RU2545159C1 - Anchored profiling underwater observatory - Google Patents
Anchored profiling underwater observatory Download PDFInfo
- Publication number
- RU2545159C1 RU2545159C1 RU2014112153/11A RU2014112153A RU2545159C1 RU 2545159 C1 RU2545159 C1 RU 2545159C1 RU 2014112153/11 A RU2014112153/11 A RU 2014112153/11A RU 2014112153 A RU2014112153 A RU 2014112153A RU 2545159 C1 RU2545159 C1 RU 2545159C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- profiling
- anchored
- hydroacoustic
- underwater
- observatory
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/30—Assessment of water resources
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области геофизики, а более конкретно к устройствам измерения геофизических и гидрофизических параметров в придонной зоне морей и океанов, и может быть использовано при оперативной оценке сейсмического и гидродинамического состояния районов и прогноза возможных сейсмических и экологических последствий катастрофических явлений природного и техногенного характера, а более конкретно для автоматического телеуправляемого мониторинга вод шельфово-склоновой зоны моря в режиме реального времени.The invention relates to the field of geophysics, and more particularly to devices for measuring geophysical and hydrophysical parameters in the bottom zone of the seas and oceans, and can be used in the operational assessment of the seismic and hydrodynamic conditions of regions and the forecast of possible seismic and environmental consequences of catastrophic phenomena of natural and technogenic nature, and more specifically, for real-time automatic remote-controlled monitoring of the waters of the shelf-slope zone of the sea.
Известны автономные донные станции (RU №2270464 [1], RU №2276388 [2], RU №2294000 [3], Башилов И.П. и др. Донные геофизические обсерватории: методы конструирования и области применения / Научное приборостроение, 2008, т.18, №2, с.93-95 [4], RU 2009116092 A, 20.11.2010 [5], Подводная геофизическая обсерватория / ОКБ ОТ РАН / 2-я Международная специализированная выставка «SIMEXPO - Научное приборостроение». - М, 13.10.2008 [6], RU 2331876 C2, 20.08.2008 [7]).Autonomous bottom stations are known (RU No. 2270464 [1], RU No. 2276388 [2], RU No. 2294000 [3], IP Bashilov and others. Bottom geophysical observatories: design methods and applications / Scientific instrumentation, 2008, t .18, No. 2, pp. 93-95 [4], RU 2009116092 A, 11/20/2010 [5], Underwater Geophysical Observatory / Design Bureau of the Russian Academy of Sciences / 2nd International Specialized Exhibition "SIMEXPO - Scientific Instrument Making." - M, 10/13/2008 [6], RU 2331876 C2, 08/20/2008 [7]).
Так, например, известные донные станции [1,2,3]) представляют собой цилиндрические или шарообразные корпусы, снабженные балластом для установки их на грунт, внутри и на корпусе которых установлены измерительные датчики и средства обработки первичной информации. В качестве измерительных датчиков используются, как правило, гидрофоны и геофоны. Зарегистрированная датчиками информация хранится на флеш-памяти донной станции, которая после подъема донных станций обрабатывается с помощью комплекса судовой аппаратуры или считывается по каналам гидроакустической связи. Известные донные станции предназначены в основном для регистрации сейсмических сигналов в морских акваториях. Так, устройство [3] представляет собой морскую автономную донную сейсмическую станцию, устанавливаемую на морское дно преимущественно с плавучих средств. Станция включает герметичный корпус, состоящий из двух полусфер, снабженных в месте сочленения уплотнительным кольцом. Внутри размещена геофизическая аппаратура, включающая измерительные датчики геофонного и гидрофонного типов, модули приема, регистрации, преобразования и хранения зарегистрированных сигналов, блоки сопряжения с бортовым модулем после всплытия и подъема устройства на борт, спутниковый и гидроакустический каналы связи, блок ориентации, блок синхронизации, блок управления размыкателем и блок питания. На внешней поверхности корпуса установлены гидроакустическая и спутниковая антенны, средства для поиска донной станции при всплытии, такелажные элементы и разъемы, устройство постановки на дно и обеспечения всплытия донной станции, выполненное в виде якоря-балласта. Технический результат - повышение точности измерений, снижение трудоемкости и изготовления донной станции, упрощение процессов ее постановки на дно и возвращения на борт после окончания работы.For example, the well-known bottom stations [1,2,3]) are cylindrical or spherical bodies equipped with ballast for mounting them on the ground, inside which and on the body are installed measuring sensors and means of processing primary information. As measuring sensors are used, as a rule, hydrophones and geophones. The information registered by the sensors is stored on the flash memory of the bottom station, which, after lifting the bottom stations, is processed using a complex of ship equipment or read through sonar channels. Known bottom stations are intended primarily for recording seismic signals in marine areas. So, the device [3] is a sea autonomous bottom seismic station installed on the seabed mainly from floating means. The station includes a sealed enclosure, consisting of two hemispheres, equipped with a sealing ring at the joint. Geophysical equipment is located inside, including measuring sensors for geophonic and hydrophone types, modules for receiving, recording, converting and storing registered signals, interface units with the airborne module after surfacing and lifting the device aboard, satellite and sonar communication channels, orientation unit, synchronization unit, unit control circuit breaker and power supply. Hydroacoustic and satellite antennas, means for searching the bottom station during ascent, rigging elements and connectors, a device for placing on the bottom and for ascent of the bottom station, made in the form of a ballast, are installed on the outer surface of the hull. The technical result is to increase the accuracy of measurements, reducing the complexity and manufacturing of the bottom station, simplifying the processes of putting it to the bottom and returning to the board after work.
Недостатком известных автономных донных станций является то, что они предназначены для регистрации только сигналов сейсмической природы. В то же время автономные донные станции могут применяться и при решении таких задач, как изучение строения земной коры, исследование совокупности проявления геофизических полей и тектонических разломов непосредственно на дне океана, геофизический мониторинг сложных гидротехнических сооружений.A disadvantage of the known autonomous bottom stations is that they are designed to register only signals of seismic nature. At the same time, autonomous bottom stations can also be used to solve problems such as studying the structure of the earth's crust, studying the totality of the manifestation of geophysical fields and tectonic faults directly at the bottom of the ocean, and geophysical monitoring of complex hydraulic structures.
Известные также подводные обсерватории (патент EP №0519031 [8], патент NO №911639 [9], патент ЕР №0516662 [10], кн.: Средства и методы океанологических исследований. Смирнов Г.В., Еремеев В.Н., Агеев М.Д. и др. - М, Наука, 2005 [11], патент AU №2002100749, 04.09.2002 [12]), которые включают донный сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, средства первичной обработки и хранения информации, средства связи с комплексом судовой аппаратуры, установленные на платформе, что позволяет регистрировать более полный спектр геофизических и гидрофизических параметров и, как следствие этого, расширить функциональные возможности донных станций.Also known are underwater observatories (patent EP No. 0519031 [8], patent NO No. 911639 [9], patent EP No. 0516662 [10], book: Means and methods of oceanological research. Smirnov GV, Eremeev VN, Ageev M.D. et al. - M, Nauka, 2005 [11], patent AU No. 2002100749, 04.09.2002 [12]), which include a bottom seismometer, hydrophysical module, magnetic field sensor, means of primary processing and storage of information, communication facilities with the complex of ship equipment installed on the platform, which allows recording a more complete range of geophysical and hydrophysical parameters and, consequently, to extend the functionality of the bottom stations.
Недостатком известных подводных обсерваторий является то, что состав их измерительных средств не позволяет решить задачу, связанную с комплексным исследованием параметров морской среды в придонной зоне, включая тектонические процессы, происходящие под морским дном, а также задачу геофизического мониторинга сложных гидротехнических сооружений.A disadvantage of the known underwater observatories is that the composition of their measuring instruments does not allow solving the problem associated with a comprehensive study of the parameters of the marine environment in the near-bottom zone, including tectonic processes occurring under the seabed, as well as the task of geophysical monitoring of complex hydraulic structures.
