УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДВОДНОЙ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ ПО ОПТИЧЕСКОМУ КАНАЛУ

Полезная модель относится к технике подводной связи и может быть использована для двусторонней связи между водолазами, а также для управления беспилотными подводными аппаратами.
Известно устройство оптической подводной связи [пат. РФ №129481, опубл. 27.06.2013]. Устройство состоит из закрепленного на шлеме водолазного снаряжения микрофона и ларингофона, а также связанного с ними приемопередатчика с преобразователем сигналов и блоком питания, и соединенный с преобразователем сигналов телефон, расположенный в резиновых раковинах, прикрепленных к шлему водолазного снаряжения, при этом приемопередатчик с преобразователем выполнен оптическим.
Недостатками этого устройства является применение ИК светодиода с длиной волны 953 нм, использование ларингофона в качестве акустического устройства, встраивание в шлем телефонов, высокое энергопотребление, возможность установки только на шлеме водолазного снаряжения, отсутствие регулировки громкости.
Задачей изобретения является создание подводного канала связи, обеспечивающего повышенное качество связи под водой, снижение энергопотребления устройства, увеличение дальности связи, повышение эргономичности.
Поставленная техническая задача в предлагаемой полезной модели решается тем, что устройство оптической подводной связи, содержащее приемопередатчик с преобразователем сигналов и блоком питания, имеет возможность крепления как на шлеме водолазного снаряжения, так и на руке водолаза, закрепленный на шлеме микрофон и встраиваемый в шлем телефон заменены на телефонно-микрофонную гарнитуру, в качестве телефона может быть использован наушник с костной проводимостью. Для снижения энергопотребления на предплечье водолаза установлен блок кнопок, состоящий из кнопок включения-выключения передающего канала и регулировки громкости. Блок кнопок может быть заменен на тангенту с аналогичными кнопками.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства подводной оптической связи.
Устройство содержит телефонно-микрофонную гарнитуру 1 с блоком кнопок 2, установленным на предплечье водолаза, или представленным в виде тангенты. Телефонно-микрофонная гарнитура закреплена на голове водолаза и присоединяется к разъему, размещенному внутри шлема водолазного снаряжения. Выходящий из шлема разъем стыкуется с присоединительной частью разъема корпуса устройства, внутри которого размещены блок процессора 3, источник питания 4, драйвер светодиода 5, передающий канал, в состав которого входят светодиод 6 с рабочей длиной волны (450±5) нм, коллимирующие линзы 8, 11, защитное стекло 13, приемный канал, в который входят защитное стекло 15, решетка Брэгга 14, линзы 10, 12, кремниевый фотоумножитель или другое фотоприемное устройство 9, блок автоматической регулировки усиления (АРУ) 7.
Устройство работает следующим образом.
Напряжение с источника питания поступает на телефонно-микрофонную гарнитуру 1 и блок процессора. Передаваемый акустический сигнал преобразуется микрофоном гарнитуры в электрический сигнал, и после усиления поступает на блок процессора 3. После обработки модулированный электрический сигнал с блока процессора 3 поступает на драйвер светодиода 5, который задает несущую частоту передаваемого сигнала и усиливает его. С выхода драйвера 5 усиленный электрический сигнал поступает на светодиод 6 с углом расходимости излучения 120°, который преобразует электрический сигнал в световой. Линзы 8, 11 преобразуют расходящийся пучок лучей светодиода в плоскопараллельный, который через защитное стекло 13 попадает в водную среду, через которую распространяется к приемнику излучения.
Световой пучок лучей канала передатчика, установленного на снаряжении объекта 1 (водолаз 1) после многократного рассеяния при прохождении в водной среде достигает защитного стекла аналогичного устройства, находящегося на определенном расстоянии от излучателя, проходит через него, решетку Брэгга, фильтрующую солнечное излучение, линзы 10, 12, и фокусируется на активной области фотоприемного устройства 9, установленного на снаряжении удаленного объекта (водолаз 2). Фотоприемное устройство 9 преобразует модулированный оптический сигнал в электрический. Поскольку выходной сигнал фотоприемника 9 зависит от расстояния между излучателем и приемником, а также от угла между направлением излучения и приема, в устройстве предусмотрен блок автоматической регулировки усиления 7 (АРУ), сигнал с которого после демодуляции в блоке процессора 3 поступает на телефон гарнитуры 1, где преобразуется в акустический сигнал.
Для изменения уровня громкости телефона на предплечье водолаза размещен блок кнопок 2, с помощью которого возможно временное отключение канала передатчика. Временное отключение канала передатчика позволяет снизить энергопотребление устройства.
