Способ гидроакустической телефонной связи водолазов и устройство для его осуществления (варианты)
METHOD AND DEVICE OF SONAR TELEPHONE COMMUNICATION OF DIVERS (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к технике подводной связи, в частности к средствам коммуникаций водолазов, и может быть использовано для связи водолазов при работе как между собой, так и с сопровождающим судном или береговым постом.
При выполнении водолазных работ очень важна надежная связь водолазов, работающих не только в группе между собой, но и с руководством, находящимся на поверхности. В случае одновременной работы группы водолазов на большом удалении друг от друга эту проблему крайне трудно решить, используя традиционные системы проводной телефонной станции.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ передачи и обработки гидроакустических шумоподобных сигналов (прототип) [патент на изобретение RU 2 552 534 С1; МПК Н04В 1/10; авторы Безручко Ф.В., Бурдинский И.Н., Карабанов И.В., Линник М.А., Миронов А.С., Отческий С.А.,; опубликовано 10.06.2015]
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, является применяемые операции обработки сложного сигнала, назначение, заключающееся в обнаружении гидроакустического шумоподобного сигнала и организации многоабонентской системы связи с разделением каналов путем кодирования сигналов различными бинарными псевдослучайными последовательностями из одного семейства.
Недостатками известного способа является то, что он предназначен только для обработки гидроакустического шумоподобного фазоманипулированного сигнала, модулируемого по методу прямой последовательности с целью обнаружения сигнала заданной формы, и не может быть применен к гидроакустическим сигналам с другим видом модуляции, а также его неустойчивость к условиям многолучевого распространения.
Достигаемый применением данного способа технический результат заключается в повышения помехоустойчивости при решении задачи обнаружения гидроакустического сигнала в условиях естественных и техногенных шумов и переотражений гидроакустического сигнала.
Так известно устройство для связи водолазов с применением трехпроводной линии (аналог) [патент на изобретение RU 81156 U1; МПК В63С 11/26; авторы Малышев А.С.,; опубликовано 10.03.2009]. Признаками данного аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются наличие в составе устройства микрофона, телефона, надводной станции связи с водолазами и источника питания. Недостатком известного устройства является то, что оно обеспечивает связь с водолазами с помощью соединительных проводов и не предназначено для работы в труднодоступных местах (затонувшие корабли, пещеры), для связи внутри группы водолазов. При этом провода значительно затрудняют работу водолазов, в них можно запутаться, что создает угрозу жизни и здоровья водолаза.
Прогресс в развитии электроники и техники позволил создать компактные системы беспроводной подводной телефонной связи водолазов. Известно устройство для связи водолазов с применением оптического канала связи (аналог) [патент на изобретение RU 2081027 С1; МПК В63С 11/26; авторы Катанович А.А., Тимофеев A.M..; опубликовано 10.06.1997]. В данном устройстве для передачи голосовых сообщений между водолазами используется оптическая система, состоящая из оптического излучателя и приемника, акустический голосовой сигнал преобразуется в оптический, оптический приемник и демодулятор производят обратное преобразование сигнала в звук. Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются наличие в составе устройства для связи водолазов закрепленных на шлеме водолазного снаряжения микрофона и телефона, связанного с ними приемопередатчика, в состав которого входит модулятор и демодулятор сигналов, и источника питания. Недостатком этого устройства является то, что качество связи напрямую зависит от прозрачности воды, наличия поднятой при работе водолаза взвеси водорослей, донных осадков. Кроме того, связь невозможна при наличии препятствий в воде (подводные скалы, высокие водоросли, а также в труднодоступных местах (внутри затонувших кораблей или в пещерах). При этом не обеспечивается связь между водолазом и сопровождающим судном или береговым постом, а связь между водолазами обеспечивается на ограниченных расстояниях от 10 до 20 метров и в ограниченном секторе обзора (ширина 180 градусов для диаграммы направленности оптических излучателя и приемника).