Выявленных недостатков лишено устройство, представляющее собой подводную обсерваторию (патент RU №2348950 [13]), состоящую из герметичного корпуса, установленного на раме, и содержащую средства регистрации геофизических сигналов, включающие донный сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, блок оптических измерений, средства хранения информации, средства связи с диспетчерской станцией, датчик пространственной ориентации, радиобуй, балласт, размыкатель балласта, дополнительно введены блок гидрохимических измерений, спектроанализатор, сейсмоакустический блок, блок гидроакустического телеуправления, блок контроля радиоактивного загрязнения, блок регистрации и управления, модем кабельной линии связи, в котором блок гидрохимических измерений своими входами соединен с выходами блока контроля радиоактивного загрязнения, спектроанализатора, а своим выходом соединен с входом блока регистрации и управления, который другими выходами соединен с выходами донного сейсмометра, гидрофизического модуля, датчика магнитного поля, блока оптических измерений, модемом кабельной линии связи, а входом-выходом соединен с входом-выходом блока гидроакустического телеуправления. Отличительные признаки по сравнению с известными устройствами [1-12], заключающиеся в том, что в известное устройство дополнительно введены блок гидрохимических измерений, спектроанализатор, сейсмоакустических блок, блок гидроакустического телеуправления, блок контроля радиоактивного загрязнения, блок регистрации и управления, модем кабельной линии связи, в котором блок гидрохимических измерений своими входами соединен с выходами блока контроля радиоактивного загрязнения, спектроанализатора, а своим выходом соединен с входом блока регистрации и управления, который другими выходами соединен с выходами донного сейсмометра, гидрофизического модуля, датчика магнитного поля, блока оптических измерений, модемом кабельной линии связи, а входом-выходом соединен с входом-выходом блока гидроакустического телеуправления, позволяют решить техническую задачу не только оперативной оценки сейсмического состояния исследуемых районов, но и позволяют решить задачу оперативной оценки гидродинамического состояния на границе вода-грунт, обусловленных изменением окружающей среды под воздействием процессов природного и техногенного характера.The deficiencies deprived of the device, which is an underwater observatory (patent RU No. 2348950 [13]), consisting of a sealed enclosure mounted on the frame, and containing means for recording geophysical signals, including a bottom seismometer, hydrophysical module, magnetic field sensor, optical measurement unit, information storage facilities, communication facilities with a control station, spatial orientation sensor, beacon, ballast, ballast disconnector, additionally introduced a block of hydrochemical measurements, spectrum analyzer, seismic acoustic unit, hydro-acoustic telecontrol unit, radioactive contamination control unit, registration and control unit, cable line modem, in which the hydrochemical measurement unit is connected by its inputs to the outputs of the radioactive contamination control unit, spectrum analyzer, and connected to the input of the registration unit by its output control, which is connected to the outputs of the bottom seismometer, hydrophysical module, magnetic field sensor, optical measurement unit, modem with other outputs cable communication line, and the input-output is connected to the input-output of the sonar remote control unit. Distinctive features in comparison with the known devices [1-12], namely, that a hydrochemical measurement unit, a spectrum analyzer, a seismoacoustic unit, a hydroacoustic remote control unit, a radioactive contamination control unit, a recording and control unit, a cable communication line modem are additionally introduced into the known device in which the unit of hydrochemical measurements with its inputs is connected to the outputs of the control unit of radioactive contamination, a spectrum analyzer, and its output is connected to the input of the unit p recording and control, which other outputs are connected to the outputs of the bottom seismometer, hydrophysical module, magnetic field sensor, optical measurement unit, cable line modem, and input-output connected to the input-output of the hydroacoustic telecontrol unit, allow solving the technical problem of not only operational assessment the seismic state of the studied areas, but they also allow us to solve the problem of the operational assessment of the hydrodynamic state at the water-soil boundary due to environmental changes under the influence of natural and man-made processes.
Однако состав измерительных средств данного устройства не позволяет выполнить анализ на содержание метана в водной среде в зонах размещения нефтегазовых трубопроводов при наличии утечек, а также определение координат газового образования. Кроме того, при использовании сейсмических датчиков электромеханического типа возможны нарушения в их работе при наличии ударов при постановке геофизической обсерватории на грунт, а также при отклонении положения сейсмических датчиков от вертикали на угол, больший максимально допустимого. Также ввиду небольшой собственной плавучести и небольшого внутреннего пространства сферы на обсерваторию невозможно установить блоки автономного питания большой емкости и, как следствие, невозможно увеличить срок автономной работы устройства без потери способности самостоятельного всплытия на водную поверхность.However, the composition of the measuring means of this device does not allow analysis for the methane content in the aquatic environment in the areas of oil and gas pipelines in the presence of leaks, as well as the determination of the coordinates of the gas formation. In addition, when using seismic sensors of the electromechanical type, disturbances in their operation are possible if there are shocks when the geophysical observatory is placed on the ground, as well as when the position of the seismic sensors deviates from the vertical by an angle greater than the maximum allowable. Also, due to the small buoyancy and the small internal space of the sphere, it is impossible to install autonomous power supply units of large capacity at the observatory and, as a result, it is impossible to increase the battery life of the device without losing the ability to independently ascend to the water surface.
В то же время посредством данных устройств, при их усовершенствовании, возможно решение следующих фундаментальных задач, заключающихся в изучении строения земной коры в акваториях мирового океана: исследование совокупности проявления геофизических полей в зонах тектонических разломов непосредственно на дне океана, исследование состояния морской среды в придонной зоне и ее взаимодействие с тектоническими процессами, геофизический мониторинг сложных гидротехнических сооружений, оперативная оценка сейсмического и гидродинамического состояния районов и прогноза возможных сейсмических и экологических последствий.At the same time, with the help of these devices, with their improvement, it is possible to solve the following fundamental problems consisting in studying the structure of the earth's crust in the waters of the oceans: studying the totality of the manifestation of geophysical fields in zones of tectonic faults directly on the ocean floor, studying the state of the marine environment in the bottom zone and its interaction with tectonic processes, geophysical monitoring of complex hydraulic structures, operational assessment of seismic and hydrodynamic state areas and forecast possible seismic and environmental impacts.
Известное устройство (заявка RU №2009116092 [5]) представляет собой подводную обсерваторию, состоящую из герметичного прочного корпуса, установленного на несущей раме, и содержащую средства регистрации геофизических и гидрофизических данных, включающие сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, средства связи с комплексом судовой аппаратуры, радиобуй, балласт, размыкатель балласта, блок гидрохимических измерений, блок гидроакустического телеуправления, блок регистрации и управления, в котором блок гидрохимических измерений своим выходом соединен с входом блока регистрации и управления, который другими входами соединен с выходами сейсмометра, гидрофизического модуля, датчика магнитного поля, а входом-выходом соединен с входом-выходом блока гидроакустического телеуправления, в которую дополнительно введены датчик обнаружения метана, соединенный своим выходом с блоком регистрации и управления, донный датчик давления, соединенный своим выходом с блоком регистрации и управления, датчик пространственной ориентации, соединенный своим входом-выходом с входом-выходом блока регистрации и управления; сейсмометр состоит из сейсмического модуля и сейсмоакустического модуля. При этом известная подводная обсерватория сочленена с судовым комплексом и устройством типа “Data”-буй, которые используются для обеспечения функционирования подводной обсерватории по прямому назначению. Кроме того, герметичный прочный корпус, установленный на несущей раме, имеет сферическую форму и выполнен из титана с отношением запаса плавучести к полной массе подводной обсерватории 1:1,35, несущая рама снабжена анкерным устройством, на выносной штанге которого установлен сейсмический модуль.The known device (application RU No. 2009116092 [5]) is an underwater observatory, consisting of a hermetically sealed solid case mounted on a supporting frame, and containing means for recording geophysical and hydrophysical data, including a seismometer, hydrophysical module, magnetic field sensor, communications with the complex ship equipment, beacon, ballast, ballast disconnector, hydrochemical measurement unit, hydroacoustic telecontrol unit, registration and control unit, in which hydrochemical measurement unit its output is connected to the input of the recording and control unit, which is connected by other inputs to the outputs of the seismometer, hydrophysical module, magnetic field sensor, and the input-output is connected to the input-output of the hydroacoustic telecontrol unit, into which the methane detection sensor is connected to its output with a registration and control unit, a bottom pressure sensor connected by its output to a registration and control unit, a spatial orientation sensor connected by its input-output to the input m-output of the registration and control unit; A seismometer consists of a seismic module and a seismic acoustic module. Moreover, the well-known underwater observatory is coupled with the ship complex and a device of the “Data” type, which are used to ensure the functioning of the underwater observatory for its intended purpose. In addition, the sealed durable housing mounted on the supporting frame has a spherical shape and is made of titanium with a buoyancy to total mass ratio of underwater observatory of 1: 1.35, the supporting frame is equipped with an anchor device, on the remote rod of which a seismic module is installed.
