ФАНО России Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) Нижний Новгород КОМПЕТЕНЦИИ И МАТЕРИАЛЬНАЯ БАЗА ФИЦ ИПФ РАН ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ НИОКР В РАМКАХ РАБОЧЕЙ ГРУППЫ МАРИНЭТ НТИ Рук. департамента инновационного развития ИПФ РАН Алексей Кириллов (831) 416 -49 -76 kir@ufp. appl. sci-nnov. ru 603950 Россия, Нижний Новгород ГСП-120, ул. Ульянова 46
РАДИОЧАСТОТНЫЕ И УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ И АППАРАТУРА ДЛЯ МОНИТОРИНГА МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ И АРКТИЧЕСКИХ ЛЬДОВ
• Мониторинг морского волнения и льдов имеет большое значение для судоходства, сельскохозяйственной деятельности, обеспечения безопасности жизнедеятельности человека и составления прогнозов погоды. • Основной объем информации о поверхностном слое Мирового Океана получают с космических радиолокаторов НАШИ ПРОЕКТЫ Разработка технического облика скаттерометра «СКАТ-3 М» для космического аппарата «Метеор-М» № 3 Разработка технического облика скаттерометра «СКАТ-МП» для космического аппарата «Метеор-МП» Проведение космического эксперимента «Радиолокатор» на российском модуле МКС
ВОЗМОЖНОСТИ СПУТНИКОВОЙ ЛОКАЦИИ • Скаттерометры измеряют поле приповерхностного ветра, можно оценить тип ледяного покрова • Альтиметры измеряют уровень воды, высоту волн, толщину и тип ледяного покрова, скорость приповерхностного ветра • Радары с синтезированной апертурой антенны (РСА) измеряют поле ветра, тип ледяного покрова с высоким разрешением Алгоритмы требуют калибровки и постоянной валидации измерений! Альтиметр РСА Скаттерометр
КАЛИБРОВКА И ВАЛИДАЦИЯ IMB Буй измеряющий толщину льда IABP Расположение буев NDBC - Амплитудные характеристики и направление энергонесущих волн - Состояние приводного слоя атмосферы (давление, скорость ветра и пр. ) Более 1200 морских буев
АКУСТИЧЕСКИЙ ВОЛНОГРАФ Оригинальная конструкция и алгоритм восстановления параметров волнения защищенные патентами –патент РФ 2466425 «Способ измерения характеристик взволнованной водной поверхности» , 01. 06. 2011 –Заявка на патент № 2014122743 от 03/06 -2014 Караев В. Ю. , Титченко Ю. , Мешков Е. «Способ измерения характеристик волнения водной поверхности» Диаграмма направленности антенны Кабель Акустический волнограф Дно
ОСОБЕННОСТИ И АПРОБАЦИЯ • • • Для анализа используется не только отраженная мощность, но и спектральные характеристики отраженного сигнала. Впервые используются антенны с ножевыми диаграммами направленности в сочетание с широкой симметричной. Подводный доплеровский «акустический волнограф» впервые позволяет непосредственно измерять параметры волн, влияющие на отражение электромагнитных волн, для проведения валидации и верификации алгоритмов обработки спутниковых данных Акустический бассейн ИПФ РАН Акустический бассейн Пирс на Горьковском Платформа водохранилище МГИ ННГУ Пирс ЮО ИО РАН
ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЛНЕНИЯ • • Проведение численного моделирования, лабораторных и натурных экспериментов показали высокую точность алгоритмов восстановления параметров волнения. Измеряется уровень воды, высота волн, наклоны волн и все остальные статистические характеристики поверхности второго порядка, а так же интенсивности дождя. ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЬДА • • Наличие и тип льда определяется по мощности отраженного сигнала Толщина льда определяется по временам прихода отраженного импульса от границ вода-лед и лед-воздух Вода-лед Лед-воздух
