Аппаратный комплекс для акустического мониторинга экологического состояния водной среды и придонных отложений водоёмов Текст научной статьи по специальности «Физика»

р —ро - 2 'ро •

Полученная разность фаз не зависит от расстояния и получила название “фазового инварианта”.

Отражаясь от объекта лоцирования, фазы двухкомпонентного сигнала и$ ()

изменятся на величины <р(0.) и ф(20) соответственно. Тогда разность фаз отраженных компонентов сигнала и$ () равна:

р— р + р(20)-2 -р(о),

а фаза коэффициента отражения объекта лоцирования

ртт — р-р — р(20)-2 • р(О).

,

свойств исследуемого объекта.

На основе полученных результатов выполнен действующий экспериментальный образец излучающего тракта анализатора грунта.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гавр плов А.М. Исследование и разработка парам етрической антенны с амплитудно-модулированной накачкой для изучения характеристик морского дна - Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд. наук. Таганрог, 1987.

УДК 534.222

В.А. Воронин, МЛ. Чернов

АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ И ПРИДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ВОДОЁМОВ

Активное использование морей с целью получения продуктов питания, минерального сырья и увеличение техногенной нагрузки особенно на внутренние водоёмы привело к значительному ухудшению их экологического состояния.

Изучение и моделирование процессов, происходящих в водоёмах, позволит предупредить экологическую катастрофу огромных регионов. Наиболее информативным видом изучения морей могут быть акустические методы исследования. Акустические волны широко используются обитателями морей для подводного наблюдения и распознавания объектов, определения расстояний и подачи сигналов. Акустические приборы, гидролокаторы позволяют человеку ориентироваться в подводных мирах, определять и классифицировать различные технические и биологические объекты в толщах воды и ила.

Основные характеристики ультразвукового излучения в значительной степени зависят от параметров водной среды: температуры, плотности, солёности, давления и др. Это позволяет использовать ультразвуковое излучение для оценки характеристик водной среды по рассеянию, отражению, преломлению и другим па-

раметрам ультразвуковых волн. Одним из наиболее значимых параметров в гидролокации является нелинейность взаимодействия ультразвуковых волн в водной среде. Используя свойства нелинейности взаимодействия, можно значительно повысить разрешающую способность локационных устройств, уменьшить габариты , . для исследования биологических неоднородностей представляет использование параметрических излучателей для гидролокации [1].

Из-за пренебрежимо малого уровня боковых лепестков в диаграмме направленности параметрического излучателя реверберационная помеха от дна моря на . -пользование обычных гидролокаторов в условиях мелкого моря и на близких расстояниях от скоплений биомассы, когда наиболее необходимы оперативные сведения о размерах, конфигурации и направлении движения биомассы.

Разработанный аппаратный комплекс предназначен для исследований экологического состояния водоёмов на основе измерения физико-химических параметров водной среды и объёмных параметров биомассы с использованием электронных измерителей солёности, температуры, давления, плотности среды, скорости распространения механических колебаний, а также дистантного наблюдения и классификации биологических объектов с помощью параметрических гидроакустических локаторов [2]. На основе комплексирования получаемых результатов различных измерений производится их обработка на ЭВМ с целью создания полной картины экологического состояния водоёма.

Структурная схема комплекса представлена на рис. 1.

1 2 3

■ Г

7 ► 8

, к

4 5 6

Рис.1. Структурная схема комплекса

Аппаратный комплекс включает в себя ультразвуковой измеритель скорости распространения механических колебаний 1 в водной среде на основе метода син, 2, -ного термодатчика, измеритель солёности среды 3, реализующего кондуктометри-ческий метод измерения параметров биожидкостей, измеритель гидростатического давления 4, основанный на барометрическом методе, акустический измеритель нелинейности среды 5, в качестве которого используется один канал параметрического гидроакустического локатора 6, [3]. Для преобразования получаемой анало-

говой информации в цифровую используется устройство сопряжения 7 с ЭВМ 8, включающие в себя буферные каскады и АЦП.

Измерение скорости звука осуществляется кольцевым методом. Этот метод позволяет определять без перенастройки зависимость изменения скорости звука от температуры, времени, статического давления и широко распространён при измерении распределения скорости звука в море.

