Устройство для приема электромагнитного поля в море
DEVICE FOR RECEIVING ELECTROMAGNETIC FIELD IN SEA

Устройство относится к радиотехнике и предназначено для приема электромагнитных полей сверхнизких и крайне низких частот (СНЧ и КНЧ) естественного и искусственного происхождения в морской среде.
Электрическое поле электромагнитной волны в морской воде, являющейся проводящей средой, порождает токи проводимости. Последние между двумя точками среды создают разность потенциалов, которая может быть передана на приемное устройство антенной, в качестве которой часто используют электродный датчик электрического поля. Электродный датчик представляет собой два разнесенных на некоторое расстояние электрода, имеющих электрический контакт с окружающей морской водой. Известно устройство для приема электромагнитного поля в море (Бернстайн С.Л. и др. Дальняя связь на крайне низких частотах (обзор) // ТИИЭР. - 1974.- Т. 62, №3. - С. 5-30), содержащее электродный датчик электрического поля в виде двух металлических электродов, установленных на буксируемом за кораблем гибком кабеле (кабельной антенны), предварительного усилитель и приемный блок, в котором осуществляется выделение полезного сигнала из шумов. Такое устройство используется для радиосвязи с погруженными в море объектами в диапазоне КНЧ и СНЧ. Недостатком известного устройства являются его большие габариты, что создает проблемы при эксплуатации. Для достижения требуемой чувствительности расстояние между электродами составляет 200…300 метров, а общая длина кабельной антенны достигает 500…600 метров.
Известно устройство для приема электромагнитного поля в море, содержащее электродный датчик электрического поля в виде двух металлических электродов, установленных на жесткой диэлектрической платформе, через предварительный усилитель соединенный с приемным блоком (В.Г. Максименко, В.И. Нарышкин. «Шум движения» электродных датчиков электрического поля в море и пути его уменьшения // Радиотехника и электроника. - 2003. - Т.48, №1. - С. 70-76.). Датчик имеет габариты порядка одного метра и вместе с предварительным усилителем буксируется за кораблем. Выходное напряжение с предварительного усилителя по кабелю передается на приемный блок, установленный на корабле. Как наиболее близкое по технической сущности к заявленному это устройство принято за прототип. Недостатком прототипа является невысокая чувствительность, что обусловлено большим уровнем так называемого «шума движения», то есть шума электродного датчика, обусловленного движением его в морской среде. Шум движения исследован автором (В.Г. Максименко. Шум электродного датчика в потоке жидкости. // Измерительная техника, 2017, №9, С. 57-61). Установлено, что значительный вклад в шум движения вносят пульсации электродного напряжения, вызванные пульсациями скорости движения жидкости относительно электродов. При этом пульсации потенциала электродов датчика синфазны и пропорциональны пульсациям скорости жидкости у поверхности электродов. Это дает возможность компенсации составляющей шума движения, обусловленной пульсациями скорости, и увеличения чувствительности при приеме электромагнитных полей в море.
Технической задачей, решаемой в заявленном устройстве, является повышение чувствительности.
Поставленная задача решается тем, что в известное устройство для приема электромагнитного поля в море, содержащее электродный датчик электрического поля в виде первого и второго металлического электрода, установленных на жесткой диэлектрической платформе, приемный блок и предварительный усилитель, ко входу которого подключен электродный датчик, введены первый и второй датчик скорости, жестко установленные соответственно на первом и втором электроде датчика электрического поля, блок вычитания, первый и второй регулируемый усилитель и первый и второй коррелометр, при этом первый вход блока вычитания соединен с выходом первого регулируемого усилителя, чей вход соединен с первым датчиком скорости, второй вход блока вычитания соединен с выходом второго регулируемого усилителя, чей вход соединен с вторым датчиком скорости, третий вход блока вычитания соединен с выходом предварительного усилителя, выход блока вычитания подключен ко входу приемного блока и к первому входу первого и второго коррелометра, второй вход первого коррелометра соединен с первым датчиком скорости, второй вход второго коррелометра соединен с вторым датчиком скорости, выход первого коррелометра соединен с регулирующим входом первого регулируемого усилителя, а выход второго коррелометра соединен с регулирующим входом второго регулируемого усилителя.
