Цифровые системы измерения, накопления и передачи акустико-гидрофизических данных

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ...............................................................................4
ГЛАВА 1. ВЫБОР БАЗОВЫХ СТРУКТУРНЫХ И АЛГОРИТМИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ИЗМЕРЕНИЮ И ПЕРЕДАЧЕ ДАННЫХ В ПРИЕМНЫХ АКУСТИКО-ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ..........................14
1.1 Обзор технических средств измерения, накопления и передачи акустических и гидрофизических данных............................................................16
1.2 Определение основных параметров измерительно-телеметрических трактов акустикогидрофизических систем различного назначения и оценка возможностей их реализации в разрабатываемых системах............................................................23
1.2.1 Определение основных характеристик приемной измерительно-телеметрической системы, ориентированной на исследования низкочастотной морской реверберации 24
1.2.2 Основные параметры акустических измерительных трактов для автономной вертикальной акустико-гидрофизической измерительной системы «Моллюск-07», ориентированной на исследования влияния пространственно-временных неоднородностей поля скорости звука на распространение акустических волн в мелком море............34
1.2.3 Определение основных параметров одноканальной системы цифровой телеметрии с расширенным динамическим диапазоном «ЦРТС-08».................................37
1.3 Цифровая телеметрическая система как средство измерения и передачи данных в акустикогидрофизических системах..........................................................38
Выводы по главе.....................................................................48
ГЛАВА 2. ПРИМЕРЫ РАЗРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ АКУСТИКОГИДРОФИЗИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ......................................50
2.1 Многоканальная система синхронной цифровой телеметрии и накопления акустических и гидрофизических данных для исследований низкочастотной морской реверберации «Отклик-91».............................................................................50
2.1.1 Технические решения, лежащие в основе цифровых систем сбора и передачи акустикогидрофизических данных «Отклик» разработки 1989-1990 годов....................51
2.1.2 Система цифровой телеметрии «Отклик-91».....................................55
2.1.3 Работа «Отклик-91» по функциональной схеме..................................61
2.1.4 Современная точка зрения на технические решения «Отклик-91».................66
Выводы............................................................................68
2.2 Автономная вертикальная акустико-гидрофизическая система «Моллюск-07»...........68
2.2.1 Предпосылки создания системы «Моллюск-07» и описание технических решений 70
2.2.2. Описание конструкции системы...............................................72
2.2.3 Описание работы «Моллюск-07» по функциональной схеме........................74
2.2.4 Измерения параметров сигнальных трактов «Моллюск-07»........................79
2
2.2.5 Обсуждение технических решений «Моллюск-07» и перспектив их применения в последующих разработках............................................................91
2.3 Система цифровой телеметрии «ЦРТС-08» для автономной донной акустической станции «Шельф-09»...........................................................................93
2.3.1. Описание конструкции и функциональной схемы станции «Шельф-09»..............96
2.3.2 Измерение характеристик станций «Шельф-09» в лабораторных условиях..........106
2.3.3 Выбор конструктивных и технологических решений при разработке и отладке электронных модулей системы «ЦРТС-08».........................................109
2.3.4 Кабельные акустические станции на базе телеметрической системы «ЦРТС-08».....112
Выводы по главе.....................................................................115
ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ В МОРСКИХ АКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ....................................................117
3.1 Работа телеметрии «Отклик-91» в составе автономных и кабельных акустикогидрофизических измерительных систем..............................................117
3.2 Применение измерительной системы «Моллюск-07» в акустико-гидрофизических исследованиях.....................................................................123
3.3 Применение телеметрической системы «ЦРТС-08» для мониторинга параметров акустических сейсморазведывательных сигналов и уровней окружающего шума в реальном времени...........................................................................130
3.3.1 Применение «ЦРТС-08» в составе донных станций «Шельф-09»....................131
3.3.2 Применение телеметрической системы «ЦРТС-08» в кабельных акустических станциях ..............................................................................134
Выводы по главе.....................................................................138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................140
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................144
