СПОСОБ ПОДВОДНОГО ПРИЕМА РАДИОСИГНАЛОВ
METHOD FOR UNDERWATER RECEPTION OF RADIO SIGNALS

Изобретение относится к области радиотехники, касается радиоприема сигналов на подводном аппарате и может быть использовано для связи и навигации без всплытия аппарата, в том числе в подледном положении.
Известен способ подводного приема радиосигналов, основанный на использовании буксируемых кабельных антенн и индукционных приемных электрических антенн, размещенных на корпусе аппарата и настроенных на основную частоту принимаемого радиосигнала [1].
Однако в связи с высоким поглощением сигналов радиочастот в морской воде глубина подводного приема ограничена. Для ее увеличения создаются специализированные радиостанции, работающие на сверхнизких частотах (вплоть до единиц и десятков герц).
В частности по проекту SANGUIN рабочая частота составляет 78 Гц, площадь антенны 100×100 кв.м, а подводимая мощность передатчиков до 10 МВт, а по проекту SEAFARER [2] рабочая частота снижена еще более - до 1 Гц.
Однако понижение рабочей частоты, как следует из указанных примеров, сопровождается большими технико-экономическими затратами, снижением скорости передачи информации, а в задачах подводной радионавигации, использующих рабочие частоты 10-100 кГц (системы «Омега», «Чайка», «Лоран» и др.), вообще не применимо.
э
м
а
раб
э
a
м
Известен способ двухсторонней связи с подводным объектом [3], основанный на эффекте параметрической демодуляции электромагнитных волн частоты f±f ультразвуком [4-6], по которому путем излучения с подводного объекта акустической волны на частоте f принимаемый сигнал направляют в заданную область выхода акустического тракта на водной поверхности, а прием ведут на подводном объекте на рабочей частоте f=f-f+f.
a
Недостатком этого способа является низкая чувствительность и глубина подводного приема из-за использования малой эффективной площади вторичной эквивалентной антенны, образуемой акустическим пятном на водной поверхности (поверхности моря) в пределах первой зоны Френеля на частоте акустического излучения f.
a
э
К тому же известный способ по патенту №2134023 вообще не может быть реализован в описанном виде для приема сигналов под водой из-за необходимости использования акустического излучения с подводного объекта в области сверхвысоких частот порядка f=9,4 ГГц, сопоставимых с частотой надводного электромагнитного излучения f. На такой частоте акустическое излучение будет затухать в морской воде на расстоянии порядка длины его волны
a
где υ=1500 м/с - скорость распространения акустических волн в воде.
Задача изобретения заключается в повышении чувствительности и глубины подводного радиоприема и расширении функциональных возможностей для приема радиосигналов неспециализированных радиостанций, в частности, связных и навигационных радиосистем общего пользования на низких частотах.
э
м
м
Поставленная задача решается тем, что в способе подводного приема радиосигналов, основанном на эффекте параметрической демодуляции электромагнитных волн частоты f±f акустическим излучением, по которому для приема сообщения с подводного объекта акустическую волну направляют в заданную на водной поверхности область прихода электромагнитной волны, несущей сообщение, согласно изобретению излучение акустических волн осуществляют через равномерно расположенные вдоль корпуса подводного объекта основные акустические излучатели, фазируют акустические волны по каждому излучателю через управляемые эхолотами линии задержки, поочередно формируя на водной поверхности когерентную линейную область (виртуальную электрическую антенну), в зоне которой осуществляют параметрическую демодуляцию распространяющейся вдоль водной поверхности электромагнитной волны с выделением частоты модуляции f при условии
э
a
f=f,
э
м
где f - частота электромагнитной волны, несущей сообщение на частоте модуляции f,
a
f - частота акустической волны.
Сущность изобретения заключается в следующем.
э
м
1z
1х
Электромагнитная волна частоты f, излучаемая наземным радиопередатчиком и модулированная сообщением на частоте модуляции f, распространяется вдоль водной поверхности (поверхности моря) с эллиптической поляризацией с проекциями на вертикальную плоскость E и горизонтальную Е, лежащую в плоскости поверхности воды. В соответствии с граничными условиями Леонтовича [1], связь между указанными компонентами поля в пренебрежении такими смещениями описывается соотношением:
где λ - длина рабочей волны;
σ - электропроводность воды.
На основании известной связи между комплексной диэлектрической проницаемостью воды ε и флуктуациями ее плотности р:
где
ω - рабочая частота;
ε' - относительная диэлектрическая проницаемость воды;
0
ε - диэлектрическая проницаемость воздуха.
В пренебрежении токами смещения в морской воде, т.е. ωε'<<σ, для связи флуктуации электропроводности воды и плотности можно записать линейное соотношение:
1х
С учетом линейности связи приращений токов проводимости Δj c горизонтальной составляющей принимаемой электромагнитной волны Е можно записать:
1x
Δj=EΔσ.
При облучении поверхности воды гармонически изменяющимся акустическим полем, вызывающим флуктуации плотности воды по закону изменения акустического поля, возникающие в водной среде токи проводимости описываются как:
a
a
где ω=2πf - радиальная частота акустической волны;
a
φ - начальная фаза акустической волны;
m
Δσ - амплитуда флуктуации электропроводности воды.
э
м
э
м
Если принимаемый электромагнитный сигнал на частоте ω содержит сообщение, модулированное частотой ω, то его боковые составляющие будут содержать комбинацию частот ω±ω:
э
э
где ω=2πf - радиальная частота электромагнитной волны.
