RU2436119C1 - Подводный зонд - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения вертикального распределения гидрологических характеристик в море при океанологических исследованиях и при решении прикладных задач в обеспечение безопасной эксплуатации морских объектов хозяйственной деятельности, включая морские добычные комплексы углеводородов. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей. Подводный зонд содержит контейнер с информационно-измерительной аппаратурой, состоящей из параметрической антенны, приемника звука с приемной антенной и датчика определения скорости звука, датчика измерения температуры воды, датчика измерения солености морской воды, датчика измерения плотности морской воды, устройство ввода-вывода зарегистрированных сигналов, которые электрически соединены посредством кабель-троса с судовым вычислительным устройством, предназначенным для вычисления по измеренным сигналам потенциальной температуры, градиентов потенциальной температуры, аномалий потенциальной плотности, условной относительной плотности, динамической высоты, частоты Брента-Вяйсела, градиента солености. Подводный зонд дополнительно содержит спектрометр ядерно-магнитного резонанса, который своим выходом соединен с входом судового вычислительного устройства, контейнер снабжен двумя водозаборными устройствами, соединенными гидравлическими каналами с емкостями для отбора морской воды. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения вертикального распределения гидрологических характеристик в море при океанологических исследованиях и при решении прикладных задач в обеспечение безопасной эксплуатации морских объектов хозяйственной деятельности, включая морские добычные комплексы углеводородов.

Известен акустический зонд для измерения скорости звука в морской воде [Патент US №3611276], содержащий импульсно-циклический датчик скорости звука, усилитель мощности, акустический излучатель и блок питания. Электрические колебания на выходе датчика скорости звука усиливаются и передаются с помощью излучателя на судно обеспечения. Измеряемая при этом частота акустических сигналов пропорциональна измеряемой скорости звука в воде.

Принципиальным недостатком данного известного устройства является то, что сигналы гидроакустического излучения поступают к акустическим преобразователям импульсно-циклического датчика скорости звука. Создаваемые таким образом помехи приводят к сбоям датчика и погрешностям измерений.

Для исключения данного недостатка в известном акустическом зонде для измерения скорости звука в море [Патент RU №1770770], который содержит импульсно-циклический датчик скорости звука и последовательно соединенные усилитель мощности и гидроакустический излучатель, в отличие от известного устройства [Патент US №3611276] он снабжен модулятором и блоком преобразования сигнала в двоичный код, подключенным первым входом к выходу импульсно-циклического датчика скорости звука, вторым входом - к первому выходу задающего генератора и к управляющему входу модулятора, третьим, четвертым и пятым входами - соответственно к второму, третьему и четвертому выходам задающего генератора, а первым и вторым выходами - соответственно к маркерному и информационному входам модулятора, выход которого соединен с входом усилителя мощности. При этом повышение помехоустойчивости достигается за счет исключения влияния гидроакустического излучателя при измерении, так как временной селектор открывается на фиксированных интервалах времени и в эти интервалы замеров гидроакустический излучатель отключен. При отключенном гидроакустическом излучателе его мощное излучение не достигает пьезоэлемента импульсно-циклического датчика и не вносит искажений в результаты измерений.

Существенным недостатком данного устройства является то, что для достижения технического результата, заключающегося в повышении помехоустойчивости, гидроакустический излучатель необходимо отключать, что приводит к наличию мертвых зон по горизонтам измерений, что снижает достоверность результатов измерений.

Кроме того, известное устройство является устройством одноразового применения, что при проведении длительных исследований приводит к существенным материальным затратам.

Известные устройства также сложны в изготовлении, занимают значительный внутренний полезный объем и, как следствие этого, включают минимальный состав измерительной аппаратуры, как правило, включающий датчик температуры воды, датчик гидродинамического давления и гидрофон.

Наиболее высокую информативность при проведении гидрологических исследований имеет известное устройство [Патент US №5136549], которое дополнительно, помимо гидрологических параметров, также обеспечивает измерение объемного рассеяния звука в воде, измерение профилей звука и их градиентов.

Однако при исследованиях, связанных с определением гидрофизических неоднородностей, применение данного и аналогичных устройств ограничивается низким уровнем генерируемых антенной сигналов, что не является большим препятствием, особенно для малых и средних дистанций зондирования (100-500 м). Однако при исследованиях на больших дистанциях (до 2000 м и более) возникают значительные трудности. Как правило, в известных устройствах преобразователь накачки представляет собой 28-элементную мозаичную антенную решетку, состоящую из пьезокерамических элементов прямоугольной формы, образующих два набора с различными резонансными частотами. Излучающая поверхность преобразователя накачки имеет форму квадрата со стороной 75 мм.