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акт внедрения кабельной телеметрической системы «ЦРТС-08» в исследования, проводимые ООО «РЭА Сахалин» для ЗАО «РН-Шельф-Дальний Восток»........................154
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акт внедрения автономной вертикальной акустико-гидрофизической измерительной системы «Моллюск-07» в исследования, проводимые для «Эксон Нефтегаз Лимитед» и «Сахалин Энерджи Инвестмент Компани».......................................155
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акт внедрения радиотелеметрической системы «ЦРТС-08» в исследования, проводимые для «Сахалин Энерджи Инвестмент Компани»...................................159
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Патент Яи73964и1 «Автономная вертикальная акустико-гидрофизическая измерительная система»................................................................161
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Патент ЯЫ 8603 111 «Автономная радиогидроакустическзя система для мониторинга акустических сигналов на шельфе»..........................................162
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Патент яи 2413232 С2 «Устройство для определения скорости и направления течения жидкости».....................................................................163
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы
Настоящее время характеризуется непрерывным ростом индустриальной активности человеческого сообщества, в том числе на шельфах окраинных морей, где производится разведка и добыча углеводородов, рыболовство, разведение марикультур. Эта деятельность, имеющая большое экономическое значение, способна, при отсутствии должного контроля, вызвать серьезные и масштабные нарушения экологии. Она может сопровождаться, например, сейсмоакустическими исследованиями с применением мощных пневмоизлучающих систем или забивкой в грунт фундаментных свай, постановкой на шельфе буровых и газонефтедобывающих платформ, строительством подводных трубопроводов и другими работами, приводящими к акустической загрязненности прилегающих акваторий. Такая деятельность должна сопровождаться контролем антропогенного влияния на окружающую среду, рыб и морских животных, для которых данная акватория является средой обитания. Мониторинг может быть пассивным или активным. Например, оценка акустического воздействия на акваторию при проведении сейсмоаку-стических исследований может быть получена в результате анализа акустических данных, измеренных с помощью автономных станций после окончания сейсморазведки. Если эти станции дополнительно дооснастить радиоте-леметрическими каналами, то мониторинг можно проводить в реальном времени и оперативно производить корректировки работ с целью уменьшения их антропогенного воздействия. Измерения характеристик акустического поля должны проводиться синхронно в разных точках и на разных горизонтах. Измерения скалярных характеристик (звукового давления) желательно дополнить измерениями ортогональных компонент колебательной скорости частиц воды в акустической волне, т.е. кроме обычных гидрофонов, желательно применять комбинированные приемники (КП) [1-3]. На распростра-
4
нение звука в шельфовой зоне оказывают существенное влияние рельеф дна и акустические свойства слагающих его пород, океанологические поля и гидродинамические процессы, характерные для данной акватории, поэтому для решения практических задач необходимы натурные данные об их влиянии на частотно-пространственно-временные характеристики и модовую структуру распространяющихся акустических волн в разные сезоны года [4], [7-13]. Для обеспечения таких измерений служат многоканальные акустикогидрофизические системы, использующие различные виды уплотнения и взаимной синхронизации данных, поступающих от акустических и относительно низкочастотных гидрофизических первичных преобразователей, служебную информацию о состоянии устройств измерительной системы или системы в целом, калибровочные сигналы [5], [6].
Важной составной частью акустико-гидрофизических измерительных систем, определяющей их качественное соответствие решаемым задачам, являются технические системы измерения, записи и передачи сигналов от различных первичных преобразователей. Задача разработки таких систем, оптимизированных для задач акустико-гидрофизических исследований, остается актуальной при любом уровне развития технических средств.
Целью диссертационной работы является разработка и экспериментальная апробация технических решений, направленных на повышение качества измерения и передачи сигналов в автономных акустикогидрофизических измерительных системах, повышение эффективности и надежности трактов передачи и хранения акустико-гидрофизических данных средствами и методами цифровой техники.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи.
1. С учетом особенностей акустико-гидрофизических измерительных систем (АГС) научной направленности проведен анализ современных на
5
время разработки технических средств измерения, накопления и передачи информации.
2. Определены параметры акустических сигналов, принимаемых разрабатываемыми АГС и необходимые характеристики их измерительных и телеметрических трактов.
