автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.06, диссертация на тему:Исследование и построение гидроакустических систем связи ближнего действия

Министерство общего и профессионального образования Дальневосточный Государственный Технический Рыбохозяйственый Университет

Шабаев Евгений Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОСТРОЕНИЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ БЛИЖНЕГО ДЕЙСТВИЯ.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

Карасев В. В. - кандидат технических наук, доцент кафедры судовождения Дальрыбвтуза.

Короченцев В.И., кандидат физико-математеческих наук, доцент кафедры гидроакустики и ультразвуковой техники ДВГТУ.

Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет

1999 г.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

АПА - автономный подводный аппарат; АМ - амплитудная модуляция; ГС - гидроакустическая связь;

ГСС и С - гидроакустические станции и системы связи; ДКС - двухлучевой канал связи; КС - канал связи;

ЛЧМ - линейно-частотная модуляция; МОС - многократно отраженный сигнал; ООС - однократно отраженный сигнал;

ООС БЗ - ООС с большим временем запаздывания по отношению к ПС; ООС МЗ - ООС с малым временем запаздывания по отношению к ПС; ПС - прямой сигнал;

ПЧМ - поливариантная частотная модуляция;

СГАС БД - система гидроакустической связи ближнего действия;

ЧМ - частотная модуляция.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение____4

1. Глава 1. Аналитический обзор по основным проблемам систем гидроакустической связи ближнего действия__9

1.1 . Гидроакустический канал связи и виды помех присутствующие в нем _________11

1.2. Виды модуляции несущей частоты, используемые

в СГАС БД______14

Выводы______________18

2. Глава 2. Модель канала для систем гидроакустической связи ближнего действия____19

2.1. Обоснование вида модели канала связи_ 21

2.2. Оценка параметров канала связи_ 25

2.3. Обобщения___29

2.4. Экспериментальные данные___________30

2.4.1. Эксперименты в гидроакустическом бассейне_ 31

2.4.2. Эксперименты в натурных условиях__52

2.4.3. Приемо-сдаточные и сравнительные испытания_ 52

Выводы____ 55

3. Глава 3. Сравнительный анализ работы СГАС БД с применением различных видов модуляции несущего сигнала_____56

3.1. СГАС БД немодулированного типа__5 8

3.2. СГАС БД с амплитудной модуляцией______ 62

3.3. СГАС БД с частотной модуляцией______67

3.4. Экспериментальные данные____70

Выводы__86

4. Глава 4. Частотно-вариационные СГАС БД___87

4.1. Линейно-частотная модуляция (ЛЧМ)_____________87

4.2. Ограничение рабочей полосы при ЛЧМ__92

4.3. Поливариантный закон изменения несущей частоты_ 94

4.4. Принципы и структура построения СГАС БД с избыточным спектром сигнала-переносчика^___________106

4.5. Технические решения, реализованные по материалам диссертации__________111

4.6. Экспериментальные данные__115

Выводы ____________126

Заключение________128

Список литератур ы_____133

Приложение___137

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Освоение шельфовой зоны океана требует все большего количества высококачественной гидроакустической аппаратуры.

Одним из видов гидроакустического обеспечения проведения подводно-технических работ является связь. По своему определению, гидроакустическая связь (в дальнейшей ГС ) - это обмен информацией через водную среду по которой распространяются гидроакустические сигналы. ГС осуществляется приемо-передающими станциями, либо системами связи. В настоящее время известно достаточное количество гидроакустических систем и станций связи различного назначения, отличающихся между собой дальностью действия, излучаемой мощностью, типом модуляции, элементной базой и т. д., как отечественных так и зарубежных.

Одними из условий, определяющими параметры систем и станций гидроакустической связи, являются: условие размещения приемопередающих блоков, назначение самих систем и станций, условия осуществления ГС.

