RU2134023C1 - Способ двусторонней связи с подводным объектом - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к системам радиосвязи, использующим особенности распространения радиоволн, и предназначено для организации двусторонней связи погруженного подводного объекта с надводным (наземным, космическим), в том числе при покрытии водной поверхности льдами. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей систем связи, устанавливаемых на подводных объектах при значительной глубине их погружения, на передачу сигнала надводным объектам. Это достигается тем, что для приема и передачи сообщения с подводного объекта излучают акустическую волну в направлении заданного участка поверхности моря и в этот же тракт направляют информацию в виде модулированного сигнала, который принимает абонент в воздухе или через ретранслятор в воздухе-на суше. При посылке сообщения на подводный объект используют способ электромагнитного облучения передающей антенной участка поверхности моря, озвученного акустической волной из глубины моря. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при организации канала двусторонней связи между глубоководным объектом, например подводной лодкой, и надводным - наземным, воздушным или космическим объектом.

Проблема связи глубоководного объекта с наземными объектами, а также объектами, находящимися в воздухе или на космическом аппарате, трудноразрешима в связи с особенностями распространения электромагнитных волн в морской среде и на трасах воздух-вода, суша-море.

Электромагнитные волны, попадая в проводящую среду, какой является морская вода, испытывают сильную спектральную зависимость от электрических параметров водной среды, особенно в диапазоне коротких волн. Трудности в организации связи с подводными объектами возникают также из-за рассеяния электромагнитных волн на водной поверхности, нестабильности электрических характеристик поверхностного слоя и наличия стохастических неоднородностей в канале распространения. Поэтому распространяться на большую глубину могут только волны ОНЧ-диапазона частот, причем электрическая компонента волны затухает сильнее, чем магнитная.

В связи с этим для организации подводно-надводной связи на коротких волнах используют радиобуи, соединенные кабелем с подводным объектом, которые выбрасывают из глубины на поверхность моря [1].

На глубину до 100 м может проникать луч лазера, дающий излучение в сине-зеленой части спектра [2]. Однако технические трудности по получению мощного оптического излучения в этой области спектра и необходимость использования воздушных носителей аппаратуры для обеспечения нормального падения луча на поверхность моря не обеспечивают скрытности процедуры связи объектов. Система связи с использованием такого лазера оказывается и весьма дорогостоящей, и, кроме того, ею нельзя пользоваться при наличии ледового покрова на поверхности воды.

Для организации связи на длинных волнах (длина волны порядка нескольких километров) применяют погруженные антенны, которые в зависимости от типа подводного объекта транспортируются за ним либо монтируются на этом объекте. По условиям приема/передачи сигналов на длинных волнах, например на частоте 100 кГц, необходимо применять антенну длиной около 700 м [3]. При использовании радиобуев и протяженных погруженных антенн трудно обеспечить скрытность процесса приема сообщения лодкой, при этом судно может быть легко обнаружено.

Известен способ подводно-надводной связи, применяемой на АПЛ "Лос-Анджелес", осуществляемый с использованием локальной системы Линк-11, причем на подводной лодке устанавливают только приемник, а передачу сообщений на лодку ведут в ЧНЧ-диапазоне на частоте 76 Гц (длина волны 4000 км) путем посылки трехзначной команды со скважностью примерно 1 команда за 15 мин. Прием этих сигналов в ОНЧ- и ЧНЧ-диапазонах осуществляется стандартной кабельной антенной шлейфового типа А3-1554/ВРМ(20) (также обозначается BCA - Buyoant Cable Antenna). Эта антенна обладает плавучестью и выпускается через отверстие, расположенное в верхней части ограждения выдвижных устройств в правом борту. Антенна имеет следующие технические характеристики: длину 610 м, диаметр 1,65 см, рабочие диапазоны 10 кГц - 30 МГГц или 10 кГц - 200 МГГц в зависимости от модификации, в кабеле размещен встроенный предусилитель. При малой скорости буксировки конструкция антенны позволяет вести прием в КВ-диапазоне при использовании хвостового участка кабеля, находящегося на поверхности [3].

