Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Многоканальный комплекс для разработки новых океанологических измерительных каналов

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Многоканальный комплекс для разработки новых океанологических измерительных каналов"

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

На правах рукописи 005017980

Оленин Антон Леонидович

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ

Специальность 25.00.28 - Океанология

1 9 ДПР 2012

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2012

005017980

Работа выполнена в Лаборатории методологии и технических средств

океанологических исследований Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН Научный руководитель: Смирнов Геннадий Васильевич

академик РАН, доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты:

Копелевич Олег Викторович доктор физико-математических наук Зав. Лабораторией оптики океана Института океанологии им П.П. Ширшова РАН

Северов Станислав Павлович

доктор технических наук, профессор Московского Государственного Технического Университета им. Н.Э. Баумана Ведущая организация: ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии»

Защита состоится К , (7 *52012 г. в (/"часов на заседании диссертационного совета Д002.239.03 в Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии Наук по адресу: 117997, Москва, Нахимовский пр., 36 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН по адресу 117997, Москва, Нахимовский пр., 36

Автореферат разослан Ал апреля 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета Кандидат биологических наук Сусид Т.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

В последние годы проблемы глобальной экологии и мониторинга состояния окружающей среды привлекают все большее внимание развитых стран наряду с другими важнейшими государственными задачами.

Непрерывный мониторинг морской среды должен охватывать все многообразие процессов в морях и океанах с учетом сложных взаимосвязей отдельных компонентов, т.е. быть междисциплинарным.

При достаточно убедительных достижениях в области океанологического приборостроения по созданию измерительных приборов для измерения изменчивости параметров гидрофизических и геофизических полей, недостаточно разработаны измерительные приборы для работы на подспутниковых полигонах. Для интерпретации данных дистанционного мониторинга Мирового океана необходимо проводить прямые контактные измерения стандартных гидрофизических параметров, показателя ослабления направленного света, подводной облученности применительно к биопродуктивности вод, концентрации растворенного в воде кислорода.

Контактные измерения соответствующих параметров осуществляются с помощью измерительных каналов. Особую важность имеет группа параметров, связанная с экологией: концентрация растворенных в воде загрязняющих веществ, качественный и количественный состав элементов взвеси (зоо- и фитопланктон, детрит) в морской воде. Для их измерения целесообразно разработать новые измерительные каналы, использующие оптические принципы определения концентрации растворенных в воде загрязняющих веществ и распознавание образов элементов взвеси. Разработка новых оптических каналов предъявляет повышенные требования к объему и скорости передачи данных с зондирующего устройства в бортовые судовые блоки. Оптические измерения должны осуществляться одновременно с гидрофизическими измерениями, в привязке к единому времени.

В существующих измерительных океанологических комплексах гидрофизические каналы опрашиваются с частотами до десятков герц, имеют короткие ряды наблюдений, а существующие устройства приема-передачи информации между погружаемыми и бортовыми устройствами измерительных приборов ориентированы на эти объемы и скорости передачи данных.

В этой связи актуальна разработка информационно-измерительного комплекса с принципиально новой структурной схемой, интегрирующей разнородные по скорости и объему выдаваемой информации измерительные каналы.

Цель работы. Создание многоканального измерительного комплекса на основе структурной схемы, позволяющей интегрировать различные по объему и скорости передаваемой информации измерительные каналы Задачи работы

1. Разработка структуры информационно-измерительного комплекса, интегрирующей в своем составе различные по объему и скорости выдаваемой информации измерительные каналы.

2. Разработка модуля управления, осуществляющего сбор, преобразование, привязку к единому времени и передачу по телеметрической линии на судно данных от измерительных каналов.

3. Разработка измерительного канала показателя ослабления направленного света в морской воде.

4. Разработка технических требований по передаче данных от измерительных каналов идентификации частиц взвеси и акусто-оптического спектроанализатора.

Научная новизна работы

1. Создана структура информационно-измерительного комплекса, интегрирующая разнородные по скорости и объему выдаваемой информации измерительные каналы, отличающаяся тем, что применена мультиплексная передача по одному оптоволокну данных от подсистемы гидрофизических каналов и новых измерительных каналов с синхронизацией измеренных параметров по единой шкале времени и предоставлением объединенного набора измеренных океанологических параметров в абсолютных величинах операторам комплекса.

2. Разработан модуль управления, сбора и обработки данных погружаемого устройства, отличающийся тем, что разнородные по выходным форматам и протоколам обмена данных измерительные каналы опрашиваются с помощью комплекта унифицированных нормализующих контроллеров и формируются квазисинхронные массивы данных для передачи в бортовое устройство.

3. Создан измерительный канал показателя ослабления направленного света, построенный по однобазовой фотоэлектрической схеме, с переключением измерительного и опорного оптических каналов электрически управляемым оптическим переключателем и модулированием излучения источника при помощи функционального генератора тока. Элементы новизны защищены патентом РФ.

4. На основе анализа телевизионных систем и спектроанализаторов, применяемых в других областях знаний, определены технические характеристики линии связи измерительных каналов идентификации частиц взвеси и спектрометра. Определено, что информационные потоки от данных каналов на порядки превышают соответствующие потоки от подсистемы гидрофизических каналов, поэтому для работы с данными каналами необходимо использовать специальный измерительный комплекс, построенный по вышеуказанной структуре.

