книги / Применения ультразвука

Методы исследования 497

10.3. Методы исследования

Для того чтобы исследовать живые и неживые материи океанов, нужно излучать акустическую энергию в среду. Гидроакустическая энергия, также как при работе с радаром, излучается в виде энер­ гетического импульса, чтобы получить как можно больше ин­ формации о материале цели. Излучаемая энергия преобразуется (рассеивается) средой и целью. Наблюдатель обнаруживает цель с помощью рассеянной энергии, используя сложные техники пос­ ледующей обработки принятого эхо-сигнала. Для получения ин­ формации о цели служат запаздывание импульса и затухание, вы­ званное средой и целью. Как правило, в морских исследованиях используются акустические волны диапазона 10—20 кГц. Частоты выше 50 кГц неприемлемы для применения под водой, поскольку поглощение звуковой энергии в морской воде повышается про­ порционально квадрату частоты. Если используются высокое раз­ решение и малые дистанции, например при изучении рыб, часто­ та составляет порядка 500 кГц.

С возникновением электроники, развитием преобразовате­ лей и усовершенствованием методов обработки сигнала техника и инструментарий, используемые для измерения океанических па­ раметров, были также усовершенствованы, произошел переход от инструментов, управляемых вручную, к многофункциональной системе с дистанционным управлением на базе микропроцессора/компьютера. Наиболее часто измеряемые океанографические параметры и инструменты, используемые для проведения этих измерений, перечислены в табл. 1 0 .1 .

Табл. 10.1 Наиболее часто измеряемые океанические параметры и применяемый инструментарий

Океанографические инструменты с точки зрения их функ­ ционирования классифицируют по двум категориям: прямые и дистанционные. Дистанционные зондирующие инструменты за­ воевали популярность в конце 80-х годов. Эти инструменты ис­ пользуются для измерения океанических параметров и не создают помех, обеспечивая получение синоптических данных посредс­ твом быстрого и обширного охвата пространства. Сигналы, при-

нятые от цели, требуют корректировки, поскольку несущие элек­ тромагнитные и акустические волны проходят через воздушную и водную среду.

Следовательно, дистанционные зондирующие инструменты требуют корректировки и наземного контроля данных, для чего не­ обходимы дополнительные эксперименты. Поэтому традиционно используются прямые инструменты, которые не имеют недостат­ ков, присущих дистанционным. Наиболее распространенными прямыми инструментами, разрабатываемыми для инженерных со­ оружений, являются фиксированная платформа или вышка, буи на растяжках (expandable buoys), которые действуют самостоятельно, контролируются дистанционно или человеком из подводного аппа­ рата, а также структуры, размещаемые на дне моря. Дистанционные зондирующие инструменты снабжены связью с самолетами и спут­ никами, а в некоторых случаях —с береговыми сооружениями.

Океанографические инструменты имеют различные формы представления результатов. Корабельные и воздушные инстру­ менты оснащены визуальным и аналоговым/цифровым дисплеем с возможностью хранения данных для возврата к ним и обработ­ ки в будущем. Если инструментарий установлен на буях, данные передаются либо записываются с помощью кабеля или акустической/радиотелеметрической аппаратуры в соответствии с програм­ мой, действующей в онлайн-режиме или введенной в память. В случае буев на растяжках или зондов данные передаются на стан­ цию мониторинга либо по кабелю, либо посредством телеметрии. Для переноса данных от соответствующих бортовых инструментов используются программируемые инструкции/комментарии.

10.4. Классификация инструментов

Океанографические инструменты имеюттакое же базовое устройс­ тво, как их наземные аналоги. Океанические инструменты содер­ жат три основных элемента: преобразователь для распознавания параметра, электронику, которая обеспечивает предварительное формирование сигнала и обработку, а также устройство вывода. В дистанционных техниках измерения спутниковые инструмен­ ты, используемые для исследования океана или суши, одинако­ вы. Однако прямые океанографические инструменты отличают­ ся от наземных аналогов по своей конструкции и комплектации,

что связано с условиями морской среды. При конструировании прямых инструментов следует предпринимать специальные меры предосторожности, такие как защита от давления, коррозии, об­ растания морскими организмами и т.д.

Океанические инструменты в зависимости от условий работы делятся на различные категории, как показано на рис. 10.3.

1

[Кабельные VHF/HF | [ Акустика ]

Рис. 10.3. Классификация океанографических инструментов

Для того чтобы получить представление о наиболее сущест­ венных характеристиках, далее вкратце рассматриваются различ­ ные океанографические инструменты, используемые для иссле­ дования океанических параметров.

10.4.1. Измерениятемпературы

Измерение температуры морской воды на поверхности и на раз­ личных глубинах чрезвычайно востребовано, поскольку темпе­ ратура влияет на многие другие океанографические процессы и параметры. Для получения вертикального профиля температур морской воды используется МВТ (механический батитермограф). Данный метод подразумевает значительные затраты времени, поскольку проведение измерений и считывание данных требуют, чтобы корабль медленно двигался или оставался неподвижно на одном месте. Вышеназванные проблемы преодолеваются с помо­ щью ХВТ (раскладного батитермографа), позволяющего прово­ дить измерения во время движения корабля со скоростью 25—30 узлов. Результатом является получение глубинного профиля тем­ пературы на ленточном самописце за 90 секунд. Главное досто-

инство системы ХВТзаключается в том, что она позволяет быстро получать данные даже на обычной скорости корабля.

