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 6 680 700). 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 спектроанализатора. 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.
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» Москвана 1У-й молодежной школе «Природные катастрофы: анализ, прогнозирование» Южно-Сахалинск 2008 гна 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 3 статьи в журналах, входящих в список ВАК. Сделано 6 докладов на международных конференциях, 1 доклад на молодежной научной школе. Получен 1 патент на изобретение. Все публикации подготовлены автором лично и ему принадлежат основные идеи и постановка задачи в опубликованных работах.
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 спектроанализатора. 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.
Содержание работы.
В первой главе представлена разработанная структура информационно-измерительного комплекса интегрирующего в своем составе традиционные и вновь создаваемые экологические измерительные каналы. Приведено описание центрального блока погружаемого устройства.
Во второй главе дано описание разработанного, изготовленного и приведены результаты лабораторных испытаний измерительного канала ослабления направленного света в морской воде.
В третьей главе приведены результаты лабораторных испытаний макета измерительного канала идентификации частиц взвеси и определены пути дальнейшей разработки канала.
Описан специально созданный лабораторный стенд для исследования возможности использования акусто-оптического спектроанализатора для анализа состава загрязнений воды на основе регистрации комбинационного рассеяния оптического излучения.
Сформулированы технические требования по передаче данных от измерительных каналов идентификации частиц взвеси и спектрометра.
В четвертой главе описаны натурные испытания экспериментального погружаемого комплекса. Приведено описание конструкции погружаемого устройства. Представлены измеренные с помощью комплекса в пресноводном водоеме профили показателя ослабления направленного света и температуры.
В разделе Заключение приведены основные выводы по выполненной работе.
4.3 Выводы.
1. Создан экспериментальный погружаемый комплекс, интегрирующий модуль управления, стандартные гидрофизические каналы и измерительный канал показателя ослабления направленного света.
2. Проведены успешные натурные испытания комплекса, показавшие работоспособность и эффективность разработанной в Главе 1 структурной схемы и измерительного канала показателя ослабления направленного света, создание которого описано в Главе 2.
3. Проверена система опроса гидрофизических каналов модулем управления, сбора и обработки данных.
4. Проведены зондирования экспериментальным погружаемым устройством на глубину до 20 м в зимнее время в условиях пресноводного водоёма.
Выполненные исследования и разработки позволили решить основные научные задачи, поставленные в данной работе. В заключение, можно сделать следующие выводы:
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.
