АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.232
РАДИОГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ АНТРОПОГЕННЫХ ИМПУЛЬСНЫХ И ШУМОВЫХ
СИГНАЛОВ НА ШЕЛЬФЕ © 2015 г. А. Н. Рутенко, С. В. Борисов, Д. Г. Ковзель, В. А. Гриценко
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева 690041 Владивосток, ул. Балтийская 43 Е-таП: rutenko@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 13.10.2014 г.
Приводится описание и технические характеристики автономной гидроакустической станции, разработанной в ТОИ ДВО РАН для стационарных измерений вариаций акустического давления в частотном диапазоне 2—15000 Гц на шельфе у дна. Для организации мониторинга параметров сейсмо-разведочных импульсных сигналов и индустриальных акустических шумов в реальном времени станция дополнительно оснащается цифровым УКВ—ЧМ радиотелеметрическим каналом. По нему на береговой пост передаются акустические данные, измеренные в полосе частот 2—2000 Гц, а также спутниковым радиотелеметрическим каналом "Иридиум". С его помощью осуществляется управление работой УКВ—ЧМ радиопередатчика и передаются результаты специального анализа акустических данных, полученных на последовательных временных интервалах, равных одной минуте.
Ключевые слова: автономная акустическая станция, радиотелеметрический канал, спутниковая телеметрия, акустический мониторинг на шельфе в реальном времени.
Б01: 10.7868/80320791915040097
ВВЕДЕНИЕ
Представляемая в данной работе акустическая станция "Шельф-14" разработана для проведения ежегодных акустических измерений на северо-восточном шельфе о. Сахалин на границах и внутри двух традиционных районов летне-осеннего нагула серых китов. Это прибрежный, примерно до 20 м изобаты, Пильтунский район и относительно глубоководный, 30—50 м, Морской район [1]. Вблизи этих районов производится добыча углеводородов с помощью установленных в море платформ, и наклонного бурения с берега. Акустические измерения позволяют контролировать уровни антропогенных шумов, генерируемых данной производственной деятельностью. В сочетании с наблюдениями за физическим состоянием серых китов с помощью методов фотоидентификации [2], внутрисезонном их распределением [3], а также за их кормовой базой [4], они дают необходимую информацию об условиях существования данной популяции в этих двух важных районах ее кормления.
Во время проведения необходимых для рационального освоения месторождений сейсморазве-дочных исследований [5—8], а также во время установки платформ и строительства подводных трубопроводов [9, 10], проводится акустический мониторинг в реальном времени. При превышении заданных критериев прекращается излучение
сейсморазведочных сигналов или останавливается производственная операция, которая сформировала в районе нагула китов уровень антропогенных шумов, превысивших заданный критерий. С воздействием антропогенных шумов и сейсморазве-дочных импульсов на серых китов можно ознакомиться в работе [11].
В 2002 г. группе специалистов из ТОИ им. В.И. Ильичева ДВО РАН, занимающихся мониторингом индустриальных акустических шумов на северо-восточном шельфе о. Сахалин [12], представителями компаний "Эксон Нефтегаз Лимитид" и "Сахалин Энерджи Инвестмент Компании Лтд." было сделано предложение разработать и изготовить мелкую серию автономных донных акустических регистраторов, с помощью которых можно было бы проводить измерения уровней антропогенных и фоновых акустических шумов, включая возможность проведения акустического мониторинга в реальном времени.
Измерения вариаций акустического давления надо было проводить в частотном диапазоне 2— 15000 Гц с возможностью передачи в реальном времени части акустических данных по радиотелеметрическому каналу на береговой пост или борт судна. Данная акватория характеризуется пологим песчаным дном с уклоном меньше 0.004, сложными гидродинамическими условиями, скорость приливных течений может достигать 1.5 м/с. Поскольку глуби-
на моря в основных точках акустического мониторинга равна 10—20 м, то на измерительный гидрофон могут оказывать существенное влияние как приливно-отливные течения, так и орбитальное движение частиц воды в штормовых поверхностных волнах и волнах зыби, вызывая низкочастотные псевдошумы обтекания. Кроме того, на изобате 10 м мигрирующий под действием поверхностных волн песок может закопать стационарный гидрофон или донный контейнер, расположенные на дне. Другими словами, помимо обеспечения корректных акустических измерений необходимо было решить и гидродинамические задачи, найти оптимальные соотношения между геометрическими размерами и весом устройств, устанавливаемых на дне.
Первые четыре автономных подводных акустических регистратора (АПАР) были испытаны на северо-восточном шельфе о. Сахалин в 2003 году. Эти АПАР обеспечивали запись акустических сигналов в диапазоне частот 2—15 000 Гц, с динамическим диапазоном измерений равным 96 дБ. В 2005—2007 гг для мониторинга в реальном времени антропогенных акустических сигналов в диапазоне частот 10— 5000 Гц АПАР оснащались аналоговыми УКВ—ЧМ радиотелеметрическими каналами [13]. Известно, что реальный динамический диапазон измерений при использовании аналогового УКВ—ЧМ радиотелеметрического канала зависит от уровня его собственных шумов. Поэтому для его оценки и контроля собственных шумов радиотелеметрического канала в акустической станции применялся тестовый сигнал со сложным, но стабильным спектром. В соответствии с программой на вход радиопередатчика вместо акустического сигнала на три минуты подключался тестовый сигнал. Анализ его спектра на приемном пункте позволял оценить реальный динамический диапазон и собственные шумы радиотелеметрического канала на разных частотах.