При подстановке (5) в (4) получим закон изменения токов проводимости:
где  - коэффициент демодуляции,
или
э
а
При равенстве ω=ω, выражение (7) записывается в виде:
м
э
м
Если соблюдается соотношение ω<<ω, то при распространении волны вглубь моря электромагнитное поле токов проводимости Δj будет нести лишь информационное сообщение на частоте модуляции ω
м
где  - коэффициент поглощения электромагнитного поля водой на частоте модуляции ω;
h - глубина подводного приема.
На подводном аппарате сигнал (9) может быть принят электромагнитными антеннами.
a
Поскольку образуемая вторичная (виртуальная) антенна на поверхности воды имеет линейные размеры L, соответствующие согласно прототипу данного изобретения диаметру первой зоны Френеля для акустической волны, то вторичное поле такой антенны будет затухать с глубиной по закону распространения волн дипольного источника:
a
м
В силу того, что L=<<h, прием сигнала в этом случае возможен лишь на малых глубинах. Таким образом, в известном техническом решении можно разрешить техническое противоречие между желаемым увеличением глубины подводного приема путем переноса сообщения на низкую частоту модуляции ω и малой эффективностью излучения, образуемой при этом виртуальной электрической антенной.
Предлагаемым техническим решением это противоречие может быть разрешено путем формирования на поверхности воды электрической (виртуальной) антенны большей длины, сопоставимой с длиной подводного аппарата, за счет линейно рассредоточенных вдоль его корпуса акустических излучателей и адаптивного управления временем задержки акустических волн для получения эффектов их когерентности на поверхности воды.
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
На фиг.1 изображена структурная схема устройства для реализации способа подводного приема радиосигналов. На этой схеме приняты следующие обозначения: 1 - водная поверхность (поверхность моря), 2 -подводный аппарат; 3, …, 3 - основные акустические излучатели (ОАИ); 4, …, 4 - антенны эхолотов; 5, …, 5 - диаграммы направленности ОАИ; 6, …, 6 - направление излучения - приема эхолотов; 7, …, 7 - компоненты принимаемого электромагнитного сигнала (поля); 8 - приемная электромагнитная антенна; 9 - корреляционный приемник сообщения; 10, …, 10 - усилители мощности; 11, …, 11 - цифровые линии задержки; 12 - аналого-цифровой преобразователь; 13 - опорный генератор акустического излучения; 14 - блок измерителя времени запаздывания.
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Поверхность воды 1 подсвечивается установленными вдоль борта подводного аппарата (ПА) 2 основными акустическими излучателями (ОАИ) 3, …, 3, с диаграммами направленности 5, …, 5. ОАИ 3, …, 3 подключены по своим входам к выходам соответствующих усилителей мощности 10, …, 10, входы которых подсоединены к управляемым цифровым линиям задержки (УЦЛЗ) 11, …, 11, соответственно. Последние подключены одним входом через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12 к опорному генератору акустического излучения 13, по управляющим входам - к соответствующим выходам измерителя времени запаздывания 14, а выходами соединены через соответствующие усилители мощности 10, …, 10 с антеннами 4, …, 4 соответствующих эхолотов, осуществляющих эхолоцирование водной поверхности по направлениям излучения 6, …, 6.
1
n
Прием демодулированных у поверхности электромагнитных сигналов 7, …, 7 осуществляется электромагнитной антенной 8 и корреляционным приемником сообщения 9, выделяющим передаваемое сообщение в полосе частот ΔF.
Эффективность использования заявляемого способа по сравнению с известным можно оценить путем сопоставления эффективных размеров виртуальных электрических антенн, образуемых на поверхности воды в пределах диаметра когерентного акустического пятна, образуемого подводным акустическим излучением.
a
м
4
Для заявляемого изобретения эквивалентная длина электрической виртуальной антенны будет соответствовать длине подводного аппарата (например, для подводной лодки L≈100 м), а вторичное поле в пределах сопоставимой с данным размером глубиной будет затухать с геометрическим фактором, равным , в то время как у прототипа это . При L=10 м и h=100 м выигрыш по уровню сигнала частоты ω составит 100, или 10 по мощности.
Поскольку коэффициент поглощения электромагнитного поля морской водой определяется как
где ,
-7
µ=4π·10 гн/м - магнитная проницаемость,
м
n
4
σ=4 сим/м - электропроводность воды, то при f=78 Гц, δ≈0.05, выигрыш по уровню сигнала в 100 раз означает увеличение глубины приема с h=10 м, до h=90 м, или при одинаковой глубине соответствует выигрышу по пропускной способности в 10 раз.
м
Наличие адаптивной системы управления задержкой акустических полей по парципальным лучам с точностью до фазы, реализуемой с помощью дополнительных эхолотов, позволяет избежать влияния волнения водной поверхности и изменения дифферента подводного аппарата во время движения, а это обеспечивает когерентность акустического поля вдоль «виртуальной» электрической антенны и, следовательно, создает условия для согласованного приема на подводном аппарате сигнала частоты ω.
Таким образом, предлагаемый способ разрешает техническое противоречие между желаемым увеличением глубины подводного радиоприема и быстрым затуханием электромагнитного поля с глубиной из-за малой эквивалентной длины вторичной антенны на поверхности моря. А это, в свою очередь, позволяет реализовать новый способ для связи и навигации на достаточных глубинах подводного приема радиосигналов.
Источники информации
1. Соловьев В.И., Новик П.И., Морозов И.Д. Связь на море. Л.: Судостроение. 1978.
2. Хармут Х.Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и связи. Пер. с англ. / Под ред. А.П.Мальцева. М.: Радио и связь, 1985.
3. Патент РФ №2134023.
4. Радиотехника и электроника, 1985, вып.11, с.2136-2142.
5. Радиотехника и электроника, 1991, вып.2, с.410-412.
6. Шайдуров Г.Я. Успехи современной радиоэлектроники, 2009, №7.