СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ВОЛН В МОРСКОЙ СРЕДЕ
METHOD OF TRANSMITTING INFORMATION WAVES IN MARINE ENVIRONMENT

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в гидроакустических системах гидролокации или передачи информации в виде сигналов различной физической природы, в широкой полосе частот, а также измерительных приемоизлучающих комплексах.
Известен способ передачи упругой волны в морской среде, включающий формирование параметрической антенны излучателя, с одновременным излучением упругой волны, при этом излучают бигармонические сигналы близкой звуковой частоты. В основе процесса лежит эффект нелинейного взаимодействия звуковых волн в среде при мощных исходных сигналах. При этом, за счет нелинейного взаимодействия упругих волн в нелинейной среде (морской воде), появляется ряд эффектов, позволяющих формировать узкие диаграммы направленности на разностной частоте, а также выполнять сканирование этих узких диаграмм направленности в пространстве. В этом способе эффективно используется частотная и частотно-фазовая модуляция сигналов и множество других важных прикладных технических эффектов (см. Б.К.Новиков, О.В.Руденко, В.И.Тимошенко. Нелинейная гидроакустика, Л.: Судостроение, 1981, с.7-12).
Недостатком этого технического решения является низкий КПД, который, как правило, находится в пределах 0,01 до 0,1%, и малая дальность передачи информационных волн.
Известен также способ передачи информационных волн в морской среде, включающий формирование параметрической излучающей антенны, излучением в среду волн накачки с одновременной передачей информационных волн, с возможностью их взаимодействия и прием сигналов, сформированных при взаимодействии волн накачки и информационных волн, с последующим восстановлением исходной информации (см. RU 2167454. G01R 11/00, G01K 15/02, 1998).
Рассматриваемое техническое решение по своей технической сущности является способом параметрического формирования и передачи информационных волн различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических) в проводящей морской среде. Это осуществляется посредством формирования в ближней зоне излучателя параметрической излучающей антенны путем введения в нее модулирующего нелинейного возмущения среды или дополнительного сигнала иной физической природы.
Основными недостатками этого технического решения являются низкая эффективность подводной связи из-за малой дальности передачи информационных волн в морской среде и ограниченной информационной емкости передаваемых сообщений (по причине недостаточной эффективности параметрического формирования передаваемых информационных волн в нелинейной рабочей зоне излучателя).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности подводной связи.
Технический результат - повышение общего эффекта нелинейного преобразования волн накачки и информационных волн в рабочей зоне параметрического преобразования волн, что обеспечивает увеличение дальности передачи информации (дальности звукоподводной связи) и расширении ее технических (в т.ч. информационных) характеристик.
Для решения поставленной задачи способ передачи информационных волн в морской среде, включающий формирование параметрической излучающей антенны, излучение в среду волн накачки с одновременной передачей информационных волн, с возможностью их взаимодействия и прием сигналов, сформированных при взаимодействии волн накачки и информационных волн, с последующим восстановлением исходной информации, отличается тем, что на трассе распространения излучаемого низкочастотного сигнала накачки, предпочтительно в дальней зоне излучателя, формируют пространственную нелинейную область, которую облучают бигармоническими сигналами звуковой частоты, близкой к сигналу накачки, и вводят в нее волны иной физической природы, например электромагнитные или гидродинамические возмущения, подвергнутые частотно-временному преобразованию в соответствии с характеристиками передаваемой информации.
Сопоставительный анализ признаков заявленного и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «на трассе распространения излучаемого низкочастотного сигнала накачки, предпочтительно в дальней зоне излучателя, формируют пространственную нелинейную область» обеспечивают формирование параметрической излучающей антенны предпочтительно в дальней зоне излучателя. А это, в свою очередь, обеспечивает возможность последующей передачи и приема информационных волн (сигналов) между свободно перемещающимися в контролируемой морской акватории объектами, выступающими как участники информационного обмена, например морскими судами. Такое формирование рабочей зоны параметрического преобразования передаваемых волн способствует возможности создания протяженного пространственного объема и обеспечивает увеличение дальности передачи информационных волн (дальности звукоподводной связи). При этом указание на то, что пространственную нелинейную область формируют на трассе распространения сигнала накачки, обеспечивает ориентировку «продольной оси сформированной параметрической излучающей антенны» вдоль линии излучения приема волн накачки среды, что, в свою очередь, обеспечивает усиление эффекта параметрического формирования и направленной передачи информационных волн в заданном секторе углов.
