Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка комплекса методик и аппаратно-программных средств для мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
водная среда, биологические, радиофизические, квазиоптические и оптические методы, цифровая голография, свч датчики, планктон, взвеси, подводные исследования

Цель проекта:
1. Формулировка проблемы, на решение которой направлен реализуемый проект. При решении ряда задач необходимо определять содержание растворенных и взвешенных в водной среде частиц, наличие которых определяет плотность, прозрачность и другие физические свойства воды. Такая информация необходима для учета затухания акустических сигналов, используемых для зондирования и передачи информации; для оценки степени загрязнения акватории и условий жизнедеятельности морских организмов; для определения степени обеспеченности кормовой базы нектона. Сведения о степени опресненности и наличии взвешенных частиц необходимы для точного расчета осадки морских судов, особенно в эстуариях больших рек, выбора местоположения хозяйств для искусственного разведения морских животных и растений, для оценки экологических последствий катастрофических разливов и половодий. Количественный и видовой состав зоопланктона, который является наиболее многочисленной группой гидробионтов, определяет способность водоемов и водотоков к самоочищению и позволяет прогнозировать биомассу нектона. Количество и поведенческие реакции планктона служит индикатором качества воды, поэтому исследования зоопланктонных организмов помогают определить загрязненность и экологические особенности водоемов. В гидробиологии с исследованием взвеси в водной среде связаны также смежные вопросы, касающиеся главным образом помех водоснабжению и эксплуатации судов (обрастание микроорганизмами и прикрепленными животными корпусов судов, различных аппаратов и гидротехнических устройств, труб и водоводов тепловых электростанций, зарастание водохранилищ водными растениями, повреждение судов и портовых сооружений древоточцами и камнеточцами). Наиболее востребованная информация о планктоне - видовое распределение, состав колоний, взаимное расположение и миграция планктонных особей в естественной среде обитания. Эти задачи не решаются распространенными методами забора проб, CTD- и другими зондами и т.п. Решение перечисленных проблем может быть обеспечено применением высотехнологичных методов исследования на основе современных научных разработок и технических решений, которые позволяют получить требуемую информацию в режиме реального времени в удобной для обработки форме. 2. Цель реализуемого проекта. Целью проекта является разработка комплекса научно-технических решений, направленных на создание методик, алгоритмов и аппаратно-программных средств мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах, для применения в областях: океанологии, гидробиологии, рыбного хозяйства, экологии.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов (основные практические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности).
По результатам реализации проекта будет создан экспериментальный образец (ЭО) аппаратно-программного комплекса (АПК) для мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах, состоящий из макета цифрового голографического модуля (МЦГМ), макета микроволнового модуля (МММ) и макета интефейсного модуля (МИМ).
По результатам проекта планируется разработать следующие алгоритмы, которые будут основой экспериментального образца программного обеспечения АПК:
• Алгоритм восстановления цифровых голограмм нерастворимых примесей в природных водных объектах с использованием экспериментального образца программного обеспечения (далее - ЭО ПО), входящего в состав ЭО АПК для мониторинга нерастворимых примесей в природных водных объектах.
• Алгоритм количественной оценки качества восстановленных голографических изображений нерастворимых примесей в природных водных объектах с использованием ЭО ПО, входящего в состав ЭО АПК для мониторинга нерастворимых примесей в природных водных объектах.
