ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ ДАЙВЕРА

Полезная модель относится к снаряжению водолаза и может быть использована в составе средств связи, управления и контроля при погружениях аквалангистов-любителей, а также профессиональных водолазов.
В соответствии с нормативными документами, при погружении водолазов - профессиональных или любителей (в отечественной литературе водолазов-любителей принято называть дайверами) - для обеспечения их безопасности должно осуществляться наблюдение и контроль с обеспечивающего судна, оборудованного соответствующей аппаратурой связи с водолазами. При нахождении водолаза в водной среде на дистанциях в десятки и сотни метров от обеспечивающего судна единственным средством связи между ними является связь по гидроакустическому каналу.
Для дайверов, которые во многих случаях не обладают таким опытом погружений, как профессиональные водолазы, задачи обеспечения безопасности являются особенно актуальными. При этом следует учитывать, что в состав снаряжения дайвера обычно входят не полнолицевые маски, как у профессиональных водолазов, а более дешевые полумаски с загубником [1], что, практически, не дает возможности дайверу передавать на судно-обеспечитель речевые сообщения.
Задачи безопасности погружений решаются при наличии технических средств связи, обеспечивающих:
- прием дайвером речевых команд управления с судна-обеспечителя;
- контроль на судне-обеспечителе местоположения дайвера по сигналам маяка, имеющегося в снаряжении дайвера;
- возможность пространственной ориентации дайвера при возвращении на судно-обеспечитель;
- возможность передачи дайвером на судно-обеспечитель сигнала тревоги.
Известны способы и устройства, которые частично решают указанные задачи, в основном для профессиональных водолазов.
В патенте [2] предложен приемо-передатчик тревоги, который не дает возможности передавать дайверу сигналы управления. В патенте [3] в гарнитуру водолаза введен ЖК-мошпор, но отсутствует возможность пеленгования судна-обеспечителя и передачи на него аварийного сигнала. По патенту [5] предлагается использовать оптические гидроакустические приемники, которые принципиально не могут работать в режиме излучения. В свидетельстве на полезную модель [7] и в патенте [4] рассматриваются только устройства пеленгования, но отсутствуют другие средства связи между дайвером и обеспечителем по гидроакустическому каналу. В соответствии со свидетельством на полезную модель [6] может осуществляться телефонная связь между водолазом и обеспечителем, но для этого гарнитура водолаза должна включать полнолицевую маску.
Каждое из предлагаемых устройств [2-7] обеспечивает только частичное решение задач обеспечения безопасности и связи при погружении дайверов.
Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением по техническим и функциональным характеристикам является «Приемно-передающая станция гидроакустической телефонной связи водолаза» по свидетельству на полезную модель [6]. Это техническое решение принято за прототип.
Устройство-прототип состоит из приемно-излучающей антенны, которая через коммутатор прием/передача в режиме приема соединена с предварительным усилителем и головным телефоном, а в режиме излучения - с усилителем мощности. В устройстве-прототипе также имеются телефонный усилитель и два генератора. Устройство-прототип позволяет водолазу принимать и передавать речевую информацию по гидроакустическому каналу.
Устройство-прототип [6] имеет ряд недостатков:
- устройство не обеспечивает собственную навигацию водолаза, для чего требуются две акустические антенны [4, 7]; при необходимости движения в каком-либо направлении, в том числе к судну-обеспечителю, водолаз может руководствоваться только командами с судна-обеспечителя, на котором, в свою очередь, должны приниматься речевые сообщения от водолаза и по ним корректироваться его движение;
- в устройстве-прототипе отсутствует средство автоматической передачи информации на судно-обеспечитель о положении водолаза, что снижает безопасность погружения с таким устройством.
Техническими результатами предлагаемого устройства являются:
- возможность определения направления на судно-обеспечитель по посылаемым обеспечителем сигналам, а также определение стороны движения (вперед-назад) в направлении на обеспечитель;
- обеспечение автоматической выдачи маяком дайвера ответных сигналов на запросы судна-обеспечителя, что позволяет построить траекторию движения дайвера;
- реализация ручной посылки сигналов тревоги.