Параметр Использование в любом водоеме Работа в замерзающих водоемах Возможность измерения: уровня воды, толщины льда состояния приводного слоя атмосферы (давление, скорость ветра и пр. ) характеристик высокочастотной части спектра волнения амплитудных характеристик энергонесущих волн среднего направления энергонесущих волн Передача данных по спутниковому каналу «Акустический волнограф» Струнный волнограф NORTEK AWAC Морской буй NOMAD + (требуется платформа) + + + - + +/- - - (требуется поплавок) - - + + + (требуется поплавок) - - +
ВАРИАНТЫ АРКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ • • • Оперативный мониторинг волновой и ледовой обстановки замерзающей части Арктики. В качестве надводной части – подныривающий под лед буй. Дрейфующий автономный буй для контроля ледовой обстановки Использование вблизи берегов и стационарных платформ. Кабель протянут по дну Подныривающий буй Акустический волнограф Кабель
УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ И АППАРАТУРА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПОВЕРХНОСТНОГО ВОЛНЕНИЯ Совместная разработка ИПФ РАН и ВГУВТ
Цель : - обеспечение безопасности судоходства во внутренних водных путях, а также на морском, в т. ч. , Арктическом, шельфе Назначение: Дистанционное измерение характеристик ветрового волнения (высот и периодов волн) с возможностью передачи данных в онлайн режиме по каналу связи (wi-fi) Состав: - подводный модуль - надводный модуль - канал связи между модулями
Береговой приемный узел Корабельный приемный узел Надводный передающий узел Подводный модуль акустического волнографа Кабель передачи данных
ПОДВОДНЫЙ МОДУЛЬ НАДВОДНЫЙ МОДУЛЬ СОСТАВ: -излучающая антенна (ЦТС-19, ЦТС-23) -промышленный микрокомпьютер -герметичный корпус (капролон) -АЦП + накопитель данных -водоизмещающий корпус -передающая антенна -кабель передачи данных -гелевые батареи 24 В – 17 А/ч Характеристики (могут меняться в зависимости от конкретных условий работы: - глубина размещения – до 15 м -несущая частота излучения - 600± 25 к. Гц, длительность и частота повторения импульсов – 80 -300 мкс и 10 - 100 Гц, -раскрыв диаграммы направленности – менее 4 град, - мощность 1 -1. 5 Вт, - размер 222 х94 мм, материал корпуса – капролон, материал крепежной оснастки и элементов корпуса – нержавеющая сталь
КОГЕРЕНТНАЯ МОРСКАЯ СЕЙСМОРАЗВЕДКА
НЧ акустика как иструмент морской сейсморазведки Типичный вид и спектр сигнала излучения пневмопушки Стандартный режим излучения – мощные одиночные импульсы (пневмопушки, бумеры, спаркеры, … взрывы). Рутинный подход к увеличению глубины и пространственного разрешения – повышение мощности в импульсе. С этим связаны серьезные технологические и экологические проблемы (!)
«Когерентный ответ» на вызовы морской сейсморазведки Основная идея: увеличение базы сложно-модулированного сигнала (ЛЧМ, ФМ сигналы) и длительности когерентного накопления последовательности импульсов – альтернатива повышению мощности одиночного «ударного» импульса. Ожидаемый итог: построение систем морской сейсморазведки на базе относительно маломощных (~100 Вт) и высокочастотных (первые сотни Гц) источников Потенциальные преимущества: – высокое пространственное разрешение вертикальной структуры (~10 м), – экологическая безопасность (слабое воздействие на морскую фауну) – эксплуатационные и технологические преимущества
Сложные сигналы (сигналы с большой базой) как «инструмент» когерентной сейсморазведки ЛЧМ сигнал: временная реализация, автокорреляция, спектр ФМ (ПСП) сигнал: временная реализация, автокорреляция, спектр Большая база сигнала: B = F T >> 1. Эффект «корреляционного сжатия» сигнала (и его эквивалентность одиночному ударному импульсу) определяется величиной B.
