних звуковых частот. Регистратор включает гермокорпус с блоком питания, съемные крышки с акустическими и гидрофизическим датчиками, цифровым диктофоном, снабженным как минимум двумя каналами записи акустической информации и внутренней памятью. Регистратор снабжен дополнительным трактом формирования сигнала от гидрофизических датчиков, подключенным к одному из каналов записи цифрового диктофона и включающим устройство согласования импедансов и коммутации гидрофизических датчиков, АЦП, микроконтроллер и дифференциальный преобразователь, при этом другой канал записи цифрового диктофона через предварительный усилитель используют для записи акустической информации. Технический результат - расширение функциональных возможностей автономного гидроакустического регистратора с цифровым диктофоном при одновременном упрощении конструкции и стоимости.

Description

Полезная модель относится к устройствам для долговременной регистрации записи гидроакустических и гидрофизических данных под водой в диапазоне низких и средних звуковых частот.

Одной из проблем регистрации гидроакустических шумов и сигналов в натурных условиях является выбор и размещение приемных систем на акватории. Использование кабельных линий связи в гидроакустическом эксперименте сопряжено с большими трудозатратами, а зачастую является невозможным по техническим или методическим причинам. Если стационарные полигоны оснащаются приемными системами с использованием кабельных линий, обеспечивающих наблюдение и регистрацию шумов в реальном времени, то в иной обстановке предпочтительным является использование дрейфующих или заякоренных приемных систем, передающих информацию по радиоканалу, или имеющих в составе автономные приемные устройства.

Автономные приемные устройства, способные в течение длительного времени регистрировать и хранить воспринятую датчиками информацию, являются эффективным средством гидроакустического эксперимента, особенно, если синхронно с акустической ведется запись гидрофизической информации. Последняя характеризует текущее состояние среды в моменты записи акустических данных и заглубление устройства.

Известно устройство гидроакустического 4-канального регистратора EA-SDA14 компании RTSYS [https://pdf.nauticexpo.com/pdf/rtsys/ea-sda14/50414-64871.html]. Регистратор позволяет подключать до 4 гидрофонов, опционально могут подключаться датчики давления, температуры, солености, встроенный GPS и внутренняя память. Конструкция регистратора включает гермокорпус с блоком питания, и блоком электроники, две съемные крышки с акустическим и гидрофизическими датчиками на оппозитных торцах корпуса. Однако, конструкция устройства не дает возможности оперативного изменения конфигурации прибора для более эффективного решения задачи измерений и оснащения его необходимым набором дополнительных датчиков.

Известно устройство гидроакустического регистратора РГА производства НПП АКМА предназначенного для записи гидроакустических сигналов на внутреннюю микроSD-карту объемом 16 Гигабайт (http://www.npo-akma.ru/drms.shtml) Регистратор представляет собой автономное устройство, питающееся от аккумулятора, размещенное в прочном малогабаритном пластиковом корпусе и состоит из гидрофона, установленного на съемной крышке, электронной платы, микроSD-карты SDHC и аккумулятора. Съемная крышка, крепится к корпусу при помощи накидной гайки. После завершения записи акустических сигналов микроSD-карта извлекается из регистратора для последующей их обработки на компьютере. Отсутствие канала синхронной с сигналом гидрофона записи измерения гидрофизических параметров, таких как, например, статического давления (глубины погружения регистратора) и температуры среды, что имеет важное значение для анализа результатов гидроакустических данных, а также небольшая заявленная глубина использования снижают его функциональные возможности.

Известно включение в состав гидроакустического регистратора цифровых записывающих устройств (диктофонов), которые являются функционально законченным элементом акустического тракта и служат для усиления сигналов, поступающих от внешних акустических датчиков, а также их записи и хранения. Применение производимых массово цифровых диктофонов позволяет упростить схемотехнику, обеспечить идентичность технических характеристик в рамках изготовленной партии и удешевить производство регистраторов, а использование цифровых диктофонов, изготовленных на микроэлектронных компонентах, позволяет также снизить массогабаритные характеристики и электропотребление, повышая автономность устройства.

К такому типу устройств принадлежит известный цифровой гидроакустический регистратор µRUDAR-mk2™ (micro Remote Underwater Digital Acoustic Recorder) компании Cetacean Research Technology, включающий гермокорпус с блоком питания, съемную крышку с акустическими датчиками, снабженную герморазъемами, усилитель и цифровой диктофон с внутренней перезаписываемой памятью, который используют в качестве элемента акустического тракта регистратора. Выбор качества акустической записи регулируется в меню диктофона и допускает значения, предусмотренные техническими параметрами выбранной модели диктофона (https://www.cetaceanresearch.com/hydrophone-systems, https://www.cetaceanresearch.com/hydrophone-systems/rudar/micro-rudar.html).

Данный регистратор рассматривается нами как наиболее близкий к заявляемому по технической сущности.