Благодаря новым отличительным признакам, заключающимся в том, что введены датчик обнаружения метана, соединенный своим выходом с блоком регистрации и управления, датчик пространственной ориентации, соединенный своим входом-выходом с входом-выходом блока регистрации и управления; сейсмометр состоит из сейсмического модуля и сейсмоакустического модуля; герметичный корпус сферической формы, установленный на несущей раме, выполнен из титана с отношением запаса плавучести к полной массе подводной обсерватории 1:1,35; несущая рама снабжена анкерным устройством, на выносной штанге которого установлен сейсмический модуль, обеспечивается возможность выполнить анализ на содержание в водной среде метана за счет ввода в состав измерительных средств датчика метана. Ввод в состав измерительных средств донного датчика давления, соединенного своим выходом с блоком регистрации и управления, позволяет с высокой точностью регистрировать изменение уровня моря и тем самым определять приближение и фиксировать прохождение волны цунами. Выполнение сейсмометра из двух модулей расширяет функциональные возможности устройства и повышает надежность проводимых исследований. Выполнение герметичного прочного корпуса из титана с отношением плавучести к полной массе подводной обсерватории 1:1,35 обеспечивает большую положительную плавучесть обсерватории и возможность установки элементов электрического питания повышенной емкости, обеспечение глубоководных исследований. Снабжение несущей рамы анкерным устройством, на выносной штанге которого установлен сейсмический модуль, позволяет регистрировать сейсмические сигналы на границе раздела вода-грунт.Thanks to the new distinctive features, namely, that a methane detection sensor has been introduced, connected by its output to the registration and control unit, a spatial orientation sensor, connected by its input-output to the input-output of the registration and control unit; a seismometer consists of a seismic module and a seismic acoustic module; a sealed spherical body mounted on a supporting frame made of titanium with a ratio of buoyancy to the total mass of the underwater observatory 1: 1.35; the supporting frame is equipped with an anchor device, on the remote rod of which a seismic module is installed, it is possible to analyze the content of methane in the aquatic environment by introducing a methane sensor into the measuring instruments. The introduction of a bottom pressure sensor connected to its recording and control unit to the measuring instrument with the aid of measuring instruments makes it possible to accurately record sea level changes and thereby determine the approach and record the propagation of a tsunami wave. The implementation of the seismometer of two modules expands the functionality of the device and increases the reliability of the research. The implementation of a sealed durable case made of titanium with a buoyancy to total mass ratio of the underwater observatory of 1: 1.35 provides a large positive buoyancy of the observatory and the possibility of installing high-capacity electric power elements, ensuring deep-sea research. The supply of the supporting frame with an anchor device, on the remote rod of which a seismic module is installed, allows you to register seismic signals at the water-soil interface.
Однако при использовании данной подводной обсерватории имеется ряд проблем, связанных с влиянием придонных течений на аппаратные шумы, сцеплением ее с мягким дном, микросейсмическими шумами, генерируемыми гравитационными волнами, особенностями распространения сейсмических сигналов в коре океанического типа и др. Например, придонные течения, особенно с рельефом дна в виде крутых склонов подводных гор, являются не коррелированными с направлением и скоростью ветра, что не позволяет из результатов наблюдений исключать данные помехи. При этом квазигармонические помехи могут возникать на частотах 1,3 Гц, 3 Гц и 6 Гц и занимать до 40% всего времени регистрации. Причем амплитуды этих помех неустойчивы и могут меняться примерно на 35 дБ.However, when using this underwater observatory, there are a number of problems associated with the effect of bottom currents on hardware noises, its adhesion to the soft bottom, microseismic noise generated by gravitational waves, the propagation of seismic signals in the oceanic crust, etc. For example, bottom currents, especially with bottom relief in the form of steep slopes of seamounts, are not correlated with the direction and speed of the wind, which does not allow to exclude these interference from the observation results. In this case, quasi-harmonic interference can occur at frequencies of 1.3 Hz, 3 Hz and 6 Hz and occupy up to 40% of the total recording time. Moreover, the amplitudes of these noises are unstable and can vary by about 35 dB.
Известна также подводная обсерватория (патент RU №2468395 C1, 27.11.2012 [13]), которая сочленена с судовым комплексом и устройством типа "Data"-буй и состоящая из герметичного прочного корпуса, установленного на несущей раме, и содержащая средства регистрации геофизических и гидрофизических данных, включающие сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, средства связи с комплексом судовой аппаратуры, радиобуй, балласт, размыкатель балласта, блок гидрохимических измерений, блок гидроакустического телеуправления, блок регистрации и управления, в котором блок гидрохимических измерений своим выходом соединен с входом блока регистрации и управления, который другими входами соединен с выходами сейсмометра, гидрофизического модуля, датчика магнитного поля, а входом-выходом соединен с входом-выходом блока гидроакустического телеуправления, дополнительно содержащая датчик обнаружения метана, соединенный своим выходом с блоком регистрации и управления, донный датчик давления, соединенный своим выходом с блоком регистрации и управления, датчик пространственной ориентации, соединенный своим входом-выходом с входом-выходом блока регистрации и управления; сейсмометр состоит из сейсмического модуля и сейсмоакустического модуля, при этом герметичный прочный корпус, установленный на несущей раме, имеет сферическую форму и выполнен из титана с отношением запаса плавучести к полной массе подводной обсерватории 1:1,35, несущая рама снабжена анкерным устройством, на выносной штанге которого установлен сейсмический модуль, отличается тем, что на несущей раме и в корпусе устройства типа "Data"-буй размещены датчики ядерно-магнитного резонанса, соединенные своими выходами с входом блока регистрации и управления, датчик ядерно-магнитного резонанса состоит из самарий-кобальтовых шайб, что позволяет устранить недостатки, присущие аналогам [1-12].Also known is an underwater observatory (patent RU No. 2468395 C1, 11.27.2012 [13]), which is articulated with a ship complex and a device of the type “Data” buoy and consisting of a hermetically sealed strong hull mounted on a supporting frame, and containing means for recording geophysical and hydrophysical data, including a seismometer, a hydrophysical module, a magnetic field sensor, communication equipment with a complex of ship equipment, a beacon, a ballast, a ballast breaker, a hydrochemical measurement unit, a hydroacoustic telecontrol unit, a recording and control unit an application in which the hydrochemical measurement unit is connected by its output to the input of the recording and control unit, which is connected by other inputs to the outputs of the seismometer, hydrophysical module, magnetic field sensor, and input-output is connected to the input-output of the hydro-acoustic telecontrol unit, additionally containing a methane detection sensor connected by its output to the registration and control unit, a bottom pressure sensor connected by its output to the registration and control unit, spatial orientation sensor Coupled with its input-output with the input-output register and control unit; the seismometer consists of a seismic module and a seismic-acoustic module, and the sealed strong case mounted on the supporting frame is spherical and made of titanium with a buoyancy to total mass ratio of 1: 1.35 underwater observatory; the supporting frame is equipped with an anchor device; the rod of which the seismic module is installed, is characterized in that the nuclear-magnetic resonance sensors are placed on the supporting frame and in the body of the "Data" buoy device, connected by their outputs to the input of the recording unit and control, the nuclear magnetic resonance sensor consists of samarium-cobalt washers, which eliminates the disadvantages inherent in analogues [1-12].
Однако известное устройство [13] имеют сложную конструкцию, включающую несущую раму, что усложняет постановку их на дно, особенно при постановке такого устройства, например, с нефтегазовой платформы или терминала для контроля гидрологических и физико-химических характеристик водных масс в целях мониторинга экологического состояния морской среды непосредственно у стационарного сооружения. Кроме того, при наличии несущей рамы остается проблема, связанная с влиянием придонных течений на аппаратные шумы, сцеплением их с мягким дном, микросейсмическими шумами, генерируемыми гравитационными волнами, особенностями распространения сейсмических сигналов в коре океанического типа и др. В общем случае придонные течения могут носить как ламинарный, так и турбулентный характер (вследствие наличия неровностей дна). При этом в низкочастотной части диапазона сейсмометра возможно возникновение помех за счет турбулентных явлений на крупных неровностях дна (до 10 м). В связи с этим практически полностью исключается возможность использования сейсмических приемников с инерционной массой на упругой подвеске, несмотря на то, что они имеют высокую чувствительность, широкий динамический и частотный диапазоны.However, the known device [13] has a complex structure, including a supporting frame, which complicates placing them to the bottom, especially when placing such a device, for example, from an oil and gas platform or terminal to control the hydrological and physico-chemical characteristics of water masses in order to monitor the ecological state of the marine environment directly at the stationary structure. In addition, in the presence of a supporting frame, there remains a problem associated with the influence of bottom currents on hardware noises, their adhesion to the soft bottom, microseismic noise generated by gravitational waves, features of the propagation of seismic signals in the oceanic crust, etc. In general, bottom currents can carry both laminar and turbulent in nature (due to bottom irregularities). At the same time, interference may occur in the low-frequency part of the seismometer range due to turbulent phenomena on large bottom irregularities (up to 10 m). In this regard, the possibility of using seismic receivers with inertial mass on an elastic suspension is almost completely excluded, despite the fact that they have high sensitivity, wide dynamic and frequency ranges.