Первый и второй коррелометр идентичны и содержат последовательно соединенные соответственно первый и второй перемножитель, и первый и второй интегратор, при этом первый и второй входы перемножителя являются первым и вторым входами коррелометра, а выход интегратора является выходом коррелометра.
Устройство изображено на фиг. 1 и содержит жесткую диэлектрическую платформу 1, на которой установлены первый 2 и второй 3 электроды датчика электрического поля, первый 4 и второй 5 датчики скорости, установленные соответственно на первом 2 и втором 3 электродах, предварительный усилитель 6, блок вычитания 7, приемный блок 8, первый 9 и второй 10 регулируемый усилитель, первый 11 и второй 12 коррелометр. Коррелометры 11 и 12 выполнены идентично, известным образом (Вибрации в технике: Справочник. Под ред. М.Д. Генкина. Т.5. - М.: Машиностроение. 1981), и содержат соответственно первый 13 и второй 14 перемножитель, первый 15 и второй 16 интегратор.
Устройство работает следующим образом. Электромагнитная волна возбуждает в морской воде токи проводимости. Электродный датчик, выполненный в виде установленных на некотором расстоянии (базе) на буксируемой диэлектрической платформе 1 электродов 2 и 3, снимает напряжение, создаваемое током проводимости на базе датчика, и передает его на вход малошумящего предварительного усилителя 6. Усиленное напряжение, представляющее собой смесь полезного сигнала с шумом, поступает на третий вход блока 7 вычитания, а с его выхода - на приемный блок 8, где и происходит выделение полезного сигнала. На первый вход блока вычитания 7 подается компенсирующее напряжение, которое вырабатывается первым датчиком скорости 4, установленном на первом электроде 2, и усиливается регулируемым усилителем 9. При таком расположении датчика скорости 4 его выходное напряжение пропорционально скорости жидкости относительно первого электрода 2. Напряжения с выхода блока вычитания 7 и с выхода датчика скорости 4 поступают соответственно на первый и второй вход коррелометра 11, который формирует медленно меняющееся напряжение, пропорциональное значению функции взаимной корреляции  поступающих на него напряжений U(t) - с выхода блока вычитания 7 и S(t) - с выхода датчика скорости 4 при времени задержки τ = 0. Как показал эксперимент, временной сдвиг между напряжением на выходе датчика скорости, возникшим вследствие пульсации скорости жидкости, и напряжением, возникшим на выходе предварительного усилителя вследствие той же пульсации скорости, отсутствует. Длительность реализации Т определяется постоянной времени интегратора.
m
m
m
m
m
m
Коррелометр 11 работает следующим образом. Напряжения U(t) и S(t) перемножаются в перемножителе 13. Пусть оба эти напряжения имеют синусоидальную форму: U(t) = Usin ωt, S(t) = Ssin ωt. Тогда выходное напряжение перемножителя U(t)S(t)=0,5US(1-cos2ωt) содержит две составляющие: постоянная составляющая 0,5US и переменная составляющая с частотой 2ω. В интеграторе 15, который представляет собой фильтр нижних частот с большой постоянной времени Т, переменная составляющая усредняется. Время усреднения Т должно на порядок и более превышать период принимаемого сигнала. Однако при слишком большом времени усреднения приемное устройство не успевает следить за изменением амплитуды пульсаций скорости. Для частот принимаемого сигнала в несколько десятков герц время усреднения может составлять 0,8…1 с. Постоянная составляющая, пропорциональная амплитуде пульсации скорости, дает на выходе интегратора 15 медленно увеличивающееся напряжение. Составляющая выходного напряжения перемножителя 13, обусловленная некоррелированным с пульсацией скорости напряжением шума и сигнала, имеет вид переменного случайного напряжения с нулевым средним, поэтому она также усредняется в интеграторе. Таким образом, на выходе интегратора 15 имеется медленно меняющееся постоянное напряжение, величина которого определяется величиной составляющей от пульсации скорости в напряжении U(t).