Известно устройство беспроводной подводной электромагнитной связи для водолазов (аналог) [патент на изобретение RU 63316 Ш; МПК В63С 11/20; авторы Акулов B.C., Катанович А.А., Конторович В.И., Кузеванов В.И., Лаврухин Ю.Д., Панфилов А.С, Песин Л.Б..; опубликовано 27.05.2007]. В данном устройстве для передачи голосового сообщения сигнал звуковой частоты от микрофона усиливается, преобразуется в соответствии с заданным видом модуляции в блоке электроники приемопередатчика и подается на антенну. Модулированный электромагнитный сигнал распространяется в воде, преобразуется в электрический сигнал в приемнике другого водолаза или судовой радиостанции, демодулируется, усиливается в блоке электроники приемопередатчика или станции надводной связи и воспроизводится в виде звукового сигнала телефоном.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются наличие в составе устройства беспроводной подводной электромагнитной связи для водолазов закрепленных на шлеме водолазного снаряжения микрофона и телефона, связанного с ними приемопередатчика, в состав которого входит усилитель мощности и усилитель звуковой частоты, модулятор и демодулятор сигналов, а также источника питания. Также схожим признаком является работа устройства беспроводной подводной электромагнитной связи для водолазов в полудуплексном режиме. Недостатком данного устройства является то, что используемые электромагнитные сигналы радиодиапазона подвержены существенному затуханию в водной среде. Как известно, для радиоволн морская вода является полупроводящей средой, и даже в случае использования очень низких частот (3-30 кГц) коэффициент затухания сигналов оказывается очень высоким. Вследствие этого связь между водолазами осуществляется на небольшие расстояния, а излучающие антенны имеют очень большие габариты.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство беспроводной связи для водолазов, использующее гидроакустический канал связи (прототип) [патент на изобретение RU 50 737 U1 «приемно-передающая станция гидроакустической телефонной связи водолаза»; МПК Н04В 13/00; авторы Валецкая Ю.В., Кранц В.З., Осипов.И.Н., Разумовский Г.Б., Шатохин А.В.,; опубликовано 210.01.2006]. В этом устройстве передача голосового сообщения осуществляется следующим образом. Звук, принимаемый микрофоном, преобразуется в электрический сигнал, далее он модулируется и поступает в усилитель, после чего с помощью обратимого гидроакустического преобразователя передается по гидроакустическому каналу связи. Сигнал принимается обратимым гидроакустическим преобразователем, преобразуется в электрический и после усиления и демодуляции поступает в телефон.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются: микрофон и телефон гидроакустической связи водолаза, предварительный усилитель, микрофонный усилитель и усилитель мощности, модулятор-демодулятор, источник питания, коммутатор приема-передачи, ключ переключения режимов приема- передачи и обратимый гидроакустический преобразователь, подключённый к блоку электроники с помощью гибкого кабеля и разъемного соединителя. Так же как и в заявляемом устройстве, передача голосового сообщения осуществляется посредством гидроакустического канала связи, а работа устройства происходит в полудуплексном режиме. К недостаткам прототипа относится значительная зависимость качества приёма сигнала от наличия естественных и техногенных шумов, возникающих при подводной работе водолаза, искажения речи, возникновения ошибок и посторонних шумов в передаваемом голосовом сообщении. Данные недостатки обусловлены применением для передачи по гидроакустическому каналу сигналов с аналоговой модуляцией и аналоговой обработкой голосовых сообщений.
Система беспроводной голосовой связи водолазов с распознаванием речи, отличается тем, что в конструкцию приемно-передающего устройства, закрепленного на шлеме водолазного снаряжения, и в состав надводной станции гидроакустической связи включен речевой синтезатор и блок голосового набора, при этом выход демодулятора соединён с входом речевого синтезатора, а выход микрофонного усилителя соединён с входом блока голосового набора. Отличия заявляемого устройства от устройства-прототипа доказывают его соответствие условию патентоспособности «новизна».