В окраинных морях Российской Федерации в шельфовых зонах активно ведутся сейсмоакустические исследования, использующие методы активного зондирования. Для этого используются, как правило, системы пневмопушек или спаркеры и бумеры, суммарная мощность которых превышает биологически допустимые нормы. Известны исследования экологов, опубликованные в последние годы, о необратимых воздействиях мощных акустических импульсов на природу океана, что дает основания сформировать различные меры, ограничивающие плановое проведение морских сейсмических исследований. Преодоление ограничений за счет уменьшения мощности зондирующих сигналов в морской сейсморазведке до настоящего времени активно не рассматривалось, поскольку считалось, что в этом случае не обеспечивается решение главной задачи - получения качественных результатов сейсмопрофилирования. С другой стороны, в смежной отрасли - в подводной гидролокации используются методы когерентного зондирования, которые могут представлять интерес для систем морской сейсморазведки. Излучатели, применяемые в подводной гидролокации, имеют существенно меньшую мощность, а качество зондирования достигается за счет использования когерентных методов обработки принимаемых эхо-сигналов. Кроме того, использование, например, когерентного зондирования, посредством гидролокатора, позволит получить избыточную сейсмическую информацию, а также обеспечит исследование подводных конструкций морских терминалов, что позволит на ранней стадии выявить деформацию и трещины подводных конструкций. Из известных устройств, представляющих измерительные обсерватории для оперативного мониторинга морской среды в водах шельфово-склоновой зоны, наиболее близким аналогом является известная заякоренная профилирующая океанская обсерватория (Заякоренная профилирующая океанская обсерватория / А.Г. Островский, А.Г. Зацепин, В.Н. Иванов и др. // Подводные исследования и робототехника, №2(8), 2009, с.50-59, [14]), которая выбрана в качестве прототипа.In the marginal seas of the Russian Federation, offshore zones are actively conducting seismoacoustic studies using active sensing methods. For this, airgun systems or sparkers and boomers are used, as a rule, whose total power exceeds biologically permissible norms. Ecologists' studies published in recent years on the irreversible effects of powerful acoustic pulses on the nature of the ocean are known, which gives reason to form various measures restricting the planned conduct of marine seismic studies. Overcoming of limitations by reducing the power of sounding signals in marine seismic surveys has not been actively considered to date, since it was believed that in this case the solution to the main problem is not ensured - to obtain high-quality results of seismic profiling. On the other hand, in a related industry - in underwater sonar, coherent sounding methods are used that may be of interest for marine seismic systems. The emitters used in underwater sonar have a significantly lower power, and the sounding quality is achieved through the use of coherent methods of processing the received echo signals. In addition, the use of, for example, coherent sounding, by means of a sonar, will allow obtaining excess seismic information, as well as providing a study of the underwater structures of marine terminals, which will allow the early detection of deformation and cracks of underwater structures. Of the known devices representing measuring observatories for operational monitoring of the marine environment in the waters of the shelf-slope zone, the closest analogue is the well-known anchored profiling ocean observatory (Anchored profiling ocean observatory / A.G. Ostrovsky, A.G. Zatsepin, V.N. Ivanov et al. // Underwater research and robotics, No. 2 (8), 2009, pp. 50-59, [14]), which is selected as a prototype.
Известная заякоренная профилирующая океанская обсерватория [14, с.52] состоит из подповерхностного буя, заякоренного с помощью стального буйрепа, который служит ходовым тросом для профилирующего носителя, носителя с комплектом измерительных датчиков, включающих датчики измерения температуры, электропроводности и давления, акустический доплеровский измеритель течения, датчик растворенного в воде кислорода, модуль центрального микроконтроллера, электропривода и передвигающийся по ходовому тросу, системы цифровой связи посредством бесконтактной индуктивной врезки в ходовой трос, поверхностного буя-вехи с модемами передачи данных и телеметрической информации по радиоканалу, гидроакустического размыкателя якорного балласта.The well-known anchored profiling ocean observatory [14, p. 52] consists of a subsurface buoy anchored with a steel buoyer, which serves as a travel cable for a profiling carrier, a carrier with a set of measuring sensors, including temperature, conductivity and pressure sensors, an acoustic Doppler flow meter , a sensor of oxygen dissolved in water, a module of a central microcontroller, an electric drive and moving along a running cable, digital communication systems by means of ontaktnoy inductive tie-in cable suspension, of surface-buoy with modems milestone data and telemetric information by radio, sonar Isolation anchor ballast.
Преимуществами известной заякоренной профилирующей океанской обсерватории является меньший риск потери обсерватории, позволяет своевременно производить техническое обслуживание источников питания и очистку измерительных датчиков от биообрастателей. Радиосвязь в прибрежной зоне представляет собой экономическую альтернативу мобильной и спутниковой связи, поскольку передача информации по радиоканалу не имеет ограничений в частотном диапазоне.The advantages of the well-known anchored profiling ocean observatory are the lower risk of losing the observatory, which allows timely maintenance of power sources and cleaning of the measurement sensors from biofouling. Radio communication in the coastal zone is an economic alternative to mobile and satellite communications, since the transmission of information over a radio channel has no restrictions in the frequency range.
Однако недостатком известной заякоренной профилирующей океанской обсерватории является невозможность подключения к ним сейсмических датчиков, которые не допускают механических соединений с оборудованием, генерирующим низкочастотный шум. Поскольку ходовой трос является источником такого шума, то размещение сейсмических датчиков должно выполняться на некотором удалении от него. Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей и повышение надежности при эксплуатации сейсмических подводных обсерваторий.However, the disadvantage of the well-known anchored profiling ocean observatory is the impossibility of connecting seismic sensors to them, which do not allow mechanical connections with equipment that generates low-frequency noise. Since the running cable is the source of such noise, the placement of seismic sensors should be carried out at some distance from it. The objective of the proposed technical solution is to expand the functionality and increase reliability in the operation of seismic underwater observatories.
Поставленная задача решается за счет того, что в заякоренной профилирующей подводной обсерватории, сочлененной с диспетчерской станцией и состоящей из подповерхностного буя, заякоренного с помощью стального буйрепа, который служит ходовым тросом для профилирующего носителя с комплектом измерительных датчиков, включающих датчики измерения температуры, электропроводности и давления, акустический доплеровский измеритель течения, датчик растворенного в воде кислорода, модуль центрального микроконтроллера, электропривода и передвигающийся по ходовому тросу, системы цифровой связи посредством бесконтактной индуктивной врезки в ходовой трос, поверхностного буя-вехи с модемами передачи данных и телеметрической информации по радиоканалу, гидроакустического размыкателя якорного балласта, на ходовом тросе над гидроакустическим размыкателем якорного балласта закреплена нижняя плавучесть шарообразной формы, внутри которой размещен модем гидроакустического канала связи, электропривод, сочлененный с телескопическим устройством, в оконечности которого установлен сейсмометр, профилирующий носитель дополнительно содержит датчики содержания углеводородов, углекислого газа, альфа-, бета- и гамма-радиоактивности.The problem is solved due to the fact that in the anchored profiling underwater observatory, articulated with a control station and consisting of a subsurface buoy, anchored with a steel buoyer, which serves as a guide cable for the profiling medium with a set of measuring sensors, including temperature, electrical conductivity and pressure sensors , an acoustic Doppler flow meter, a sensor of oxygen dissolved in water, a module of a central microcontroller, an electric drive and I move running along the cable, digital communication systems by means of non-contact inductive insertion into the cable, surface buoy-pole with modems for transmitting data and telemetry information via radio channel, sonar breaker anchor ballast, on the running cable above the sonar breaker anchor ballast the lower buoyancy is fixed inside, which hosts a hydro-acoustic communication channel modem, an electric drive coupled to a telescopic device, at the tip of which a seismic is installed ometr, profiling medium further comprises sensors hydrocarbons, carbon dioxide, alpha-, beta- and gamma radioactivity.
Выполнение заякоренной профилирующей подводной обсерватории с размещением на ходовом тросе над гидроакустическим размыкателем якорного балласта нижней плавучести шарообразной формы, внутри которой размещен модем гидроакустического канала связи, электропривод, сочлененный с телескопическим устройством, в оконечности которого установлен сейсмограф, профилирующий носитель дополнительно содержит датчики содержания углеводородов, углекислого газа, альфа-, бета- и гамма-радиоактивности позволяет контролировать гидрологические и физико-химические характеристики водных масс в целях мониторинга экологического состояния морской среды непосредственно у стационарного сооружения. Решение этой задачи обеспечивает снижение рисков утраты или повреждения подводной обсерватории при ее постановки на дно, практически полное исключение влияния придонных течений на аппаратные шумы. Ввод в состав средств регистрации заякоренной профилирующей подводной обсерватории, сейсмографа позволяет получить сейсмическую информацию.An anchored profiling underwater observatory with a ball-shaped lower buoyancy anchor ballast of the lower buoyancy placed on a running cable above the hydroacoustic disconnector, inside of which there is a modem of a hydroacoustic communication channel, an electric drive coupled to a telescopic device at the tip of which a seismograph is installed, the profiling carrier additionally contains hydrocarbon content sensors, carbon gas, alpha, beta and gamma radioactivity allows you to control hydrological and physical co-chemical characteristics of water masses in order to monitor the ecological state of the marine environment directly at the stationary structure. The solution to this problem reduces the risk of loss or damage to the underwater observatory when it is placed on the bottom, and almost completely eliminates the influence of bottom currents on hardware noise. The introduction of an anchored profiling underwater observatory and a seismograph into the registration means allows obtaining seismic information.