В исходном состоянии коэффициент усиления усилителя 9 минимален. Выходное напряжение интегратора 15 подается на управляющий вход регулируемого усилителя 9 и увеличивает его коэффициент усиления до такого значения, при котором компенсирующее напряжение на выходе усилителя 9 становится равным по величине составляющей выходного напряжения предварительного усилителя 6, обусловленной пульсацией скорости жидкости у поверхности электрода 2. При этом блок вычитания 7 осуществляет полное вычитание этих напряжений, и его выходное напряжение не содержит составляющей, обусловленной пульсациями скорости у поверхности электрода 2, то есть U(t)=0. Напряжение на выходе интегратора 15 перестает изменяться и устанавливается постоянным. Соответственно постоянным устанавливается и коэффициент усиления усилителя 9.
Если пульсации скорости уменьшаются, то на выходе блока вычитания 7 вследствие перекомпенсации появляется напряжение U(t), противофазное напряжению S(t). В этом случае постоянная составляющая выходного напряжения перемножителя меняет знак. Напряжение на выходе интегратора начинает медленно уменьшаться, пока не будет достигнута полная компенсация составляющей шума датчика электромагнитного поля, соответствующей пульсации скорости. Таким образом, приемное устройство само подстраивается под величину пульсаций скорости.
Аналогично происходит и компенсация напряжения, пропорционального пульсации скорости у поверхности второго электрода 3. Для этого используются второй коррелометр 12 и второй регулируемый усилитель 10.
В качестве датчиков скорости 4 и 5 могут быть использованы известные датчики скорости жидкости и ее пульсаций (патенты РФ на изобретение №2497153, №2594989, патент РФ на полезную модель №159105), измеряющие две компоненты вектора скорости, направленные вдоль поверхности. Если электродный датчик электрического поля движется в неподвижной жидкости, то в качестве датчика скорости можно также использовать акселерометр с подключенным к его выходу интегратором.
Наличие двух датчиков скорости и двух каналов корреляционной обработки обеспечивает точность компенсации, поскольку пульсации скорости жидкости у поверхности первого и второго электродов в общем случае вызваны разными причинами.
Технический результат, достигаемый при применении предложенного устройства, состоит в увеличении чувствительности при приеме электромагнитного поля в море вследствие уменьшения собственного шума электродного датчика, которое достигается компенсацией его путем вычитания из смеси полезного сигнала с шумом составляющих, пропорциональных пульсациям скорости жидкости относительно электродов. Компенсирующие напряжения формируются из выходного напряжения датчиков скорости. Выполнен лабораторный эксперимент, в котором один электрод из нержавеющей стали находился в потоке раствора NaCl с концентрацией 4,5 г/л и скоростью 1 м/с, второй электрод большей площади находился вне потока, скорость потока измерялась оптическим датчиком скорости. Реализации длительностью 1 с шумового напряжения с электродов (измерена в полосе частот 4…100 Гц) и напряжения с датчика скорости, коррелированы с коэффициентом корреляции 0,9. На фиг. 2 показаны реализации шумового напряжения с электродов (1) и выходного напряжения датчика скорости жидкости (2), а также результат вычитания кривой (2) из кривой (1). Напряжение с датчика скорости было масштабировано до достижения отсутствия корреляции между U(t) и S(t).
Вычитание напряжения от датчика скорости из напряжения с электродов, позволило уменьшить среднеквадратическое значение электродного шума в 2,3 раза. Для повышения точности компенсации спектр выходного напряжения датчика скорости с помощью низкочастотного RC фильтра был согласован со спектром электродного шума, так как коэффициент масштабирования должен быть одинаков как для низкочастотных, так и для высокочастотных составляющих спектра. Эксперимент доказывает, что заявленное устройство позволяет получить выигрыш в чувствительности по напряжению по сравнению с прототипом более чем в два раза на частотах ниже 100 Гц.