Двухканальное гидроакустическое устройство управления объектами с максимальной помехоустойчивостью

Полезная модель относится к подводной гидроакустике и может использоваться для передачи и приема сигналов управления объектами в водной среде. Известно устройство телефонной связи для аквалангистов [1], в котором для передачи речевой информации используется амплитудно-импульсная модуляция и акустическим преобразователем излучаются пачки импульсов. Это устройства не предназначены для управления объектами в водной среде. Известно гидроакустическое устройство управления объектами в водной среде [2], содержащее один канал управления, по которому передаются частотно-модулированные сигналы. Наиболее существенным недостатком гидроакустического устройства управления объектами в водной среде является его низкая помехоустойчивость.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является, выбранное в качестве прототипа двухканальное гидроакустическое устройство управления объектами с повышенной помехоустойчивостью [3].
Двухканальное гидроакустическое устройство управления объектами с повышенной помехоустойчивостью содержит: формирователь кодированного сигнала с фазовой манипуляцией, усилитель мощности, преобразователь электрических колебаний в акустические, преобразователь акустических сигналов в электрические колебания, усилитель электрических колебаний и двухканальный блок обработки сигнала.
Наиболее существенным недостатком двухканального гидроакустического устройства управления объектами с повышенной помехоустойчивостью является его недостаточно высокая помехоустойчивость, в результате использования сигналов с относительной фазовой манипуляцией в условиях гидроакустических помех. Имеющийся резерв в повышении помехоустойчивости заключается в переходе к другому виду модуляции сигнала - фазовой манипуляции [4].
Техническим результатом полезной модели является обеспечение максимальной помехоустойчивости гидроакустического канала в условиях реверберационных помех и многолучевого распространения волн и обеспечение рациональности построения двухканального блока обработки сигнала.
Данный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве использованы сигналы с фазовой манипуляцией, обеспечивающие максимальную помехоустойчивость, по сравнению с сигналами с относительной фазовой манипуляцией, а также замена блоков двух каналов, выполняющих одинаковые операции по обработке сигнала, блоками в одном канале.
На фиг. 1 представлена схема двухканального гидроакустического устройства управления объектами с максимальной помехоустойчивостью, содержащее формирователь кодированного сигнала с фазовой манипуляцией (ФКС ФМ) 1, усилитель мощности (УМ) 2, преобразователь электрических колебаний в акустические (гидроакустическая передающая антенна ГАПДА) 3, преобразователь акустических сигналов в электрические колебания (гидроакустическая приемная антенна ГАПРА) 4, усилитель электрических колебаний (УС) 5 и двухканальный модернизированный блок обработки сигнала (ДМБОС) 6.
Двухканальное гидроакустическое устройство управления объектами с максимальной помехоустойчивостью работает следующим образом.
Схема блока формирователя кодированного сигнала с относительной фазовой манипуляцией 1 (фиг. 1) представлена на фиг. 2. В этом блоке осуществляется формирование посылок колебаний звуковой частоты, отличающихся по фазе на 180°, в соответствии с кодом команды управления. Колебания генератора звуковой частоты Г1 поступают на делитель частоты ДЧ и на вход первого ключа КЛ1. В исходном состоянии сигналом с инвертора ИН3 ключ КЛ1 открыт, а сигналом с входа инвертора ИН3 ключ КЛ2 закрыт, то есть будет формироваться первая команда управления на частоте генератора П. Колебания от генератора Г1 через открытый ключ КЛ1 и схему ИЛИ1 будут поступать на вход ключа КЛ3 и вход инвертора ИН1.
На выходе делителя частоты ДЧ частота следования импульсов, поступающих на кодирующее устройство КУ, соответствует частоте формирования посылок команды управления. При появлении на выходе кодирующего устройства КУ «1» сигнала открывается ключ КЛ3 и инверсным сигналом с ИН2 закрывается ключ КЛ4. На выход ключа КЛ3 поступает посылка команды управления без изменения фазы.