Разностная частота составляет 136 кГц, частоты накачки соответственно 430 кГц и 566 кГц. Разностная частота элементов при этом составляет 50 кГц. Ширина диаграммы направленности антенны находится в пределах 3,5 градуса.

В приемниках давления используются пьезоэлементы, резонансная частота fp которых больше граничной частоты рабочего диапазона.

Для плоской антенной решетки конструктивно оправданно применение плоских элементов, статическая чувствительность которых определяется величиной

γ_cm=g_ikl, где g_ik - пьезоконстанта, ik=33 для поперечного и ik=31 для продольного пьезоэффекта, l - расстояние между электродами.

Так как расстояние между электродами нельзя бесконечно увеличивать, то чувствительность таких элементов в данной антенне недостаточна, что не позволяет максимально использовать всю площадь приема.

Известно также устройство [В.А.Воронин, С.П.Тарасов, В.И.Тимошенко. Гидроакустические параметрические системы. Ростов-на-Дону. РостИздат, 2004, с.293-302.], представляющее собой глубоководный зонд, в котором акустические сигналы, излучаемые зондом, формируются параметрическим излучателем звука, который аппаратно разделен на две части (бортовой блок и погружаемый блок). Комплекс глубоководного зонда включает в себя собственно глубоководное устройство, размещенное в двух прочных цилиндрах диаметром 150 мм, длиной около 1 м с вынесенной глубоководной параметрической антенной, приемником звука и датчиком скорости звука и бортовую аппаратуру, с помощью которой производится включение глубоководного устройства и изменение режимов его работы.

Акустические сигналы, излучаемые зондом, формируются параметрическим излучателем звука, бортовой блок формирователя которого задает режим работы параметрической антенны и осуществляет синхронизацию работы всего зонда.

Антенна накачки излучает в водную среду две акустические волны накачки с различными частотами, которые взаимодействуют между собой в процессе распространения. В результате взаимодействия в среде образуется волна с частотой, равной разности частот накачки, которая является и рабочей частотой устройства. Таким образом, в среде формируется антенна волны разностной частоты. Антенна накачки представляет собой два набора пьезокерамических преобразователей, каждый из которых подключен к своему усилителю мощности. Наборы преобразователей расположены в шахматном порядке и залиты полимерным компаундом типа КТ-65.

Излучающий тракт зонда имеет диапазон рабочих (разностных) частот 5-30 кГц (четыре дискретные частоты), частота волн накачки (средняя) 150 кГц, длительность зондирующих импульсов 0,2, 1, 5 мс. При длительности 0,2 м предусмотрено отключение одного из генераторов накачки, при этом излучается только волна накачки с частотой 150±15 кГц, ширина диаграммы направленности по уровню 0,7 от максимального уровня составляет 2,5 градуса во всем диапазоне рабочих частот, диаметр антенны накачки 210 мм. В системе передачи команд применена кодово-импульсная модуляция с частотным разделением сигналов команд и синхроимпульсов.

Недостатком данного устройства является то, что при его использовании не в полной мере обеспечивается однородность акустического поля ввиду того, резонансная частота меньше граничной частоты рабочего диапазона.

Общим недостатком известных устройств является то, что они предназначены в основном для проведения морских исследовательских работ и позволяют регистрировать ограниченное количество параметров, как правило четыре основных параметра: температуру, соленость, абсолютную плотность и скорость распространения звука в воде, по которым производят расчет таких характеристик, как потенциальная температура, градиент потенциальной температуры, аномалии потенциальной плотности, условная относительная плотности, динамическая высота, частота Брента-Вяйсела, градиент солености.