Для достижения заявляемого технического результата в гидроакустическую станцию дайвера, содержащую первую приемно-излучающую гидроакустическую антенну (А1), соединенную с входом/выходом первого коммутатора прием/передача (КПП1), выход которого соединен с входом первого предварительного усилителя (ПУ1), усилитель мощности (УМ), вход которого соединен с выходом первого генератора (Г1), а выход - с входом КПП1, а также второй генератор (Г2), телефонный усилитель (ТУ), первый головной телефон (Т1) и блок электропитания, введены новые признаки:
дополнительно введены
- вторая приемно-излучающая гидроакустическая антенна (А2), при этом антенны А1 и А2 размещены симметрично - справа и слева относительно головы водолаза, а каждая из них формирует диаграмму направленности в одной полусфере - правой и левой относительно головы водолаза;
- вторые коммутатор прием/передача (КПП2), предварительный усилитель (ПУ2), головной телефон (Т2), причем вход/выход КПП2 соединен с входом А2, выход КПП2 - с входом ПУ2, а первый вход КПП2 - с выходом УМ;
- первый, второй и третий сумматоры (С1, С2, С3), причем первый вход С1 соединен с первым выходом ПУ1, второй вход С1 - с первым выходом ПУ2, выход С2 соединен с входом Т1, выход С3 - с входом Т2, а первые входы С2 и С3 соединены с выходом ТУ;
- первый и второй ключи (К1, К2), причем первые входы К1 и К2 соединены с выходом Г2, выход К1 соединен со вторым входом С2, выход К2 - со вторым входом С3;
- кнопку управления (КУ), первый выход которой соединен с первым входом Г1, а второй выход - с третьими входами КПП1 и КПП2;
- блок обработки и управления (БОУ), содержащий дешифратор сигналов (Д), измеритель уровня сигналов (ИУС), первый и второй фильтры (Ф1, Ф2), модуль автоматического выбора канала (АВК), первую и вторую пороговые схемы (ПС1, ПС2), схему «ИЛИ» (ИЛИ).
При этом выход С1 через ИУС последовательно соединен с первым входом Г2, второй вход которого соединен с выходом ИЛИ; второй выход ПУ1 соединен со входом Ф1, второй выход ПУ2 - со входом Ф2, первые выходы Ф1 и Ф2 соединены с первым и вторым входами АВК, соответственно, первый выход АВК соединен со вторым входом К1, а второй выход АВК - со вторым входом К2; второй выход Ф1 через ПС1 соединен с первым входом схемы ИЛИ, второй выход Ф2 - через ПС2 со вторым входом схемы ИЛИ; выход С1 дополнительно соединен с первым входом ТУ и входом Д, причем выход Д соединен с первым входом Г1 и вторыми входами КПП1 и КПП2, а выход Г1 дополнительно соединен со вторым входом ТУ.
Введение новых блоков и связей обеспечивает заявленные технические результаты.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1, на которой представлена обобщенная функциональная заявляемого устройства.
Предлагаемое устройство состоит из известных по конструкции принципу работы аналоговых аппаратно-программных (цифровых) средств. К аналоговым относятся приемно-излучающие акустические антенны 1 и 9 (на фиг.1 обозначены А1, А2), усилитель мощности 4 (УМ), головные телефоны 8 и 12 (T1, T2), кнопка управления 27 (КУ). Блоки и модули, относящиеся к цифровым средствам, входят состав блока обработки и управления 18 (БОУ); в состав БОУ входят телефонный усилитель 5 (ТУ), дешифратор 19 (Д), измеритель уровня сигналов 20 (ИУС), фильтры 21 и 22 (Ф1, Ф2), модуль автоматического выбора канала 23 (АВК), пороговые схемы 24 и 25 (ПС1, ПС2), схема «ИЛИ» 26 (ИЛИ). Остальные блоки устройства-коммутаторы прием/передача 2 и 10 (КПП1, КПП2), предварительные усилители 3 и 11(ПУ1, ПУ2), сумматоры 13, 14 и 15 (С1, С2, С3), генераторы 6 и 7 (Г1, Г2), ключи 16 и 17 (К1, К2) - в зависимости от конструктивного исполнения могут быть аналоговыми или цифровыми. Необходимые для преобразования аналоговой информации в цифровую аналого-цифровые  преобразователи (АЦП), а также преобразователи цифровой информации в аналоговую (цифро-аналоговые преобразователи - ЦАП входят в состав соответствующих блоков и на схеме фиг.1 не показаны. Блок питания на фиг.1 также опущен.
