Устройство передачи информации с подводной лодки бесконтактным методом
DATA TRANSMISSION DEVICE FROM SUBMARINE BY NONCONTACT METHOD

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для передачи сообщений с подводной лодки, находящейся в погруженном состоянии.
При проектировании кораблей и судов особое внимание уделяется разработке аварийно-спасательных устройств для оказания помощи аварийному кораблю и спасению его личного состава. К этим устройствам относятся и средства связи для подачи сигналов с аварийного корабля и связи с кораблем, оказывающими помощь: аварийный сигнальный буй с телефоном, аварийные буи и аварийная система сигнализации.
Известен сигнальный буй для определения местоположения потерпевшей аварийной подводной лодки [патент Франции №957735, кл. В64С 9/00, 1971 г.], а также выпускное информационное устройство, содержащее приборный контейнер, заглубляющий груз с устройством его отделения [патент РФ на ПМ №94537 от 27.05.2010 г.]. Известны и др. буи [патенты РФ на ПМ №141688 от 06.05.2014 г., №148908 от 19.11.2014 г., №142232 от 20.05.2014 г., №140980 от 16.04.2014 г.] Однако подобные буи, как правило, ограничивают маневренные возможности подводных лодок и демаскируют их [Соловьев В.И. и др. Связь на море. - Л.: изд. «Судостроение», 1978 г.].
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность передачи информации с ПЛ бесконтактным методом, предусматриваемым существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень»
Целью изобретения является передача сообщений с подводной лодки бесконтактным методом за счет считывания с поверхности воды радиолокационным приемником.
a
e
Поставленная цель достигается тем, что под водой на глубине h на днище подводной лодки расположен акустический излучатель f, облучающий морскую поверхность снизу подводной лодки, а на рубке подводной лодки, в верхнем полупространстве, на расстоянии r от поверхности воды расположен приемопередатчик электромагнитного сигнала на рабочей частоте f, при этом передача сообщений с подводной лодки в воздух осуществляется бесконтактным методом путем считывания с поверхности воды радиолокационным или оптическим приемником.
На фиг. 1 представлена схема размещения излучателей и приемника относительно границы раздела. Она содержит:
1 - точка расположения акустического излучателя;
2 - граница раздела воздух-вода;
3 - точка расположения приемопередатчика электромагнитного канала;
4 - корпус носителя акустического излучателя;
5 - АК акустический канал;
6 - ЭМ электромагнитный канал.
a
e
На схеме под водой на глубине h расположен акустический излучатель частоты f, облучающий морскую поверхность снизу. В верхнем полупространстве, на расстоянии r от поверхности воды расположен приемопередатчик электромагнитного сигнала 7 на рабочей частоте f.
В работе Шайдурова Г.Я. и др. О параметрической модуляции электромагнитной волны ультразвуком на границе раздела вода-воздух // Радиотехника и электроника. 1985. Вып. 11. С. 2136-2142, показано, что коэффициент модуляции фазы отраженной электромагнитной волной (ЭМВ) за счет механического колебательного смещения поверхности воды под действием акустического излучения с плотностью потока мощности I зависит от рабочих частот ЭМ и акустического канала как
где Ω - круговая частота акустических колебаний; I - интенсивность акустической волны.
Системное соотношение, связывающее все основные параметры канала, выводится из уравнения дальности для радиолокации. Мощность радиосигнала на входе приемника РЛС определяется в виде
E
Е
E
а
П
где - P - мощность на выходе антенны передатчика; r - расстояние от поверхности моря до приемника РЛС; А - эффективная площадь приемопередающей антенны;  - коэффициент направленности действия антенны РЛС; α, α - коэффициенты поглощения радиоволн в воздухе и акустического излучения в воде; σ - эффективная поверхность рассеивания поверхности моря с площадью S, соответствующая «пятну» ультразвука на границе раздела вода-воздух.
Согласно [Шайдуров Г.Я. и др. Параметрической модуляции электромагнитной волны ультразвуком на границе раздела вода-воздух // Радиотехника и электроника. 1985. Вып. 11. С. 2136-2142] получим
а
а
где Р - мощность акустического сигнала; А - эффективная площадь акустической антенны. Для случая зеркального отражения
Е
где λ - длина ЭМВ.