1-1 2 СО ><ХХ»Ф<

к

Рис.2. Структурная схема блока измерения скорости звука

Блок измерителя скорости звука представляют собой самобалансирующуюся электронно-акустическую систему. Генератор импульсов 2 работает в режиме автозапуска, т.е. создаёт импульсы заданной частоты только при поступлении на его вход запускающего импульса от приемника 4. Таким образом, излучатель 3 при возбуждении посылает импульс в исследуемую среду, спустя промежуток времени т импульс дости гает приёмника, преобразуется в электрический. Для лучшего запуска импульс подвергается формированию в формирователе 1, предварительно пройдя через усилитель синхроимпульса 5, который вырабатывает короткий им, 2, -цесс повторяется. Счётчик импульсов 6 фиксирует частоту повторения периодических сигналов Б. Скорость звука определяется из выражения

- Е'Ь с 1 - Р (та+Т Г

где Ь-расстояние, проходимое звуком в исследуемой среде; та,тэ- акустическая и

,

между преобразователем и средой и временем срабатывания элементов электронной схемы. Точность кольцевых схем находится на уровне 10-3-10-4.

,

измерительного датчика описаны в [4].

Использование параметрических гидролокаторов для исследования биомассы связанно с определением коэффициента обратного объёмного рассеяния. Правильное его определение на различных частотах возможно при одинаковом озвучивании объёма на этих частотах, и только параметрические антенны из-за того, что их характеристика направленности не зависит от частоты, обладают этой возможно.

гидролокаторы, обладающие широкой полосой рабочих частот, малыми габарита, -.

, -

ложительными качествами параметрических излучателей, представлен структур. 3.

излучающая

антенна

Согласующий ВАРУ Фильтр Предвари- тельный усилитель

усилитель 7-35 кГц

.Гг

приемная

антенна

Рис.3. Структурная схема параметрического гидролокатора

Для параметрического гидролокатора необходимо наличие блока формирования двух сигналов разной частоты. При этом должна реализоваться возможность непрерывного изменения одной из этих частот с целью получения их разности в диапазоне 0 - 28 кГц, что позволяет расширить классификационные возможности гидролокатора. Кроме того, формирователь сигналов управляет временной автоматической регулировкой усиления (ВАРУ) приёмного тракта гидролокатора. Далее сформированный сигнал усиливается двумя блоками усилителей мощности, питающими излучающую параметрическую антенну.

Приёмный тракт представляет собой последовательность блоков: предвари, -метров для упрощения его дальнейшей обработки; фильтров высоких и низких , .

Более подробное описание гидролокатора, техническое решение отдельных его узлов приведено в [5].

Разработанный аппаратный комплекс для акустического мониторинга экологического состояния водной среды и придонных отложений водоёмов может быть использован для контроля водоёмов с маломерных судов, а также со стационарных

.

Комплекс позволяет определять следующие характеристики водных сред:

♦ физико-механические параметры: температуру, давление и скорость

;

♦ ф изико-химические параметры: солёность, коэффициент нелинейности

, ;

♦ выявлять и классифицировать биологические и техногенные неоднородности в среде: скопления био- и зоопланктона, косяки рыб, плотность и состав донных отложений, загрязнение нефтепродуктами и выбросами

;

♦ определять глубину водоёма, расстояние до биологических неоднород-

, , .

ЛИТЕРАТУРА

1. Новиков Б.К., Тимошенко В.И., Руденко О.В. Нелинейная гидроакустика Л.: Судостроение, 1981

2. Чернов ММ. Особенности исследования биоресурсов Мирового океана с помощью параметрических локаторов /Биомедсистемы - 99, Сборник Всероссийской НТК, Рязань: РГРТА, 1999

3. . ., . . -

ских исследований донных отложений Азовского моря /Известия ТРТУ, Сборник Международной НТК, Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999

4. Чернов НМ., Чернов ММ. Измерение скорости звука в жидких средах. Метод. указания Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999

5. Чернов ММ. Параметрический локатор для экологического мониторинга водных ресурсов /Сборник шестой ежегодной Международной НТК, М.: МЭИ, 2000