Технический результат, достигаемый за счет включения речевого синтезатора и блока голосового набора в конструкцию приемно-передающего устройства, закрепленного на шлеме водолазного снаряжения, и в состав надводной станции гидроакустической связи, заключается в повышении надежности и качества связи по гидроакустическому каналу. Это обусловлено тем, что речь водолаза при помощи блока голосового набора преобразуется в текстовую информацию, что существенно сокращает объем данных, необходимых для передачи голосового сообщения водолаза по гидроакустическому каналу. Это позволяет одновременно снизить требования к скорости передачи данных по гидроакустическому каналу, облегчить задачу демодуляции сигнала в связи с меньшим объемом данных, уменьшить вероятность появления ошибок при передаче информации. Представление передаваемого сигнала в цифровой форме позволяет существенно повысить устойчивость системы к воздействию внешних шумов и помех. Кроме того, предлагаемая система беспроводной голосовой связи водолазов с распознаванием речи позволяет осуществлять обмен голосовыми сообщениями между водолазами, работающими под водой в группе, а также позволяет организовать связь как между водолазами, так и с сопровождающим судном или с береговым постом, при этом обеспечивается высокая надежность связи на расстояниях до 200 метров, что доказывает соответствие изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень». Изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена структурная схема приемно-передающего устройства беспроводной связи водолазов, где цифрами обозначены:
1 - микрофон;
2 - микрофонный усилитель;
3 - блок голосового набора;
4-кодер;
5 - модулятор;
6 - усилитель мощности;
7 - телефон;
8 - синтезатор речи;
9-декодер;
10 - демодулятор;
11 - предварительный усилитель;
12 - коммутатор приема-передачи;
13 - обратимый гидроакустический преобразователь;
14 - ключ переключения режимов приема-передачи;
15 - элемент питания;
16 - герметичный корпус.
На фиг. 2 показана структурная схема надводной станции гидроакустической связи для беспроводной связи водолазов, где цифрами обозначены:
17 - микрофон;
18 - микрофонный усилитель;
19 - блок голосового набора;
20 - кодер;
21 - модулятор;
22 - усилитель мощности;
23 - предварительный усилитель;
24 - демодулятор;
25 - декодер;
26 - синтезатор речи;
27 - телефон;
28 - коммутатор приема-передачи;
29 - герметичный разъемный соединитель;
30 - гибкий кабель;
31 - обратимый гидроакустический преобразователь;
32 - ключ переключения режимов приема-передачи;
33 - источник питания;
34 - блок электроники;
35 - водная среда.
Система беспроводной голосовой связи водолазов с распознаванием речи состоит из приемно-передающего устройства беспроводной связи водолазов и надводной станции гидроакустической связи для беспроводной связи водолазов.
Приемно-передающее устройство беспроводной связи водолазов содержит закрепленные на шлеме водолазного снаряжения микрофон 1, телефон 7, предназначенные для преобразования акустического сигнала в электрический и обратно, ключ переключения режимов приема-передачи 14, элемент питания 15 и обратимый гидроакустический преобразователь 13, служащий для преобразования электрического сигнала в акустический, и наоборот, блок электроники, помещенный в герметичный корпус 16. При этом в состав блока электроники входят: усилитель мощности 6, предназначенный для усиления сигнала и его излучения обратимым гидроакустическим преобразователем 13, предварительный усилитель 11, предназначенный для усиления принимаемых сигналов, микрофонный усилитель 2, предназначенный для усиления электрического сигнала речи водолаза, кодер 4 и декодер 9, служащие для преобразования текстовой информации в битовую последовательность и обратно, синтезатор речи 8 и блок голосового набора 3, использующиеся для преобразования речи водолаза в текстовую последовательность, и наоборот, модулятор 5 и демодулятор 10, предназначенные для синтеза и демодуляции сигналов соответствующего типу модуляции для источника излучения, коммутатор приема-передачи 12, служащий для переключения режимов работы.