Демонстрационные эксперименты в Каспийском море НИС «Рифт» Излучение: длинные последовательности ЛЧМ импульсов в различных полосах (~200, 500, 700 Гц) Прием: синфазная решетка 25 гидрофонов Обработка: согласованная фильтрация отдельных импульсов + межимпульсное накопление, включая адаптивную оценку наклона отдельных отражающих слоев (траекторное накопление) Результат: существенное повышение помехоустойчивости (глубины) и разрешающей способности, несмотря на высокочастотное затухание и невысокую мощность излучателя (~100 Вт)
Когерентный режим излучения и обработки в сравнении с некогерентным спаркер когерентный источник 300 м
МАТЕРИАЛЬНАЯ БАЗА ФИЦ ИПФ РАН ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НИОКР В РАМКАХ ПРОЕКТА МАРИНЭТ
АВТОНОМНЫЙ ИЗЛУЧАЮЩИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ТЕРМОМЕТРИИ ОКЕАНА Резонансная частота, Гц Уровень выходной мощности, д. Б Пиковая выходная мощность, д. Б Относительная полоса частот, % Продолжительность автономной работы, месяцев Долговременная нестабильность излучаемого сигнала Общее число импульсов излучения Глубина погружения излучающего комплекса, м Горизонтальное смещение излучающего комплекса, м 20. 49 195 0. 25 203 16 26 10 -11 340 150 3
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС «НЕВА – ИПФ» (средство измерения военного назначения) Целевое назначение комплекса – измерение уровня подводного шума (УПШ) кораблей на мелководных полигонах в присутствии шумов ближнего судоходства – определение зон повышенного шумоизлучения на объекте; – определение уровня дальнего поля; – оценка уровня вторичного гидроакустического поля; – поиск источников шума на стояночных режимах
БОЛЬШОЙ ТЕРМОСТРАТИФИЦИРОВАННЫЙ БАССЕЙН Бассейн оборудован: • системой создания и поддержания температурной стратификации, позволяющей создавать в течение суток работы устойчивый термоклин с полным перепадом температур до 150 C и глубиной залегания 60 см (см. рисунок); • буксировочной тележкой, обеспечивающей перемещение моделей со скоростями 0. 01 – 1 м/с (при погрешности последней не более 2%); • системой волнопродукторов, генерирующих поверхностные волн (с длинами 0. 1 – 1 м и высотой до 60 мм) и внутренние волны (с периодами 30 – 120 с); • волногасителем поверхностных волн, коэффициент отражения от которого составляет не более -10 д. Б в рабочем диапазоне длин волн; • автоматизированным информационно-измерительным комплексом, включающим систему первичных преобразователей (датчиков температуры, скорости потока) и волнографов, 3 -см и 8 -мм радиоскаттерометры, оригинальную видеосистему регистрации наклонов уровня водной поверхности, систему сбора и обработки данных на базе АЦП и ПК со специально разработанным программным обеспечением.
КОЛЬЦЕВОЙ ВЕТРОВОЛНОВОЙ СТРАТИФИЦИРОВАННЫЙ БАССЕЙН Кольцевой ветроволновой стратифицированный бассейн ИПФ РАН: общий вид лаборатории (слева) и схема бассейна(справа). Цифрами указаны: 1– вентилятор; 2 – волнопродуктор внутренних волн; 3 – волнопродуктор поверхностных волн; 4 – иллюминаторы; 5 – радио-скаттерометры ( 8 мм, 3 см); 6 – оптический анализатор спектра ветровых волн ( 0. 5 – 10 см); 7 – волнограф внутренних волн; 8 – волнограф поверхностных волн; 9 – лазерный наклономер. Аэроканал служит для генерации развитого ветрового волнения с помощью вентилятора. В гидроканале предусмотрено создание стратифицированных солевых растворов с заданным профилем плотности для генерации внутренних волн. Бассейн обладает широкими возможностями для физического моделирования ветровых волн на больших разгонах, изменчивости характеристик ветрового волнения под действием внутренних волн и пленок ПАВ
ПЛАВУЧАЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ Технические характеристики: Длина габаритная, мм 7500 Длина максимальная, мм 7650 Ширина габаритная, мм 3000 Ширина максимальная, мм 3080 Высота габаритная, мм 2380 Высота максимальная, мм 5310 Осадка, мм 150 Водоизмещение, кг 1500 Пассажировместимость, чел 6 Тип двигателя подвесной Мощность двигателя 9. 9 Объем топливного бака, л 25 Запас хода, км 120 Круизная скорость, км/ч 6 Максимальная скорость, км/ч 10 Особенности: 1) 2) 3) 4) 5) Тримаранная схема Разборная конструкция 4 спальных места Наличие гальюна и камбуза Наличие большого количества посадочных мест и рундуков под научное оборудование
Комплектация лаборатории Вид сверху (в разрезе) 3 м 7. 5 м Подводный акустический волнограф Картплоттер Измерители параметров водной толщи: СТД-зонд YSI 6600 v 2 с Измерители параметров датчиками мутности и сине-зеленых течений: ADCP WH водорослей, система подводной Sentinel 600 k. Hz, ADV видеосъемки Sontek 16 MHz
На воде
Спасибо за внимание! Рук. департамента инновационного развития ИПФ РАН Алексей Кириллов (831) 416 -49 -76 kir@ufp. appl. sci-nnov. ru
Скачать презентацию ФАНО России Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный
1715f54279f2dc19c42b3831308de9de.ppt