Недостатком такого способа двусторонней связи является необходимость использования при передаче наземных антенных систем большой площади и сверхмощных передатчиков при практической неосуществимости передачи сигнала непосредственно с подводного объекта.

Известный способ может быть выбран в качестве наиболее близкого аналога, поскольку способ двусторонней связи с подводными объектами включает формирование информационного сообщения в виде электромагнитного сигнала на несущей частоте f_э, модуляцию его сигналом на частоте f_м, посылку модулированного сигнала, его прием, регистрацию абонентом, демодуляцию и последующее выделение полезного сигнала.

Задача изобретения заключается в расширении функциональных возможностей систем связи, устанавливаемых на подводных объектах при значительной глубине их погружения, на передачу сигнала надводным/воздушным объектам.

Задача решена тем, что в способе двусторонней связи с подводным объектом, включающем формирование информационного сообщения в виде электромагнитного сигнала на несущей частоте f_э модулированного сигналом на частоте f_м, посылку модулированного сигнала, его прием, регистрацию абонентом, демодуляцию и последующее выделение полезного сигнала, в соответствии с изобретением с подводного объекта дополнительно излучают акустическую волну на частоте f_а так, что акустический тракт выходит в заданную область поверхности моря, а его поперечное сечение в этой области соизмеримо с первой зоной Френеля для частоты f_а, при этом при посылке информационного сообщения с подводного объекта модулированный сигнал направляют вдоль акустического тракта на заданную область поверхности моря, а посылку информационного сообщения на подводный объект осуществляют с использованием упомянутого акустического тракта, причем модулированный сигнал направляют в заданную область выхода акустического тракта на поверхности моря в пределах упомянутой первой зоны Френеля, а прием такого сигнала ведут на подводном объекте на рабочей частоте f_раб = f_э - f_а + f_м.

Сущность изобретения заключается в следующем.

На границе раздела сред воздух-вода под действием акустического излучения, направленного на нее с подводной лодки, происходит механическое колебательное смещение границы раздела, которое порождает модуляцию электродинамических параметров поверхностного слоя воды - проводимости и диэлектрической проницаемости. Поскольку морская вода - проводящая среда, то указанный слоя является скин-слоем для электромагнитных (ЭМ) волн, поэтому при направлении ЭМ-волны на поверхность воды (E_п) от надводного/воздушного объекта в отраженном поле (E_от) появляется дополнительная компонента, обусловленная воздействием на водную поверхность акустической волны, модулирующей электродинамические параметры воды [4, 5]. Эта дополнительная компонента содержит амплитудно-модулированные составляющие с глубиной модуляции m_r, m_ε, m_σ, имеющие соответствующий сдвиг по фазе относительно опорного сигнала, в качестве которого принимают сигнал отражения от невозмущенной поверхности.

При нормальном падении акустической и ЭМ-волн на водную поверхность при f_а = 15 кГц и f_э = 10 ГГц глубина модуляции m_r = 5•10^-3, m_ε = 4•10^-5, m_σ = 1•10^-5.

Относительные коэффициенты модуляции m_ε /m_r, m_σ /m_r на частоте 10 ГГц (длина волны 3 см) малы (сотые доли), но с увеличением длины волны быстро растут и на длине волны 30 см близки к 0,1, т.е. акустически модулированная часть отраженного ЭМ-сигнала может быть выделена амплитудным детектором.

В том случае, когда ЭМ-волной облучают поверхность моря в пределах площадки, соответствующей первой зоне Френеля для падающей снизу акустической волны с частотой f_а, фазовые искажения и неоднородности в отраженной ЭМ-волне будут минимальны. Посылкой акустических волн к поверхности формируют акустический тракт.

