научная статья по теме АВТОНОМНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ С РАДИОКАНАЛОМ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ НА ШЕЛЬФЕ Физика

Текст научной статьи на тему «АВТОНОМНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ С РАДИОКАНАЛОМ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ НА ШЕЛЬФЕ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 5, с. 132-137

__ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ _

- ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ -

УДК 534.232

АВТОНОМНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ С РАДИОКАНАЛОМ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ НА ШЕЛЬФЕ

© 2008 г. С. В. Борисов, Д. Г. Ковзель, А. Н. Рутенко, В. Г. Ущиповский

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН Россия, 690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43 E-mail: rutenko@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 12.12.2007 г.

Описана автономная гидроакустическая станция для продолжительных (до 1 месяца) стационарных измерений на шельфе вариаций акустического давления в частотном диапазоне 1-15000 Гц. При необходимости, например для организации мониторинга индустриальных акустических шумов в реальном времени, станция дополнительно оснащается радиотелеметрическим каналом, по которому на береговой пост или судно передаются акустические данные в полосе частот 10-5000 Гц. Разные модификации автономной радиогидроакустической станции в 2005-2007 гг. были успешно применены при организации и проведении в реальном времени мониторинга индустриальных акустических сигналов и шумов, генерируемых во время установки на северо-восточном шельфе о. Сахалин нефтегазодобывающих платформ "Орлан", "ПА-Б" и строительства подводных трубопроводов.

PACS: 43.58.-e, 43.30.+M

В 2002 г. перед нами была поставлена задача [1] разработать и изготовить серию автономных донных акустических регистраторов, с помощью которых можно было бы проводить измерения уровней акустических шумов, включая возможность акустического мониторинга в реальном времени, в районах традиционного летне-осеннего нагула охотско-корейской популяции серых китов [2], занесенной в Красную книгу России в категории "находящихся под угрозой исчезновения". Данная акватория характеризуется сложными гидродинамическими условиями: скорость приливных течений может достигать 2 м/с, а поскольку глубина моря во многих точках акустического мониторинга равна 10-20 м, на акустические измерительные системы может оказывать существенное влияние орбитальное движение частиц воды в штормовых поверхностных волнах и волнах зыби. Измерения вариаций акустического давления в точке мониторинга нужно было проводить непрерывно в течение 16 и более суток в частотном диапазоне 1-15000 Гц с возможностью передачи в реальном времени акустических данных по радиотелеметрическому каналу на береговой пост или на борт судна.

Известные автономные акустические станции [3, 4], которые могли бы применяться при акустических измерениях на шельфе, не удовлетворяют данным требованиям. Поэтому была поставлена задача разработать универсальную, адаптируемую к задачам мониторинга автономную радиогидроакустическую станцию, удовлетворяющую всем сформулированным требованиям. При разработке станции было решено использовать в качестве на-

копителя акустических данных стандартный одноплатный компьютер в формате РС/104 с интегрированным 16-разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Компьютеры данного типа предназначены для использования в качестве бортовых и встроенных систем управления наиболее критическими процессами и в системах сбора информации с широким диапазоном допустимых условий эксплуатации. В этом случае легко реализуется программное управление работой станции в соответствии с поставленной задачей мониторинга.

В 2003 г. четыре станции первой модификации прошли испытания на шельфе о. Сахалин. В 2005 г. для обеспечения в реальном времени мониторинга индустриальных акустических шумов [5] на ближайших границах Пильтунского прибрежного района кормления серых китов [2] четыре автономные акустические станции были дополнительно оснащены радиотелеметрическими каналами [6]. В 2006 г. в этом же районе во время мониторинга акустических шумов, в реальном времени, были успешно применены пять радиогидроакустических станций.

В данной работе описана последняя модификация автономной радиогидроакустической станции "Шельф-2007", при разработке которой был использован наш многолетний опыт проведения автономных акустических измерений в относительно мелководной (10-50 м) области северо-восточного шельфа о. Сахалин, характеризуемой сильными приливными течениями. Автономная станция "Шельф-2007", блок-схема которой при-

АВТОНОМНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ

133

ведена на рис. 16, обеспечивает запись акустических сигналов в диапазоне частот 1-15000 Гц с потенциальным динамическим диапазоном, равным 96 дБ, и передачу по радиотелеметрическому каналу звуковых сигналов, измеряемых в диапазоне частот 10-5000 Гц. Включение и выключение радиопередатчика осуществляется в соответствии с расписанием, записанным в памяти бортового компьютера станции.

На рис. 1а показана схема установки станции в море. Корпус станции изготовлен из титанового сплава и рассчитан для работы на глубинах до 100 м. Три герметичных свинцово-гелевых аккумулятора емкостью по 115 А ■ ч обеспечивают непрерывную работу станции в течение 18 суток при работе с радиопередатчиком и 30 суток при работе без радиотелеметрического канала. Масса снаряженной станции =145 кг.

В качестве первичного преобразователя акустического давления в аналоговое напряжение применяется специальный гидрофон с предварительным усилителем, расположенным внутри цилиндрической керамики. Гидрофон изготовлен и откалиброван в ФГУП ВНИИФТРИ. С помощью резиновых амортизаторов он крепится внутри пирамиды и удален от корпуса станции на 15 м.