Практическая значимость. Разработанная структурная схема многоканального информационно-измерительного комплекса использована при создании в Опытно-конструкторском Бюро океанологической Техники РАН гидролого-оптико-химического комплекса при выполнении договора №66 "Многоканальный гидролого-оптико-химический комплекс для океанологических и экологических исследований на подвижных измерительных платформах".

В состав гидролого-оптико-химического комплекса включены созданные автором: модуль управления, сбора и обработки данных и измерительный канал показателя ослабления направленного света, имеющий элементы новизны, защищенные патентом на изобретение, испытанный в лабораторных и натурных условиях и прошедший предварительную метрологическую аттестацию. Основные положения, выносимые на защиту

1. Структура информационно-измерительного комплекса, интегрирующая разнородные по скорости и объему выдаваемой информации измерительные каналы. Данные от гидрофизических измерительных каналов собираются подсистемой гидрофизических параметров с привязкой к единой шкале времени, после чего вместе с данными новых измерительных каналов мультиплексно передаются по одному оптоволокну в бортовую систему в абсолютных величинах операторам комплекса.

2. Модуль управления сбора и обработки данных погружаемого устройства, при этом разнородные по выходным форматам и протоколам обмена данных измерительные каналы опрашиваются с помощью комплекта унифицированных нормализующих контроллеров и формируются квазисинхронные массивы данных для передачи в бортовое устройство.

3. Измерительный канал показателя ослабления направленного света, построенный по однобазовой фотоэлектрической схеме, с переключением измерительного и опорного оптических каналов электрически управляемым оптическим переключателем и модулированием излучения источника при

помощи функционального генератора тока. Элементы новизны защищены патентом РФ.

4. Технические характеристики линии связи измерительных каналов идентификации частиц взвеси и спектрометра. Информационные потоки от данных каналов на порядки превышают соответствующие потоки от подсистемы гидрофизических каналов. Для работы с такими каналами необходимо использовать измерительный комплекс, построенный по вышеприведенной структуре.

Личный вклад автора. Все результаты диссертационной работы получены автором лично. Автор разработал структуру информационно-измерительного комплекса, разработал алгоритмы работы и осуществил руководство разработкой макета модуля управления, сбора и обработки данных. Разработал фотоэлектрическую схему измерительного канала показателя ослабления направленного света в морской воде (на данную схему автором получен патент на изобретение). Испытания макета комплекса выполнены при непосредственном участии автора.

Апробация работы. Основные положении и результаты работы докладывались на VI (2000 г.), IX (2005 г.), X (2007 г.), XI (2009) Международных научно-технических конференциях "Современные методы и средства океанологических исследований" Москва; на IV-й молодежной школе "Природные катастрофы: анализ, прогнозирование" Южно-Сахалинск 2008 г; на заседании Научно-технического совета ОКБ ОТ РАН в рамках отчета по этапу 2 (Эскизный проект) проекта "Многоканальный гидролого-оптико-химический комплекс для проведения океанологических и экологических исследований на подвижных измерительных платформах»"(2009 г). Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 11 работ, из них 3 статьи, входящие в список ВАК (2 из них в журнале Океанология), получен один патент, опубликовано 6 докладов в материалах международных конференциях, сделан один доклад на молодежной научной школе.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, а также списка литературы и приложений. Она содержит 147 страниц текста, 50 рисунков и 51 наименований литературы. Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю акад. Геннадию Васильевичу Смирнову за терпеливое руководство и постоянную поддержку во время выполнения работы. В разработке экспериментальной аппаратуры принимали участие Аистов Е.А., Животовский И.В., Пугачев В.В., Севрюгин A.C. Большую помощь в организации натурных испытаний оказали Зацепин А.Г., Островский А.Г. Особую признательность автор хотел бы выразить [Парамонову А.А.|, Афанасьеву В.Н., Воробьеву И.И., Ильину И.А., Комару С.А., Коростелеву М.В., Леденеву В.В., Моисеенко Д.В., Окороченкову И.В., Шаталову Г.Н. и другим сотрудникам ОКБ Океанологической Техники РАН.

Содержание работы. Введение Обсуждается актуальность темы, цели и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность работы.

Глава I. Структура информационно-измерительного комплекса, интегрирующего в своем составе традиционные и вновь создаваемые измерительные каналы.

Проведен анализ состояния современного океанологического приборостроения. Особое внимание уделено измерительным каналам: стандартным гидрофизическим (температура, электропроводность, гидростатическое давление); растворенного в воде кислорода; подводной облученности; гидрохимическим и гидрооптическим. Разработана структура погружаемого информационно-измерительного комплекса, как технологическая база для исследования возможности создания новых измерительных каналов, интегрирующая разнородные по скорости и объему выдаваемой информации измерительные каналы, с привязкой измеренных параметров к единой шкале времени и проведения натурных испытаний в

контролируемых фоновых условиях (рисунок 1).

8

В структуру входят погружаемое устройство и судовая система сбора данных и управления комплексом.

