Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследования процессов, протекающих в морях и океанах Земли, затрагивают широкий спектр жизненно важных интересов человечества. Естественным и постоянно развивающимся направлением морских исследований являются акустические и сейсмоакустические методы. Инструментом таких исследований служат различные акустико-гидрофизические измерительные системы. Их важной составной частью, определяющей качественное соответствие решаемым научным задачам, являются технические системы измерения, передачи, обработки, записи и хранения сигналов от различных первичных преобразователей.
Очевидно, что любая техническая система является функцией как доступных на момент разработки знаний, технических и программных средств, так и задач, на решение которых она рассчитана. Акустико-гидрофизические исследования выдвигают ряд специфических, рассматриваемых в данной работе требований к измерительным и телеметрическим системам, которые затрудняют непосредственное применение в них готовых устройств и систем, разработанных для смежных областей техники, таких как связь, бытовая и компьютерная техника, техника аудио- и видеозаписи.
Очевидно, при любом уровне развития техники задача разработки оригинальных измерительно-телеметрических систем, оптимизированных для задач акустико-гидрофизических исследований, остается актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка и экспериментальная апробация комплекса технических решений, направленных на повышение качества измерения и передачи сигналов в автономных акустико-гидрофизических 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:
-
С учетом особенностей акустико-гидрофизических измерительных систем (АГС) научной направленности проведен анализ современных на время разработки технических средств измерения, накопления и передачи информации.
-
Определены параметры акустических сигналов, принимаемых разрабатываемыми АГС и необходимые характеристики их измерительных и телеметрических трактов.
-
На основе проведенного анализа определены возможные структурные схемы и алгоритмы работы измерительно-телеметрических систем (ИТС) для АГС различного назначения.
-
Разработаны, изготовлены и используются в практике морских исследований цифровые измерительно-телеметрические системы в составе АГС следующего назначения:
приемных многоканальных измерительных систем, содержащих комбинированный скалярно-векторный приемник и ориентированных на исследования морской реверберации;
автономной многоканальной синхронной вертикальной акустико-гидрофизической измерительной системы;
автономных с радиотелеметрическим каналом и кабельных акустических донных станций с расширенным динамическим диапазоном, ориентированных на измерение в реальном времени параметров сейсмоакустических импульсных сигналов и фоновых шумов.
Научная новизна Работа содержит новые научные результаты, наиболее важными из которых являются следующие:
-
Разработаны, научно и экспериментально обоснованы структурные и алгоритмические решения по реализации функций измерения, передачи и накопления данных, управления приемной акустико-гидрофизической системой.
-
Разработаны, изготовлены и используются в практике морских исследований 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 по 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 измеряемого аналогового сигнала 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 девятью публикациями в журналах «Приборы и техника эксперимента» и «Акустический журнал».
Достоверность результатов основана на обширном экспериментальном материале, собранном с помощью разработанных измерительных и телеметрических систем, и подтверждена их многолетней успешной эксплуатацией. Системы, находящиеся в эксплуатации, проходят ежегодные лабораторные обмеры основных характеристик и полевые кросс-калибровки, позволяющие 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 и с передачей данных по радиоканалу на борт судна или береговой пост. На основе разработанных измерительно-телеметрических систем изготовлены и получили практическое применение акустико-гидрофизические комплексы, с помощью которых проведены оригинальные исследования. Практическая ценность разработанных систем подтверждена Актами внедрения в исследования, проводимые компаниями «Экссон Нефтегаз Лимитед», «Сахалин Энерджи Инвестмент Компани Лтд.» и «РЭА - Сахалин».
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, изданных по итогам указанных выше научных конференций и получено 3 патента.
Работы проводились при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Результаты работы вошли в научные отчеты по НИР: «Отклик-АН», «Аквамарин-АН», «Цимбал», «Царапина», «Царевна-ТОИ», «Цита-дель-ГКВ».
Личный вклад автора. Автору принадлежит разработка принципиальных решений и алгоритмов работы описываемых измерительных средств, разработка и отладка схемотехнических и микропрограммных решений, разработка конструкций. 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 подготовлена при поддержке и участии заведующего этой лабораторией д.ф.-м.н. А.Н. Рутенко и научных сотрудников СВ. Борисова, А.В. Гриценко, В.Г. Ущиповского. В работах, выполненных в соавторстве, автор принимал равноценное участие в постановке задач, анализе и интерпретации результатов измерений. На защиту выносятся:
-
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.
-
Разработанные измерительно-телеметрические системы для акустико-гидрофизических комплексов различного назначения:
автономных дрейфующих и стационарных измерительных систем, содержащих комбинированный приемник и ориентированных на исследования морской реверберации;
автономной многоканальной синхронной вертикальной акустико-гидрофизической измерительной системы;
кабельных и автономных с радиотелеметрическим каналом акустических донных станций с расширенным динамическим диапазоном, ориентированных на измерение в реальном времени параметров сейсмоакустических импульсных сигналов.
3. Результаты практического применения разработанных измерительно-телеметрических систем в составе акустико-гидрофизических комплексов, подтверждающие их соответствие решаемым научным задачам.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем работы составляет 165 страниц, включая 35 рисунков, список литературы из 85 наименований библиографических источников и 6 приложений, содержащих акты внедрения и патенты.
Похожие диссертации на Цифровые системы измерения, накопления и передачи акустико-гидрофизических данных