В первом случае, условие определяет массо-габаритные и энергетические характеристики как отдельных узлов и блоков так и систем и станций в совокупности. При размещении гидроакустических станций и систем связи (в дальнейшем ГСС и С ) на крупных носителях, либо стационарных сооружениях, имеющих возможность снабжать ГСС и С значительной энергией, параметры ГСС и С могут быть менее ■■■ жестко регламентироваться по массо-габаритным и энергетическим характеристикам. При использовании в качестве носителя автономных подводных аппаратов (АПА) или водолазов эти параметры жестко регламентируются.

Во втором случае, условие определяет наличие режимов ГС. Это режимы телефонии, телеграфии, кодовой связи или режим скрытности. Эти режимы определяют рабочие частоты, необходимые для осуществления режима полосы частот и параметры приемо-передающих трактов.

В третьем случае, условие определят параметры канала связи. По определению, канал связи (в дальнейшем КС) - это совокупность устройств и физической среды, передающих сигнал. Поэтому, параметры КС будут определять способы борьбы с помехами, присутствующими в КС и искажениями излученного сигнала, которые происходят при его прохождении КС.

Данная работа посвящена исследованию и построению ГСС и С, • которые расположены на небольших носителях, имеющих ограничения по энергообеспечению и грузоподъемности. Характерным представителем

такого носителя является водолаз. Эти ограничения определяют использование в ГСС и С модуляции сигнала и небольшую дальность действия. Кроме того, энергетические ограничения требуют использования ГСС и С в резонансной полосе частот своих приемо-излучающих антенн.

Поскольку, основные виды подводно -технических работ с применением водолазов и АПА выполняются вблизи дна или поверхности моря, то КС будет обладать особенностями, характерными для среды с отражающими границами. Т. е. в нем будут присутствовать такие явления как многолучевость распространения сигнала и реверберация.

Выбор тематики работы связан с тем, что для данного типа ГСС и С особенно важной характеристикой является достоверность принимаемой информации. Для телефонного режима критерием достоверности является коэффициент разборчивости речи, который определяется по методикам, изложенным в ГОСТ 7153-76 «Разборчивость речи. Методика измерений и оценки». Этот коэффициент определяет отношение количества правильно воспринятых оператором слов к их общему передаваемому количеству. Для существующих ГСС и С, предназначенных для эксплуатации водолазами, значение коэффициента разборчивости 8 не превышает 65 %, что является недостаточным для эффективного и безопасного проведения подводно-технических работ. Например, из-за низкого качества связи не выполняется около 40% технических действий, причем, этот процент возрастает в случае выполнения глубоководных работ. Кроме того, работами ЦКТБ минморфлота было установлено, что низкая разборчивость ГСС и С приводит к снижению безопасности проведения подводных работ и может являться одной из причин гибели водолазов.

Резюмируя вышесказанное, можно определить, что данная работа направлена на исследование путей увеличения верности принимаемой информации станций и систем гидроакустической связи ближнего действия (в дальнейшем СГАС БД).

Основными отличиями систем гидроакустической связи ближнего действия (СГАС БД) являются:

• небольшие дальности действия ( до 1 км );

• размещение на небольших носителях ( водолазы, обитаемые аппараты );

• ограничения по весу и габаритам;

• наличие модуляции несущей частоты;

• работа в КС, имеющем эффекты отражения сигнала от границ.

Существующие на данный момент СГАС БД имеют аналоговую форму передачи информации; амплитудную, частотную либо их разновидности виды модуляций несущей частоты; габариты и вес, которые удовлетворяют возможностям носителя; дальности действия до 1 километра.

Однако, всем этим системам присущи характерные недостатки. Главный из них - это невысокая разборчивость речи. Это происходит потому, что СГАС БД работают в основном вблизи дна или поверхности моря, что обуславливает появление помехи в виде многолучевого сигнала. Действие многолучевой помехи выражается в замираниях сигнала на приемной части СГАС БД или, что происходит реже, в частотных искажениях принятого сигнала. Сложность борьбы с такой помехой заключается в высокой степени ее корреляции с излучаемым сигналом. Поэтому, существующие СГАС БД имеют невысокую разборчивость речи, достигающую для некоторых образцов порядка 65%, что является недостаточным для обеспечения качественного и безопасного проведения подводно-технических работ. Кроме того, в процессе построения и разработки СГАС БД применяются критерии и показатели не отвечающие в полной мере соответствию требующихся параметров и конечного результата.