Основой погружаемого устройства является модуль управления, сбора и обработки данных, который посредством центрального контроллера и комплекта нормализующих контроллеров осуществляет сбор данных с разнородных по протоколам обмена гидрофизических измерительных каналов. Кроме того, модуль содержит модемы для передачи потока данных стандартных гидрофизических каналов (скорости соответствуют интерфейсу RS232, 9600 бит/сек) и потоков данных с новых измерительных каналов. Особенностью последних являются большие объемы передаваемой информации. Например, акусто-оптический спектроанализатор выдает массивы спектров по 4096 байт на скорости 9600 бит/сек, а канал идентификации частиц взвеси может выдавать цифровой сигнал по интерфейсу Ethernet до сотен Мбит/сек. Блок питания модуля имеет резервы электропитания для подключения новых измерительных каналов, имеющих повышенное энергопотребление.

Погружаемое устройство соединено с судовой системой грузонесущим кабель-тросом, содержащим оптико-волоконные линии и жилы электропитания. Применение оптико-волоконных линий позволяет передавать большие объемы информации при отсутствии влияния электромагнитных помех.

Судовая система управления комплексом содержит персональный компьютер, модемы для приема-передачи данных погружаемого устройства и блок питания.

Сформулированы технические требования на разработку модуля управления, сбора и обработки данных, обеспечивающего сбор данных с различных по протоколам обмена традиционных измерительных каналов, а также работу с новыми испытываемыми каналами. Предложены алгоритмы работы контроллеров, входящих в состав модуля управления. Создан действующий

макет модуля, который апробирован в режиме опроса традиционных гидрофизических каналов (рисунок 2).

Опрос измерительных каналов проводится с помощью комплекта нормализующих контроллеров, опрашиваемых центральным контроллером модуля посредством последовательной шины 12С.

Работоспособность макета модуля подтверждена при его лабораторных испытаниях.

Рис. 1 Структура погружаемого информационно-измерительного комплекса

1 б) Рис. 2 Общий вид лабораторного стенда макета модуля управления

1-текстолитовый столик, 2- центральный контроллер, 3-нормализующий контроллер, 4-кросс-плата, 5-кабель соединительный, 6-оптическая скамья, 7-измерительный канал показателя ослабления направленного света, 8-лабораторный блок питания, 9- персональный компьютер, 10-кабель соединительный.

;

Технические характеристики модуля управления, сбора и обработки

данных

Подключение гидрофизических измерительных каналов: с помощью нормализующих контроллеров, индивидуально программируемых в соответствии с протоколом обмена данных канала.

Интерфейсы подключаемых

измерительных каналов: Я8232,0-5В 16 бит

Количество нормализующих контроллеров: до 32

Формат данных встроенных часов: год, месяц, день, час, минуты, секунды, миллисекунды

Время опроса одного

нормализующего контроллера: не более 1 мсек

Выходное слово данных

нормализующего контроллера: В байт

Глава 2. Разработка измерительного канала показателя ослабления направленного света в морской воде.

Обзор существующих приборов для измерения показателя ослабления выявил следующее:

-многие измерители построены по схеме с двумя приемниками излучения, хотя более стабильна схема с одним приёмником.

-применение в одноканапьных измерителях механических модуляторов опорного и измерительного потоков обуславливает наличие следующих недостатков:

а) усложнение и удорожание конструкции из-за наличия в них прецизионных подвижных механических компонентов.

б) механический модулятор не может выполнять высокоточную синусоидальную модуляцию светового потока, обеспечивающую сигнал с узкой спектральной полосой на выходе приемника излучения. Узкополосный сигнал необходим для

снижения влияния внешних широкополосных световых помех и для работы в области частот, где шумы приемника минимальны.

Исходя из проведенного анализа, сформулированы требования к новому измерительному каналу показателя ослабления направленного света:

1. Однобазовая одноканальная измерительная схема с поочередным сравнением на приемнике измерительного и опорного потоков с помощью оптического переключателя.

2. Одиночный светодиод в качестве источника излучения (или набор светодиодов по спектральным участкам). Излучение светодиода модулировано за счет модуляции питающего тока специальным функциональным генератором.

3. Электронный тракт обработки сигнала фотоприёмника работает по переменному току (частотно-избирательный на частоту модуляции источника).

4. Цифровой выходной интерфейс.

Разработана функциональная оптико-электронная схема измерительного канала (рисунок 3), на которую автором получен патент на изобретение.

Рис. 3 Функциональная оптико-электронная схема измерительного канала

показателя ослабления направленного света 13

На рисунке 4 приведена оптическая схема созданного измерительного канала.

Рис. 4 Оптическая схема измерительного канала. 1 -светодиод, 2-линза конденсора, 3-точечная диафрагма. 4-передающий объектив, 5-оптический клин, 6-иллюминатор, 7-приемный объектив, 8-точечная диафрагма, 9-фотоприемник с интерференционным светофильтром, 10,11-жгуты волоконно-оптические, 12-шторка оптического переключателя

Разработана электрическая схема и прочный глубоководный бокс измерительного канала. Выполнены гидростатические испытания иллюминаторов. Оптическая схема отъюстирована по специально разработанной методике. Особое внимание уделено взаимной параллельности внешних поверхностей иллюминаторов и параллельности выходящего в измеряемую среду светового потока. Выполнена настройка электроники канала. Проведена калибровка и предварительная метрологическая аттестация канала с помощью пакета полированных кварцевых пластин. Внешний вид созданного канала показан на рисунке 5.