Одновременно с отражением ЭМ-волны от границы раздела сред в заданной области выхода акустического тракта происходит прохождение волны вглубь среды. Составляющая E_r, проникающая в воду, при падении на поверхность амплитудно-модулированной ЭМ-волны E₀ описывается выражением

где h - глубина модуляции; |2πf_э•ε_o| ≪ σ.
В присутствии акустической модуляции параметров воды в области проникновения ЭМ-волны в ней возникают составляющие, обусловленные малыми приращениями параметров проводимости и диэлектрической проницаемости (ΔE_σε соответственно), а именно
ΔE_σ = E_o•m_σ(1+h•cos2πf_мt)•cos(2πf_эt+φ_э) (2)
ΔE_ε = E_o•m_ε(1+h•cos2πf_мt)•cos(2πf_эt+φ_э) (3)
причем

В области низких и крайне низких частот m_σ ≫ m_ε.
Если используется режим непрерывных колебаний на частоте f_а, то в спектре ЭМ-колебаний возникает составляющая на разностной частоте f_р = f_э - f_а + f_м. Ее амплитуда в точке падения на границу раздела имеет величину при f_а = f_э и z = 0
ΔE_σ(f_м) = E_o•(h•m_σ/4)•cos(2πf_мt) (6)
При выполнении условия m_σ ≫ m_ε коэффициент затухания демодулированной составляющей ΔE_σ на частоте f_м значительно меньше, чем для сигналов на несущей и боковых частотах.

Согласно расчетам /4, 5/ соотношение амплитуд составляющих ΔE(f_м)/ΔE(f_э) при заданной мощности акустического излучения на поверхности близко к 100 на глубине 100 м при f_э = 10 кГц.

Таким образом, создав акустический тракт с выходом в заданной области поверхности моря и реализуя модуляцию электродинамических параметров воды акустическим полем, при облучении такой области ЭМ-волнами можно получить составляющие отраженного сигнала и проходящего сигнала, которые промодулированы определенным образом и могут быть приняты на подводной лодке и на надводном (воздушном) объекте.

Прием сигнала и осуществление двусторонней связи возможны и в случае покрытия водной поверхности льдом, для которого характерна спектральная зависимость диэлектрической проницаемости ε [6].

Способ осуществляют с помощью системы связи, в которой, например, использованы радиостанции связи, осуществляющие прием-передачу когерентных сигналов.

Блок-схема такой станции приведена на чертеже.

Станция содержит задающий генератор несущей частоты 1, который используется также для генерации сигналов на других требуемых частотах, выходы генератора 1 соединены со входами усилителя мощности 2, приемного устройства 3 и двух (синус- и косинус-) фазовых детекторов (4 и 5 соответственно). Выход усилителя мощности 2 через ключ "прием-передача" 6 соединен с передающим антенным устройством 7 и другим входом приемного устройства 3, выход которого соединен со вторыми входами обоих фазовых детекторов 4 и 5, выходы которых подключены к соответствующим входам устройства комплексной обработки сигнала 8.

Для осуществления способа выбирают антенну с карандашной (эллиптической) диаграммой направленности, выполненную на основе плоской щелевой антенны. При выборе антенны размером (500-750) х (500-750) кв.мм ширина диаграммы направленности составляет около 3-5 угловых градусов, что достаточно для перекрытия заданной области поверхности моря, размер которой соизмерим с первой зоной Френеля для акустических волн на частотах порядка десятков килогерц.

Расчеты показывают, что на поверхности воды возможно создать однородный потенциал величиной (1,7-2,0)•10^-5 Вт/кв.см в пределах площадки диаметром 5-50 м при заглублении источника звука до 500-1000 м.

Система связи работает следующим образом. При возбуждении задающего (звукового) генератора 1 станция генерирует сигнал на несущей частоте f_э, который формируется по длительности, частоте повторения и другим характеристикам в соответствии с программой подготовки информационного сообщения. Этот сигнал усиливается усилителем 2 и через переключатель 3 канализируется в антенное устройство.

При использовании в качестве задающего генератора стандартного звукового генератора со стабильностью не хуже 10^-8 Гц/10 мкс (например, за счет применения лампы бегущей волны) возможно усилить когерентный сигнал длительностью 1 мкс до импульсной мощности 32 Вт и работать на частоте 9,4 ГГц (длина волны около 3 см) при частоте повторения импульсов 160 кГц.