Следовательно, повышение разборчивости речи СГАС БД является актуальным направлением в исследованиях и разработках.

Данная работа проводилась в соответствии с планами комплексных научно-технических программ Минвуза РСФСР «Мировой Океан» и «Океанотехника», а также Координационным планом АН РФ по программе «Интеграция». Разработки велись в рамках хоздоговорных НИР и ОКР, которые определялись правительственными постановлениями развития нефтяных и газовых месторождений на шельфе. НИР «Разработка действующего макета комплекса аппаратуры связи, обнаружения и навигации для легководолазов» ( 1976 - 1978 г.г. ), НИР «Разработка макета системы гидроакустической связи для легководолазов» ( 1982 - 1984 г.г.), ОКР «Аппаратура связи и обнаружения для обитаемого подводного аппарата» ( 1993 - 1995 г.г.).

Целью работы является - теоретически и экспериментально обосновать возможность повышение разборчивости речи и выработать принципы и технические показатели для построения СГАС БД с высокой разборчивостью речи.

В процессе выполнения работы были получены следующие результаты, которые можно охарактеризовать термином «научая новизна».

1. Предложен показатель помехоустойчивости работы СГАС БД в двухлучевом канале связи. Определен наиболее неблагоприятный для работы СГАС БД диапазон относительных задержек отраженного сигнала.

2. Определено и экспериментально показано равенство по помехоустойчивости СГАС БД с применением амплитудной и частотной модуляции при их работе в двухлучевом канале со статистически однородной отражающей границей. Получено предельное значение показателя помехоустойчивости для этих систем

в неблагоприятном диапазоне задержек отраженного сигнала. Определена численная связь между показателем помехоустойчивости и коэффициентом разборчивости речи. 3- Предложены способы построения СГАС БД, имеющие высокий коэффициент разборчивости речи и способные работать в режиме резонанса своей антенны при использовании в качестве сигнала -переносчика сигналов с избыточным спектром.

Практическая ценность работы заключается в создании принципов и схем построения СГАС БД с высокой (более 90%) разборчивостью речи. Теоретические и экспериментальные результаты работы дают возможность оценить потенциальные возможности как разрабатываемых, так и уже существующих СГАС БД по критерию разборчивости речи через показатель помехоустойчивости.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Показатель помехоустойчивости для систем связи ближнего действия, работающих в условиях двухлучевого канала.

2. Теоретические результаты оценки и экспериментальные исследования сравнительной помехоустойчивости систем связи ближнего действия с амплитудной и частотной модуляцией, работающих в условиях двухлучевого канала.

3. Принципы и схемы построения систем связи ближнего действия с избыточным спектром сигнала - переносчика, работающих в режиме резонанса акустической антенны.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты исследований использовались при создании нескольких модификаций СГАС БД. Две последние разработки прошли межведомственные приемосдаточные испытания и приняты заказчиком ( Харьковский филиал ВНИПИ морнефтегазпром ). Кроме того, разработанная аппаратура использовалась для проведения исследований в натурных условиях ( Азовское, Японское моря ) рядом организаций ( ЦПКТБ минморфлота, НИИ «Берег», ДВПИ ). Отдельные технические решения были использованы в учебном процессе на кафедре гидроакустики ДВГТУ.