Задачей настоящего предложения является расширение функциональных возможностей устройств, предназначенных для гидрофизических исследований.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройство, представляющее собой подводный зонд, содержащий контейнер с информационно-измерительной аппаратурой, состоящей из параметрической антенны, приемника звука с приемной антенной, датчика определения скорости звука, датчика измерения температуры воды, датчика измерения солености морской воды, датчика измерения плотности морской воды, устройство ввода-вывода зарегистрированных сигналов, которые электрически соединены посредством кабель-троса с судовым вычислительным устройством, предназначенным для вычисления по измеренным сигналам потенциальной температуры, градиентов потенциальной температуры, аномалий потенциальной плотности, условной относительная плотности, динамической высоты, частота Брента-Вяйсела, градиента солености, подводный зонд дополнительно содержит спектрометр ядерно-магнитного резонанса, который своим выходом соединен с входом судового вычислительного устройства, контейнер снабжен двумя водозаборными устройствами, соединенными гидравлическими каналами с емкостями для отбора морской воды, причем приемная антенна выполнена в виде набора полых цилиндрических пьезоэлементов с акустическим мягким экраном, параметрическая антенна выполнена в виде фазированной антенной решетки, на которую подаются сигналы излучения от 12-усилителей мощности при размере активной поверхности 60×105 мм со смещением линеек излучающих элементов друг относительно друга на фиксированную величину, магнитная система спектрометра ядерно-магнитного резонанса выполнена из самарий-кобальтовых шайб.

Новые отличительные признаки, заключающиеся в том, что подводный зонд дополнительно содержит спектрометр ядерно-магнитного резонанса, который своим выходом соединен с входом судового вычислительного устройства, контейнер снабжен двумя водозаборными устройствами, соединенными гидравлическими каналами с емкостями для отбора морской воды, позволяют дополнительно регистрировать сигналы ядерно-магнитного резонанса, что позволяет выполнить исследование процессов обмена солей и парамагнитных примесей между океаном и атмосферой. Данный факт представляет большой научный и практический интерес, что объясняется прямым влиянием поступающих из океана солей на формирование и химический состав атмосферного аэрозоля, который как климатообразующий фактор характеризуется существенной нестационарностью пространственно-временного распределения и изменчивостью физико-химических свойств. Физические процессы, развивающиеся в пограничном слое атмосферы над морской поверхностью, оказывают определяющее влияние на образование и структуру аэрозольных слоев. От особенностей распределения и структуры атмосферного аэрозоля зависят такие важные процессы, как изменчивость радиационного баланса атмосферы, явления конденсации и сублимации в облачных системах, изменение оптических характеристик атмосферы, условия и характер распространения радиоволн УКВ-диапазона. Кроме того, появляется возможность выполнить геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий и других морских объектов хозяйственной деятельности.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом.

где изображена блок-схема подводного зонда. Подводный зонд включает параметрическую антенну 1, приемника звука с приемной антенной 2, датчик 3 определения скорости звука, датчик 4 измерения температуры воды, датчик 5 измерения солености морской воды, датчик 6 измерения плотности морской воды, устройство 7 ввода-вывода сигналов управления и зарегистрированных сигналов, которые электрически соединены посредством кабель-троса 8 с судовым вычислительным устройством 9, предназначенным для вычисления по измеренным сигналам потенциальной температуры, градиентов потенциальной температуры, аномалий потенциальной плотности, условной относительная плотности, динамической высоты, частота Брента-Вяйсела, градиента солености. Подводный зонд дополнительно содержит спектрометр 10 ядерно-магнитного резонанса, который своим выходом соединен с входом судового вычислительного устройства 9. Измерительные датчики размещены в погружаемом контейнере 11, который снабжен двумя водозаборными устройствами 12, соединенными гидравлическими каналами 13 с емкостями 14 для отбора морской воды. Емкости 14 разделены на секции 15.

Конструкция и принцип работы датчиков и устройств 1-9 аналогичны конструкции и принципам работы, приведенным в описании аналогов и прототипа.

Измерение скорости звука осуществляется посредством датчика 3 скорости звука на разных горизонтах глубины.

Датчик 3 скорости звука представляет собой циклический скоростемер [см. например: Гусев М.Н., Яковлев Г.В. Гидроакустические доплеровские лаги / Судостроение за рубежом, 1976, №5, с.53-57. В.А.Воронин, С.П.Тарасов, В.И.Тимошенко. Гидроакустические параметрические системы, Ростов-на-Дону. Ростиздат, 2004, с.299-302], сигналы с которого представляют собой колебания с постоянной амплитудой и изменяющейся частотой, причем изменение частоты соответствует изменению скорости звука.

Посредством датчика 3 выполняют измерения объемного рассеяния звука в воде и измерения профилей скорости звука и их градиентов на горизонтах выполнения измерений.

