Способ подводной связи
METHOD OF UNDERWATER COMMUNICATION

Способ относится к области систем телекоммуникации, использующих электромагнитные волны оптического диапазона и звуковые волны, где в качестве передающей среды выступает вода.
Основным каналом телекоммуникации между подводными объектами является акустический канал, обеспечивающий достаточную для большинства приложений производительность и дальность связи. Вместе с тем, в некоторых приложениях, например, передачи видеоданных в реальном времени, требующих обмена мегабитными потоками информации, акустический канал принципиально не может обеспечить требуемой производительности.
В настоящее время интенсивно развиваются способы подводной связи, основанные на применении электромагнитного излучения оптического диапазона волн. Определяющим преимуществом оптического метода является потенциальная возможность создания канала связи со скоростью передачи данных в воде в несколько Мбит/с. Однако существенным недостатком оптического метода подводной связи является его относительно невысокая дальность действия. Наиболее перспективным способом реализации метода оптической подводной связи является использование лазерных комплексов, работающих в диапазоне длин волн (470-570 нм) [Vikrant, А.K., & Jha, R.S. Comparison of Underwater Laser Communication System with Underwater Acoustic Sensor Network // International Journal of Scientific & Engineering Research. - Volume 3. - Issue 10. - 2012. - P. 2]. Выбор этого диапазона длин волн обусловлен наименьшим ослаблением их в водной среде.
Известный способ по патенту US 2005/0232638 А1 "СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДВОДНОЙ БЕСПРОВОДНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ" защищает способ и устройство для подводной коммуникации между стационарными подводными системами сбора информации, где в качестве источника оптического излучения используют светодиоды, а в качестве приемного устройства применяют систему на основе кремниевых фотодиодов. Передачу данных в известном решении производят с использованием стандартного протокола IRDA. Максимальная дистанция передачи данных составляет 10 метров. Расчетная максимальная скорость передачи данных оценивается в пределах 4 Мбит/с.
Недостатком данного способа является малая дальность связи, ограничивающая область ее применения. Кроме того, здесь не предусмотрена система для обеспечения взаимной пространственной ориентации диаграмм направленности передающего и принимающего модулей.
Известен также способ и техническое решение по организации оптического канала связи с использованием сложного оптического сигнала, полученного модуляцией лазерного излучения псевдослучайной последовательностью, позволившее передать под водой данные со скоростью 1 Гбит/с на расстояние, превышающее 2 м [Hanson F., Radic S. Широкополосная подводная оптическая коммуникация // Applied optics. - 2008. - Т. 47. - №. 2. - С. 277-283]. Недостатком данного способа является малая для практического использования дистанции связи.
Здесь также не предусмотрена система наведения лазерного излучения на активную область приемного устройства, что при малой угловой расходимости пучка излучения не позволяет удерживать необходимую соосность диаграмм направленности.
Наиболее близким к заявляемому способу оптической подводной связи, принятым за прототип, является способ, описанный в патенте US 7,953,326 В2 "СИСТЕМЫ И МЕТОДЫ ДЛЯ ПОДВОДНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ". Известный способ позволяет осуществить всенаправленную передачу и прием оптических сигналов под водой на дистанции порядка 100 м, при скорости передачи данных более 1 Мбит/с. В прототипе дано несколько вариантов реализации оптических каналов связи и вариантов технических решений для основных узлов и блоков канала связи.
Общим для всех приведенных в прототипе вариантов реализации и для заявляемого способа является наличие устройств и действий:
- передатчик, включающий в себя генератор несущей частоты оптического диапазона волн, устройство ввода информационного сигнала, модулятор несущей частоты и устройство вывода модулированного оптического излучения в водную среду;
- приемное устройство, содержащее устройство ввода оптического излучения из водной среды, приемник сигнала оптического диапазона волн, демодулятор и устройство вывода информационного сообщения;
- передатчик излучает непосредственно в водную среду сигнал, модулированный информационным сообщением;
- приемное устройство принимает сигнал передатчика, прошедший через водную среду, демодулирует и выводит полученное информационное сообщение.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является малая дальность связи из-за использования диффузоров, расширяющих диаграммы направленности на излучающей и приемной сторонах. Такое расширение приводит к снижению плотности энергии, излученной передатчиком, и увеличению шума сторонних источников на приемной стороне, вследствие чего система не эффективна в части обеспечения дальней связи. Использование в прототипе передатчика и приемника с узкими диаграммами направленности невозможно из-за отсутствия системы наведения осей диаграмм направленности передатчика и приемника навстречу друг другу. Для связи с использованием узких диаграмм направленности должна быть предусмотрена система наведения, позволяющая сводить оси диаграмм направленности оптического излучателя и приемника навстречу друг другу и удерживать это состояние на протяжении всего сеанса связи.