3. На основе проведенного анализа определены возможные структурные схемы и алгоритмы работы измерительно-телеметрических систем (ИТС) для АГС различного назначения.
4. Разработаны, изготовлены и используются в практике морских исследований цифровые ИТС в составе АГС:
- приемных многоканальных измерительных систем, содержащих комбинированный скалярно-векторный приемник и ориентированных на исследования морской реверберации;
- автономной многоканальной синхронной вертикальной акустикогидрофизической измерительной системы;
- кабельных и автономных с радиотелеметрическим каналом акустических донных станций с расширенным динамическим диапазоном, ориентированных на измерение в реальном времени параметров сейсмоаку-стичсских импульсных сигналов.
Научная новизна работы
Работа содержит новые научные результаты, наиболее важными из которых являются следующие:
1. В результате выполнения диссертационной работы разработаны, научно и экспериментально обоснованы структурные и алгоритмические решения по реализации функций измерения, передачи и накопления данных, управления приемной акустико-гидрофизической системой;
6
2. Разработаны, изготовлены и активно используются оригинальные цифровые ИТС, позволившие получить новые научные результаты в соответствующих морских исследованиях:
- в многоканальных акустико-гидрофизических измерительных системах на базе цифровой телеметрии «Отклик-91» удалось достичь качественного скачка но сравнению с аналоговыми прототипами при передаче и записи акустических сигналов, что позволило полнее реализовать потенциальные возможности комбинированных скалярно-векторных приемников в исследованиях низкочастотной морской реверберации;
- в многоканальной вертикальной акустико-гидрофизической измерительной системе «Моллюск-07» удалось при сохранении качества измерения и состава датчиков, характерных для стационарных измерительных систем, выполнить систему автономной, что существенно расширило возможности организации акустико-гидрофизических исследований на шельфе;
- в телеметрической системе «ЦРТС-08» достигнут динамический диапазон измеряемых сигналов 140 дБ, что обеспечивает возможность мониторинга в реальном времени как слабых фоновых акустических шумов, так и сигналов мощных импульсных источников звука.
Научная новизна заключается в комплексности решения функций измерительно-телеметрических систем в составе АГС и подтверждена тремя патентами и восемью публикациями в журналах «Приборы и техника эксперимента» и «Акустический журнал».
Достоверность результатов основана на обширном экспериментальном материале, собранном с помошыо разработанных измерительных и телеметрических систем, и подтверждена их многолетней успешной эксплуатацией. Системы, находящиеся в эксплуатации, проходят ежегодные лабораторные обмеры характеристик и полевые кросс-калибровки, позволяющие
7
поддерживать высокий уровень достоверности и точности результатов измерений.
Практическая ценность работы. В данной работе осуществлено решение важной в научном и практическом отношении технической проблемы, связанной с повышением точности и достоверности акустических измерений, проводимых в автономном режиме с применением скалярно-векторных приемников и передачей данных по радиоканалу на борт судна или береговой пост. Ниже приведены примеры измерительных комплексов, получивших практическое применение и с помощью которых проведены оригинальные исследования.
1. Применение цифрового уплотнения в автономных дрейфующих и стационарных радио-акустико-гидрофизичееких измерительных системах «Отклик» обеспечило динамический диапазон измерений 100 дБ и меж-канальное проникновение менее -80 дБ. Это позволило успешно провести исследования в океане и на шельфе характеристик низкочастотной реверберации (НИР «Отклик-АН», «Аквамарин-АН») и влияния гидродинамических процессов, включая внутренние волны, на распространение звука в шельфовой зоне Японского моря.
2. Цифровая многоканальная измерительно-накопительная система, основанная на применении встраиваемой ЭВМ и программируемых контроллеров позволила создать автономную вертикальную акустикогидрофизическую измерительную систему «Моллюск-07», которая нашла практическое применение при исследованиях особенностей и потерь при распрос гранении звука и сейсмо-акустических сигналов на шельфах Охотского и Японского морей. Это подтверждает Акт внедрения в исследования, проводимые компанией «Эксон Нсфтсгаз Лимитед» на северо-восточном шельфе о. Сахалин, и публикации [65,71,72].