Параметрическая антенна 1 и приемник звука с приемной антенной 2 образуют параметрический профилограф, который предназначен для формирования, излучения и приема гидроакустических сигналов, по которым выполняют визуализацию придонных и поддонных структур, в обеспечение проведения поисковых, контрольных, проектно-изыскательских, осмотровых, промерных работ в акваториях морских портов, в руслах рек, в шельфовой зоне, включая нефтяные коммуникации и морские трубопроводы для транспортировки углеводородов, а также другие потенциально опасные объекты.

Аналоги параметрического профилографа приведены [Воронин В.А., Тарасов В.И., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. ООО «Ростиздат», Ростов-на-Дону, 2004, с.224-252].

В последнее время актуальность создания техники донного профилирования возрастает в связи с дальнейшим освоением шельфовых территорий мирового океана. Разработка месторождений углеводородного сырья, прокладка трубопроводов для транспортировки газа и нефти («Северный поток», «Голубой поток», «Южный поток» и др.) потребуют дополнительного привлечения технических средств донного профилирования. В первую очередь, это профилографы, дающие возможность с высоким пространственным разрешением получать профиль донной поверхности, обнаруживать и выделять придонные и заиленные объекты, в том числе и малых размеров. Все большую актуальность приобретает задача дистанционной классификации типа грунта, особенно при производстве геолого-разведочных и гидротехнических работ.

Ухудшение экологической обстановки, связанное с дальнейшим развитием технологий и производств, добычей, транспортировкой и сжиганием углеводородного сырья, в том числе и на шельфовых территориях мирового океана, требует создания техники мониторинга подводных трубопроводов, а также других размещаемых на шельфе инженерно-технических сооружений.

В таких условиях актуальным становится создание многофункциональных профилографов для прецизионной стратификации донных осадков, классификации типа грунта и поиска придонных и заиленных объектов, представляющих потенциальную опасность.

Наиболее перспективным направлением в технике зондирования морского дна является создание профилографов, работающих на принципах нелинейной акустики, получивших название параметрических профилографов. Эти приборы сочетают в себе все уникальные свойства параметрических антенн - отсутствие боковых лепестков характеристики направленности, малогабаритность антенны, возможность перестройки частоты и др. Перечисленные свойства позволяют в отличие от обычных линейных систем не только обнаруживать акустические неоднородности, но и определять их координаты, производить классификацию по геометрическим признакам. Это делает параметрические профилографы незаменимым инструментом при обследовании трубопроводов и других заиленных объектов природного и техногенного происхождения.

Известные технические решения, включающие формирование веера характеристик направленности, содержат несколько вариантов построения приемоизлучающих трактов параметрических профилографов.

Проведенное математическое моделирование различных вариантов технических решений и последующий анализ его результатов с использованием критериев минимизации весогабаритных показателей, технологичности, стоимости реализации показали возможность выбора в качестве рабочего варианта для реализации излучающей антенны накачки параметрического профилографа фазированной антенной решетки со смещением линеек излучающих элементов друг относительно друга на фиксированную величину. Такой вариант реализации позволяет удовлетворить требованиям поиска подводных трубопроводов с учетом заиленного грунта и возможных просадок трубопровода, обеспечивая поворот оси характеристики направленности на углы до ±12° без значительного ухудшения параметров поля излучения, снизить требуемое количество каналов усиления мощности до 12.

Приемная антенна параметрического профилографа имеет широкую диаграмму направленности с одноканальным приемом при размере активной поверхности 300×152 мм и чувствительности 500 мкВ/Па и выполнена в виде набора полых цилиндрических пьезоэлементов с акустическим мягким экраном, с размером активной поверхности 300×152 мм имеющих следующие параметры: высота - 12 мм, диаметр - 15 мм, толщина - 1 мм, выполненных из сплав ЦТС-19М. Чувствительность для отдельного элемента приемной антенны составляет 85 мкВ/Па.

Ввиду того что непосредственный акустический контакт активных элементов приемной антенны с нагружающей средой и элементами конструкции может привести к их демпфированию и уменьшению чувствительности, то с целью минимизации демпфирующего действия указанных факторов применены полые цилиндры с акустически мягким экраном. В качестве акустического экрана возможно применение полиуретановых пенопластов, обладающих достаточно высокой механической жесткостью, которая позволяет избежать недопустимых деформаций датчика на рабочих глубинах. В то же время удельный акустический импеданс полиуретановых пенопластов z=300-400 кг/(м²с) значительно меньше его характерных значений у пьезокерамических материалов z=3·107 кг/(м²с), что позволяет считать акустические экраны, выполненные из таких материалов, близкими к идеальным.