В связи с активным освоением шельфа для нефте- и газодобычи прокладкой подводных трубопроводов и кабелей связи донные землетрясения и провоцируемые ими явления становятся чрезвычайно опасными как для самих морских сооружений, так и для экологии региона в целом. Кроме того, имеется возможность появления наведенной сейсмичности при извлечении больших объемов нефти и газа из земных недр. Размещение подводной обсерватории непосредственно в зоне добычи и транспортировки углеводородов позволяет заблаговременно оценить возможную угрозу жизнедеятельности морских терминалов.In connection with the active development of the shelf for oil and gas production by laying underwater pipelines and communication cables, bottom earthquakes and the phenomena that they provoke become extremely dangerous both for the offshore structures themselves and for the ecology of the region as a whole. In addition, there is the possibility of induced seismicity during the extraction of large volumes of oil and gas from the bowels of the earth. Placing an underwater observatory directly in the hydrocarbon production and transportation zone allows you to evaluate in advance a possible threat to the life of marine terminals.
Сущность технического решения поясняется чертежами.The essence of the technical solution is illustrated by drawings.
Фиг.1. Схема размещения заякоренной профилирующей подводной обсерватории. Заякоренная профилирующая подводная обсерватория выполнена в виде вертикально профилирующего носителя 1, размещенного на ходовом тросе 2 между подповерхностным буем 3 и нижней плавучестью 4. Ходовой трос 2 закреплен на балласте 5 посредством гидроакустического размыкателя 6.Figure 1. Layout of the anchored profiling underwater observatory. The anchored profiling underwater observatory is made in the form of a vertically profiling carrier 1, placed on the
Подповерхностный буй 3 соединен кабелем 7 с поверхностным буем-вехи 8 с модемами передачи данных и телеметрической информации по радиоканалу на диспетчерскую станцию 9, которая может располагаться на берегу или судне.The subsurface buoy 3 is connected by cable 7 to the surface buoy-milestone 8 with modems for transmitting data and telemetry information via radio channel to the control station 9, which can be located on the shore or ship.
Поверхностный буй-веха 8 представляет собой веху Фруда с расположенной в верхней точке надводной части радиоантенной 14 типа ANLI A-100MU. Встроенный в буй-веху 8 радиомодем 15 типа INTEGRA TR питается от комплекта свинцово-гелевых аккумуляторов 16, которые являются основным балластом буй-вехи 8. Внутри нижней плавучести 4 расположен электропривод 10, сочлененный с телескопическим устройством 11, в оконечности которого установлен сейсмометр 12, а также модем 13 гидроакустического канала связи с диспетчерской станцией 9.The surface buoy-milestone 8 is a Froude milestone with the ANLI A-100MU type antenna antenna 14 located at the top of the surface of the surface. The INTEGRA TR type 15 radio modem 15 built into the buoy-pole 8 is powered by a set of lead-gel batteries 16, which are the main ballast of the buoy-pole 8. Inside the lower buoyancy 4 there is an electric drive 10, coupled with a telescopic device 11, at the tip of which a seismometer 12 is installed, as well as a modem 13 sonar communication channel with the control station 9.
Фиг.2. Блок-схема заякоренной профилирующей подводной обсерватории. Заякоренная профилирующая подводная обсерватория, вертикально профилирующий носитель 1, в котором размещены датчики измерения температуры 16, электропроводности 17 и давления 18, акустический доплеровский измеритель течения 19, датчик растворенного в воде кислорода 20, модуль 21 центрального микроконтроллера, электропривод 22 для перемещения по ходовому тросу 2 вертикально профилирующего носителя 1, система 23 цифровой связи посредством бесконтактной индуктивной врезки в ходовой трос 2, профилирующий носитель 1 дополнительно содержит датчики содержания углеводородов 24, углекислого газа 25, альфа-, бета- и гамма-радиоактивности 26, источник питания 27. Заякоренная профилирующая подводная обсерватория может устанавливаться непосредственно с диспетчерской станции 9 или с маломерного плавающего средства. Для буксировки заякоренной профилирующей подводной обсерватории от морского терминала, например добычной платформы, достаточно маломерного плавательного средства, например резиновой лодки. Вертикально профилирующий носитель 1 устанавливается на ходовом тросе 2, натянутом вертикально между верхней плавучестью 3 (приповерхностной плавучестью) и нижней плавучестью 4 (придонной плавучестью), которая в свою очередь закреплена на ходовом тросе 2.Figure 2. Block diagram of an anchored profiling underwater observatory. An anchored profiling underwater observatory, a vertically profiling carrier 1, which houses temperature sensors 16,
После установки вертикально профилирующего носителя 1 на ходовом тросе 2 и постановки на дно балласта 5 включается электропривод 20. Вертикально профилирующий носитель 1 начинает автоматически со скоростью около 0.2 м/с передвигаться по вертикально натянутому ходовому тросу 2 между верхней плавучестью 3 и нижней плавучестью 4.After installing the vertically profiling carrier 1 on the running
Внутри нижней плавучести 4 расположен электропривод 10, сочлененный с телескопическим устройством 11, в оконечности которого установлен сейсмограф 12, а также модем 13 с гидроакустической антенной гидроакустического канала связи с диспетчерской станцией 9.Inside the lower buoyancy 4 there is an electric actuator 10, articulated with a telescopic device 11, at the tip of which a seismograph 12 is installed, as well as a modem 13 with a hydroacoustic antenna for a hydroacoustic communication channel with a control station 9.
После постановки балласта 5 на дно подается сигнал на электропривод 10, сочлененный с телескопическим устройством 11, и установленный в оконечности телескопического устройства 11 сейсмограф 12 занимает рабочее положение на некотором расстоянии от ходового троса 2.After setting the ballast 5 to the bottom, a signal is supplied to the electric drive 10, articulated with the telescopic device 11, and the seismograph 12 installed at the tip of the telescopic device 11 occupies an operating position at some distance from the running
Измерение сейсмических сигналов производится с помощью сейсмометра 12, который включает сейсмический модуль, который функционально объединен с сейсмоакустическим модулем для компактности и обеспечения проведения измерений одновременно несколькими датчиками различных конструкций, что приводит к повышению точности и надежности проводимых измерений.The measurement of seismic signals is carried out using a seismometer 12, which includes a seismic module, which is functionally combined with a seismic acoustic module for compactness and for providing measurements simultaneously by several sensors of various designs, which leads to an increase in the accuracy and reliability of measurements.
Сейсмометр 12 предназначен для обеспечения непрерывного сейсмического мониторинга морского дна в широком частотном диапазоне и включает в себя датчики: электрохимический велосиметр типа СМЕ-3011-3, представляющий собой трехкомпонентный сейсмический датчик, предназначенный для регистрации сейсмических колебаний донной поверхности вдоль трех ортогональных направлений; датчик сильных движений, представляющий собой трехкомпонентный векторный сейсмометр; датчик пространственной ориентации.Seismometer 12 is designed to provide continuous seismic monitoring of the seabed in a wide frequency range and includes sensors: electrochemical cycle meter type СМЕ-3011-3, which is a three-component seismic sensor designed to record seismic vibrations of the bottom surface along three orthogonal directions; strong motion sensor, which is a three-component vector seismometer; spatial orientation sensor.
Датчик сильных движений снабжен сенсором, который состоит из магнитоупругого кристаллического преобразователя, постоянного магнита высокой энергии, трех независимых электрических обмоток и единой инертной массы, а также предварительного усилителя и преобразует три компоненты вектора акустических колебаний донной поверхности по трем ортогональным направлениям в электрические сигналы. Он имеет велаксметрическую характеристику, которая, по сравнению с характеристиками традиционных приборов для измерения вибросмещений, имеет высокую частотно-зависимую чувствительность к смещениям. При этом чувствительность при увеличении частоты в 10 раз увеличивается в 1000 раз.The strong motion sensor is equipped with a sensor, which consists of a magnetoelastic crystalline transducer, a high energy permanent magnet, three independent electrical windings and a single inertial mass, as well as a pre-amplifier and converts the three components of the acoustic vector of the bottom surface in three orthogonal directions into electrical signals. It has a velocity characteristic, which, in comparison with the characteristics of traditional instruments for measuring vibration displacements, has a high frequency-dependent sensitivity to displacements. In this case, the sensitivity increases by a factor of 10 by a factor of 1000.