Нормированные амплитудно-частотные характеристики аналоговых трактов К(/) и нормированный график частотной зависимости чувствительности гидрофона Мф, показанные на рис. 2, имеют спад на низких частотах. Это предотвращает перегрузку измерительных трактов станции интенсивными низкочастотными компонентами акустических шумов и "псевдошумами" обтекания. Эти графики используются при построении сквозной амплитудно-частотной функции, с помощью которой результаты измерений аналогового напряжения можно привести к абсолютным значениям акустического давления в диапазоне частот 115000 Гц. Электрический сигнал с выхода предварительного усилителя гидрофона по связующему кабелю подается на вход масштабного усилителя, коэффициент усиления которого с помощью переключателя выбирается из ряда 1, 2, 10, 40. Далее сигнал проходит через эллиптический фильтр низких частот (ФНЧ) 8-го порядка с частотой среза 15 кГц и подается на вход АЦП. Кроме того, параллельно ФНЧ сигнал проходит через ^С-фильтр, обеспечивающий низкочастотную коррекцию (спад 6 дБ/октаву) и через коммутатор поступает на вход частотного модулятора (ЧМ) ультракоротковолнового (УКВ) радиопередатчика.

Таким образом, в станции организованы два аналоговых измерительных тракта: канал прямой записи на э.в.м. станции и тракт передачи данных по радиоканалу, в котором за счет дополнительного уменьшения коэффициента усиления на низких частотах исключены перегрузки в ра-

диотелеметрическом тракте, поскольку частотная модуляция обеспечивает динамический диапазон менее 45 дБ.

Находящийся на поверхности моря радиобуй (рис. 1а) связан с донной станцией четырехжиль-ным кабелем длиной 125 м, который имеет силовой экран из стальной и медной проволоки, защищенный от воды изоляцией из хлорвинила. По этому кабелю от управляемого э.в.м. преобразователя напряжения постоянного тока DC/DC на передатчик поступают электрическое питание и сигнал с выхода коммутатора радиотракта. Практика показала, что при организации радиотелеметрического приемного поста на Пильтунском маяке (высота 35 м) и использовании узконаправленных радиоприемных антенн мощности УКВ-ЧМ-радиопередатчика 1-1.5 Вт достаточно для устойчивого приема данного радиотелеметрического канала на дистанциях до 23 км. Для приема радиотелеметрических сигналов используются радиоприемники ICOM IC-R20. Электрический сигнал с выхода частотного дискриминатора приемника подается на вход измерительно-регистрирующего комплекса, состоящего из 8-канального эллиптического низкочастотного фильтра 8-го порядка и 16-разрядной платы АЦП, которые подключены к ноутбуку, осуществляющему синхронную регистрацию и накопление данных, поступающих по радиотелеметрическим каналам.

При измерениях собственных шумов и оценке реального динамического диапазона станции "Шельф-2007" применялся эквивалент гидрофона, у которого к входу предварительного усилителя гидрофона (см. рис. 16) был подключен электрический конденсатор, емкость которого была равна емкости керамики гидрофона. Результаты измерений собственных шумов прямого и радиотелеметрического измерительно-регистрационных трактов станции представлены на рис. 3 а. Измеренные величины приведены к эквивалентному уровню звукового давления с помощью нормирования на чувствительность используемого гидрофона M (f = 1 кГц) и коэффициент усиления K f = 1 кГц) сквозных измерительных трактов. Графики собственных шумов станции "Шельф-2007", приведенные на рис. 3 а, получены при коэффициентах усиления, равных 2 и 40 в прямом тракте станции и 0.4 в радиотелеметрическом канале.

На рис. 3 а видно, что при коэффициенте усиления в масштабном усилителе станции, равном 2, в спектре собственных шумов прямого канала записи ярко выражены тональные компоненты, обусловленные электромагнитными наводками э.в.м. на АЦП, который установлен на ее материнской плате. На частотах выше 1 кГц их уровень, пересчитанный в эквивалентный уровень звукового давления относительно значения спектральной плотности мощности синусоидального акустического сиг-

(а)

Радиобуй

Кабель-трос

Якорь

Донная станция

Гидрофон

(б)

Процессорная плата Prometheus

32 Мб КЛЫ

Шина КА

илят

Flash-память 2 Мб

Процессор ZF х 86

Шина ГОБ

Flash-диск 1 Гб

Л

УКВ-ЧМ-радиопередатчик

Контроллер АЦП

16-разрядный АЦП

HDD 120 Гб

Включение радиопередатчика

+5 В

DC / DC-преобразователь

Контроль напряжения питания

12 В

Включение тест-сигнала

DC/DC-преобразователь

-16.5 В

Линейный стабилизатор

+11 В

Масштабный усилитель

Предварительный усилитель

f

Гидрофон Ги-50

Генератор тест-сигнала

ФНЧ

/среза = 15 кГц

Коммутатор

Кабель-трос

/\

УКВ-ЧМ-радиоприемник ICOM IC-R20

ФНЧ SCXI-114

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком