Результат интеллектуальной деятельности: Акустическая автономная донная станция с комбинированным приемником

Изобретение относится к океанологии, конкретно, к автономным донным гидроакустическим станциям и может использоваться для продолжительных стационарных измерений вариаций акустического давления и колебательной скорости, а также в качестве станции пассивного акустического мониторинга (ПАМ) морских животных (МЖ) и рыб и для оценки воздействия антропогенных шумов различного происхождения на морские организмы.

Известны два основных класса устройств, используемых для ПАМ МЖ. Устройства первого класса осуществляют прямую запись акустического сигнала в заданном частотном диапазоне. Обнаружение и анализ звуков, издаваемых МЖ, производится после подъема станции. Как правило, такие устройства рассчитаны на запись коммуникативных (социальных) сигналов МЖ. Непосредственная запись позволяет обрабатывать записанный сигнал различными алгоритмами и производить поиск сигналов и учет различных морских организмов с высокой степенью достоверности. Однако запись сигналов с высокой частотой дискретизации и в широком динамическом диапазоне требует больших объемов памяти и значительной потребляемой устройством мощности, что ограничивает время его автономной работы. Прямая запись лоцирующих сигналов, частоты которых достигают сотен килогерц, тем более затруднена. Для их регистрации используются устройства второго класса, производящие обработку сигналов в режиме реального времени и записывающие только параметры обнаруженных сигналов МЖ либо прямой сигнал в коротком временном интервале, предположительно содержащем обнаруженный сигнал. После подъема устройства производится сортировка, обработка и классификация обнаруженных сигналов. К недостаткам таких устройств можно отнести плохую совместимость результатов, полученных устройствами разных типов, работающих по разным алгоритмам, и более низкую достоверность полученных результатов.

Наиболее распространенным устройством первого класса в настоящее время можно считать Ecological acoustic recorder (EAR, разработанный в University of Hawaii). В качестве первичного преобразователя используется гидрофон. Частота дискретизации EAR программируемая, до 80 кГц. Объем памяти 160 Гб, что ограничивает время непрерывной записи. Поэтому EAR, как правило, используют либо с относительно низкой частотой дискретизации, либо в прерывистом режиме, что существенно снижает репрезентативность записей. Применение EAR описано во множестве статей, например: Miriam Romagosa, Irma Cascão, Nathan D. Merchant, Marc O. Lammers, Eva Giacomello, Tiago A. Marques, and Mónica A. Silva Underwater_Ambient_Noise_in_a_Baleen_Whale_Migrato / https://www.researchgate.net/publication/316461460_Underwater_Ambient_Noise_in_a_Baleen_Whale_Migratory_Habitat_Off_the_Azores/download; Marc O. Lammers An ecological acoustic recorder (EAR) for long-term monitoring of biological and anthropogenic sounds on coral reefs and other marine habitats / https://asa.scitation.org/doi/pdf/10.1121/1.2836780; Renata S. Sousa-Lima, Thomas F. Norris, Julie N. Oswald and Deborah P. Fernandes A Review and Inventory of Fixed Autonomous Recorders for Passive Acoustic Monitoring of Marine Mammals / Aquatic Mammals 2013, 39(1), 23-53, DOI 10.1578/AM.39.1.2013.23.

Известны более совершенные устройства, например, EAR2 (память до 500 ГБ, возможность старта записи по обнаружению сигнала и по расписанию), AMAR G3 разработки JASCO Research Ltd, Канада (время работы до 1 года в зависимости от конфигурации и установленной частоты дискретизации) или АПАР (автономный подводный акустический регистратор) «Шельф-14», разработанный в ТОИ ДВО РАН (RU п.№ 162221 U1), имеющий подобные параметры.

Во всех вышеописанных устройствах в качестве первичного преобразователя используются гидрофоны, т.е. приемники гидроакустического давления. Однако известно (Arthur N. Popper and Anthony D. Hawkins The importance of particle motion to fishes and invertebrates / 2018 Acoustical Society of America. https://doi.org/10.1121/1.5021594), что многие виды МЖ и рыб имеют внутренние органы, чувствительные к микросмещениям частиц воды в акустической волне, т.е. к колебательной скорости и ускорению, а не к акустическому давлению. Чтобы точнее оценить воздействие на них различных источников звука, в том числе антропогенных, желательно регистрировать непосредственно колебательные скорость или ускорение. Для задач ПАМ также важно, что эти параметры являются векторными и применение в качестве первичного преобразователя комбинированного приемника, включающего кроме гидрофона приемник колебательной скорости (ПКС) или акселерометр, позволяет регистрировать не только факт присутствия животного или рыбы в зоне слышимости, но и направление на него, что существенно повышает возможности по идентификации отдельных животных или групп.

Наиболее близким к заявляемой станции является Directional autonomous seafloor acoustic recorder (DASAR, Greeneridge Sciences, http://www.greeneridge.com/en/capabilities/technology), относящийся к первому классу устройств ПАМ. DASAR состоит из автономного регистратора в герметичном корпусе (в том же корпусе размещены и батареи электропитания) и подключенного к нему кабельной линией комбинированного приемника DIFAR (DIrectional Frequency and Recording Sonobuoy). В DIFAR в качестве первичных преобразователей установлены ненаправленный гидрофон и двухосевой (горизонтальный) керамический акселерометр. Для ориентации в горизонтальной плоскости в DIFAR установлен магнитный компас.

DASAR позволяет регистрировать акустические сигналы от различных источников, включая МЖ, и определять направление на эти источники в горизонтальной плоскости. Однако время его автономной работы составляет всего 45 суток при частоте дискретизации акустических каналов (акустическое давление и две компоненты ускорения) 2400 Гц, что обусловлено малым объемом памяти (30 ГБ). Примененный в DASAR (DIFAR) акселерометр не позволяет измерять вертикальную компоненту ускорения, которая может достигать значительных величин и существенно влиять на изучаемых МЖ и рыб, особенно на мелководном шельфе. Динамический диапазон керамического акселерометра в диапазоне частот десятки-сотни Гц (в области максимальной чувствительности большинства видов промысловых рыб) существенно уступает некоторым другим известным типам первичных преобразователей. Кроме того, прототип требует точного позиционирования приемника DIFAR по горизонтали. В противном случае возникнут ошибки как в ориентации приемника в горизонтальной плоскости (а соответственно и ошибки в определении направления на источник сигнала), так и в определении модуля горизонтальной составляющей колебательного ускорения за счет влияния вертикальной составляющей. Причем отклонения приемника от горизонтали могут быть как постоянными (при негоризонтальной установке), так и переменными, например, от воздействия поверхностных волн в случае установки устройства на мелководном шельфе.

Таким образом, существует проблема расширения полноты и точности получаемой станцией информации как об акустических сигналах, издаваемых МЖ, рыбами и другими морскими источниками, так и о сигналах, воздействующих на них, в том числе об антропогенном шуме, что в заявляемом решении достигается за счет предложенной конструкции донной станции.

Акустическая автономная донная станция с комбинированным приемником состоит из соединенных кабельной линией регистратора и комбинированного приемника, расположенных в герметичных корпусах и снабженных драйверами кабельной линии, при этом регистратор содержит электронный блок, включающий контроллер, накопитель на картах памяти, например, типа SDHC или SDXC, и систему даты времени, а комбинированный приемник оборудован первичным преобразователем, состоящим из как минимум двух расположенных напротив друг друга ненаправленных гидрофонов и трёх приемников колебательной скорости в виде измерительных электродинамических сейсмоприемников, установленных ортогонально в корпусе комбинированного приемника, а также имеет плату электроники с микроконтроллером и модулем ориентации, включающим 3-осевой акселерометр и 3-осевой гироскоп, при этом батареи электропитания станции установлены в корпусе регистратора.

Заявляемая конструкция станции, включающая 5 приемных акустических каналов (пара гидрофонов и три ортогональных электродинамических приемника колебательной скорости) и 6 каналов ориентации – 3-осевые акселерометр и гироскоп, использование для аналого-цифрового преобразования акустических каналов многоканальный синхронный, предпочтительно, 24-разрядный сигма-дельта, АЦП, работающий под управлением контроллера КП, а также наращиваемая при необходимости память накопителя данных позволяют увеличить длительность непрерывной автономной работы, проводить измерения и запись всех 3-х компонент колебательной скорости, повысить качество преобразования и записи сигналов, то есть добиться расширения полноты и точности получаемой станцией информации.

На фиг. представлена функциональная схема заявляемой станции, где 1 – герметичный корпус комбинированного приемника; Vx, Vy, Vz – приемники колебательной скорости по осям 0X, 0Y, 0Z; Ptop, Pbot – гидрофоны; 2 – многоканальный АЦП; 3 – контроллер комбинированного приемника; 4 – модуль ориентации; 5, 7 – драйверы кабельной линии; 6 – кабель; 8 – регистратор; 9 – акустический модем; 10 – батареи электропитания станции; 11 - герметичный корпус регистратора.

Приемники колебательной скорости Vx, Vy, Vz комбинированного приемника (КП) представляют собой измерительные электродинамические сейсмоприемники (катушки), например, HS-1 производства Geospace Technologies (США), размещены в корпусе приемника ортогонально, а керамические ненаправленные гидрофоны Ptop и Pbot размещены на корпусе КП напротив друг друга. Сигналы всех вышеперечисленных первичных преобразователей через согласующие цепи поступают на высококачественный многоканальный синхронный АЦП, предпочтительно, 24-разрядный сигма-дельта АЦП (2), в качестве которого может использоваться, например, микросхема AD7768 (Analog Devices). Далее в цифровой форме сигналы поступают в контроллер (3) КП, например, PIC32MX795F512H производства Microchip (США). Кроме акустических сигналов на контроллер (3) поступает информация от модуля ориентации (4), в качестве которого может быть использован, например, модуль LSM6DS3 от STMicroelectronics, содержащий 3-осевые акселерометр и гироскоп. Контроллер (3) управляет работой всех узлов КП и формирует выходной цифровой поток данных от КП к регистратору. Через драйверы кабельной линии (5) и (7) по кабелю (6), соединяющему корпус (1) КП с корпусом (11) регистратора, этот поток поступает в регистратор (8), где записывается на сменные носители данных, например, карты памяти SDXC или SDHC. Частота дискретизации акустических сигналов в КП программируемая и устанавливается в соответствии с задачами эксперимента.

Питание всех узлов и модулей станции осуществляется от батарей (10), установленных в корпусе регистратора. Например, при использовании двух блоков по 40 щелочных батарей типоразмера D время автономной работы станции составляет 4 месяца.

Дополнительно в электронный блок регистратора может быть установлена плата акустического модема, в этом случае на герметичный корпус регистратора устанавливается передающий гидрофон, что позволит осуществлять связь с внешними устройствами (палубным телекомандным устройством), например, с устройством измерительного комплекса «Шельф-14» разработки ТОИ ДВО РАН.

Станция может быть выполнена в виде пирамиды, в верхней части которой установлен комбинированный приемник в обтекателе, в виде, например, тонкой, акустически прозрачной пластиковой не герметичной сферы, обеспечивающей исключение шумов обтекания датчиков, а регистратор установлен в центре основания пирамиды. Углы пирамиды могут быть снабжены утяжелителями для постановки на дно. Также станция может быть укомплектована акустическим размыкателем с поплавком и якорем.

Отметим также, что сигналы пары гидрофонов могут быть при обработке записанных сигналов использованы не только для формирования сигнала, пропорционального акустическому давлению в фазовом центре КП, но и для формирования сигнала вертикального приемника градиента давления, а также то, что КП за счет наличия драйвера кабельной линии способен работать и как самостоятельное устройство.

Таким образом, предложенная конструкция станции позволяет увеличить длительность непрерывной автономной работы, проводить измерения и запись всех 3-х компонент колебательной скорости, повысить качество измерения (за счет широкого динамического диапазона сейсмоприемников, HS-1), преобразования и записи сигналов, а также использование пары гидрофонов не только для формирования сигнала, пропорционального акустическому давлению в фазовом центре КП, но и в качестве вертикального приемника градиента давления.