«#

Рис. 5 Внешний вид измерительного канала показателя ослабления направленного света.

Технические характеристики измерительного канала показателя ослабления направленного света

Угловое поле изучателя 11'

Угловое поле фотоприемной системы 20' Диаметр светового пучка 14мм

База (расстояние между иллюминаторами) 250мм Длина волны источника 530нм

Частота модуляции

светового потока (настраивается) 500 Гц, 5000Гц

Рабочий диапазон показателя ослабления 0.03 - 1.5 м'1

Точность измерения ±5% от полного диапазона

Выполнен эксперимент по определению влияния внешних фоновых бликовых засветок. Для этого использовалось засвечивание входного иллюминатора фотоприёмной системы под углом примерно 45° к оптической оси с расстояния 200 мм с помощью двух видов источников: мощного светодиода 0.5 Вт (А=530 нм) и лазерного диода 5 мВт (Л.=532 нм). Питание источников периодически включали и выключали с помощью кнопки, чем обеспечивались световые сигналы произвольной длительности с крутыми

фронтами. Показания прозрачномера при этом (на воздухе) укладывались в пределы заявленной погрешности.

Для исследования температурной погрешности прозрачномера проводилось сравнение показаний прибора на воздухе при температуре 18°С и после нагрева прибора в течение 1 часа на поверхности плоского электронагревательного прибора до температуры ориентировочно 30-40°С. Показания прозрачномера при этом (на воздухе) укладывались в пределы заявленной погрешности.

Результаты работы созданного канала в составе экспериментального измерительного комплекса приведены в Главе 4.

Глава 3. Разработка технических требований по передаче данных от измерительных каналов идентификации частиц взвеси н акусто-оптического спектроанализатора

Выполнен обзор существующих технических средств для измерений размеров и количества частиц в воде, показана актуальность создания оптического измерительного канала, осуществляющего количественный учет, классификацию по размерам и идентификацию качественного состава частиц взвеси минерального или органического происхождения, включая организмы планктона, в морской воде. Рассмотрена структурная схема измерительного канала с одним каналом регистрации изображения частиц. Создан экспериментальный стенд, с помощью которого получены изображения моделей частиц и выполнено математическое моделирование корреляционного алгоритма распознавания (рисунок 6). Обработка изображений с телевизионной камеры проводилась после оцифровки на персональном компьютере в специально написанной программе в пакете МаЛСАБ. Показано, что предложенная структурная схема позволяет распознавать только простейшие примитивные образы и пригодна для грубой оценки качественного состава частиц.

Рис. 6 Стенд для исследования измерительного канала идентификации частиц взвеси: 1-стол, 2-планшет с изображениями моделей частиц, 3-телевизионная камера

Предложено использовать систему регистрации частиц с двумя или более подсистемами получения двумерных изображений частиц. Использование такой системы позволит специалистам, имеющим опыт визуального распознавания частиц, научиться делать это же, но с помощью предложенной системы регистрации. Накопленный опыт позволит определить пути работ по автоматизации процесса идентификации частиц.

Произведена оценка производительности линии передачи данных от регистрирующей системы на рабочее место операторов комплекса. Требуемая производительность до 50 Мбит/сек на одну подсистему регистрации двумерного изображения. Для 4-х подсистем предлагается использовать 2-ва канала Fast Ethernet 100 Мбит/сек.

Рассмотрена возможность использования акусто-оптического спектроанализатора в качестве измерительного канала для анализа растворенных в воде химических загрязнителей методом спектроскопии комбинационного рассеяния. Разработан лабораторный стенд для исследования возможностей акусто-оптического спектроанализатора по определению растворенных в воде химических примесей.

Акусто-оптический спектроанализатор имеет следующие особенности при подключении к внешним устройствам:

-большое энергопотребление (около 100 Вт)

-прибор должен быть подключен через интерфейс 118232 к внешнему персональному компьютеру, на котором установлено специализированное программное обеспечение, обеспечивающее выбор режимов прибора и вывод спектральных кривых для анализа исследователем-оператором.

Это не позволяет подключать спектроанализатор в качестве измерительного канала напрямую к существующим в настоящее время погружаемым измерительным комплексам. Предлагается использовать для подключения спектроанализатора отдельную линию 118-232, напрямую транслируемую на рабочее место оператора комплекса через один из каналов оптико-волоконого модема.

Оптимальным решением для создания и испытаний новых измерительных каналов является использование измерительного комплекса, построенного по структурной схеме, предложенной в Главе 1. Глава 4. Экспериментальные исследования гидролого-оптнко-химического комплекса

Выполнены натурные испытания специально созданного экспериментального погружаемого устройства комплекса, показанного на рисунке 7. В состав устройства входят модуль управления, сбора и обработки данных (Глава 1) и измерительный канал показателя ослабления направленного света (Глава 2), готовые СТО-зонд и канал измерения растворенного кислорода.