Для сравнения следует упомянуть, что при таком же увеличении частоты чувствительность обычных велосиметров увеличивается в 10 раз, а обычных акселерометров - увеличивается в 100 раз.For comparison, it should be noted that with the same increase in frequency, the sensitivity of conventional bicycles increases 10 times, and that of conventional accelerometers increases 100 times.
Собственные шумы магнитоупругого сенсора меньше собственных шумов сейсмометра и намного меньше собственных шумов акселерометра.The intrinsic noise of the magnetoelastic sensor is less than the intrinsic noise of the seismometer and much less than the intrinsic noise of the accelerometer.
Магнитоупругий сенсор с крутой амплитудно-частотной характеристикой может одновременно регистрировать смещения в существенном диапазоне - более 240 дБ, что позволяет одновременно измерять амплитуды смещений менее 10-15 м на частотах более 1000 Гц и более 10-3 м на частотах менее 1 Гц.A magnetoelastic sensor with a steep amplitude-frequency characteristic can simultaneously detect displacements in a substantial range of more than 240 dB, which allows simultaneous measurements of displacement amplitudes of less than 10 -15 m at frequencies of more than 1000 Hz and more than 10 -3 m at frequencies of less than 1 Hz.
Как и в прототипе [14], модуль 21 центрального микроконтроллера по заданной программе управляет электроприводом 10, обеспечивающим движение вертикально профилирующего носителя 1, выполняет сбор и обработку данных с датчиков измерения температуры 16, электропроводности 17 и давления 18, акустического доплеровского измерителя течения 19, датчика растворенного в воде кислорода 20, а также выполняет сбор и обработку данных с датчиков содержания углеводородов 24, углекислого газа 25, альфа-, бета- и гамма-радиоактивности 26.As in the prototype [14], the
В качестве датчиков измерения температуры 16, электропроводности 17 и давления 18, акустического доплеровского измерителя течения 19, могут быть использованы датчики, аналогичные датчикам прототипа [14], например акустический трехкомпонентный измеритель течений типа 3D-ACM модель 3ACM-CBP-S и измеритель электропроводности с датчиком температуры, выполненный на основе измерителя скорости течения типа CTS-C-1ED.As sensors for measuring temperature 16,
Датчик растворенного в воде кислорода 20 может быть использован, как и в прототипе, типа (AANDERAA Oxygen Optode 4330F).The sensor dissolved in
Датчик содержания углеводородов 24 представляет собой датчик типа METS ("CAPSUM"), который позволяют измерять концентрацию метана в водной толще. Датчик представляет собой полупроводниковый прибор, принцип работы которого заключается в том, что диффузия молекул углеводородов из воды через специальную силиконовую мембрану транслируется в камеру датчика. Адсорбция молекул углеводов на активном слое датчика приводит к электронному обмену с молекулами кислорода, таким образом, меняя сопротивление активного слоя, которое преобразуется в выходное (измеряемое) напряжение.The
Основные характеристики датчика: 10 мкм силиконовая мембрана; рабочая глубина 0-3500 м; рабочая температура 2-20 градусов С; время измерения от 1 до 3 сек; время стабилизации диффузии до 5 минут, в зависимости от турбулентности; входное напряжение 9-36 В; расход энергии 160 мА/ч; выходной сигнал - аналоговый 0-5 В и цифровой RS - 485; метан 50 нмоль/л - 10 мкмоль/л.Main characteristics of the sensor: 10 microns silicone membrane; working depth 0-3500 m; operating temperature 2-20 degrees C; measurement time from 1 to 3 seconds; diffusion stabilization time up to 5 minutes, depending on turbulence; input voltage 9-36 V; power consumption 160 mA / h; output signal - analog 0-5 V and digital RS - 485; methane 50 nmol / L - 10 μmol / L.
Датчик содержания углекислого газа 25 предназначен для измерения спектров комбинационного рассеяния оптического излучения в составе заякоренной профилирующей подводной обсерватории посредством спектроанализатора. По спектрам комбинационного рассеивания получают информацию о составе морской воды. Основные технические характеристики спектроанализатора: спектральный диапазон 0,52-0,78 мкм, полоса пропускания 0,54 нм на 0,783 мкм, точность позиционирования по спектру 0,2 нм, число спектральных каналов 4096.The
Датчики содержания альфа-, бета- и гамма-радиоактивности 26 объединены в блок гидрохимических измерений, который также содержит модуль контроля радиационного загрязнения, который предназначен для определения in situ содержания гамма-излучающих радионуклидов (как техногенного, так и естественного происхождения) в морской воде.Alpha, beta, and gamma
Основные технические характеристики модуля контроля радиационного загрязнения: диапазон регистрируемых энергий 0,2-3,0 мэВ, энергетическое разрешение по линии цезия 137 13%, число уровней квантования спектра 256, максимальное число отсчетов в канале 65 000, максимальная скорость регистрации не менее 1000 1/с. Блок гидрохимических измерений также содержит классификатор для классификации загрязнений морской воды по спектральным характеристикам и молекулярному составу морской воды, включающий датчик ядерно-магнитного резонанса, который представляет собой минимагнитную систему, состоящую из самарий-кобальтовых шайб с большой постоянной намагниченностью и большой энергоемкостью. 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 и предназначен для выявления распределения температуры морской воды, солености, наличие кислорода на фиксированном разрезе. Известно, что в морской воде содержится большое количество парамагнитных примесей в виде парамагнитных ионов переходных металлов и их комплексных соединений в парамагнитном состоянии. По сигналам, полученным с датчика ядерно-магнитного резонанса, строят графики распределения времени спин-решеточной релаксации (T1) (так называемые изолинии T1) в поверхностном и в придонном слоях воды. Полученные изолинии позволяют "оконтурить" зоны влияния на компонентный состав приповерхностной и придонной морской воды таких источников парамагнитных примесей, как речной сток и области геохимической аномалии, приуроченные к геологическому разлому. По выявленным трассерам устанавливают динамику водных масс в зоне установки подводной обсерватории. По концентрационным полям парамагнитных примесей определяют степень загрязнения техногенного характера.The main technical characteristics of the radiation pollution control module are: the range of recorded energies is 0.2-3.0 meV, the energy resolution along the cesium line is 137 13%, the number of quantization levels of the spectrum is 256, the maximum number of samples in the channel is 65,000, and the maximum recording speed is at least 1000 1 /from. The hydrochemical measurement unit also contains a classifier for classifying seawater pollution by spectral characteristics and molecular composition of sea water, including a nuclear magnetic resonance sensor, which is a minimagnetic system consisting of cobalt washer samarium with large constant magnetization and high energy intensity. With a magnet mass of 9 kg, it is possible to achieve a magnetic field induction in its gap of up to 1.5 T. Thus, with smooth mechanical adjustment of the interpolar distance of the magnetic system, the working frequency can vary from 12 to 60 MHz for protons while maintaining a fairly high uniformity. The magnet operates without the consumption of energy and is designed to detect the distribution of sea water temperature, salinity, the presence of oxygen in a fixed section. It is known that in seawater contains a large number of paramagnetic impurities in the form of paramagnetic transition metal ions and their complex compounds in the paramagnetic state. Using the signals received from the nuclear magnetic resonance sensor, graphs of the distribution of the spin-lattice relaxation time (T 1 ) (the so-called isolines T 1 ) are constructed in the surface and in the bottom layers of water. The obtained contours make it possible to "outline" the zones of influence on the component composition of near-surface and near-bottom seawater of such sources of paramagnetic impurities as river flow and areas of geochemical anomaly associated with a geological fault. The identified tracers establish the dynamics of water masses in the installation area of the underwater observatory. The concentration fields of paramagnetic impurities determine the degree of pollution of anthropogenic nature.
Датчик ядерно-магнитного резонанса может быть конструктивно установлен как на вертикально профилирующем носителе 1, так и в корпусах нижней 4 и подповерхностной плавучести 3, который используется для обеспечения функционирования заякоренной профилирующей подводной обсерватории по прямому назначению или в двух вариантах, что существенно повышает информативность устройства в целом.The nuclear magnetic resonance sensor can be structurally mounted both on the vertically profiling carrier 1 and in the lower 4 and buoyancy 3 bodies, which is used to ensure the functioning of the anchored profiling underwater observatory for its intended purpose or in two versions, which significantly increases the information content of the device in whole.
Модуль 21 центрального микроконтроллера передает данные с помощью индуктивного модема на подповерхностную плавучесть 3.
Блок питания 27 предназначен для обеспечения возможности длительной автономной работы устройства и собран на параллельно соединенных секциях последовательно соединенных литиевых или щелочных батарей типа D.The
Модем гидроакустического канала 13 связи предназначен для обеспечения связи сейсмометра 12 с комплексом обработки информации, установленным на диспетчерской стации.The modem of the hydroacoustic communication channel 13 is designed to provide communication between the seismometer 12 and the information processing complex installed at the dispatch station.