Приемно-передающие акустические антенны 1, 9 предназначены для преобразования акустической энергии в электрическую и обратно и служат для приема сигналов из водной среды или для передачи сигналов водную среду. Назначение телефонов 8, 12 является общепринятым - это преобразование электрических сигналов в акустические. Антенны и телефоны являются оконечными частями устройства. Коммутаторы прием/передача 2, 10 предназначены для переключения устройства из режима прием на передачу (и наоборот). Генераторы 6, 7 предназначены для формирования сигналов, которые усиливаются усилителем мощности 4. Предварительные усилители 3, 11 предназначены для усиления и первичной фильтрации принимаемых сигналов. В сумматорах 13, 14, 15 выполняется суммирование сигналов, приходящих с различных входов сумматора. Ключи 16, 17 открываются, если на них поступает управляющий сигнал из модуля автоматического выбора канала 23. В блоке обработки и управления 18 обрабатывается информация, поступающая от внешних, по отношению к блоку 18, систем устройства, а также вырабатываются сигналы управления внешними системами.
Устройство может работать в следующих режимах:
- режим приема и прослушивания речевых сообщений и команд управления с судна-обеспечителя;
- режим ручной выдачи квитанции о получении речевых команд;
- режим маяка-автоответчика;
- режим навигации;
- режим аварийной сигнализации.
Режимы приема речевых команд, маяка-автоответчика и навигации функционируют совместно и одновременно. В режиме приема речевых команд дайвер воспринимает голосовые команды с судна-обеспечителя и должен передавать на судно-обеспечитель квитанцию - сообщать о приеме или неприеме принятого сообщения. В режиме маяка-автоответчика аппаратура дайвера автоматически излучает ответные сигналы на запросы судна-обеспечителя, чтобы по этим сигналам можно было контролировать местонахождение дайвера. В режиме навигации дайвер по соотношению уровней сигналов в головных телефонах ориентируется в направлении на сигналы с судна-обеспечителя. В режиме аварийной сигнализации дайвер вручную передает сигналы тревоги.
Рассмотрим работу устройства в каждом из перечисленных режимов.
В режиме приема речевых сигналов с судна-обеспечителя передаются амплитудно-модулированные сигналы - одна боковая полоса с подавленной несущей. Сигналы принимается акустическими антеннами 1,9, через коммутаторы 2 и 10 прием/передача, включенные по умолчанию в режим приема, поступают на предварительные усилители 3 и 11, где усиливаются и ограничиваются по полосе для снижения уровня помех. Далее сигналы суммируются на сумматоре 13, что, с учетом диаграмм направленности антенн 1 и 9, обеспечивает возможность приема с любого направления. Суммарный сигнал поступает на телефонный усилитель 5, работающий как приемник одной боковой полосы с подавленной несущей, в котором выделяется низкочастотная (НЧ) информационная составляющая речевого сигнала, и через сумматоры 14 и 15 речевой сигнал поступает на головные телефоны 8 и 12. Если дайвер считает, что речевой сигнал принят, он выдает квитанцию, для чего нажимает, например, один раз кнопку управления 27. В нажатом состоянии кнопка 27 формирует сигналы управления для запуска первого генератора 6 и перевода коммутаторов 2 и 10 в режим передачи. Первый генератор 6 формирует тональный сигнал на частоте, отстоящей от несущей, например, на 1000 Гц. Сформированный в первом генераторе 7 сигнал усиливается в усилителе мощности 4, через коммутаторы прием/передача 2 и 10 подается в приемно-излучающие антенны 1, 9 и излучается в водную среду. Если дайвер считает, что речевой сигнал им не понят, он нажимает кнопку управления 27, например, дважды, и два тональных сигнала передаются на судно-обеспечитель. После чего с судна-обеспечителя речевая команда может быть повторена. Сформированный первым генератором 6 сигнал, кроме усилителя мощности 4 поступает на телефонный усилитель 5, в котором формируются сигналы на частоте 1000 Гц - разностной частоте между частотой сигнала от первого генератора 6 и несущей, и далее на телефоны 8 и 12 для информирования дайвера, что «квитанция» отправлена.
