Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0061

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0061
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет"
Название доклада
Разработка комплекса методик и аппаратно-программных средств для мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах
Докладчик
Дёмин Виктор Валентинович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Исследование и разработка комплекса научно-технических решений, направленных на создание методик, алгоритмов и аппаратно-программных средств для мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах, для применения в областях: океанологии, гидробиологии, рыбного хозяйства, экологии для получения новых знаний о водной среде и повышения качества рентабельности и экономической привлекательности ряда хозяйственных задач.
Актуальность и новизна исследования
Для исследования водной среды в открытом море ученые традиционно используют химические или физические методы. Часто специалисты проводят тесты оценки загрязнения на основе планктонных частиц-биоиндикаторов. Планктон активно реагирует на неблагоприятные изменения водной среды, в зависимости от его количества, видового состава и поведения ученые могут сделать вывод о физико-химических свойствах воды. В настоящее время процесс оценки загрязнения с помощью планктонных частиц-биоиндикаторов проводится в лабораторных условиях. Это существенно снижает оперативность исследований.
Разработанный аппаратно-программный комплекс (АПК) позволяет производить оценку планктонных частиц непосредственно в открытом море, а результаты обследования специалисты получат в режиме реального времени. АПК состоит из голографического датчика частиц, датчика микроволн, помещенных в герметичный корпус, судовой аппаратуры и электронных программ для лабораторных испытаний. Помимо научного применения, АПК может также применяться для оценки биоресурсов. Таким образом, оно может быть полезно в рыболовном хозяйстве, при строительстве и эксплуатации опасных объектов, при добыче нефти на шельфе. Использование разрабатываемых средств позволит на ранней стадии оценить степень техногенного или природного воздействия на водную экосистему и предупредить появление экологических катастроф.
Описание исследования

Аппаратно-программный комплекс предназначен для комплексного исследования водных объектов микроволновыми и голографическими методами. Комплекс ориентирован на определение концентрации растворенных химических элементов и взвешенных в водной среде частиц, наличие которых характеризует: плотность и прозрачность воды, степень затухания ультразвуковых сигналов; степень загрязнения; степень обеспечения кормовой базы для нектона; условия, необходимые для жизнедеятельности морских организмов. Количественный и видовой состав зоопланктона, определяет способность водоемов и водотоков к самоочищению. Голографические методы в восстановленном изображении объёма среды позволяют определить размеры, форму, ориентацию и пространственное положение каждой частицы, находящейся в этом объеме. Микроволновые резонансные системы обладают высокой чувствительностью, быстродействием, малыми весом и размерами, низким электропотреблением.

Многофункциональный комплекс обеспечивает:
- измерение проводимости воды в широком диапазоне (от дистиллированной до морской) с помощью комплекта датчиков, состоящего из низкочастотного кондуктометра и микроволновых датчиков на основе микрополосковых резонаторов;
-  регистрацию цифровых голограмм частиц с размерами от десятков микрометров до миллиметров;
- протяженность регистрируемого объема до 500 мм, при этом разрешение методов обеспечивает определение деталей формы частиц указанных размеров;
- определение геометрических параметров и пространственного положения каждой частицы, зарегистрированной на цифровой голограмме;
- создание видео на основе голографических данных, что позволяет наблюдать и реконструировать трехмерные динамические траектории.

Технические характеристики АПК
Глубина погружения до 600 м
Вес погружаемой части АПК: не более 50 кг
Передача данных:
В режиме поиска: RS232 (32 К/с) для передачи интегральных характеристик;
В режиме регистрации: Ethernet (1Гб/с) для передачи голограмм.

Время работы в автономном режиме: не менее 2 часов; 
Объём дискового пространства МЦГМ 480Гб
 (порядка 200 мин регистрации голограмм  в непрерывном режиме)

Исследуемый объём: длина 500 мм диаметр 40 мм;
Размеры исследуемых частиц: от 100 мкм до 20 мм 
со скоростью перемещения до 2 м/с;
Измерение проводимость водной среды в СВЧ диапазоне в пределах 
10 - 1500 мкСм/см.