Площадь акустического пятна на поверхности воды равна
а
где λ - длина акустической волны.
При подстановке (5) в (4) для зеркального отражения получим
а в случае диффузного отражения
Д
П
σ=4SR,
где R - коэффициент отражения от поверхности рассеивания.
С учетом (5) запишем
При подстановке (6) и (7) в (2) получим выражение для зеркального отражения
и для диффузионного отражения
Е
а
где α=α+α.
Введем соотношение (1), определяющее преимущество варианта зеркального отражения по сравнению с диффузным:
a
Е
а
-2
7
Например, при h=100 м, λ=0,1 м, λ=3⋅10 м, А=1 из (10) получим η=3,14⋅10. Проигрыш диффузного варианта можно существенно уменьшить путем повышения рабочей частоты РЛС. В этом смысле представляет интерес перенос спектра зондирующих сигналов в оптический диапазон. Так, для сине-зеленого цвета с длинной волны около 1 мкм при прочих равных условиях этот проигрыш уменьшится на 8 порядков.
На фиг. 2 приведены графики зависимости требуемой мощности акустического излучения от высоты полета летательного аппарата r и глубины погружения подводной лодки h (зеркальное отражение).
c
ш
При заданном отношении сигнал/шум q необходимый уровень сигнала на выходе приемной антенны РЛС определяется как P=qP, где из соотношения Больцмана для оценки уровня шума приемника используем известную формулу:
-23
где k=1,38⋅10, Вт/(Гц⋅град);  - температура шума приемника; Δƒ - полоса пропускания.
В этом случае из (8) и (9) имеем
Как видно из этих соотношений, высота полета борта РЛС в сильной мере зависит от отношения длины акустической и ЭМ волн, что может явиться управляющим фактором параметров канала, передачи информации. Из сравнения (12) и (13) также видно, что в случае диффузного отражения величина r существенно меньше зависит от глубины погружения подводной лодки h, что связано с увеличением размера акустического пятна на поверхности воды по мере роста глубины.
Е
a
Е
а
2
2
Количественные характеристики связи требуемой мощности акустического излучателя с высотой полета носителя РЛС и глубины погружения ПЛ приведены на фиг. 2 и 3. За основу расчетов приняты следующие данные: ρ=10; Δƒ=100 Гц;  Р=100 Вт; λ=0,1 м; R=1; А=1 м; А=1 м. Дополнительное увеличение энергетического потенциала требует учета рефракции акустических колебаний в слоях воды (коэффициент γ в (9), (10). Изменение угла визирования ЭМ луча Θ при пролете спутника над акустическим пятном также снижает эффективность системы.
Э
На фиг. 4 приведены копии эпюр сигналов, полученные экспериментально на соленом озере с выхода приемника радиолокатора, работающего на частоте f=10 ГГц. Рабочие частоты акустического излучателя, работавшего в телеграфном режиме, составляли 15 и 80 кГц. Глубина погружения акустического излучателя изменилась в пределах 0,9…3 м [Шайдуров Г.Я. и др. Параметрической модуляции электромагнитной волны ультразвуком на границе раздела вода-воздух // Радиотехника и электроника. 1985. Вып. 11. С. 2136-2142]. Электропроводность воды составляла σ=1,7 См/м. Цифрами на фиг. 4 отмечены различные сочетания акустических частот и глубина погружения, буквами: a - периоды включения акустического излучателя: b - периоды его выключения. Электромагнитный сигнал приемника снимался с выхода фазового детектора.
Как видно из эпюр, момент передачи единицы информации (момент включения акустического излучателя) четко отличается повышением уровня сигнала с выхода фазового детектора. Амплитуда модуляции сигнала шума обусловлена волнением поверхности воды.
Приведенные расчеты показывают возможность передачи сообщений с ПЛ в воздух бесконтактным методом, путем считывания с поверхности воды радиолокационным или оптическим приемником без использования радиобуя.