В соответствии с Правилами Российского морского регистра судоходства [8] суда, обеспечивающие водолазные работы, должны быть оснащены маяковыми системами для контроля местоположения водолазов. Характеристики запросного сигнала маяковых систем судов-обеспечителей регламентированы «Правилами…» [8]. Запросный сигнал маяка, представляющий собой радиоимпульс с монохроматическим заполнением ненесущей частоте, принимается дайвером также, как и речевой сигнал, и после предварительных усилителей 3 и 11 поступает на сумматор 13. После сумматора 13 запросный сигнал поступает дешифратор 19, телефонный усилитель 5 измеритель уровня сигнала 20. Поскольку в запросном сигнале отсутствует НЧ-составляющая, в телефонном усилителе 5 такой сигнал не обрабатывается и на телефоны 8 и 12 не поступает, а распознается в дешифраторе 19 как запросный сигнал. Речевой сигнал, также поступающий на вход дешифратора 19, не содержит спектральной составляющей на несущей частоте и в дешифраторе 19 не обрабатывается. Дешифратор 19 вырабатывает управляющий сигнал, аналогичный сигналу, формируемому кнопкой управления 27 при ее нажатии, в результате чего запускается первый генератор 6 и переводятся в режим передачи коммутаторы 2 и 10. Таким образом, сформированный первым генератором 6 ответный сигнал через усилитель мощности 4, коммутаторы 2, 10, антенны 1, 9 автоматически излучается в воду, что позволяет имеющимся на судне-обеспечителе средствами определять дальность до драйвера и направление на него, т.е. иметь информацию о местоположении драйвера и отслеживать его перемещение.
Сигналы с выхода измерителя уровня сигнала 20, на вход которого поступают как речевые, так и запросные сигналы, используются в режиме навигации. В этом режиме решаются две задачи: определение направления на судно-обеспечитель, а при движении дайвера - задача удаления/приближения к судну-обеспечителю. При решении задачи определения направления сигнал маяка с судна-обеспечителя поступает на два идентичных канала приема: антенна 1, коммутатор прием/передача 2, предварительный усилитель 3, фильтр 21, пороговая схема 24 - канал 1; антенна 9, коммутатор прием/передача 10, предварительный усилитель 11, фильтр 22, пороговая схема 25 - канал 2. При превышении порога пороговые схемы 24, 25 вырабатывают управляющий сигнал, который через схему «ИЛИ» 26 запускает второй генератор 7. Благодаря схеме «ИЛИ» 26 запуск второго генератора 7 происходит при срабатывании хотя бы одной любой из пороговых схем 24, 25. Второй генератор 7 формирует сигнал звуковой частоты в диапазоне 1500-3000 Гц. Этот сигнал поступает на ключи 16 и 17 и далее, если ключи открыты, соответственно через сумматоры 14 и 15 в головные телефоны 8 и 12. Управляющие сигналы для открывания ключей 16, 17 вырабатываются в блоке автоматического выбора каналов 23, на входы которого поступают сигналы с выходов фильтров 21 и 22. Поскольку антенны 1 и 9 формируют диаграммы направленности каждая в своей полусфере относительно головы
дайвера, уровни сигналов с выходов фильтров 21, 22 будут одинаковы только в том случае, если направление на источник сигнала перпендикулярно линии, соединяющей фазовые центры антенн 1 и 9. В блоке автоматического выбора канала 23 сигналы с выходов фильтров 21, 22 сравниваются по уровню. Если разница уровней превышает установленное значение, что происходит при нахождении источника сигналу справа или слева от дайвера, то блок автоматического выбора канала 23 вырабатывает управляющий сигнал для того ключа 16 или 17, который соответствует фильтру с большим уровнем сигнала. Это обеспечивает подачу сформированного вторым генератором 7 сигнала только в один соответствующий телефон 8 или 12, прослушивание дайвером этого сигнала только одним - правым или левым - ухом и определение таким образом полупространства, в котором находится источник сигнала. Поворачивая голову в сторону источника, дайвер добивается ситуации, когда уровни сигналов с выходов фильтров 21, 22 выравниваются, в результате чего блок автоматического выбора канала 23 вырабатывает управляющие сигналы для обоих ключей 15 и 17, и сформированный вторым генератором 7 сигнал прослушивается в обоих телефонах 8, 12.