Применение акустического экрана в конструкции приемной антенны позволяет избавиться от нежелательного тыльного лепестка в ее диаграмме направленности.

Чувствительность приемной антенны определяется ее направленными свойствами, способом электрического соединения ее элементов, используемой модой колебаний, соотношения резонансной частоты отдельного элемента и рабочей частоты, составом материала пьезоэлемента и степенью его демпфирования.

Сравнительный анализ характеристик чувствительности пьезоэлементов на различных модах показал, что наилучшие показатели чувствительности имеет мода радиальных колебаний круговых цилиндров на поперечном пьезоэффекте. При этом токосъемные электроды нанесены на боковых поверхностях цилиндра.

Конструктивно приемная антенна выполняется в виде 8-ми линеек с зазором 4 мм, каждая из которых набрана из 20 элементов, следующих с зазором 3 мм. Технологический зазор между элементами антенны заполняется материалом акустического экрана - пенополиуретаном.

Излучающая антенна представляет собой фазированную антенную решетку, на которую подаются сигналы излучения от 12-ти усилителей мощности при размере активной поверхности: 60×105 мм.

Излучающий тракт параметрического профилографа включает излучающую антенну, устройство управления и формирования сигналов излучения, которое состоит из:

-12 усилителей мощности;

- узла формирования сигналов излучения.

Приемный тракт параметрического профилографа включает приемную антенну,

приемник гидроакустических сигналов, узел связи с пультом управления и индикации, который установлен на судне буксировщике.

Пульт управления и индикации представляет собой персональный компьютер морского исполнения и систему передачи информации и данных телеуправления, состоящую из:

- медиаконвертера, преобразующего оптические сигналы связи с аппаратурой буксируемого подводного аппарата в электрические;

- сетевого коммутатора, позволяющего организовать одновременную работу профилографа с другими подсистемами (судовой системой позиционирования, гидролокатором бокового обзора или эхолотом).

Функциональные узлы приемно-усилительного тракта включают:

1) приемную гидроакустическую антенну;

2) коммутатор сигналов как составную часть системы технической диагностики;

3) полосовые фильтры;

4) первый каскад усиления и второй каскад усиления;

5) 18-разрядный аналого-цифровой преобразователь;

6) формирователь опорного напряжения;

7) блок цифровой первичной обработки сигналов и формирования выходного массива обработанных данных в составе программируемой логической интегральной схемы(ПЛИС);

7) модуль управления цифроаналоговым преобразователем в составе ПЛИС, формирующий сигналы ВАРУ 1 и ВАРУ2, а также тестовый сигнал SigTest;

8) 12-разрядный многоканальный ЦАП для формирования сигналов ВАРУ1 и ВАРУ2, а также тестового сигнала SigTest;

9) узел нормировки уровня тестового сигнала SigTest, выполненный на фильтре и делителе.

Основная часть функциональных узлов приемно-усилительного тракта конструктивно реализована в едином модуле.

Излучающий тракт содержит следующие функциональные узлы:

1) излучающую гидроакустическую антенну;

2) двенадцать каналов усилителей мощности, каждый из которых содержит:

а) датчик выходного тока;

б) резонансный фильтр, в качестве цепи согласования выхода усилителя мощности и входа излучающей антенны;

в) мостовой усилитель мощности;

г) узел формирования сигналов управления силовыми транзисторами, выполненный на предварительном усилителе и схеме формирования задержек;

д) узел гальванической развязки;

3) двенадцать выходных буферных усилителей сигналов управления;

4) блок цифрового формирования сигналов управления усилителями мощности в составе ПЛИС;

5) полосовые фильтры сигналов датчиков тока, как составные части системы технической диагностики;

6) коммутатор тестовых сигналов, как составную часть системы технической диагностики;

7) 8-разрядный аналого-цифровой преобразователь, как составную часть системы технической диагностики;

8) модуль сбора и формирования массивов тестовых данных, в составе ПЛИС;

9) встроенный в излучающую антенну датчик температуры и модуль обработки информации в составе микроконтроллера;

Система каналов связи и обмена данными с аппаратурой профилографа, другими составными частями профилографа и внешними системами включает в себя:

1) оптический канал связи Fast Ethernet 100BaseFX между бортовой и забортной аппаратурой профилографа и в том числе оптический модуль, и медиаконвертер;

2) канал связи RS-232 между забортной аппаратурой профилографа и забортной аппаратурой подводного буксируемого устройства;

3) канал связи Ethernet 100BaseTX с многолучевым эхолотом или гидролокатором бокового обзора;

4) канал связи Ethernet 100BaseTX с планшетом рулевого;

5) канал связи Ethernet 100BaseTX с системой относительного подводного позиционирования буксируемого устройства;

6) канал связи RS-232 с приемником GPS;

7) канал связи RS-232 с устройством электропитания;

8) резервный канал связи Ethernet 100BaseTX с внешними системами.