Каждый измерительный канал подключен к входу соответствующего нормализующего контроллера. Нормализующие контроллеры формируют на выходах унифицированные строки данных, содержащих измерительные параметры соответствующих измерительных каналов. Центральный контроллер модуля управления циклически считывает строки данных с нормализующих контроллеров и, кроме того, данные от таймера реального времени. В конце каждого цикла опроса формируются готовые к передаче по кабель-тросовой линии массивы текущей измерительной информации.

Рис. 7 Экспериментальное погружаемое устройство 1-силовая титановая рама с системой подвеса 2-модуль управления сбора и обработки данных 3-измерительный канал показателя ослабления направленного света 4-СГО-зонд miniCTD (Valeport, UK) 5-датчик растворённого кислорода 4330F (Aanderaa Data Instruments, Nor.).

Время цикла опроса измерительных параметров может быть запрограммировано от 10 мсек до нескольких десятков часов.

Натурные испытания комплекса выполнены в зимнее время со льда в условиях пресноводного водоема (Спасо-Каменский карьер, Дмитровский район Московской области). Экспериментальная установка показана на рисунке 8. Над прорубью устанавливалась грузовая тренога 1, на которую через веревочный полиспаст 2 подвешивалось экспериментальное погружаемое устройство 3, соединённое гибким грузонесущим кабелем 4 с судовым блоком 5, запитанным от аккумулятора 6; запись массивов измерительной информации осуществлялась на ноутбуке 7.

Массивы измерительной информации транслировались судовым блоком на СОМ-порт ноутбука с периодичностью I Гц на скорости 57600 бит/с. Считывание и запись массивов с СОМ-порта осуществлялось программой Advanced Serial Data Logger фирмы AGG Software. Данная программа позволяет архивировать получаемые входные данные в текстовый файл символов, соответствующих ASCII-кодам. После включения комплекса погружаемое устройство постепенно опускали в воду с выдержкой через 2 метра по глубине. Глубина контролировалась по данным 7-го измерительного параметра (избыточное гидростатическое давление, 0.1 кг/см2 соответствует 1 м глубины).

Время зондирования до глубины 20 м составило примерно 16 минут, (количество массивов примерно 900). На основе полученного файла построены зависимости различных параметров от глубины. На рисунках 9 и 10 показаны соответственно профили показателя ослабления направленного света и температуры.

Рис. 9 Профиль показателя ослабления направленного света

Рис. 10 Профиль температуры

Заключение

1. Создана структурная схема информационно-измерительного океанологического многоканального комплекса, позволяющая дополнять состав его измерительных каналов, без ограничения их по информационным потокам.

2. Данная структурная схема обеспечивает экспериментальные исследования новых измерительных каналов со значительными потоками передачи и обработки информации и контролем граничных условий в районе работ.

3. Разработан модуль управления сбора и обработки данных погружаемого устройства, при этом разнородные по выходным форматам и протоколам обмена данных измерительные каналы опрашиваются с помощью комплекта унифицированных нормализующих контроллеров и формируются квазисинхронные массивы данных для передачи в бортовое устройство.

3. Создан измерительный канал показателя ослабления направленного света, построенный по однобазовой фотоэлектрической схеме, с переключением измерительного и опорного оптических каналов электрически управляемым оптическим переключателем и модулированием излучения источника при помощи функционального генератора тока. Элементы новизны защищены патентом РФ.

4. Созданные автором модуль управления, сбора и обработки данных и измерительный канал показателя ослабления направленного света включены в состав гидролого-оптико-химического комплекса, спроектированного в Опытно-конструкторском Бюро океанологической Техники РАН.

5. На основе анализа телевизионных систем и спектроанализаторов, применяемых в других областях знаний, определены технические характеристики линии связи измерительных каналов идентификации частиц взвеси и спектрометра. Установлено, что информационные потоки от данных каналов на порядки превышают соответствующие потоки от подсистемы гидрофизических каналов. Разработанная структура комплекса обеспечивает работу с такими потоками данных.

Список публикаций по теме диссертации

1. Оленин А.Л., Сторожей П.П. О возможности оптических измерений направления перемещения, скорости и концентрации взвесей в воде. // Материалы конференции VI Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства океанологических исследований» Москва 2000 стр. 225

2. Оленин АЛ. Комплекс гидрооптических измерительных каналов // Материалы конференции IX Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства океанологических исследований» Москва 2005 стр. 183-185

3. Оленин A.JI. Схема измерительного канала идентификации частиц взвеси в морской воде. // Океанология. 2010. Т50. №2. С. 306-311

4. Смирнов Г.В., Оленин А.Л. Результаты модельных испытаний буев-носителей автономных буйковых станций. // Океанология. 2012. Т52 №2. С.340-348

5. Алексеев A.B., Оленин A.JI., Смирнов Г.В., Фендриков А.Н. Динамическое позиционирование обитаемого подводного аппарата над объектом работ. // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева. 2011 г. №2 (26) 218-227 с.