Микрофон 1, закреплённый на шлеме водолазного снаряжения, подключён к входу микрофонного усилителя 2, выход которого соединён с блоком голосового набора 3, к выходу которого подключен кодер 4, выход которого соединён с ходом модулятора 5, который в свою очередь соединён с усилителем мощности 6. Коммутатор приема-передачи 12 соединён с усилителем мощности 6 и входным усилителем 11, который подключен к входу демодулятора 10, при этом выход демодулятора 10 подключен к декодеру 9, соединённому с входом синтезатора речи 8, связанного с телефоном 7, закреплённым на шлеме водолазного снаряжения. Для перевода режима работы из режима приема в режим передачи предназначен ключ переключения режимов приема-передачи 14, соединенный с управляющим входом коммутатора приема-передачи 12, который подключен к обратимому гидроакустическому преобразователю 13. При этом микрофонный усилитель 2, блок голосового набора 3, кодер 4, модулятор 5, усилитель мощности 6, синтезатор речи 8, декодер 9, демодулятор 10, предварительный усилитель 11 и коммутатор приема-передачи 12 входят в блок электроники, помещённый в герметичный корпус 16, а подключение микрофона 1, телефона 7, ключа переключения режимов приема-передачи 14 и элемента питания 15 к герметичному корпусу 16 блока электроники выполнено через герметичные выводы.
Надводная станция гидроакустической связи для беспроводной связи водолазов содержит микрофон 17 и телефон 27, выполненные в виде гарнитуры оператора надводной станции гидроакустической связи для беспроводной связи водолазов, источник питания 33, ключ переключения режимов приема-передачи 32, погруженный в водную среду 35 обратимый гидроакустический преобразователь 31, подключённый с помощью гибкого кабеля 30 и герметичного разъемного соединителя 29 к герметичному корпусу блока электроники 34, в состав которого входит усилитель мощности 22, предназначенный для усиления сигнала и его излучения обратимым гидроакустическим преобразователем 31, предварительный усилитель 23, предназначенный для усиления принимаемых сигналов, микрофонный усилитель 18, предназначенный для усиления электрического сигнала речи оператора надводной станции гидроакустической связи для беспроводной связи водолазов, кодер 20 и декодер 25, служащие для преобразования текстовой информации в битовую последовательность и обратно, синтезатор речи 26 и блок голосового набора 19, служащие для преобразования речи оператора надводной станции гидроакустической связи для беспроводной связи водолазов в текстовую последовательность и наоборот, модулятор 21 и демодулятор 24, предназначенные для синтеза и демодуляции сигналов соответствующего типу модуляции для источника излучения, коммутатор приема-передачи 28, служащий для переключения режимов работы.
Микрофон 17, закреплённый на гарнитуре оператора надводной станции гидроакустической связи для беспроводной связи водолазов, подключён к входу микрофонного усилителя 18, выход которого соединён с блоком голосового набора 19, к выходу которого подключен кодер 20, выход которого соединён с входом модулятора 21, который в свою очередь соединён с усилителем мощности 22. Коммутатор приема-передачи 28 соединён с усилителем мощности 22 и входным усилителем 23, который подключен к демодулятору 24, при этом выход демодулятора 24 подключен к декодеру 25, соединённому с входом синтезатора речи 26, соединенному с закреплённым на гарнитуре оператора надводной станции гидроакустической связи для беспроводной связи водолазов телефоном 27. Для перевода режима работы из режима приема в режим передачи предназначен ключ переключения режимов приема-передачи 32, соединенный с управляющим входом коммутатора приема-передачи 28, который посредством герметичного разъемного соединителя 29 и гибкого кабеля 30 соединен с обратимым гидроакустическим преобразователем 31 погруженным в водную среду 35. При этом микрофонный усилитель 18, блок голосового набора 19, кодер 20, модулятор 21, усилитель мощности 22, предварительный усилитель 23, демодулятор 24, декодер 25, синтезатор речи 26, и коммутатор приема-передачи 28 размещены в герметичном корпусе блока электроники 34. Подключение к герметичному корпусу блока электроники 34 следующих компонентов микрофона 17, телефон 27, ключа переключения режимов приема-передачи 32 и источника питания 33 выполнено через разъемные соединители.