Не смотря на перечисленные выше достоинства использования диктофона в качестве акустического тракта, к существенным недостаткам данной модели автономного гидроакустического регистратора относится отсутствие измерительных каналов для записи гидрофизической информации синхронной с гидроакустической, в частности, канала измерения статического давления (глубины погружения регистратора) и температуры среды, как наиболее важных для анализа сохраненных гидроакустических данных.

Заявляемое решение направлено на разработку автономного гидроакустического регистратора с цифровым диктофоном.

Технический результат - расширение функциональных возможностей заявляемого регистратора.

Поставленная техническая задача решается автономным гидроакустическим регистратором с цифровым диктофоном, включающим гермокорпус с блоком питания, съемной крышкой с акустическими и гидрофизическими датчиками, при этом цифровой диктофон снабжен как минимум двумя каналами записи акустической информации и внутренней памятью, акустический датчик через предварительный усилитель подключен к одному из акустических каналов записи цифрового диктофона, а другой акустический канал записи диктофона соединен с выходом дополнительного тракта формирования сигнала от гидрофизических датчиков, включающего устройство согласования импедансов и коммутации гидрофизических датчиков, АЦП, микроконтроллер и дифференциальный преобразователь.

Съемная крышка гермокорпуса обеспечивает легкую взаимозаменяемость конструктивно идентичных крышек с различными набором гидрофизических датчиков и простой доступ к панели управления диктофона. Крышка может быть снабжена герморазъемами и крепиться к корпусу при помощи накидной гайки. При необходимости регистратор может быть снабжен второй, оппозитно установленной сменной крышкой, а также другими взаимозаменяемыми конструктивно идентичными крышками, оснащенными дополнительными видами акустических и гидрофизических датчиков.

С целью помехозащиты акустический датчик может быть вынесен за пределы гермокорпуса и подключен через отдельный кабель к герморазъему на сменной крышке гермокорпуса. Количество подключаемых гидрофонов определяется только техническими характеристиками выбранной модели диктофона, а именно количеством каналов записи.

Помимо гидрофонов, могут быть использованы другие типы акустических датчиков, например, вибродатчики, приемники градиента звукового давления, комбинированные, и другие.

В результате введенния дополнительного тракта формирования сигнала от гидрофизических датчиков, количество подключаемых гидрофизических датчиков определяется техническими характеристиками дополнительного тракта формирования сигнала и организацией работы АЦП и микроконтроллера (программированием микроконтроллера). В соответствии с предлагаемым техническим решением, помимо аналоговых гидрофизических датчиков, подключаемых к дополнительному тракту записи гидрофизической информации, также является возможным подключение цифровых гидрофизических датчиков с однопроводной организацией аппаратного интерфейса непосредственно к микроконтроллеру. В качестве гидрофизических датчиков могут быть использованы, например, датчики давления, температуры, солености, прозрачности, растворенного газа, и другие, могут также подключаться объединенные в группы датчики, например, термогирлянды.

Регистратор может быть дополнительно оснащен внешней SD-картой, подключенной к микроконтроллеру дополнительного тракта, и используемой, как правило, для записи показаний гидрофизических датчиков.

В соответствии с предлагаемым техническим решением дополнительного тракта формирования сигнала от гидрофизических датчиков, автономный гидроакустический регистратор может функционировать в нескольких режимах, обеспечивающих синхронизированную запись и хранение акустической и гидрофизической информации, при этом синхронизация при записи сигналов на два канала диктофона осуществляется автоматически стандартным принципом записи стереофайлов, реализованным в схемотехнике самого диктофона.

Состав регистратора выбирают в зависимости от задачи измерений. Например, для записи гидроакустических шумов в подводном звуковом канале требуется регистрировать одновременно акустический сигнал, глубину положения гидрофона и динамику температуры среды в точке наблюдений.

Для другой задачи – калибровки рабочего гидрофона методом сравнения с другим образцовым гидрофоном – необходима запись с подключением каждого из гидрофонов на отдельный канал диктофона, а также запись как минимум одного гидрофизического параметра – температуры среды, на другой.

На Фиг представлена структурная схема автономного гидроакустического регистратора с цифровым диктофоном, функционирующего в режиме записи акустического сигнала от одного акустического датчика, например, гидрофона, на первый канал(вход 1), и записи гидрофизической информации на второй канал (вход 2) диктофона.

Регистратор в этом режиме работает следующим образом. Гидрофизические датчики в требуемом составе и количестве закрепляют на сменных крышках, как правило, через унифицированные герморазъемы под кабели. Акустический датчик (гидрофон, или другой акустический датчик), подключают к предварительному усилителю, обеспечивающему согласование импеданса акустического датчика, фильтрацию и ступенчатое усиление сигнала, а его выход – ко входу, например, первого канала цифрового диктофона (вход1), после чего выполняют установки параметров записи на диктофоне. Ко второму каналу (вход 2) подключают выход предлагаемого дополнительного тракта записи гидрофизической информации, выполняющего функции формирования сигнала, поступающего от N гидрофизических датчиков (давления, температуры и пр.), предварительно установленных на сменной крышке. В дополнительном тракте на основе схемных решений выполняется согласование импедансов (выходного и входного комплексных сопротивлений датчика и дополнительного тракта записи), коммутация подключенных гидрофизических датчиков, оцифровка сигналов, формирование под управлением микроконтроллера кодовой последовательности, включающей выборки сигналов коммутируемых датчиков, и устранение в цифровом коде микроконтроллера постоянной составляющей сигнала дифференциальным преобразователем, необходимое при подключении к акустическому входу диктофона. Устанавливают крышки на гермокорпус и фиксируют их, например, накидными гайками.