Распознавание речи собеседника под водой определяется высоким значением соотношения сигнал/шум (СОШ) (Giles J.W, Bankman I.N. Underwater optical communications systems. Part 2: Basic Design Considerations. - MILCOM 2005), определяющего качество и обеспечение максимально возможной дальности связи.
пер
где Р - передаваемая мощность;
с - коэффициент ослабления света (Ерлов Н.Г. Оптика моря, Л., 1980 г.);
D - диаметр апертуры приемника;
ϕ - угол между оптической осью приемника и линии прямой видимости между передатчиком и приемником;
пер2
θ - половинный угол расходимости излучения передатчика;
r - расстояние между объектами;
общ
NEP - эквивалентная мощность шума.
Угловые апертуры оптических устройств определяются соотношением
пер
где θ - угол расходимости излучения передатчика;
пр
θ - угловое поле зрения приемника;
чэ
θ - угловое поле зрения позиционно-чувствительного элемента.
Эквивалентная мощность шума или пороговая мощность определяется по формуле: ,
сол_дроб
где Р - эквивалентная мощность солнечного дробового шума:
сиг_дроб
Р - эквивалентная мощность сигнального дробового шума:
темн_сиг
Р - эквивалентная мощность темпового тока дробового шума:
ус_пред
Р - эквивалентная мощность предусилительного шума:
ф
Р - оптическая сила на фотоприемнике:
FOV - область поля зрения;
Δλ - диапазон длин волн;
сол
L - восходящее солнечное излучение:
-19
q=1,6⋅10 Кл - электрический заряд;
S - чувствительность фотоприемника на излучение;
эфф
ν - эффективная ширина полосы частот шума, равная ;
ν - полоса пропускания частот системы;
F - коэффициент избыточного (токового) шума равный 1 для фотодиода и больше 1 для лавинных фотодиодов;
2
Е - нисходящее излучение (Вт/м);
R - подводная отражательная способность нисходящего излучения;
яр
L - коэффициент, характеризующий направление зависимости подводного сияния;
К - диффузный коэффициент затухания;
H - глубина;
темн_у
_
I усиленный темновой ток;
ф
G - коэффициент усиления по току фотоприемника;
темн
I - темновой ток;
пр_ус
I - предусилительная интенсивность шумового тока.
Битовая скорость передачи данных (BR) в зависимости от СОШ (1) определяется формулой:
Уравнение (1) определяет прямопропорциональную зависимость между СОШ и мощностью передаваемого сигнала. Выбор светодиода мощностью 1 Вт с пиковой длиной волны (450±5) нм позволяет достигнуть дальности передачи сигнала по беспроводному оптическому каналу в водной среде до 100 м с минимумом поглощения.
Выбор фотоприемника определяется уравнениями (1), (3)-(9) и уравнением, определяющим число электронов, накапливаемых фотоприемным устройством:
ф
где E - освещенность в плоскости фотоприемника
S - площадь фоточувствительного элемента;
t - время накопления;
ф
-19
W - энергия фотона, равная 2,84⋅10 Дж;
η - квантовая эффективность.
Освещенность в плоскости фотоприемника описывается формулой, определяющей требования, предъявляемые к оптическому тракту приемного канала в зависимости от параметров внешней среды:
где  - относительное отверстие;
об
τ - коэффициент пропускания объектива.
2
2
В качестве фотоприемников в устройстве рассмотрены PS33-6b (S=33 мм) и кремниевый фотоумножитель MicroFC 60035 (36 мм).
4
6
6
Квантовая эффективность η фотоприемника PS33-6b составляет 85%, а кремниевого фотоумножителя - 42%. Темновой ток PS33-6b составляет 0,6 нА без предварительного усиления, а значение темнового тока MicroFC 60035 - 17497 нА с предварительным коэффициентом усиления 4,3⋅10. Чувствительность PS33-6b составляет 0,32 А/Вт, а чувствительность MicroFC 60035 - 10 А/Вт. Для достижения уровня чувствительности MicroFC 60035 коэффициент усиления PS33-6b должен составлять 10. При усилении сигнала фотоприемника PS33-6b значение темнового тока составит 0,6 мА, что, в соответствии с соотношением (3) приведет к значительному увеличению значения эквивалентной мощности шума или пороговой мощности.
Таким образом, для дальней связи (30-100 м в зависимости от прозрачности воды и глубины погружения) целесообразно использовать приемник PS33-6b, для связи на коротких расстояниях (до 30 м в зависимости от прозрачности воды и глубины погружения) целесообразно использовать кремниевый фотоумножитель MicroFC 60035.
Предлагаемая схема позволяет проектировать малогабаритные, бюджетные, беспроводные устройства двусторонней связи для водолазов, а также беспроводные устройства управления беспилотными подводными аппаратами по защищенному оптическому каналу.