 

Результаты исследования

1. Разработан и изготовлен макет микроволнового модуля (МММ). 2. Разработаны математическая модель и алгоритм восстановления цифровых голограмм нерастворимых примесей в воде. 3. Разработан и изготовлен лабораторный стенд для проведения испытаний МММ. 4. Разработана Программа и методики лабораторных испытаний МММ. 5. Проведен расчёт прочностных и весогабаритных характеристик герметичного корпуса МММ, выбраны конструкции герморазъёмов и разработана схема их размещения на корпусе МММ. 6. Разработаны требования к транспортировке, хранению, постановке-выборке на позицию для МММ. 7. Разработаны алгоритмы: количественной оценки качества восстановленных голографических изображений частиц в воде; обработки и фильтрации цифровых голограмм; определения пространственного положения частиц в воде; построения траектории движения частиц по данным, полученным с использованием экспериментального образца программного обеспечения; оценки концентрации частиц в воде. 8. Разработана методика регистрации цифровых голограмм частиц в воде с использованием макета цифрового голографического модуля (МЦГМ). 9. Проведены испытания МММ с применением разработанного лабораторного стенда. 10. Разработана Программа и методики натурных (полевых) испытаний МММ, проведены испытания. 11. Разработана методика проведения измерений микроволновой проводимости водной среды. 12. Проведен расчёт прочностных и весогабаритных характеристик, выбраны конструкции герморазъёмов и разработана схема их размещения на герметичном корпусе МЦГМ. 15.Разработаны требования к транспортировке, хранению, постановке-выборке на позицию для МЦГМ. 16. Изготовлен и испытан герметичный корпус МММ в соответствии с разработанной Программой и методикой. 17. Разработан МЦГМ и лабораторный стенд для проведения испытаний. 18. Разработана Программа и методика лабораторных испытаний и проведены испытания МЦГМ. 19. Разработан МИМ и проведены его лабораторные испытания по разработанной Программе и методике. 20. Разработана Программа и методика натурных (полевых) испытаний и проведены испытания МЦГМ. 21. Проведен расчёт прочностных и весогабаритных характеристик герметичного корпуса МИМ, выбраны конструкции герморазъёмов и разработана схема размещения. 23. Изготовлен и испытан  герметичный корпус МЦГМ в соответствии с разработанной Программой и методикой. 24. Изготовлен герметичный корпус МИМ и испытан по разработанной Программе и методике. 25. Разработана Методика обработки цифровых голограмм и извлечения из них информации с использованием МЦГМ, входящего в состав ЭО АПК для мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах. 26. Разработан Методика анализа видов и размеров взвешенных частиц в водной среде голографическим методом с использованием МЦГМ, входящего в состав ЭО АПК для мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах. 27. Разработан ЭО ПО АПК. 28. Разработан ЭО АПК для мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах. 29. Разработана Программа и методика экспериментальных исследований ЭО АПК. 30. Разработана Программа и методика натурных (полевых) МИМ. испытаний ЭО АПК мониторинга растворимых и нерастворимых примесей в природных водных объектах. 31. Проведены экспериментальные исследования ЭО АПК. 32. Проведены натурные (полевые) испытания ЭО АПК33.Проведены морские испытания ЭО АПК.

Практическая значимость исследования
В ПНИ проводится разработка современных аппаратно-программных комплексов (АПК) в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники в РФ: «Рациональное природопользование». ПНИ соответствует направлениям исследований Технологической платформы «Освоение океана»: Технологии освоения природных ресурсов Мирового океана; Технологии морских роботизированных систем. Внедрение погружаемых голографических камер с комплексом программного обеспечения для исследования планктона значительно расширит круг их потенциальных пользователей с возможным выходом на международный рынок. 2) К потенциальным потребителям разрабатываемой научно-технической продукции могут быть отнесены: ОАО «Концерн «Моринформсистема-Агат, , ФГУП «ВНИРО» Лимнологический институт СО РАН, Институт биологии моря ДВО РАН, Институт океанологии РАН и др. 3) Продолжающиеся зарубежные разработки подобных АПК показывают их востребованность в соответствующих областях науки и техники за рубежом. Разработанный АПК при соответствующей модификации может быть использован для исследования аэрозолей, технологических сред, распространения звуковых сигналов в водных средах при наличии взвесей, для мониторинга изменения электрофизических характеристик водной среды, что существенно расширяет перечень потенциальных пользователей в России и за рубежом.
Выполнение ПНИ 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).