Признаки, указывающие, что сформированную «нелинейную область облучают бигармоническими сигналами звуковой частоты, близкой к сигналу накачки», обеспечивают эффективное формирование и последующую передачу низкочастотных информационных волн, а также увеличение дальности их распространения (дальности звукоподводной связи) в заданном секторе углов контролируемой среды.
Признаки, указывающие, что в сформированную нелинейную область вводят «волны иной физической природы, например, электромагнитные или гидродинамические возмущения», обеспечивают возможность оперативной передачи информационных волн (сигналов). Такая передача информации может быть организована между морскими судами, и(или) подводными аппаратами, и(или) морскими инженерными объектами.
Признаки, указывающие, что передаваемые информационные волны или «гидродинамические возмущения» подвергают «частотно-временному преобразованию в соответствии с характеристиками передаваемой информации», обеспечивают возможность повышения качества и информационной емкости передаваемых и принимаемых сообщений.
Известно, что параметры гидрофизических полей среды, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на параметры этой волны (см. Воронин В.А., Кириченко И.А., Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука. Журнал "Известия ВУЗов". - Электромеханика, N 4. 1995). Есть основания полагать, что влияние гидрофизических полей осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости морской среды.
По своей физической сущности заявляемый способ предусматривает специальное изменение (увеличение) плотности и (или) температуры водной среды и распределения этих величин в дальней зоне излучателя или на пути распространения сигналов в морской среде. Изменение этих параметров в сторону увеличения можно производить различными способами, но основным из них является формирование в заданном направлении излучения-приема волн протяженной нелинейной области. Для биологических скоплений - это пузырьковая область организмов, например рыб, для морских судов - это пузырьковый кильватерный след.
Основной вклад в эффективность преобразования высокочастотного сигнала в низкочастотные гармоники вносят так называемые нелинейные параметры, которые невелики. Для дистиллированной воды Е=3,1 при температуре 0°С; 3,5 - при 20°С; 3,7 - при 40°С. Для морской воды при средней солености и изменений температур в пределах 20-30°С величина Е равна 3,6.
Экспериментальные работы, проведенные в открытом море, показали, что коэффициент нелинейности Е в широком диапазоне частот и на глубинах до 300 м меняется незначительно и не превышает 4. Поэтому принципиально новых эффектов по сравнению с уже изученными в открытом океане на произвольных глубинах ожидать нельзя. Таким образом, дальнейшее повышение эффективности работы гидроакустических приборов за счет совершенствования работы излучателей (в том числе и наращивания мощности излучаемого сигнала) проблематично.
Математически процесс распространения электромагнитной волны описывается уравнением диффузии, которое выводится на базе теории взаимодействия электромагнитной волны и проводящей жидкости, приблизительно описывающей морскую среду.
Теоретическая основа взаимодействия акустических и электромагнитных волн заключается в том, что электрические токи, генерируемые электромагнитной волной, переходят в джоулево тепло. Диссипативные потери на ток проводимости в морской среде преобразовываются в тепловые потери, которые, в свою очередь, изменяют механические характеристики проводящей жидкости (плотность, температуру, теплоемкость и т.д.). При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде упругой волны ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости этой упругой волны по трассе распространения. Спектр упругой волны изменяется, в нем появляются высокие гармоники и низкочастотные составляющие сигнала (за счет параметрического нелинейного влияния среды на сигнал). Очевидно, за счет эффектов механических потерь в воде, упругие волны низкой частоты будут распространяться на большие расстояния, а высокочастотные быстро затухнут. Поскольку область параметрического взаимодействия сигнала с промодулированной средой составляет несколько длин упругой волны (сигнала разностной частоты), то в среде формируется диаграмма направленности акустически прозрачной антенны. Тип антенны и физика формирования диаграммы направленности в этом случае подобна формированию диаграмм направленности нелинейной гидроакустической антенны.
Процесс формирования акустической параметрической антенны можно пояснить обычной системой уравнений гидродинамики для вязкой жидкости при наложении на уравнение состояния изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве.
Для вычисления скорости распространения упругой волны можно применить формулу
,
s
s
где β=-1/v(dv/dP) - коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости, где v - удельный объем.
s
p
Т
Воспользовавшись соотношением между адиабатической и изотермической сжимаемостью β=Gv/G.β, можно получить следующее выражение для фазовой скорости
Очевидно, что качественно любые изменения плотности ρ и давления Р при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой через проводящую электрический ток морскую или другую среду.