3. Разработанный цифровой телеметрический канал в модификации с радиоканалом в 2010 г. был успешно применен в девяти автономных ра-
8
&
диогидроакустических станциях, обеспечивших мониторинг в реальном времени параметров сейсмоакустических импульсов, наблюдаемых на восточной границе прибрежного Пильтунского района кормления серых китов во время проведения компанией «Сахалин Энерджи Инвестмент Компани» 4-0 сейсморазведки на Пильтуно-Астохском месторождении. Это подтверждено Актом внедрения. Кабельный вариант в 2010 г. был успешно применен в грех акустических станциях, обеспечивших мониторинг в реальном времени параметров сейсмоакустических импульсов в прибрежном Одоптинском районе кормления серых китов во время проведения компанией «Роснефть» 3-0 сейсмо-разведывательных работ на Лебединском месторождении. Это также подтверждено Актом внедрения.
Апробация работы и публикации. Результаты, изложенные в диссертации, частично докладывались на XV Всесоюзной школе-семинаре по статистической гидроакустике (Владивосток, 1989), II сессии Российского акустического общества (Москва, 1993), XX сессии Российского акустического общества (Москва, 2008), XII школе-семинаре акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана» и XXI сессии РАО (Москва, 2009).
По теме диссертации опубликовано 5 научных работ в «Акустическом журнале» и 3 работы в журнале: «Приборы и техника эксперимента». Кроме того, по теме диссертации опубликовано 5 статей в сборниках докладов, выпущенных по итогам указанных выше научных конференций и получено 3 патента.
Работы проводились при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований:
- проект РФФИ 96-02-16114а «Экспериментальные и теоретические исследования влияния внутренних волн на частотно-пространственно-
9
временные характеристики и модовый состав низкочастотных гидроакустических сигналов в мелком море»;
- проект РФФИ 00-05-64844а - «Экспериментальное исследование влияния коротких внутренних волн и тонкой структуры на распространение звука в шельфовой зоне Японского моря»;
- проект РФФИ 03-05-65213 - «Экспериментальное исследование в шельфовой зоне Японского моря влияния нелинейных внутренних волн с известными пространственно-временными параметрами на частотнопространственно-временную интерференционную и модовую структуры акустического поля»;
- проект РФФИ 06-05-64)13 - «Экспериментальное исследование особенностей и потерь при распространении звука в шельфовых зонах Японского и Охотского морей и влияния на него внутренних волн с известными пространственно-временными параметрами».
Результаты работы вошли в научные отчеты по НИР: «Отклик-АН», «Аквамарин-АН», «Цимбал», «Царапина», «Царсвна-ТОИ», «Цитадель-ГКВ».
Личный вклад автора. Автору принадлежит разработка принципиальных решений и алгоритмов работы описываемых измерительных средств, разработка и отладка схемотехнических решений, разработка микропрограммного обеспечения измерительных и телеметрических модулей, выбор и разработка их конструктивного исполнения. Автор принимал участие в подготовке и проведении акустико-гидрофизических исследований. В диссертации обобщены результаты разработок, выполненных с 1988 по 2010 г.г. в лаборатории акустического зондирования океана Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН. Данная работа выполнена при поддержке и участии заведующего этой лабораторией д.ф.-м.н. А.Н. Рутенко и научных сотрудников С.В. Борисова, A.B. Гриценко, В.Г. Ущиповского.
10
В работах, выполненных в соавторстве, автор принимал равноценное участие в постановке задач, анализе и интерпретации результатов измерений.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем работы составляет 163 страницы, включая 35 рисунков, список литературы из 86 наименований библиографических источников и 6 приложений, содержащих акты внедрения и патенты.
В первой главе сделан обзор существующих средств измерения, накопления и передачи сигналов от первичных преобразователей в акустикогидрофизических системах, а также в смежных областях техники. Определены основные структурные схемы и параметры измерительнотелеметрических систем для акустико-гидрофизических систем различного назначения, намечены пути их реализации в разрабатываемых системах.