Система беспроводной голосовой связи водолазов с распознаванием речи работает следующим образом. Для передачи сообщения водолаз переводит приемно-передающее устройство беспроводной связи водолазов в режим передачи нажатием на ключ переключения режимов приема-передачи 14, и произносит текст сообщения. Микрофон 1 преобразует речь водолаза в электрические колебания, амплитуда которых увеличивается в микрофоном усилителе 2. Затем усиленный сигнал поступает в блок голосового набора 3, где происходит распознавание речи и преобразование в текстовое сообщение, что существенно сокращает объем данных необходимых для передачи голосового сообщения водолаза по гидроакустическому каналу. Текстовое сообщение поступает на вход кодера 4, закодированная информационная посылка, несущая в себе текстовое сообщение, поступает на вход модулятора 5, который осуществляет манипуляцию QPSK. Промодулированный сигнал поступает в усилитель мощности 6, происходит усиление. Далее посредством коммутатора приема-передачи 12 сигнал поступает на обратимый гидроакустический преобразователь 13, где он излучается в водную среду 35. При отпущенном ключе переключения режимов приема-передачи 14, система голосовой беспроводной связи водолазов с распознаванием речи работает в режиме приема. Обратимый гидроакустический преобразователь 13, подключённый через коммутатор приема-передачи 12 к входному усилителю 11, принимает гидроакустический сигнал и преобразует его в электрический. Сигнал с увеличенной при помощи предварительного усилителя 11 амплитудой подвергается демодуляции в демодуляторе 10, и полученная при этом битовая последовательность поступает на вход декодера 9, который осуществляет дешифрование текстовой информации и передает ее на вход синтезатора речи 8. Водолаз слышит голосовое сообщение через телефон 7.
Для передачи сообщения от надводной станции гидроакустической связи для беспроводной связи водолазов оператор переводит аппаратуру надводной станции гидроакустической связи для беспроводной связи водолазов в режим передачи нажатием на ключ переключения режимов приема-передачи 32, и произносит сообщение. Микрофон 17 преобразует речь оператора в электрические колебания, амплитуда которых увеличивается в микрофоном усилителе 18. Затем усиленный сигнал поступает в блок голосового набора 19, где происходит распознавание речи и преобразование в текстовое сообщение. Текстовое сообщение поступает на вход кодера 20, и далее закодированная информационная посылка, несущая в себе текстовое сообщение поступает на вход модулятора 21, который осуществляет QPSK манипуляцию. Промодулированный сигнал поступает в усилитель мощности 22, где происходит усиление. Далее посредством коммутатора приема-передачи 28 и герметичного разъемного соединителя 29 сигнал по гибкому кабелю 30 поступает на обратимый гидроакустический преобразователь 31, где он излучается в водную среду 35. При отпущенном ключе переключения режимов приема-передачи 32 надводная станция гидроакустической связи для беспроводной связи водолазов работает в режиме приема. Обратимый гидроакустический преобразователь 31 принимает гидроакустический сигнал и преобразует его в электрический. Сигнал по гибкому кабелю 30, разъемному соединителю 29 и через коммутатор приема-передачи 28 поступает в предварительный усилитель 23, после чего сигнал подвергается демодуляции в демодуляторе 24, и полученная на его выходе битовая последовательность поступает на вход декодера 25, который осуществляет дешифрование текстовой информации и передает ее в синтезатор речи 26. Оператор надводной станции гидроакустической связи для беспроводной связи водолазов слышит голосовое сообщение через телефон 27.