Описанный принцип определения направления на источник сигнала не позволяет дайверу оценить, находится этот источник впереди него или за спиной, и в какую сторону - вперед или назад - ему следует перемещаться, чтобы приблизиться к обеспечивающему судну. Устранение этой неоднозначности достигается одним из следующих действий.
1) Дайвер оценивает высоту тона (частоту) сигнала, сформированного вторым генератором 7. Второй генератор 7 является управляемым по первому входу, а частота формируемого вторым генератором 7 сигнала определяется уровнем сигнала на выходе измерителя уровня сигнала 20, соединенным с управляемым входом второго генератора 7. Чем ближе дайвер к обеспечителю, тем больше уровень принимаемого сигнала (вследствие меньшего поглощения), больше уровень сигнала, подаваемого с измерителя уровня сигнала 20 на управляемый вход второго генератора 7 и тем выше частота сигнала, формируемого вторым генератором 7.
2) При наличии сигналов в обоих телефонах 8 и 12 дайвер поворачивает голову, например, вправо. Если при этом сигнал будет прослушиваться только в левом телефоне, то источник сигнала впереди, если только в правом - сзади.
3) Дайвер двигается в соответствии с речевыми командами от обеспечителя, который отслеживает его перемещение.
Все эти варианты предусмотрены в предлагаемом устройстве.
Режим аварийной сигнализации реализуется аналогично передаче сигнала «квитанции» с помощью, например, многократных коротких нажатий вручную кнопки управления 27. Соответственно первый генератор 6 вырабатывает идущие подряд радиоимпульсы, которые усиливаются усилителем мощности 4 и через коммутаторы 2, 10 и антенны 1, 9 излучаются.
Следует отметить, что наличие в предлагаемой станции режимов работы с использованием кнопки управления 27 позволяет, в принципе, дайверу передавать на обеспечитель различные сообщения с помощью условных сигналов, в частности, кодом Морзе.
Таким образом, достигается заявленный технический эффект, заключающийся, во-первых, в обеспечении со стороны судна-обеспечителя контроля местоположения дайвера, управления его действиями и передачи дайверу сообщений, во-вторых, в возможности определения дайвером однозначного направления на маяк судна-обеспечителя и подачи аварийного сигнала.
Полезная модель состоит из известных блоков и может быть использована не только дайверами, но и при выполнении подводно-технических работ профессиональными водолазами, когда не используются полнолицевые маски и можно ограничиться только передачей сообщений (команд) водолазу.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Занин В.Ю., Малюченко Н.Н., Чебыкин О.Д. Снаряжение подводного пловца. СПб: Макет, 1997
2. Патент Франции №2740426. Ultrasonic communication and alarm mechanism for underwater diver. Публ. 30.04.1997
3. Патент США №6272073. Underwater location and communication device. Публ. 07.08.2001
4. Патент РФ №2439602. Устройство и способ определения водолазом направления на источник звукового сигнала. Заявл. 24.02.2010, публ. 10.01.2012
5. Патент РФ №2233458. Портативная гидроакустическая навигационная система. Заявл. 24.10.2002, публ.27.04.2004
6. Свидетельство РФ на полезную модель №50737. Приемно-передающая станция гидроакустической телефонной связи водолаза. Заявл. 22.04.2005, публ. 20.01.2006 - прототип
7. Свидетельство РФ на полезную модель №43370. Пеленгатор водолаза. Заявл. 10.09.2004, публ. 10.01.2005
8. Правила классификации и постройки обитаемых подводных аппаратов, судовых водолазных комплексов и пассажирских подводных аппаратов. Изд. Российского морского регистра судоходства, 2003