Сформированным импульсом, несущим информационное сообщение, облучают участок водной поверхности, в котором должна происходить акустическая модуляция параметров среды.

При наличии акустической модуляции поверхности в области пятна, т.е. в пределах первой зоны Френеля, падающая ЭМ-волна от надводного объекта испытывает модуляцию по амплитуде в отраженном сигнале, а в проникающей в воду составляющей возникает сигнал на комбинационных частотах.

На подводной лодке с помощью антенного устройства принимают сигнал на рабочей частоте f_р = f_э - F_а + f_м и детектируют составляющую на частоте f_м, выделяя полезный сигнал.

При передаче информационного сообщения с подводного объекта надводному (воздушному) абоненту в область акустического тракта излучают модулированный ЭМ-сигнал, который после прохождения границы раздела сред распространяется в воздухе. Он принимается посредством антенного устройства 7, усиливается и фильтруется приемным устройством 3, которое является согласованным фильтром, детектируется квадратурными фазовыми синус- и косинус-детекторами 4 и 5 для исключения потерь за счет случайной фазы принимаемого сигнала и поступает в устройство комплексной обработки сигнала 8.

Полный принятый сигнал после комплексной обработки синус- и косинус-составляющих подается на узкополосный фильтр со средней частотой, например, 37,5 кГц (частота модуляции) и шириной полосы пропускания 1 кГц. После узкополосного фильтра сигнал поступает в регистратор, который может быть выполнен на базе магнитного накопителя для обработки больших объемов информации в короткие сроки. Выделение полезного сигнала производится известными методами.

Помехоустойчивость связи подводных и надводных объектов при использовании акустического тракта в качестве трассы распространения электромагнитных волн будет зависеть в основном от структурной неоднородности акустического тракта и флуктуациях амплитуды и фазы акустических волн при их распространении. Структурные неоднородности вдоль акустического тракта или наличие льда на поверхности моря могут повлиять на местоположение выхода акустических волн на поверхность, размер озвучиваемой зоны, глубину модуляции электропроводности и диэлектрической проницаемости морской воды, что приведет к необходимости приема информационного сообщения в расширенной полосе частот относительно рабочей частоты или применению других известных средств.

Однако предлагаемый способ существенно расширяет возможности связи подводной лодки, находящейся на глубине, с любыми надводными объектами, как воздушными и космическими, так и наземными (или кораблями) через ретранслятор, обеспечивая при этом скрытность передачи сообщения.

Источники информации
1. Морской сборник, 1986, N 11, с. 79.

2. Naval Forces, 1986, v. 7, N 35, pp. 122-123.

3. Зарубежное военное обозрение, 1995, N 9, с. 52.

4. Радиотехника и электроника, 1985, вып. 11, с. 2136-2142.

5. Радиотехника и электроника, 1991, вып. 2, с. 410-412.

6. Проблемы современной радиотехники и электроники. 1980, М., изд. "Наука", с. 110-112.

Claims (1)

1. Способ двусторонней связи с подводным объектом, включающий формирование информационного сообщения в виде электромагнитного сигнала на несущей частоте f_э, модулированного сигналом на частоте модуляции f_м, посылку модулированного сигнала, его прием, регистрацию абонентом, демодуляцию и последующее выделение полезного сигнала, отличающийся тем, что с подводного объекта дополнительно излучают акустическую волну на частоте f_а так, что акустический тракт выходит в заданную область поверхности моря, а его поперечное сечение в этой области соизмеримо с первой зоной Френеля для частоты f_а, при этом при посылке модулированного сигнала с подводного объекта его направляют вдоль акустического тракта на заданную область поверхности моря и ведут его прием надводным объектом на несущей частоте посланного модулированного сигнала, а посылку модулированного сигнала на подводный объект осуществляют с использованием упомянутого акустического тракта, причем модулированный сигнал направляют в заданную область выхода акустического тракта на поверхности моря в пределах упомянутой первой зоны Френеля, а прием такого сигнала ведут на подводном объекте на рабочей частоте f_раб=f_э-f_а+f_м.