При появлении на выходе кодирующего устройства КУ «0» сигнала закрывается ключ КЛ3 и инверсным сигналом с ИН2 открывается ключ КЛ4. На выход ключа КЛ4 поступает посылка команды управления с фазой, отличающейся на 180°. Сформированная команда управления через схему ИЛИ2 поступает на усилитель мощности УМ (блок 2 фиг. 1). После окончания формирования первой команды управления в кодирующем устройстве КУ, сигналом с инвертора ИН3 открывается ключ КЛ2 и закрывается ключ КЛ1. В результате дальнейшей работы кодирующего устройства КУ вторая команда управления будет формироваться на частоте генератора Г2.
После усиления сигнала в усилителе мощности УМ, он подается на гидроакустическую передающую антенну 3, которая передает колебания в водную среду. На приемной стороне акустические колебания воспринимаются гидроакустической приемной антенной 4 и преобразуются в электрические колебания. С выхода гидроакустической приемной антенны сигнал поступает на усилитель электрических колебаний 5.
c1
c2
c1
1
c2
2
ф
д
o
ф
д
После усиления сигнала он поступает на двухканальный модернизированный блок обработки сигнала 6 (фиг. 3). При возможном пропуске сигнала под действием помех в одном канале используется одновременная обработка сигналов в двух частотных каналах. Для использования одного декодирующего устройства при одновременной обработке сигналов по двум каналам целесообразно максимально снизить их частоты. Для снижения частоты обработки, принимаемые сигналы на частотах первого f и второго f каналов поступают на перемножители ПМ1 и ПМ3, с выходов которых осуществляется перенос спектров сигналов на одинаковые частоты разностные частоты, соответствующие частотам настройки полосовых фильтров Ф1 и Ф2, т.е. f-f=f-f=f. Дальнейшее снижение частоты обработки сигнала обеспечивается делением (прореживанием отсчетов сигнала) на К, f=f/K.
o
Сигналы с частотой f поступают на регистры РГ1 и РГ2, разрядность которых соответствует количеству отсчетов на элемент сигнала управления
стр
o
где n - количество отсчетов на период колебания f;
эл
Т - длительность элемента сигнала управления.
Частота записи отсчетов сигнала в регистры равна
а частота считывания отсчетов сигналов из регистров определяется выражением
кан
где N - количество каналов.
эл
стр
3
За каждый такт записи отсчетов сигнала в регистры осуществляется считывание N информации из регистров и перемножение с сигналом генератора Г с постоянной фазой в ПМ2 и ПМ4. С каждым тактом записи отсчетов сигнала в регистры изменяется фаза принимаемого сигнала на Δϕ=1/n периода. Поэтому, при неизвестной начальной фазе принимаемого сигнала, его наибольшая погрешность по сравнению с фазой сигнала генератора не будет превышать Δϕ. За время положительного уровня полу периода колебания с частотой f будет открыт ключ К1 и результат перемножения сигнала первого канала с сигналом опорного генератора Г через ключ К1 и схему ИЛИ поступает в интегратор ИНТ где, в зависимости от фазы сигнала, формируется «1» или «0». В декодирующем устройстве ДКУ сравнивается принятая кодовая комбинация с ожидаемой и результат выдается на пороговое устройство ПУ. При превышении уровня порога выдается сигнал в исполнительную цепь.
3
За время отрицательного уровня полупериода колебания с частотой f инвертором ИНВ будет открыт ключ К2 и аналогично осуществляется обработка сигнала второго канала.
Таким образом, двухканальное гидроакустическое устройство управления объектами с максимальной помехоустойчивостью позволяет повысить помехоустойчивость, применением сигналов с фазовой манипуляцией примерно на 3 дБ, по сравнению с работой сигналами с относительной фазовой манипуляцией. В условиях многолучевости повышение помехоустойчивости достигается использованием двух каналов управления.
Рациональное построение двухканального модернизированного блока обработки сигнала позволяет использовать одно декодирующее устройство при обработке сигналов с неизвестными начальными фазами в двух каналах.
Источники информации:
1. Устройство телефонной связи для аквалангистов.
Патент на изобретение №1166325, Н04В 13/02, 07.07.1985.
2. Гидроакустическое устройство управления объектами в водной среде.
Патент на полезную модель №119191, Н04В 1/00, 10.08.2012.
3. Двухканальное гидроакустическое устройство управления объектами с повышенной помехоустойчивостью.
Патент на полезную модель №192423, Н04В 1/00, 10.09.2019.
4. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. - М.: Госэнергоиздат, 1956. - 150 с.