Балласт 6 с гидроакустическим размыкателем предназначен для проведения спусковых и подъемных работ заякоренной профилирующей подводной обсерватории. Управляющий компьютер диспетчерской станции 9 и программно-математическое обеспечение, служба реального времени предназначены для управления оборудованием подводной обсерватории, диагностирования ее неисправностей, приема данных, получаемых с подводной обсерватории, и размещения получаемых данных на устройствах накопления информации. Функционирование всего аппаратно-программного комплекса определяется файлом конфигурации, который создается специальной программой и задает наличие подводных обсерваторий, тип используемых геофизических каналов, параметры каналов, а также наличие или отсутствие аппаратуры синхронизации времени (приемник GPS).Ballast 6 with a hydroacoustic disconnector is designed for launching and lifting operations of the anchored profiling underwater observatory. The control computer of the dispatching station 9 and the software and mathematical support, the real-time service are designed to control the equipment of the underwater observatory, diagnose its malfunctions, receive data received from the underwater observatory, and place the received data on information storage devices. The functioning of the entire hardware and software complex is determined by the configuration file, which is created by a special program and sets the presence of underwater observatories, the type of geophysical channels used, channel parameters, as well as the presence or absence of time synchronization equipment (GPS receiver).
При запуске программы регистрации считывается конфигурация всей сети подводной обсерватории и производится привязка времени по Гринвичу с точностью до нескольких десятков микросекунд и расчет поправок к частоте кварца компьютера для поддержания функционирования комплекса в случае кратковременного отказа приемника GPS.When the registration program is launched, the configuration of the entire network of the underwater observatory is read and the Greenwich time is referenced to within a few tens of microseconds and the corrections are calculated to the quartz frequency of the computer to maintain the functioning of the complex in the event of a short-term GPS receiver failure.
Синхронизация времени осуществляется каждую секунду от приемника GPS.Time synchronization is carried out every second from the GPS receiver.
Вслед за синхронизацией происходит опрос, программирование, синхронизация и запуск оборудования заякоренной профилирующей подводной обсерватории. Запрашивается состояние оборудования заякоренной профилирующей подводной обсерватории (ее исправность, наличие каналов, исправность каналов и т.д.). В случае возникших проблем на экран выдается соответствующее сообщение (оно также записывается в файл протокола функционирования). В модуль 21 центрального микроконтроллера заякоренной профилирующей подводной обсерватории передается программа работы для каждого измерительного канала, частота опроса и коэффициент усиления.Following synchronization, there is a survey, programming, synchronization and launch of equipment of the anchored profiling underwater observatory. The state of the equipment of the anchored profiling underwater observatory is requested (its serviceability, availability of channels, serviceability of channels, etc.). In case of problems, an appropriate message is displayed on the screen (it is also recorded in the operation protocol file). The
Перед запуском модуль 21 центрального микроконтроллера заякоренной профилирующей подводной обсерватории синхронизируется по времени компьютера диспетчерской станции 9 (в дальнейшем синхронизация проводится каждые 10 с). При синхронизации учитывается время прохождения сигнала от компьютера диспетчерской станции 9 до синхронизируемого модуль 21 центрального микроконтроллера заякоренной профилирующей подводной обсерватории. После этого модуль 21 центрального микроконтроллера заякоренной профилирующей подводной обсерватории запускается и начинает сбор данных с измерительных каналов. Модуль 21 центрального микроконтроллера заякоренной профилирующей подводной обсерватории всю информацию сжимает и складывает в буферную память.Before starting, the
Управляющий компьютер диспетчерской станции 9 циклически запрашивает у модуля 21 центрального микроконтроллера заякоренной профилирующей подводной обсерватории данные, о зарегистрированных датчиками сигналов и, в случае их наличия, принимает их и записывает в свои буфера в оперативной памяти. После накопления достаточного количества данных для канала они переписываются в файл, соответствующий типу канала. Обычно эти файлы расположены на другом компьютере и доступны по локальной сети, хотя для кратковременных экспериментов система может быть сконфигурирована таким образом, что будет использоваться локальный диск. При кратковременных разрывах связи (до 10 мин) данные не теряются в силу наличия у каждого блока управления и регистрации достаточно большого собственного буфера. В процессе обмена данными оператором может быть проведена калибровка любого измерительного канала, входящего в состав сети диспетчерской станции. При возникновении нештатных ситуаций (разрыв связи с заякоренной профилирующей подводной обсерваторией, ее поломка, отказ отдельных каналов либо восстановление вышеперечисленного), а также некоторых штатных ситуаций - возникновение события или запуск калибровки соответствующего измерительного канала, выдается сообщение на экран, включающее время по Гринвичу наступления ситуации, имена подводных обсерваторий и канала и само сообщение. Сообщения также записываются в буфер размером 100 строк и в файл протокола. Буфер может быть просмотрен оператором в любое время.The control computer of the dispatching station 9 cyclically requests data from the
Измерительные датчики заякоренной профилирующей подводной обсерватории после постановки на дно балласта 5 функционируют по прямому назначению.Measuring sensors of the anchored profiling underwater observatory, after being placed at the bottom of the ballast 5, function for their intended purpose.
Зарегистрированные датчиками сигналы записываются на средства хранения информации, при сеансах связи передаются на диспетчерскую станцию, где выполняется полный анализ оценки сейсмического и гидродинамического состояния исследуемых районов, по результатам которого делается прогноз о возможных сейсмических и экологических последствиях природного и техногенного характера.The signals registered by the sensors are recorded on the information storage means, during communication sessions they are transmitted to the dispatch station, where a complete analysis of the assessment of the seismic and hydrodynamic state of the studied areas is performed, based on which a forecast is made about the possible seismic and environmental consequences of a natural and technogenic nature.
Заякоренная профилирующая подводная обсерватория предназначена для решения следующих задач:An anchored profiling underwater observatory is designed to solve the following problems:
- изучения строения земной коры в акваториях Мирового океана;- study of the structure of the earth's crust in the waters of the oceans;
- исследования совокупности проявления геофизических полей в зонах тектонических разломов непосредственно на дне океана;- studies of the totality of the manifestation of geophysical fields in zones of tectonic faults directly at the bottom of the ocean;
- исследования состояния морской среды в придонной зоне и ее взаимодействие с тектоническими процессами;- studies of the state of the marine environment in the bottom zone and its interaction with tectonic processes;
- геофизического и геоэкологического мониторинга сложных гидротехнических сооружений;- geophysical and geoecological monitoring of complex hydraulic structures;
- оперативной оценки сейсмического и гидродинамического состояния районов и прогноза возможных сейсмических и экологических последствий;- operational assessment of the seismic and hydrodynamic state of the regions and the forecast of possible seismic and environmental consequences;
- раннего оповещения с существенным повышением точности прогноза землетрясений и цунами;- early warning with a significant increase in the accuracy of the forecast of earthquakes and tsunamis;
- выявления предвестников сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических предвестников катастрофических землетрясений, очаги которых находятся под дном океана, осуществление среднесрочного и краткосрочного прогноза землетрясений с магнитудой 5,5 и выше;- identification of precursors of seismic, geodeformation, geochemical, hydrophysical precursors of catastrophic earthquakes, the sources of which are under the ocean floor, the implementation of medium-term and short-term forecast of earthquakes with magnitude 5.5 and higher;
- контроля изменений напряженно-деформированного состояния участков земной коры шельфовых зон вблизи разрабатываемых месторождений нефти и газа, вызванных извлечением углеводородов, законтурной закачкой воды и другими искусственными воздействиями на углеводородный пласт;- control of changes in the stress-strain state of the sections of the earth’s crust of offshore zones near the developed oil and gas fields caused by hydrocarbon recovery, bypass water injection and other artificial influences on the hydrocarbon reservoir;
- выбора экологически безопасных режимов эксплуатации месторождений;- the choice of environmentally sound modes of field exploitation;
- прогноза развития деформаций земной коры и наведенной сейсмичности;- prediction of the development of crustal deformations and induced seismicity;
- прогноза небольших местных землетрясений, опасных повреждением скважин, нефтяных платформ/подводных трубопроводов;- prediction of small local earthquakes hazardous to damage to wells, oil platforms / subsea pipelines;
- исследования месторождений морских газогидратов.- research of deposits of marine gas hydrates.
Применение предлагаемой заякоренной профилирующей подводной обсерватории позволит проводить исследования в придонной области океана на новом качественном уровне, дающем возможность не только регистрировать геофизические, гидрохимические, гидрофизические и гидроакустические параметры, но и оценивать взаимосвязи между этими параметрами, а также выявлять сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических предвестников катастрофических землетрясений, очаги которых находятся под дном океана, и тем самым существенно повысить точность прогноза землетрясений и цунами.The use of the proposed anchored profiling underwater observatory will make it possible to conduct research in the near-bottom region of the ocean at a new qualitative level, making it possible not only to record geophysical, hydrochemical, hydrophysical and hydroacoustic parameters, but also to evaluate the relationships between these parameters, as well as to identify seismic, geodeformation, geochemical, hydrophysical harbingers of catastrophic earthquakes, the foci of which are under the ocean floor, and thereby significantly Sit the accuracy of prediction of earthquakes and tsunamis.