6. Оленин A.JI. Фотоэлектрический анализатор. // Патент РФ № 2350930, МПК G01N 21/59 Заявл. 12.07.2007; Опубл. 27.03.2009; Бюл. №9

7. Оленин A.J1. Об измерительном канапе идентификации элементов взвеси в водной среде. // Материалы конференции X Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства океанологических исследований» Часть III МОСКВА 2007 стр. 50-55

8. Оленин АЛ., Парамонов A.A. Разработка многоканального гидролого-оптико-химического комплекса для океанологических исследований на подвижных измерительных платформах. // Материалы конференции X Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства океанологических исследований» Часть III Москва 2007 стр. 154-160

23

9. Оленин A.J1. Измерительный прибор для регистрации количественного и качественного состава минеральных и органических частиц взвеси в морской воде. // Материалы III Сахалинской молодежной научной школы «Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз». 5-7 июня 2008 г., Южно-Сахалинск.

10. Смирнов Г.В., Оленин АЛ., Шаповалов И.С. Многоканальный гидролого-оптико-химический комплекс для проведения океанологических и экологических исследований на подвижных измерительных платформах. // Материалы конференции XI Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства океанологических исследований» Часть I Москва 2009 стр. 34-62

11. Шаповалов И.С., Оленин A.J1. Методы анализа параметров воды. // Материалы конференции XI Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства океанологических исследований» Часть I Москва 2009 стр. 182-191

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Оленин, Антон Леонидович, Москва

61 12-5/3365

/

/у

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

КАНАЛОВ

Специальность: 25.00.28 - Океанология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи УДК 551.46.0

Оленин Антон Леонидович

Научный руководитель: академик РАН, д.т.н., профессор Смирнов Г.В.

Москва-2012

Содержание

Введение 5

Глава 1. Структура информационно-измерительного комплекса, интегрирующего в своем составе традиционные и вновь создаваемые измерительные каналы. 15

1.1 Измерительные каналы океанологических параметров - основные технические средства контактных методов мониторинга океана 16

1.1.1 Стандартные гидрофизические каналы 16

1.1.2 Дополнительные океанологические измерительные каналы 17

1.1.3 Новые оптические измерительные каналы 22

1.2 Современные зондирующие информационно-измерительные комплексы

22

1.3 Структура информационно-измерительного комплекса 28

1.4 Модуль управления, сбора и обработки данных 37

1.5 Макет модуля управления, сбора и обработки данных 39

1.6 Экспериментальные исследования макета модуля управления 53

1.7 Выводы по главе 60 Глава 2. Разработка измерительного канала показателя ослабления направленного света в морской воде. 62

2.1 Теоретические основы измерений 64

2.2 Обзор существующих измерителей показателя ослабления 66

2.3 Разработка оптико-электронной схемы и механической конструкции измерительного канала 72

2.4 Функциональная схема электроники канала 78

2.5 Юстировка оптической схемы измерительного канала. Методика юстировки параллельности внешних поверхностей иллюминаторов 80

2.6 Настройка электроники измерительного канала 90

2.7 Лабораторные испытания канала 90

2.8 Калибровка и предварительная метрологическая аттестация

канала 92

2.9 Измерения в воде 95

2.10 Выводы по главе 96 Глава 3 Разработка технических требований по передаче данных от измерительных каналов идентификации частиц взвеси и акусто-оптического спектроанализатора 97

3.1 Исследование измерительного канала идентификации частиц взвеси в морской воде. 98

3.2 Разработка стенда для исследования возможностей акусто-оптического спектроанализатора для анализа химического состава морской воды 108

3.3 Выводы по главе 115 Глава 4. Экспериментальные исследования гидролого-оптико-химического комплекса 117

4.1 Описание экспериментального комплекса 117

4.1.1 Экспериментальное погружаемое устройство 117

4.1.2 Модуль управления, сбора и обработки данных 119

4.1.3 Структура массива выходных данных многоканального

комплекса 121

4.1.4 Алгоритм опроса центральным контроллером нормализующих контроллеров 122

4.1.5 Унифицированная строка измерительного параметра 123

4.1.6 Измерительный канал показателя ослабления

направленного света 123

4.1.7 CTD-зонд miniCTD (Valeport Inc., UK) 124

4.1.8 Измерительный канал концентрации растворенного кислорода Oxygéné Optode 4330F (Aanderaa Data Instruments, Nor.) 126

4.1.9 Измерительный канал избыточного гидростатического давления ДД3502М 128

4.1.10 Регистрация текущего времени 129

4.1.11 Формат массива текущей измерительной информации, отправляемого из центрального контроллера (АУЯ32иСЗ) через ОБЬ-модем в судовой блок. 130

4.1.12 Грузонесущий гибкий кабель 131

4.1.13 Судовой блок 133

4.1.14 Источник питания 133

4.1.15 Переносной персональный компьютер 134

4.2 Натурные испытания экспериментального комплекса 134

4.2.1 Экспериментальная установка 134

4.2.2 Ход выполнения испытаний и результаты 134

4.3 Выводы по главе 141 Заключение 142 Список литературы 144

Введение

Современные условия жизни на Земле характеризуются значительной глобализацией человеческой деятельности. Антропогенная нагрузка на окружающую среду становится все более существенной, происходит нарушение естественного равновесия природных процессов и усиление негативных для человека последствий. Влияние человека вызывает существенные изменения морских экосистем, проявляющиеся в привнесении новых видов, количественных и качественных нарушениях циклов обращения питательных веществ, катастрофически изменяющих естественно сложившийся баланс. Результатом человеческой деятельности является сокращение промыслового лова рыбы и биоразнообразия морской фауны. Промышленная эксплуатация шельфа моря и его использование для добычи и транспортировки нефти и газа с неизбежностью приводит к возрастанию вероятности крупных катастроф с непоправимым ущербом рекреационным и биологическим ресурсам моря.