Тракт излучения создает узкий луч диаграммы направленности благодаря использованию параметрического метода формирования сигналов. Он заключается в следующем: антенна излучает ультразвуковой сигнал с двумя высокочастотными составляющими вследствие прохождения через нелинейную водную среду, сигналы перемножаются и образуют полезный сигнал низкой частоты (3 кГц - 10 кГц). Акустическая мощность в момент излучения приблизительно составляет 12 кВт. Из этого следует, что электрическая мощность блока усилителей должна быть не менее 24 кВт (в данном случае учитываются тепловые потери). Каждая часть антенны (всего 12 частей) обладает комплексным сопротивлением 170 Ом, поэтому оптимальным напряжением питания будет 600 В. В усилителе мощности применены компоненты, способные работать при данном напряжении и импульсном токе 4А. В связи с тем что система излучения работает в импульсном режиме, применен блок накопительных конденсаторов, отдающий основную часть энергии во время зондирования, и накапливающий энергию в промежутках между зондированиями. При скважности зондирующих импульсов Q=25 и уменьшении уровня напряжения питания в конце импульса ΔU=10% емкость блока накопительных конденсаторов должна быть не менее 2500 мкФ. Блок накопительных конденсаторов состоит из двух электролитических конденсаторов емкостью 5600 мкФ и напряжением 450 В каждый, соединенных последовательно. Для выравнивания потенциалов на каждом конденсаторе применен резистивный делитель.

Модуль усилителя спроектирован по мостовой схеме D-класса, имеющей на выходе цепь согласования, которая формирует резонансы на двух рабочих частотах. Параметры элементов цепи согласования подобраны таким образом, чтобы получить максимальную электрическую мощность и нулевой сдвиг фаз между током и напряжением на двух рабочих частотах.

Приемный тракт работает на разностной частоте зондирующего сигнала. Приемник построен по схеме прямого усиления. Такая схема обеспечивает наименьшие искажения в тракте усиления сигнала.

Приемная антенна подключается к приемнику через пассивный LC фильтр 4 порядка. Такой фильтр обеспечивает фильтрацию нижних частот с частотой среза порядка 1 кГц и с характеристикой, соответствующей фильтру Бесселя 2 порядка и частоту среза порядка 20 кГц с характеристикой, соответствующей фильтру Бесселя 2 порядка. В низкочастотной области этот фильтр обеспечивает предварительную фильтрацию внешних шумов. Одним из наиболее сильных шумов в этой области является шум буксирующего судна. В верхней области спектра этот фильтр устраняет прохождение на вход приемника частоты накачки при излучении в параметрическом режиме. Среднее значение этой частоты - 250 кГц. Пассивный фильтр на входе приемника нужен для того, чтобы не перегружать тракт приемника аддитивными шумами. Низкий уровень аддитивных шумов обеспечивает также уменьшение интермодуляционных продуктов, образующихся от нелинейного взаимодействия сигнала и шумов в тракте приемника. (Заметим, что для современных микросхем, применяемых в трактах гидролокационной аппаратуры, последний фактор не является актуальным).

Приведенные шумы на входе приемника определяются несколькими факторами: собственные приведенные шумы микросхемы усилителя, эквивалентное сопротивление приемной антенны, полоса принимаемых частот, шумы антенны. Для усилительного тракта применен один из новейших усилителей фирмы Analog Devices, предназначенных для разработки гидроакустической аппаратуры. С учетом всех факторов приведенные шумы на входе приемника составляют около 1,5 мкВ.

Сквозное усиление приемного тракта выбирается таким образом, чтобы собственные шумы на выходе приемника составляли бы не более 1/6 апертуры усилителя. В противном случае (при увеличении доли шумов при максимальном усилении) может наступить ограничение шумов, что приведет к сильным нелинейным эффектам взаимодействия шумов с возможным слабым сигналом. В результате такого взаимодействия резко ухудшится качество приема. Максимальное усиление приемного тракта может достигать величины порядка 120 Дб.