Кроме того, применение предлагаемой конструкции заякоренной профилирующей подводной обсерватории позволяет также осуществлять контроль изменений напряженно-деформированного состояния участков земной коры шельфовых зон вблизи разрабатываемых месторождений нефти и газа, вызванных извлечением углеводородов, законтурной закачкой воды и другими искусственными воздействиями на углеводородный пласт, прогнозировать небольшие местные землетрясения, опасные повреждением скважин, нефтяных платформ/подводных трубопроводов, прогнозировать аварийные ситуации, тем самым способствовать снижению экологической опасности при эксплуатации морских промышленных объектов.In addition, the application of the proposed design of the anchored profiling underwater observatory also allows monitoring changes in the stress-strain state of the sections of the earth’s crust of shelf zones near the developed oil and gas fields caused by hydrocarbon recovery, bypass water injection and other artificial influences on the hydrocarbon reservoir, and to predict small local earthquakes hazardous to damage to wells, oil platforms / subsea pipelines, predicted s emergency situations, thus help to reduce environmental risk in the operation of offshore industrial facilities.
Реализация устройства технической сложности не представляет, так как устройство реализовано на серийно выпускаемых датчиках и элементах микроэлектроники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "промышленная применимость".The implementation of the device is not of technical complexity, since the device is implemented on commercially available sensors and elements of microelectronics, which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the patentability condition "industrial applicability".
Источники информацииInformation sources
1. Патент RU №2270464.1. Patent RU No. 2270464.
2. Патент RU №2276388.2. Patent RU No. 2276388.
3. Патент RU №2294000.3. Patent RU No. 2294000.
4. Башилов И.П. и др. Донные геофизические обсерватории: методы конструирования и области применения / Научное приборостроение, 2008, т.18, №2, с.93-95.4. Bashilov I.P. and other Bottom Geophysical Observatories: design methods and applications / Scientific Instrumentation, 2008, vol. 18, No. 2, pp. 93-95.
5. Патент RU 2009116092 A, 20.11.2010.5. Patent RU 2009116092 A, 11.20.2010.
6. Подводная геофизическая обсерватория / ОКБ ОТ РАН / 2-я Международная специализированная выставка «SIMEXPO - Научное приборостроение». - М., 13.10.2008.6. Underwater Geophysical Observatory / Design Bureau of OT RAS / 2nd International Specialized Exhibition "SIMEXPO - Scientific Instrument Making". - M., October 13, 2008.
7. Патент RU №2331876 C2, 20.08.2008.7. Patent RU No. 2331876 C2, 08.20.2008.
8. Патент EP №0519031.8. EP patent No. 0519031.
9. Патент NO №911639.9. Patent NO No. 911639.
10. Патент EP №0516662 [10].10. EP patent No. 0516662 [10].
11. Средства и методы океанологических исследований. Смирнов Г.В., Еремеев В.Н., Агеев М.Д. и др. - М., Наука, 2005.11. Means and methods of oceanological research. Smirnov G.V., Eremeev V.N., Ageev M.D. et al. - M., Nauka, 2005.
12. Патент AU №2002100749, 04.09.2002.12. Patent AU No. 2002100749, 09/04/2002.
13. Патент RU №2468395С1, 27.11.201213. Patent RU No. 2468395C1, 11.27.2012
14. Заякоренная профилирующая океанская обсерватория / А.Г. Островский, А.Г. Зацепин, В.Н. Иванов и др. // Подводные исследования и робототехника, №2(8), 2009, с.50-59.14. Anchored profiling ocean observatory / A.G. Ostrovsky, A.G. Zatsepin, V.N. Ivanov et al. // Underwater Research and Robotics, No. 2 (8), 2009, pp. 50-59.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014112153/11A RU2545159C1 (en) | 2014-03-28 | 2014-03-28 | Anchored profiling underwater observatory |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014112153/11A RU2545159C1 (en) | 2014-03-28 | 2014-03-28 | Anchored profiling underwater observatory |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2545159C1 true RU2545159C1 (en) | 2015-03-27 |
Family
ID=53383194
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014112153/11A RU2545159C1 (en) | 2014-03-28 | 2014-03-28 | Anchored profiling underwater observatory |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2545159C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2617525C1 (en) * | 2015-11-16 | 2017-04-25 | Владимир Васильевич Чернявец | Anchored profiling underwater observatory |
| RU2625100C1 (en) * | 2016-07-22 | 2017-07-11 | Владимир Васильевич Чернявец | Method for predicting seismic event and observing system for seismic researches |
| RU2687894C2 (en) * | 2017-05-15 | 2019-05-16 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Method of monitoring electric conductivity of a marine environment in a remote area |
| RU214461U1 (en) * | 2022-06-27 | 2022-10-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИМГиГ ДВО РАН) | AUTONOMOUS HYDROSTATIC PRESSURE RECORDER |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004044618A2 (en) * | 2002-11-13 | 2004-05-27 | Universita' Degli Studi Di Milano | Floating weather station |
| RU2468395C1 (en) * | 2011-03-16 | 2012-11-27 | Сергей Борисович Зверев | Underwater observatory |
-
2014
- 2014-03-28 RU RU2014112153/11A patent/RU2545159C1/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004044618A2 (en) * | 2002-11-13 | 2004-05-27 | Universita' Degli Studi Di Milano | Floating weather station |
| RU2468395C1 (en) * | 2011-03-16 | 2012-11-27 | Сергей Борисович Зверев | Underwater observatory |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| А.Г.ОСТРОВСКИЙ и др. Подводные исследования и робототехника, N2(8), 2009, с.50-59. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2617525C1 (en) * | 2015-11-16 | 2017-04-25 | Владимир Васильевич Чернявец | Anchored profiling underwater observatory |
| RU2625100C1 (en) * | 2016-07-22 | 2017-07-11 | Владимир Васильевич Чернявец | Method for predicting seismic event and observing system for seismic researches |
| RU2687894C2 (en) * | 2017-05-15 | 2019-05-16 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Method of monitoring electric conductivity of a marine environment in a remote area |
| RU2810706C2 (en) * | 2021-11-29 | 2023-12-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук | Radio telemetry device for measuring hydrometeorological parameters in sea coastal zone |
| RU214461U1 (en) * | 2022-06-27 | 2022-10-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИМГиГ ДВО РАН) | AUTONOMOUS HYDROSTATIC PRESSURE RECORDER |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2617525C1 (en) | Anchored profiling underwater observatory | |
| RU2431868C1 (en) | Method for seismic exploration when searching for hydrocarbons and seismic system for realising said method | |
| Kato et al. | Real-time observation of tsunami by RTK-GPS | |
| RU2433425C2 (en) | Method for seismic prospecting hydrocarbons and method of determining attitude of producing formations on hydrocarbons and seismic station for realising said method | |
| Sutton et al. | Ocean-bottom seismic observatories | |
| Mangano et al. | Long term underwater monitoring of seismic areas: Design of an ocean bottom seismometer with hydrophone and its performance evaluation | |
| RU2545159C1 (en) | Anchored profiling underwater observatory | |
| RU2554283C1 (en) | Small-size bottom seismic module | |
| RU2436134C1 (en) | Method for rapid investigation of atmosphere, earth's surface and ocean | |
| RU2468395C1 (en) | Underwater observatory | |
| RU2348950C1 (en) | Underwater observatory | |
| Iannaccone et al. | Long-term seafloor experiment with the CUMAS module: performance, noise analysis of geophysical signals, and suggestions about the design of a permanent network | |
| RU2546784C2 (en) | Underwater observatory | |
| Latham et al. | The Texas ocean-bottom seismograph | |
| RU2435180C1 (en) | Underwater geophysical station | |
| RU2738589C1 (en) | Method for determining tsunami hazard | |
| RU2447466C2 (en) | Hydrochemical bottom observatory | |
| Hello et al. | New versatile autonomous platforms for long-term geophysical monitoring in the ocean | |
| RU2566599C1 (en) | Hydrochemical bottom station for geologic monitoring of water areas | |
| RU2457514C1 (en) | Method of determining tsunami precursor | |
| RU2449325C1 (en) | Hydrochemical bottom observatory | |
| RU2549606C2 (en) | Small-size bottom seismic module | |
| Stephen et al. | The seafloor borehole array seismic system (SEABASS) and VLF ambient noise | |
| RU2625100C1 (en) | Method for predicting seismic event and observing system for seismic researches | |
| RU2484504C1 (en) | Bottom station |