В последние годы проблемы глобальной экологии и контроля состояния окружающей среды привлекают все большее внимание развитых стран наряду с другими важнейшими государственными задачами. Правительствами ряда государств согласован набор международных конвенций, включающий Соглашение по Закону о Морях, Рамочное Соглашение по Климатическим Изменениям, Соглашение о Биоразнообразии, Повестку дня 21-й конференции ООН в Рио-де-Жанейро и др. Координация усилий разных стран осуществляется различными международными программами [4].

Очевидно, что интенсификация промышленного освоения океана должна сопровождаться совершенствованием системы контроля состояния морской среды, способной дать надежную информацию для принятия управленческих решений, корректировки действующих и обоснования будущих хозяйственных проектов. Умение контролировать и прогнозировать состояние морской среды

позволяет повысить эффективность операций на море и избежать негативных последствий хозяйственной деятельности.

Непрерывный мониторинг морской среды конечно должен охватывать все многообразие процессов протекающих в морях и океанах с учетом сложных взаимосвязей отдельных компонентов, т.е. быть междисциплинарным. Однако морские течения, распределения температуры и солености морской воды, динамика ледового покрова, поверхностные и внутренние волны и другие физические явления оказывают определяющее воздействие на все компоненты морских систем. В силу этого уровень развития физической океанографии является решающим для развития систем мониторинга морской среды.

Развитие новых технологий наблюдений за состоянием океана в 60-70-е годы, ознаменовавшееся созданием новых зондов и новых измерителей течений для наблюдений скорости, температуры и солености морской воды в широком диапазоне пространственно-временных масштабов, а также прогресс в осуществлении долговременных буйковых постановок, позволили создать качественно новые представления об океане. В 70-80е годы на основе новых данных измерений была построена классификация процессов, определяющих изменчивость океана и построены физические и математические модели этих процессов.

Наконец, 80-90е годы ознаменовались революционными изменениями в области методов и средств наблюдений океана, среди которых отметим развитие и внедрение в океанографическую практику долговременных измерений со свободно-дрейфующих и заякоренных буев, обитаемых и необитаемых подводных аппаратов и осуществление регулярных дистанционные наблюдений океана из космоса. В комплексе с глубоким физическим пониманием динамики океана, реализовавшимся в высокоточных моделях его циркуляции и бурным совершенствованием вычислительной техники новые методы и средства океанологических наблюдений дают новое качество современной океанологии.

Дистанционное зондирование океана из космоса, регулярные наблюдения с попутных судов и автономных платформ разного рода позволяют создавать системы диагноза и прогноза морской среды, аналогичные метеорологическим системам прогноза погоды с использованием современных компьютеров, численных моделей океанических процессов и методов ассимиляции наблюдений. Такие системы дают возможность оптимальным образом интегрировать разнородные измерения и представлять в удобной форме непрерывную эволюцию океанических полей с достаточно высокой точностью, что позволяет повысить эффективность промышленного освоения океана и создать научно-обоснованную базу реализации природоохранных мероприятий.

Новые технологии существенно изменяют и саму методологию проведения исследований океана. Океанические процессы с пространственными масштабами более десятка километров и временными масштабами более суток, при правильной организации наблюдательной сети и с использованием новейших технологий наблюдений и моделей океанической динамики, эффективно воспроизводятся в режиме времени, близком к реальному. В силу этого появляется возможность исследований более мелкомасштабных процессов в контролируемых условиях.

Рассматривая дальнейшие пути развития современной океанологии, на первый план выходят проблемы глобальной экологии и контроля состояния окружающей среды, которые привлекают все большее внимание развитых стран наряду с другими важнейшими государственными задачами.

Эти же задачи сформулированы в области фундаментальных и прикладных исследований природы Мирового океана в Морской доктрине Российской Федерации, как приоритетные для дальнейшего развития научных исследований:

- морских биологических ресурсов и динамики экосистем Мирового океана, внутренних морских вод Российской федерации;

- влияния Мирового океана на экосистему планеты;

- природной среды и глобальных процессов, происходящих в Мировом океане и смежных сферах;

- принципов и методов, направленных на снижение экологической нагрузки на акватории Мирового океана, внутренних морских вод Российской Федерации.

Развитие указанных экологических направлений исследований особенно актуально для Российской Федерации имеющей 14 окраинных морей и ведущей работы по освоению их минеральных и пищевых ресурсов [4].

Измерения какого-либо параметра водной среды in situ проводится с помощью контактных методов измерений, основанных на использовании измерительного канала, преобразующего данный параметр в соответствующий электрический сигнал, аналоговый или цифровой.

Однако необходимо отметить, что, при достаточно убедительных достижениях в области океанологического приборостроения по созданию измерительных приборов для измерения изменчивости параметров гидрофизических и геофизических полей, недостаточно развиты измерительные приборы для регистрации in situ параметров характеризующих экологическое состояние водоемов, в частности, для регистрации и анализа химических загрязнений и идентификации частиц взвеси в морской воде.