Основные положения и результаты работы докладывались на 1 Всесоюзной конференции по проблеме «Мировой океан», Владивосток, 1976 г.; на 4 Всесоюзной конференции «Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана», Владивосток, 1983 г.; на Всесоюзной конференции «Разработка и моделирование в технических и социально-экономических проблемах освоения океана», Владивосток, 1985 г.; на 4 Всесоюзном симпозиуме «Новые пьезоматериалы и их применение», Абрау-Дюрсо, Краснодарский край, 1992 г.; на 5 Всесоюзном симпозиуме «Новые пьезоматериалы и их применение», Белореченск, Краснодарский край, 1993 г.; на Международной конференции «Развитие системы высшего образования на Дальнем

Востоке на основе интеграции высшей школы и академической науки, международного сотрудничества. Секция «Технические средства освоения океана», ВГУЭС, Владивосток, 1997 г.

По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, проведены четыре НИР и пять ОКР, по результатам которых разработаны технические описания, инструкции по эксплуатации, программы и методики испытаний общим числом 18 наименований. Пять технических решений построения СГАС БД, в том числе и сама система связи, признаны изобретениями и защищены авторскими свидетельствами.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПО ОСНОВНЫМ ПРОБЛЕМАМ СИСТЕМ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

БЛИЖНЕГО ДЕЙСТВИЯ

Многообразие проблем, возникающих при работе СГАС БД требует выделить те из них, которые являются наиболее важными для достижения высоких параметров, а именно достоверности принимаемой информации в условиях помехи, которая имеет высокую степень корреляции с сигналом, распространяющимся в КС. Типичную картину такой помехи образует многолучевое распространение сигнала. Аналогичные проблемы, которые возникают в радиосвязи, исследованны достаточно давно и классифицируются соответствующим образом. Хорошо известно, что практически все радиоканалы подвержены влиянию замираний. Различают замирания быстрые, имеющие, как правило, интерференционную природу и медленные, вызываемые изменением условий распространения волн на трассе. Интерференционные замирания в многолучевом канале связи определяют как аддитивную, так и мультипликативную помеху, которые даже при наличии аддитивных шумов, являются основным препятствием для обеспечения надежной связи /1, 2, 3, 4/. Данные рассуждения можно в полной мере отнести к гидроакустическим системам связи /5, 6/.

Поскольку, в работе проводится исследование гидроакустических систем связи ближнего действия, то следует привести некоторые характерные признаки, присущие этим системам.

Первый признак - это дальность действия, определяемая как характеристика некоторой производственной функции носителя системы связи. Причем, эта дальность действия может быть разбита на несколько поддиапазонов. Проведенный статистический анализ типовых подводно -технических работ, выполняемых водолазами с автономными средствами жизнеобеспечения и разрешенными удалениями водолаза от колокола в случае глубоководных погружений, показывает, что для решения 90% технических задач достаточно дальности действия СГАС БД до 300 метров. При этом в СГАС БД закладывается полуторный запас. В случае использования СГАС БД подводными аппаратами для связи между собой дальность действия возрастает до 1 километра 111.

Второй признак - это ограничения по энергопотреблению, весовым и габаритным показателям. Эти ограничения снижают количество способов борьбы с замираниями и вызваны функциональными и тактико. техническими характеристиками носителей СГАС БД.

Третий признак - это наличие, как правило, того или иного типа модуляции несущей частоты как средства снижения массо-габаритных показателей системы связи и повышения эффективности действия.

Четвертый признак - это особенности отдельных узлов и блоков СГАС БД. Например, для радиосвязи используются различные диапазоны частот, а в пределах каждого частотного диапазона возможно изменение рабочей частоты в широком диапазоне. В СГАС БД такая возможность либо отсутствует полностью, либо сильно ограничена по абсолютной величине. Причиной этого является, с одной стороны, необходимость работы на частотах, близких к оптимальной, с другой - невозможность использования существующих акустических антенн в широкой полосе частот без значительных энергетических потерь ( резонансный режим работы ). Поэтому станции гидроакустической связи работают на достаточно строго фиксированных частотах, причем в симплексном режиме, что снижает и без того невысокую скорость обмена информацией между корреспондентами.

Поскольку, для с