То есть, в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, фазовая скорость упругой волны, как показано в уравнениях, изменяется во времени и пространстве по закону изменения электромагнитной волны.
зм
(t)
эв
эм
Таким образом, если излучают электромагнитную волну гармонической частоты Ω, то фазовая скорость упругой волны C также будет меняться с той же частотой Ω=Ω. Проведенным анализом показано, что возникающая за счет электромагнитной информационной волны амплитудно-фазовая модуляция упругой волны накачки, как информационная составляющая, будет распространяться на большие расстояния и затем выделяться в блоках приемного тракта системы связи. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели.
Очевидно, что другие типы нелинейного взаимодействия, в случае положительного явления с электромагнитными волнами, также должны реально существовать в морской нелинейной среде.
Испытания предлагаемого способа проведены в два этапа. На первом этапе выполнены морские измерения, близкие к лабораторным. На втором этапе проведены широкомасштабные натурные испытания на стационарных просветных гидроакустических барьерных линиях (ГАБЛ) различной протяженности, которые подтвердили свою эффективность.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами, на которых показаны.
На фиг.1 - схема реализации заявленного способа. На фиг.2 приведен спектр сформированного направленного излучения информационных волн разностной частоты. Частота бигармонического сигнала накачки составляла 1040 и 960 Гц. Сформированный информационный сигнал разностной частоты составлял 80 Гц. Протяженность морской трассы передачи информации составляла 25 км. На фиг.3 приведена спектрограмма информационных сигналов разности частоты 2 Гц. Бигармонические сигналы накачки среды излучались на частотах 405 и 407 Гц. Протяженность линии звукоподводной связи составляла 45 км. Протяженная нелинейная область среды (параметрическая антенна) формировалась маневрирующим морским судном. На фиг.4 приведены спектр и спектрограмма сигналов информационных волн, сформированных электромагнитными излучениями забортного излучателя. Наблюдаются сигналы суммарной и разностной частоты, передающие телеграфные посылки. Протяженность линии звукоподводной связи составляла 25 км.
Для реализации заявленного способа необходим аппаратный комплекс, содержащий тракт формирования и усиления акустических сигналов 1, снабженный излучателем 2 (например, подводным звуковым маяком марки ПЗМ-400, т.е. излучающим на частоте 400 Гц), узел модулирования параметров среды 3, акустический приемник 4 (например, приемный радиогидроакустический буй, снабженный ненаправленным гидрофоном), радиорелейно связанный с трактом приема, обработки и регистрации сигналов 5 (при установке на судне или использовании на стационарных объектах акустический приемник и тракт приема, обработки и регистрации сигналов могут составлять единый аппаратный комплекс).
Конструктивно тракт формирования и усиления акустических сигналов 1 представляет электронную схему, содержащую генератор сигналов близкой звуковой частоты 6, тиристорный инвертор 7 и блок согласования 8, выход которого связан с излучателем 2 (см. фиг.1).
Конструктивно тракт приема, обработки и регистрации сигналов 5 представляет собой электронную схему, содержащую усилитель 9 (вход которого связан с акустическим приемником 4) и блок полосовых фильтров 10, анализатор спектров 11, функционально связанный с ним рекордер 12, а также нелинейная рабочая зона излучения 14. Кроме того, на чертежах показана поверхность воды 13, морское судно 15 и его нелинейный кильватерный след 16.
Заявленный способ реализуется следующим образом. Излучатель 2, движущееся морское судно как источник волн модулирования параметров среды 3, а также акустический приемник 4 размещают на одном горизонте так, чтобы область эффективного воздействия на среду, формируемая источником 3, находилась на трассе излучаемого акустического сигнала накачки среды. Работа источника информационных волн 3, а также нелинейная область 16 приводят к изменению характеристик проводящей жидкости (плотности, и (или) температуры, и(или) теплоемкости и т.д.), в зависимости от физической сущности модулирующего воздействия. При пропускании по такой промодулированной в пространстве нелинейной упругой среде упругой волны ее параметры будут промодулированы за счет изменения фазовой скорости этой упругой волны по трассе распространения. Спектр упругой волны накачки изменяется, в нем появляются высокие и низкочастотные составляющие сигнала. Сформированные при взаимодействии сигналов накачки и информационных параметрические составляющие проявляются как модуляционные, распространяются вместе с ними на большие расстояния и затем выделяются в приемном траке системы дальней подводной связи и контроля морских акваторий.