Технической задачей, на которую направлен заявляемый способ, является устранение указанных недостатков, а именно создание эффективного по дальности действия, высокоскоростного оптического канала связи между подвижными или подвижными и стационарными подводными объектами.
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе и устройстве подводной связи, содержащем передатчик, в состав которого входят источник электромагнитных волн оптического диапазона, устройство ввода информационного сообщения, модулятор, диффузор, устройство вывода модулированного оптического сигнала в водную среду; приемник, содержащий диффузор, систему ввода оптического излучения из водной среды, демодулятор и устройство вывода информационного сообщения, в отличие от него с целью увеличения предельной дальности действия оптического канала связи, излучатель и приемник оптического сигнала выполнены с малой угловой расходимостью диаграмм направленности, что позволяет повысить плотность потока энергии излучения и уменьшить шумовую засветку оптического приемника; для обеспечения работы такого канала связи между подвижными или стационарными и подвижными объектами в систему введен акустический канал связи, с целью обнаружения, идентификации корреспондентов, определения расстояния между ними, наведения и стабилизации осей диаграмм излучения - приема.
Блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ подводной оптоакустической подводной связи, приведена на рис. 1.
Блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ подводной оптоакустической подводной связи, включает: А, В - корреспонденты; 1 - оптический генератор; 2 - модулятор; 3 - устройство ввода информационного сообщения; 4 - устройство вывода модулированного оптического излучения в водную среду; 5 - устройство ввода оптического излучения из водной среды; 6 - демодулятор; 7 - устройство вывода информационного сообщения; 8 - детектор ошибки наведения оптического канала; 9 - акустическая антенна; 10 - акустический модем; 11 - детектор ошибки наведения акустического канала; 12 - блок управления системой наведения и стабилизации.
Способ работает следующим образом.
Объект, инициирующий сеанс связи, излучает при помощи акустической антенны 9 акустического модема 10 сигнал вызова. В процессе излучения сигнала вызова производится сканирование водного пространства изменяемой, либо узкой диаграммой направленности акустической антенны. Встречный корреспондент, получив сигнал вызова, излучает при помощи акустической антенны 9 и аналогичного акустического модема 10 ответный сигнал. После установления акустического контакта корреспонденты уточняют взаимное расстояние, относительное положение в пространстве, направление движения, если требуется сближение, и совмещают оси излучение/прием акустических антенн. Сближение осуществляется до расстояния, необходимого для установления оптической связи. До установления оптического контакта управление наведением устройств вывода/ввода оптического излучения 4,5 осуществляется акустическим каналом посредством блока управления системой наведения и стабилизации 12, по сигналу, выделенному детектором ошибки наведения акустического канала 11, из сигнала, принятого акустическим модемом 10. Блок управления системой наведения и стабилизации поддерживает оси диаграмм направленности акустической антенны, устройств вывода и ввода модулированного оптического излучения в водную среду, в коллинеарном положении. Ошибка наведения содержится в принятом акустическим модемом пилот-сигнале, излучаемом встречным корреспондентом. Критерием точного наведения приемной и излучающей систем является максимум модуля (мощности) принятого сигнала и/или минимум его фазового запаздывания, зависящие в направленных антеннах от точности наведения на источник сигнала. После установления оптического контакта и захвата системы ориентации оптическим каналом связи управление ориентацией переходит к оптической системе. Здесь корреспонденты также обмениваются пилот-сигналами, из которых детектор ошибки наведения оптического канала 11 вырабатывает управляющий сигнал для блока управления системой наведения и стабилизации компенсации ошибки 12. В течение сеанса оптической связи система наведения и стабилизации обеспечивает пространственную ориентацию пары излучение-прием на основе данных об ошибке наведения. В случае потери оптического контакта управление ориентацией переходит к акустическому каналу до захвата канала связи системой оптической ориентации.
Работа оптического канала связи происходит следующим образом: оптический генератор несущей частоты 1 вырабатывает электромагнитные колебания оптического диапазона длин волн, которые в модуляторе 2 взаимодействуют с сигналом информационного сообщения, поступившим из устройства ввода информационного сообщения 3. Далее модулированная несущая частота поступает в устройство вывода модулированного оптического излучения в водную среду 4, имеющее малую угловую расходимость излучаемого сигнала. Некоторая доля энергии излученного сигнала, зависящая от величины поглощения, рассеяния, а также потерь энергии за счет сферического расхождения волны на дистанции между корреспондентами, попадает в устройство ввода оптического излучения из водной среды 5, имеющее узкую угловую характеристику диаграммы направленности приема, и далее в демодулятор 6, где происходит выделение принятого сообщения и выдача его через устройство вывода информационного сообщения 7 потребителю.