Корректный мониторинг в реальном времени параметров сейсморазведочных сигналов потребовал разработки и применения акустических станций с цифровым УКВ—ЧМ радиотелеметрическим каналом типа "Шельф-09" [14], обеспечивающих непрерывную передачу акустических сигналов, измеряемых в частотном диапазоне 2— 2000 Гц на расстояние до 16 км с отношением сигнал/шум не менее 96 дБ. Практика эксплуатации станции "Шельф-09" на северо-восточном шельфе о. Сахалин показала ее высокую надежность при использовании как кабельной [6], так и УКВ—ЧМ радиотелеметрии [7]. К сожалению, из-за отсутствия возможности управления УКВ-ра-диопередатчиком (включение, выключение, изменение мощности излучения) требуется неоправданно большой расход электроэнергии питания. Например, при мониторинге параметров сейсморазведочных импульсов во время сейсморазведки, проведенной в 2010 г. на Пильтун-Ас-
"Иридиум"
Рис. 1. Схема постановки радиогидроакустической станции "Шельф-14" в море. Обозначение: 1 — контейнер с автономным подводным акустическим регистратором и двумя блоками питания, 2 — акустический размыкатель, 3 — контейнер с двумя блоками питания, 4 — радиобуй с одним блоком питания.
тохском углеводородном месторождении [7], чистое время работы сейсморазведочного судна на профилях составило 142 ч, а время непрерывной работы цифрового УКВ—ЧМ радиотелеметрического канала — 26 сут.
В настоящее время новое поколение высокопроизводительных малопотребляющих микроконтроллеров и твердотельных накопителей (SD-карт) позволило отказаться от применения в АПАР ЭВМ и жестких дисков, что приводит к существенному — более чем в 15 раз — уменьшению энергопотребления. Применение спутникового радиотелеметрического канала типа "Иридиум" позволяет решить проблему управления работой УКВ—ЧМ радиопередатчика и получать, практически в реальном времени, результаты специального анализа измеренного акустического сигнала.
В данной работе приводится описание автономной акустической станции нового поколения "Шельф-14" с цифровым УКВ—ЧМ и спутниковым "Иридиум" радиотелеметрическими каналами, основанной на применении 24-разрядного сигма—дельта АЦП, малопотребляющих контроллеров и SD-карт. На рис. 1 показана схема постановки "Шельф-14" в море.
СОСТАВ И РАБОТА РАДИОГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
Основным измерительно-регистрационным устройством станции "Шельф-14" является автономный акустический регистратор АР-2013, который в различных вариантах станции в соответствии с решаемыми задачами дополняется специализированными модулями и устройствами, такими как акустический модем или телеметрические каналы для передачи части акустических данных или результатов их специального анализа в режиме реального
Рис. 2. Объединенная структурная схема станции "Шельф-14".
времени. Структурные схемы всех этих устройств объединены на рис. 2.
АКУСТИЧЕСКИЙ РЕГИСТРАТОР
Акустический регистратор АР-2013 предназначен для работы в составе автономной акустической донной станции. Его основная функция — измерение аналогового сигнала на выходе гидрофона и запись результатов на съемные твердотель-
ные устройства энергонезависимой памяти типа SD-карт в форме цифрового кода. На рис. 2 узлы, входящие в состав АР-2013, обведены пунктирной линией.
Для преобразования вариаций акустического давления рЦ) в аналоговое напряжение используется измерительный гидрофон типа ГИ-50 производства ВНИИФТРИ. Измерительные цепи АР-2013 основаны на 24-разрядном сигма—дельта
АЦП AD7776-2 производства Analog Devices. Разводка печатной платы выполнена в соответствии с рекомендациями, представленными в [15]. Это обеспечило динамический диапазон измерений (в 1-герцовом окне БПФ) 140 дБ и максимальную частоту дискретизации 31 кГц. С выхода АЦП данные по последовательному интерфейсу SPI поступают на микроконтроллер PIC32MX795F512H, осуществляющий управление работой АЦП, накопителя и дополнительных модулей, а также преобразование форматов данных, их буферизацию и обработку. Для накопления данных используются SD-карты. Такая карта емкостью 128 Гб при 24-разрядном кодировании данных и частоте дискретизации 30 кГц заполняется за 16.3 суток. АР-2013 может комплектоваться любым необходимым количеством SD-карт.
Файлы, создаваемые акустическим регистратором, выполнены в формате FAT32 и совместимы с Windows. Однако процесс записи данных в акустической станции отличается от стандартного. Целью использования нестандартных процедур
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.