После включения электропитания запись акустической и гидрофизической информации в диктофоне производятся в одном двухканальном WAV-файле, и поэтому они полностью синхронизированы.

Достоинством данного решения является отсутствие необходимости во внешней SD-карте для записи-хранения гидрофизической информации – вся необходимая информация синхронно с акустической записывается во внутреннюю EEPROM-память диктофона. Однако, для увеличения общей продолжительности регистрации данных объем памяти диктофона может быть увеличен, например, посредством использования диктофона, оснащенного портом под SD-карту. После окончания работы с гидроакустическим регистратором, отключают электропитание, и после извлечения диктофона записанную информацию переносят на обрабатывающий информацию компьютер. Возможности управления режимами записи-считывания информации, в том числе по беспроводному каналу Wi-Fi, обеспечиваются характеристиками выбранной модели диктофона.

Предлагаемое техническое решение автономного гидроакустического регистратора с цифровым диктофоном допускает его работу и в другом режиме: запись акустических сигналов от нескольких акустических датчиков (гидрофонов, или других акустических датчиков) на цифровой диктофон, и записи гидрофизической информации через дополнительный тракт на дополнительно подключенную к микроконтроллеру дополнительного тракта внешнюю SD-карту.

Для работы в этом режиме микроконтроллер тракта оснащают внешней SD-картой для записи/хранения гидрофизической информации, при этом выход дифференциальногой усилителя (выход дополнительного тракта) отключают от входа диктофона. Функциональная связь диктофона и дополнительного тракта записи гидрофизической информации, которая необходима для синхронизации сохраненных данных, в этом режиме осуществляется одновременным включением электропитания диктофона и дополнительного тракта, что позволяет восстановить в дальнейшем при обработке данных время записи на диктофоне и внешней SD-карте относительно моментов включения/выключения устройства, и однозначно сопоставить время записи информации, сохранившеся во внутренней памяти диктофона и внешней SD-карте микроконтроллера.

В практически реализованном по данной заявке устройстве использована модель цифрового диктофона бытового назначения Ritmix RR-820 производства компании Ritmix с внутренней EEPROM-памятью 8Гб, пьезокерамические гидрофоны, пьезокерамические акселерометры (дополнительный вид акустических датчиков), датчик статического давления Д-0,6, цифровые датчики температуры DS18В20 производства фирмы Dallas Semiconductor, микроконтроллер STM32F103.

Цифровые датчики температуры DS18В20 подключены к микроконтроллеру по однопроводной линии (Фиг., порт 1-WIRE). Датчик статического давления обслуживается 16-разрядным АЦП ADS1110, который имеет связь с микроконтроллером по двухпроводной линии стандарта I2C. Устройство питается от аккумуляторов напряжением 8 В, емкостью 1200 мАч, что обеспечивает его работоспособность в течение минимум 24 часов.

Таким образом, за счет реализации дополнительного тракта записи гидрофизической информации, включающего устройство согласования и коммутации гидрофизических датчиков, АЦП, микроконтроллер и дифференциальный преобразователь, подключенного к одному из каналов диктофона, заявляемое устройство решает поставленную задачу создания автономного гидроакустического регистратора с цифровым диктофоном с расширенными функциональными возможностями, обеспечивая, помимо регистрации акустических сигналов, синхронную с ними долговременную регистрацию сигналов гидрофизических датчиков, а также позволяя конфигурировать его под цели выполняемых измерений.

Claims (4)

1. Автономный гидроакустический регистратор с цифровым диктофоном, включающий гермокорпус с блоком питания, съемной крышкой с акустическим и гидрофизическим датчиками, цифровым диктофоном, снабженным как минимум двумя каналами записи акустической информации и внутренней памятью, при этом к одному из каналов записи цифрового диктофона подключен через предварительный усилитель акустический датчик, а к другому выход дополнительного тракта формирования сигнала от гидрофизических датчиков, включающего устройство согласования импедансов и коммутации гидрофизических датчиков, АЦП, микроконтроллер и дифференциальный преобразователь.

2. Автономный гидроакустический регистратор по п. 1, отличающийся тем, что регистратор снабжен второй съемной крышкой, расположенной оппозитно первой.

3. Автономный гидроакустический регистратор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве гидрофизических датчиков установлены датчик давления и температуры.

4. Автономный гидроакустический регистратор по п. 1, отличающийся тем, что микроконтроллер дополнительного тракта оснащен внешней SD-картой.