Весь аналоговый тракт приемника выполнен по дифференциальной схеме. Такая схема обеспечивает повышенную устойчивость приемника и пониженную чувствительность к шумам, возникающим в приемном тракте от других компонентов системы.

Аналоговый сигнал с выхода усилителя приемника поступает на АЦП через дифференциальный согласующий фильтр второго прядка (порядок - по отношению к эквивалентному недифференциальному фильтру). Этот фильтр обеспечивает согласование спектральной полосы сигнал + шум по отношению к частоте дискретизации. Частота дискретизации в АЦП составляет 250 кГц. АЦП - 18-разрядный, поразрядного взвешивания.

Цифровые отсчеты с выхода АЦП подаются на программируемую логическую интегральную схему семейства «Сусlone 3» фирмы Altera для первичной цифровой обработки, на которой выполняется унифицированная обработка, состоящая из вычисления текущих отсчетов взаимной корреляционной функции между принимаемым сигналом и образом сигнала, загружаемым в программируемую логическую интегральную схему. В силу большой мощности программируемой логической интегральной схемы, выбранной для системы приема, имеется возможность делать такую обработку без переноса сигнала по спектру в область низких частот с использованием квадратурного детектирования. Такой подход обеспечивает предельные характеристики при цифровой обработке, при том, что дополнительных форм фильтрации принимаемого сигнала производить не нужно. К тому же обеспечивается потенциально достижимый уровень помехоустойчивости приема (оптимальный приемник). Образцы принимаемого сигнала для корреляционной обработки загружаются в программируемую логическую интегральную схему.

Прием и передача информации в системе осуществляется по интерфейсу Ethernet. Физический канал связи - оптическое одномодовое волокно. Связь обеспечивается микроконтроллером AVR32 фирмы Atmel.

В спектрометре 10 ядерно-магнитного резонанса в отличие от стандартных лабораторных ЯМР-спектрометров в предлагаемом устройстве вместо обычного электромагнита, имеющего большие габариты и вес (до 1 тонны), применена так называемая мини-магнитная система, состоящая из самарий-кобальтовых шайб с большой постоянной намагниченностью и большой энергоемкостью. В результате при массе магнита 9 кг удается достигнуть значения индукции магнитного поля в его зазоре до 1,5 Т. Таким образом, при плавной механической регулировке междуполюсного расстояния магнитной системы рабочая частота может изменяться в пределах от 12 до 60 МГц для протонов при сохранении достаточно высокой однородности. Магнит функционирует без потребления энергоресурсов.

Основными техническими характеристиками спектрометра 10 ядерно-магнитного резонанса являются:

- диапазон перестройки рабочих частот в зависимости от используемой магнитной поляризации ядер 15-60 МГц;

- мертвое время 5 с;

- диапазон измерения спиновых параметров 10 мкс - 10 с;

- тактовая частота программного блока 10 МГц;

- изменение длительности нутационных и зондирующих импульсов 0,1 мкс - 10 с;

- фазовое детектирование протонного сигнала, протонная и температурная стабилизация резонансных условий, формирование любых импульсных последовательностей;

- мощность в импульсном режиме до 1,5 КВт;

- объем резонатора 0,5 см³;

- точность обработки изменений времени спиновой релаксации 0,5%.

Необходимость включения в состав информационно-измерительной аппаратуры подводного зонда обусловлена тем, что в морской воде содержится большое количество парамагнитных примесей в виде парамагнитных ионов переходных металлов и их комплексных соединений в парамагнитном состоянии. Изучение их распределения в морской воде представляет большой научный интерес. Парамагнитные примеси могут служить в качестве трассеров для изучения динамики водных масс. Исследование динамики концентрационных полей парамагнитных примесей дает дополнительную информацию о степени и масштабе влияния внешних источников парамагнитных примесей (речной сток, глубинные гидротермы, вулканическая деятельность, сброс промышленных отходов и т.д.) на компонентный и структурный состав морских и океанических вод.

В качестве примера работоспособности судового измерительного комплекса, основанного на применении явления ядерно-магнитного резонанса для целей исследования динамики водных масс, были проведены экспериментальные исследования, в результате которых были получены экспериментальные данные, выполненные в виде графиков распределения времени спин-решеточной релаксации (T₁) (так называемые изолинии Т₁) в поверхностном и в придонном слоях воды дельты реки Меконг и области геохимической аномалии, приуроченной к геологическому разлому в западной части Южно-Китайского моря.