• Алгоритм обработки и фильтрации цифровых голограмм с использованием ЭО ПО, входящего в состав ЭО АПК для мониторинга нерастворимых примесей в природных водных объектах.
• Алгоритм определения пространственного положения нерастворимых примесей в природных водных объектах, по данным полученным из цифровых голограмм с использованием ЭО ПО, входящего в состав ЭО АПК для мониторинга нерастворимых примесей в природных водных объектах.
• Алгоритм построения траектории движения частиц, по данным полученным из цифровых голограмм с использованием ЭО ПО, входящего в состав ЭО АПК для мониторинга нерастворимых примесей в природных водных объектах.
• Алгоритм оценки концентрации нерастворимых примесей в природных водных объектах, по данным полученным из цифровых голограмм с использованием ЭО ПО, входящего в состав ЭО АПК для мониторинга нерастворимых примесей в природных водных объектах.
Кроме этого будут разработаны следующие методики:
• Методика обработки цифровых голограмм и извлечения из них информации с использованием МЦГМ, входящего в состав ЭО АПК для мониторинга нерастворимых примесей в природных водных объектах.
• Методика проведения измерений микроволновой проводимости водной среды с использованием макета микроволнового модуля (далее – МММ), входящего в состав экспериментального образца аппаратно-программного комплекса (далее - ЭО АПК) для мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах.
• Методика регистрации цифровых голограмм нерастворимых примесей в водной среде с использованием макета цифрового голографического модуля (далее – МЦГМ), входящего в состав ЭО АПК для мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах.
• Методика анализа видов и размеров взвешенных частиц в водной среде голографическим методом; с использованием МЦГМ, входящего в состав ЭО АПК для мониторинга нерастворимых примесей в природных водных объектах.
2.Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), научной (научно-технической, инновационной) продукции.
• Модули МЦГМ, МММ и МИМ ЭО АПК должны быть размещены в герметичных корпусах для обеспечения мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах на глубинах до 100 м, а также должны комплектоваться герморазъёмами, которые должны быть предназначены для работы на глубинах до 100 м.
• Созданный в результате ПНИ ЭО АПК должен иметь следующие технические характеристики:
a) регистрация цифровых голограмм нерастворимых примесей в природных водных объектах не реже чем 5 кадров в секунду;
6) точность определения продольной координаты не хуже чем 300 мкм, поперечных координат - не хуже 100 мкм;
в) разрешение по размерам нерастворимых взвешенных частиц не хуже, чем 100 мкм;
г) измерение проводимости водной среды в пределах 10 -1500 мкСм/см.
• Сигнальный соединительный кабель должен обеспечивать передачу данных со скоростью не хуже чем 32 кБ/с.
• МИМ должен сохранять первичные данные на дисковом накопителе объемом не менее 1 Гб.
• ЭО АПК для мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах должен обеспечивать следующие функции:
а) определение пространственного положения, распределения по размерам, концентрации нерастворимых примесей в природных водных объектах;
б) определение траектории движения нерастворимых примесей в природных полных объектах;
д) определение диэлектрической проницаемости водной среды с растворимыми примесями в природных водных объектах;
е) определение солёности (проводимости) водной среды с растворимыми примесями в природных водных объектах.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Описание конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы.
Создаваемый при реализации проекта экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса для мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах будет обеспечивать получение следующей информации о природных водных объектах:
• Положение в пространстве, распределение по размерам, концентрация нерастворимых примесей, а также траектории их движения.
• микроволновая проводимость водной среды с растворимыми примесями в природных водных объектов.

2. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик.
3. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
На данный момент не существует аналогов подобных комплексов, которые бы совместно проводили мониторинг растворимых примесей микроволновыми методами и нерастворимых примесей методами цифровой голографии.

4. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Достижения заявленных результатов достигается разработкой оригинальных систем для сбора и обработки голографической информации и низкочастотной и микроволновой проводимостей. Эти системы изготавливаются в соответствии с разработанной эскизной документацией и испытываются на созданных в ходе выполнения проекта специальных стендах в лабораторных и натурных условиях. Разрабатываемые системы размещаются в герметичных корпусах, выдерживающих давление согласно ТЗ. Корпуса изготавливаются и испытываются индустриальным партнером в соответствии с разработанной и утвержденной эскизной документацией.
Риски: 1. возможное уменьшение финансирования; 2. возможные проблемы с проведением испытания комплекса в морских условиях

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники, отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться результат или планируемая на их основе инновационная продукция).
Разрабатываемый комплекс может использоваться как единый прибор, так и отдельными модулями. Комплекс может быть использован как источник научной информации в океанологических и лимнологических исследованиях, для изучения поверхностных вод. Информация, получаемая с помощью комплекса, необходима для оценки состава и количества планктонной массы при определении наиболее оптимальных участков для рыбной ловли и устройства марикультурных хозяйств.
2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.
Разрабатываемый комплекс предполагается использовать для оценки степени загрязнения озера Байкал, для исследования морей субарктической зоны, для исследования эстуарий больших рек в целях обеспечения безопасного судоходства

3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы.
Комплекс может быть использован в рыбной промышленности. Исследование состава и биомассы планктона и динамики его развития позволит прогнозировать биомассу нектона для регулирования вылова морепродуктов с наименьшими рисками.
Кроме этого, выполнение проекта обеспечит:
– развитие научной приборной базы конкурентоспособных научных организаций, ведущих фундаментальные и прикладные исследования, а также высших учебных заведений;
- оснащение рыболовных научно-исследовательских судов (НИС) нового поколения современным научным оборудованием для исследования планктона, что повысит эффективность научных исследований биоресурсов Мирового океана с помощью НИС;
- повышение достоверности и эффективность мониторинга и оценки биоресурсов, необходимых для рыбопромысловых компаний, рыболовных судов, для контроля планктона на рыбных фермах и для других предприятий реального сектора экономики;
- оценку экологического состояния акватории добывающими компаниями, а также организациями, осуществляющими экологический контроль (путем исследования оседающих частиц и планктона как биоиндикатора);

4. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
Проект посвящен разработке современных аппаратно-программных средств для решения актуальной проблемы в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации: «Рациональное природопользование».
Внедрение погружаемых голографических камер с комплексом программного обеспечения для исследования планктона значительно расширит круг их потенциальных пользователей с возможным выходом на международный рынок. Продолжающиеся зарубежные разработки подобных аппаратно-программных комплексов показывают их востребованность в соответствующих областях науки и техники за рубежом. Разработанный аппаратно-программный комплекс при соответствующей модификации может быть использован для исследования аэрозолей, технологических сред, что существенно расширяет перечень потенциальных пользователей в России и за рубежом.
На стадии реализации проекта разрабатываемому комплексу проявили интерес следующие потенциальные потребители: АО «Концерн «Моринформсистема-Агат, ФГУГ Опытно-Конструкторское Бюро Океанологической Техники РАН, ФГУП «ВНИРО» Лимнологический институт СО РАН, Институт биологии моря ДВО РАН и др.

Текущие результаты проекта:
На первом этапе получены следующие результаты.
1. Проведён аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) научно-информационных источников за период 2009 - 2013 гг.
2. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3. Сделан выбор и обоснование направления исследований, методов и средств проведения лабораторных и натурных (полевых) испытаний.
4. Проведено исследование применимости теории Дебая для математического моделирования процессов взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ диапазона с полярной жидкостью при наличии растворимых и нерастворимых примесей.
5. Разработана математическая модель восстановления цифровых голограмм частиц, расположенных в водной среде, на основе скалярной теории дифракции.
6. Проведена оценка применимости математической модели восстановления цифровых голограмм нерастворимых примесей в природных водных объектах, на основе скалярной теории дифракции для мониторинга нерастворённых примесей в объёме среды.
7. Разработан макет микроволнового модуля для мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах.
8. Разработаны программы и методики лабораторных испытаний МММ в водной среде с растворимыми и нерастворимыми примесями.
9. Разработан лабораторный стенда для проведения испытаний МММ в лабораторных условиях.
10. Разработан алгоритм восстановления цифровых голограмм нерастворимых примесей в природных водных объектах.
11. Проведён расчёт прочностных характеристик герметичного корпуса МММ.
12. Проведён выбор конструкции герморазъёмов и разработка схемы их размещения на герметичном корпусе МММ.
13. Проведён расчёт весогабаритных характеристик герметичного корпуса МММ.
14. Разработана эскизная конструкторская документация на герметичный корпус МММ
15. Разработаны требования к транспортировке, хранению, постановке- выборке на позицию для МММ.