Во второй главе рассмотрены примеры разработки грех измерительнотелеметрических систем, описаны их функциональные схемы с точки зрения реализации функций управления, измерения, передачи, накопления данных и взаимодействия систем в составе измерительных комплексов. Рассмотрены возможности применения наработанных алгоритмических и технических решений в последующих разработках. Приведены методики обмеров параметров разработанных и изготовленных систем.
В третьей главе описаны примеры применения разработанных систем в морских исследованиях, определено их соответствие поставленным при разработке задачам.
В Приложении 1 приведен Акт внедрения кабельного 24-х разрядного варианта телеметрической системы «ЦРТС-08» в исследования, проводимые ООО «РЭА-Сахалин».
В Приложении 2 приведен Акт внедрения вертикальной автономной акустико-гидрофизической измерительной системы «Моллюск-07» в иссле-
11
дования, проводимые компаниями «Эксон Нефтегаз Лимитед» и «Сахалин Энсрджи Инвестмент Компани».
В Приложении 3 приведен Акт внедрения телеметрической системы «ЦРТС-08» в составе донных акустических станций «Шельф-09» в исследования, проводимые «Сахалин Энерджи Инвестмент Компани».
В Приложении 4 приведен патент Яи73964и 1 «Автономная вертикальная акустико-гидрофизическая измерительная система».
В Приложении 5 приведен патент Я и 8603 Ш «Автономная радио-гидроакустическая система для мониторинга акустических сигналов на шельфе».
В Приложении 6 приведен патент Яи 2413232 С2 «Устройство для определения скорости и направления течения жидкости».
На защиту выносятся
1. Теоретически и экспериментально обоснованные технические решения по построению измерительных трактов для акустических и гидрофизических первичных преобразователей и телеметрии сигналов в автономных акустико-гидрофизических измерительных системах.
2. Разработанные измерительно-телеметрические системы для акустикогидрофизических комплексов различного назначения:
- автономных дрейфующих и стационарных измерительных систем, содержащих комбинированный скалярно-векторный приемник и ориентированных на исследования морской реверберации;
- автономной многоканальной синхронной вертикальной акустикогидрофизической измерительной системы;
- кабельных и автономных с радиотелеметрическим каналом акустических донных станций с расширенным динамическим диапазоном, ориентированных на измерение в реальном времени параметров сейсмоа-кустических импульсных сигналов.
12
3. Результаты практического применения разработанных измерительно-телеметрических систем в составе акустико-гидрофизических комплексов, подтверждающие их соответствие решаемым задачам измерительной гидроакустики.
13
ГЛАВА 1. ВЫБОР БАЗОВЫХ СТРУКТУРНЫХ И АЛГОРИТМИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ИЗМЕРЕНИЮ И ПЕРЕДАЧЕ ДАННЫХ В ПРИЕМНЫХ АКУСТИКО-ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Процесс разработки, изготовления и эксплуатации акустикогидрофизических измерительных систем научной направленности имеет ряд особенностей. Как правило, эти системы изготавливаются в одном или нескольких экземплярах и затем используются учеными и инженерами, принимавшими участие в создании этих систем. Но мере возникновения новых задач эти измерительные системы подвергаются частым модернизациям, параметры измерительных трактов меняются от эксперимента к эксперименту. При этом разработка полного комплекта документов на каждой стадии разработки и эксплуатации, обязательного для серийных изделий, была бы нецелесообразной и приводила бы к существенному затягиванию подготовки к эксперименту и задерживала получение необходимой научной информации. Однако обеспечение необходимой точности и достоверности полученных данных требует правильной оценки условий проведения акустического эксперимента и возможностей используемых в нем технических средств. Это противоречие может быть решено технически и организационно. Технически - путем разработки максимально гибких, адаптируемых систем. Устройства управления выполняются программируемыми по унифицированным интерфейсам, электронные модули подключаются по унифицированной шине и могут быть легко заменены на более совершенные или модули другого назначения. Диапазоны перестройки (перепрограммирования) параметров измерительных и телеметрических трактов выполняются насколько возможно более широкими. Следует стремиться к достижению максимальной ширины динамического диапазона измерительных трактов без перестройки коэффициентов усиления. Это обеспечит устойчивую работу измерительной системы в изменчивых условиях морского акустического эксперимента и предот-
14