Полученные изолинии позволяют "оконтурить" зоны влияния на компонентный состав поверхностной и придонной морской воды таких источников парамагнитных примесей, как речной сток рек и области геохимической аномалии, приуроченные к геологическим разломам.

Также были выполнены натурные эксперименты в центральной части Тихого океана (район противотечения Кромвела), в результате которых были получены изолинии времени спин-решеточной релаксации протонов морской воды (Т₁) на поверхности океана, изолинии времени спин-решеточной релаксации протонов морской воды (Т₁) в придонном слое, вертикальное распределение скорости спин-решеточной релаксации (1/T₁) в экваториальной зоне по 160° в.д., распределение температуры на разрезе по 160° в.д. в экваториальной зоне Тихого океана, распределение солености на разрезе по 160° в.д. в экваториальной зоне Тихого океана, распределение кислорода (мг/л) на разрезе по 160° в.д. в экваториальной зоне Тихого океана.

Контейнер 11, внутри которого размещены измерительные датчики, снабжен двумя водозаборными устройствами 12, расположенными симметрично друг друга. Водозаборные устройства 12 посредством гидравлических каналов 13 соединены с емкостями 14 для отбора морской воды, расположенными также симметрично друг друга. Емкости 14 разделены на секции 15.

При спуске и подъеме подводного зонда в заданном автоматическом режиме на заданных горизонтах глубины, посредством водозаборных устройств, производится забор морской воды, которая по гидравлическим каналам 13 поступает в емкости 14 для отбора морской воды, которые разделены на секции 15. При спуске на заданных горизонтах глубины секции заполняются поэтапно на каждом заданном горизонте при спуске подводного зонда и его подъеме. При спуске подводного зонда заполняются секции 15 одной емкости 14, а при поднятии подводного зонда заполняются противоположные секции 15 емкости 14, что позволяет на одном и том же горизонте глубины выполнять сравнительный анализ изменения наличия парамагнитных примесей и изменения гидрологических характеристик во времени.

Ввод новых устройств и узлов позволяет использовать зонд в качестве автономного средства зондирования гидросферы на разных горизонтах водной поверхности с получением первоначальной информации о состоянии гидросферы в существенно большем объеме, чем посредством известных аналогичных устройств.

Предлагаемое устройство может найти широкое применение при решении задач обследования подводной обстановки, позиционирования подводных объектов, мониторинга дна и состояния трубопроводов, проведения исследовательских работ в целях изучения океана, а также в качестве средства для проведения геоэкологического мониторинга морских нефтегазовых акваторий.

Промышленная реализация заявляемого технического решения сложности не представляет, так как вновь введенные устройства и элементы построены на элементной базе аналогов, имеющих промышленную применимость, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического предложения условию патентоспособности «промышленная применимость».

Claims (4)

1. Подводный зонд, содержащий контейнер с информационно-измерительной аппаратурой, состоящей из параметрической антенны, приемника звука с приемной антенной и датчика определения скорости звука, датчика измерения температуры воды, датчика измерения солености морской воды, датчика измерения плотности морской воды, устройство ввода-вывода зарегистрированных сигналов, которые электрически соединены посредством кабель-троса с судовым вычислительным устройством, предназначенным для вычисления по измеренным сигналам потенциальной температуры, градиентов потенциальной температуры, аномалий потенциальной плотности, условной относительная плотности, динамической высоты, частоты Брента-Вяйсела, градиента солености, отличающийся тем, что подводный зонд дополнительно содержит спектрометр ядерно-магнитного резонанса, который своим выходом соединен с входом судового вычислительного устройства, контейнер снабжен двумя водозаборными устройствами, соединенными гидравлическими каналами с емкостями для отбора морской воды.

2. Подводный зонд по п.1, отличающийся тем, что приемная антенна выполнена в виде набора полых цилиндрических пьезоэлементов с акустическим мягким экраном.

3. Подводный зонд по п.1, отличающийся тем, что параметрическая антенна выполнена в виде фазированной антенной решетки, на которую подаются сигналы излучения от 12 усилителей мощности при размере активной поверхности: 60×105 мм со смещением линеек излучающих элементов относительно друг друга на фиксированную величину.

4. Подводный зонд по п.1, отличающийся тем, что магнитная система спектрометра ядерно-магнитного резонанса выполнена из самарий-кобальтовых шайб.