На втором этапе.
1. Разработан алгоритм количественной оценки качества восстановленных голографических изображений нерастворимых примесей в природных водных объектах.
2. Разработан алгоритм обработки и фильтрации цифровых голограмм.
3. Разработан алгоритм определения пространственного положения нерастворимых примесей в природных водных объектах.
4. Разработан алгоритм построения траектории движения частиц, по данным полученным из цифровых голограмм с использованием экспериментального образца программного обеспечения, входящего в состав ЭО АПК для мониторинга нерастворимых примесей в природных водных объектах
5. Разработан алгоритм оценки концентрации нерастворимых примесей в природных водных объектах.
6. Разработана методика регистрации цифровых голограмм нерастворимых примесей в водной среде с использованием макета цифрового голографического модуля, входящего в состав ЭО АПК для мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах.
7. Проведены лабораторные испытания МММ с применением разработанного лабораторного стенда.
8. Разработаны Программы и методики натурных (полевых) испытаний МММ в водной среде с растворимыми и нерастворёнными примесями.
9. Проведены натурные (полевые) испытании МММ в водной среде с растворимыми и нерастворёнными примесями.
10. Разработаны Методики проведения измерений микроволновой проводимости водной среды с использованием МММ, входящего в состав ЭО АПК для мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах.
11. Проведён расчёт прочностных характеристик герметичного корпуса МЦГМ.
12. Проведён выбор конструкции герморазъёмов и разработка схемы их размещения на герметичном корпусе МЦГМ.
13. Проведён расчёт весогабаритных характеристик герметичного корпуса МЦГМ.
14. Разработана эскизная конструкторская документация на герметичный корпус МЦГМ.
15. Разработаны требования к транспортировке, хранению, постановке- выборке на позицию для МЦГМ.
16. Разработаны Программы и методики проведения испытаний герметичного корпуса МММ.
17. Изготовлен герметичный корпус МММ.
18. Проведены испытания герметичного корпуса МММ на соответствие функциональным и техническим характеристикам.

На третьем этапе работы.
1. Разработан МЦГМ для мониторинга нерастворимых примесей в природных водных объектах.
2. Разработаны Программы и методики лабораторных испытаний МЦГМ в водной среде с нерастворимыми примесями.
3. Разработан лабораторный стенд для проведения испытаний МЦГМ в лабораторных условиях.
4. Проведены лабораторные испытания МЦГМ с применением разработанного лабораторного стенда.
5. Разработан МИМ.
6. Разработаны Программы и методики лабораторных испытаний МИМ.
7. Проведены лабораторные испытания МИМ.
8. Разработаны Программы и методики натурных (полевых) испытаний макета МЦГМ в водной среде с растворенными и нерастворимыми примесями.
9. Проведён расчёт прочностных характеристик герметичного корпуса МИМ.
10. Проведён выбор конструкции герморазъёмов и разработка схемы их размещения на герметичном корпусе МИМ.
11. Проведён расчёт весогабаритных характеристик герметичного корпуса МИМ.
12. Разработана эскизная конструкторская документация на герметичный корпус МИМ.
13. Разработаны требования к транспортировке, хранению, постановке- выборке на позицию для МИМ.
14. Изготовлен герметичный корпус МЦГМ.
15. Разработаны Программы и методики проведения испытаний герметичного корпуса МЦГМ.
16. Проведены испытания герметичного корпуса МЦГМ на соответствие функциональным и техническим характеристикам.
17. Изготовлен герметичный корпус МИМ.
18. Разработаны Программы и методики проведения испытаний герметичного корпуса МИМ.
19. Проведены испытания герметичного корпуса МИМ на соответствие функциональным и техническим характеристикам.