Электрическая версия механического батитермографа (ЕВТ) оснащена датчиками температуры и глубины. Цифровые выход­ ные данные выдают температуру по всей глубине с интервалами 1 метр. Блок-схема ЕВТ приведена на рис. 10.4. В преобразовате­ ле для измерения температуры используется устройство с медным резистивным элементом, а для измерения давления (или глуби­ ны) - тензометр. Данное устройство помещается на дно стально­ го цилиндрического корпуса, находящегося в клетке открытого типа. Оно оснащено 12-вольтовым аккумулятором, электронным блоком на четырех печатных платах и микропроцессором. Для на­ стройки системной функции на верхнем крае корпуса установлен магнит с переключателем. Диапазон глубин ЕВТ составляет 250 метров с точностью ±0,5 метра, а диапазон температур 283—308 К с точностью ±0,1 К. Система может работать, только если корабль неподвижен или движется с медленной скоростью.

Модуль SEA

Рис. 10.4. Блок-схема ЕВТ

10.4.2. Измерениясолености, температуры иглубины

Наиболее распространенными параметрами в океанографии яв­ ляются соленость и температура, как функции глубины моря. Типичный инструмент, используемый для измерений солености, температуры и глубины, называется системой STD. Блок-схема простейшей системы STD изображена на рис. 10.5.

Датчиктемпературы представляетсобой терморезистор, заклю­ ченный в стальную капсулу. Датчик солености — это ячейка для измерения электропроводности, где сопротивление между двумя платиновыми электродами пропорционально солености. Датчик

постоянного тока. Ячейкой для измерения проводимости служат четыре электрода, которые обеспечивают линейность; результа­ ты, полученные датчиками, обрабатываются независимо друг от друга. Датчик глубины, которым оснащен данный инструмента­ рий, относится к типу тензодатчиков. Сигналы датчика сохраня­ ются в буфере и поступают на двухканальный перьевой самопи­ сец, чтобы отметить глубину по оси х и два другие параметра на каналах ур уТ Обе системы имеют одинаковую спецификацию, однако вторая более надежна и компактна.

10.4.3. Измерения параметровпотока

Для океанических циркуляционных процессов, а также для инже­ нерных применений, таких как удаленные от берега и подводные структуры, плавающие и погружаемые буи, подводная буксировка или движущиеся кабели и подводные трубопроводы, чрезвычайно важную роль играют скорость и направления океанических тече­ ний как на поверхности, так и на различных глубинах. В насто­ ящее время применяемый инструментарий основан на техниках измерения потока воды, предложенных Эйлером или Лагранжем. Причем первые более распространены, чем последние.

Датчик расхода Лагранжа — это довольно старый инстру­ мент, применяющийся для измерения поверхностных течений. Лагранжевские измерения потока на практике подвержены зна­ чительным ошибкам и порождают проблемы практического характера в данной области. Единственным фактором, говоря­ щим в их пользу, является простая конструкция и простое фун­ кционирование приборов. Эйлеровский расходомер состоит из крыльчатки или ротора и счетного устройства для определения количества оборотов, по которому оценивается скорость потока. Направление потока воды измеряют по отклонению магнитной стрелки, прикрепленной к инструменту.

Число оборотов лопасти можно определить с помощью фо­ тотранзистора и узла осветителя. Если скорость потока повыша­ ется, число импульсов, попадающих на фототранзистор, также увеличивается, что можно использовать для калибровки скоро­ сти потока. Вместо фототранзисторного устройства допускается применять индуктивный датчик, в котором крошечная железная полоска, зафиксированная на роторе, проносится около малень­ кой электрической катушки. В результате происходит изменение индуктивности, которую измеряет мост Уитстона, возбуждаемый

1-килогерцовым осциллятором. Выходные данные проходят че­ рез стробирующее устройство так, что импульс, проходящий в конкретный момент времени, обозначает соответствующий по­ ток воды (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Блок-схема измерителя потока

Электромагнитный датчик содержит два электрода, магнит­ ное поле и текущую через него проводящую жидкость (морская вода обычно соленая, поэтому по своей природе является про­ водящей). Сигнал с выхода преобразователя, прошедший через усилитель на полевых транзисторах (FET) и фазочувствительный детектор, сравнивают с контрольным напряжением. При реали­ зации этого процесса на самописец поступает только один сигнал потока. Остальные сигналы расцениваются как шум (рис. 10.8).

Для измерения направления используется магнитный ком­ пас —потенциометр Эндерея, скользящий контакт потенциомет­ ра (относительно земли) задает направление относительно маг­ нитного поля земли. Допускается оснащение микропроцессором, чтобы производить дистанционное считывание информации. Оцифровывание и управление данными осуществляется с помо­ щью микропроцессора или микроконтроллера (в систему можно также включить сигнализацию).

10.4.4. Измерения параметров волныиприлива

Чтобы изучить процессы, происходящие на береговой линии, схе­ му и поведение морских структур, важно проводить измерения волн

иприлива. Подобные измерения дают информацию об амплитудах

ипериодах, равно как и о направлениях волн, которые зависят от