Проведенный предварительный анализ информации о возможности создания экологических измерительных каналов показал, что для решения поставленной задачи, перспективны следующие методы исследований: измерения оптических характеристик морской воды, спектральный анализ с различными источниками излучения, а также телевизионные измерения для идентификации частиц взвеси в морской воде.

Для разработки новых измерительных каналов: идентификации частиц взвеси в морской воде и построенных на основе спектроанализаторов, требуется создание специального технологического оборудования. Необходимо разработать многоканальный информационно-измерительный комплекс,

обеспечивающий контроль граничных условий при лабораторных и натурных испытаниях и позволяющий интегрировать различные по объему и скорости передаваемой информации измерительные каналы.

Таким образом, учитывая актуальность проблем современного океанологического приборостроения, целью настоящей работы является:

Создание многоканального измерительного комплекса на основе структурной схемы, позволяющей интегрировать различные по объему и скорости передаваемой информации измерительные каналы

Успешное создание, корректные испытания и последующая эффективная работа таких измерительных каналов возможны лишь при включении их в состав некоего многоканального измерительного комплекса, оснащенного стандартными гидрофизическими каналами, обеспечивающими измерение фоновых параметров (температура, электропроводность и т.п.) и обеспечивающего необходимые для новых каналов скорости и объемы передачи данных и требуемую мощность электропитания.

Проблема заключается в том, что в существующих океанологических комплексах измерительные каналы температуры морской воды, электропроводности, скорости и направления вектора скорости течения, скорости распространения звука в морской воде и другие уже имеющиеся измерительные каналы опрашиваются с частотой доли герц, имеют короткие ряды наблюдений, а существующие устройства приема-передачи информации между погружаемыми и бортовыми устройствами измерительных приборов ориентированы на эти объемы и скорости.

Другой аспект данной проблемы касается оптических методов измерений. Возможное быстродействие современных оптических приемников превышает быстродействие чувствительных элементов прочих измерительных каналов, однако в существующих измерителях быстродействие оптических методов в должной мере не используется хотя оно крайне необходимо для

автоматизированной идентификации объектов взвеси, т.е. определения их качественного и количественного состава.

В последнее время появилось достаточно много публикаций о развитии автоматизированного распознавания объектов которые могут быть столь мелкими, что требуется использование оптической системы-микроскопа (например, патент США 6680700). Такие эксперименты требуют соответствующего инструментария (камера, оптическая система, система распознавания образов, система освещения и т. д.). До настоящего времени такие измерительные каналы серийно не производятся. Большой интерес представляет разработка телевизионно-измерительного канала с системой обработки в режиме реального времени, позволяющего обеспечивать синхронно с другими измерительными каналами распознавание образов регистрируемых каналом объектов, а также измерение их качественных и количественных характеристик.

Таким образом, необходим погружаемый измерительный комплекс, интегрирующий в своём составе разнородные по интерфейсам, объему и скорости передачи информации измерительные каналы и обеспечивающий передачу требуемых для новых экологических каналов объемов информации по линии связи между погружаемым и судовыми устройствами.

Решение возникающих проблем интеграции имеющихся измерительных каналов с вновь создаваемыми может быть достигнуто разработкой принципиально новой структурной схемы информационно-измерительного комплекса и разработкой нового устройства приема-передачи информации между погружаемым и бортовым устройствами.

Для достижения цели, поставленной в диссертационной работе, необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка структуры информационно-измерительного комплекса, интегрирующей в своем составе различные по объему и скорости выдаваемой информации измерительные каналы.

2. Разработка модуля управления, осуществляющего сбор, преобразование, привязку к единому времени и передачу по телеметрической линии на судно данных от измерительных каналов.

3. Разработка измерительного канала показателя ослабления направленного света в морской воде.

4. Разработка технических требований по передаче данных от измерительных каналов идентификации частиц взвеси и спектрометра.

Научная новизна

1. Создана структура информационно-измерительного комплекса, интегрирующая разнородные по скорости и объему выдаваемой информации измерительные каналы, отличающаяся тем, что применена мультиплексная передача по одному оптоволокну данных от подсистемы гидрофизических каналов и новых измерительных каналов с синхронизацией измеренных параметров по единой шкале времени и предоставлением объединенного набора измеренных океанологических параметров в абсолютных величинах операторам комплекса.

2. Разработан модуль управления, сбора и обработки данных погружаемого устройства, отличающийся тем, что разнородные по выходным форматам и протоколам обмена данных измерительные каналы опрашиваются с помощью комплекта унифицированных нормализующих контроллеров и формируются квазисинхронные массивы данных для передачи в бортовое устройство.

3. Создан измерительный канал показателя ослабления направленного света, построенный по однобазовой фотоэлектрической схеме, с переключением измерительного и опорного оптических каналов электрически управляемым

оптическим переключателем и модулированием излучения источника при помощи функционального генератора тока. Элементы новизны защищены патентом РФ.

4. На основе анализа телевизионных систем и спектроанализаторов, применяемых в других областях знаний, определены технические характеристики линии связи измерительных каналов идентификации частиц взвеси и спектр