Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общий энергетический расчет и моделирование подводной коммуникации на гальванических токах . 12
Введение: первые экспериментальные попытки подводной коммуникации на гальванических токах 12
1.1. Подводная коммуникация на гальванических токах и уравнения Максвелла 15
1.2. Физическая специфика использования гальванических токов в водной среде 26
1.3. Количественная оценка эффективности диполытых антенн, компоненты импеданса, оптимизация антенн 31
1.4. Структура электромагнитного поля на расстояниях, соизмеримых со скин-слоем, диаграммы направленности, всенаправлепность, влияние границ, зависимость соотношения сигнал/шум и дальности связи от величины электропроводности 43
1.5. Методика энергетического расчета предельных возможностей коммуникации на токах проводимости на примере системы для передачи речи и данных 48
1.6. Разработка аппаратуры для передачи речи и данных 57
Выводы из первой главы: 61
Глава 2. Электрические рыбы как объект биофизического моделирования (обзор) 64
2.1. Общая функциональная модель электроориентации слабоэлектрических рыб Ганса Вернера Лиссманна , ...65
2.2. Количественная модель Г.Лиссманна и К.Мэйчипа 74
2.3. Разделение задач при обработке электросенсорной информации у юповорылообразных (модель К. Белла) 80
2.4. Модель Вальтера Хейлигенберга, объясняющая механизм обработки сигналов и избегания помехи у представителя гимнотообразных Eigenmannia virescens 90
2.5. Структура электрических нолей слабоэлектрических рыб, сегментирование электрогенераторных структур, компьютерное моделирование электроориентационных систем рыб 103
Выводы из обзора 108
Глава 3. Экспериментальные исследования электро коммуникации сомов 111
3.1. Исследование взаимосвязи электрогенераторных и электрорецепторных систем сомов рода Synodontis, разработка средств для гистограммного анализа 113
3.2. Моделирование пост-стимульных гистограмм, выявление профилей фазной электрочувствительности сомов рода Synodontis 119
3.3. Особенности электрогенерации сомов. Регистрация формы разрядов электрических рыб: электронный «сторож» и примеры его применения 125
3.4. Регистрация электрических разрядов сомов в естественных условиях их обитания. Оценка дальности электрокоммуникации сомов 131
3.5. Идентификация разрядов сомов при их парных взаимодействиях 132
Выводы из главы 135
Глава 4. Исследование возможности применения гальванических токов в целях подводной ориентации с учетом современных представлений о механизмах обработки электросепсормой информации у слабоэлектрический рыб 136
4.1. Ориеитациоиная модель с прямой связью между источником и приемником: задача контроля перекосов фата 137
4.2. Двумерная ориеитациоиная модель: задача создания ин клин о метри чес кого сенсора; обзор известных технических решений 153
4.3. Концепция электролитических инклинометрических сенсоров вращающегося ноля 168
4.4. Макетирование электролитических сенсоров вращающегося поля 174
4.5. Экспериментальные исследования характеристик инклинометрических сенсоров вращающегося поля... 178
4.6. Сенсоры с открытыми электродными системами, всенаправленные источники для систем подводной связи и ориентации 200
Выводы из главы 203
Заключение 205
Выводы 208
Список литературы 209
- Количественная оценка эффективности диполытых антенн, компоненты импеданса, оптимизация антенн
- Разделение задач при обработке электросенсорной информации у юповорылообразных (модель К. Белла)
- Особенности электрогенерации сомов. Регистрация формы разрядов электрических рыб: электронный «сторож» и примеры его применения
- Двумерная ориеитациоиная модель: задача создания ин клин о метри чес кого сенсора; обзор известных технических решений
Введение к работе
Целью настоящей работы является исследование возможностей подводной электрической коммуникации и ориентации с использованием свойственных электрическим рыбам физических принципов.
Доктор биологических наук Владимир Рустамович Протасов Основными задачами работы являются:
1. Физико-математический анализ возможностей подводной коммуникации на гальванических токах и создание действующих макетов.
2. Сравнительных анализ физиологических моделей электрических рыб.
3. Исследование коммуникационных возможностей у ранее не изученных представителей слабо электрических рыб, разработка методик и создание стендовых установок для тестирования электрогенераторных способностей рыб.
4. Моделирование ориентационных систем на гальванических токах с учетом современных представлений о механизмах обработки электросенсорной информации у слабо электрических рыб и создание новых средств подводной ориентации.
В соответствии с названными задачами диссертация состоит из четырех глав.
Первая глава посвящена чисто физическому подходу к подводной коммуникации на гальванических токах. Открытая Г.Лиссманном возможность электрокоммуникации у рыб и развитие полупроводниковой техники вызвали в 60-х 70-х годах интерес к возможности связи на гальванических токах в водной среде на практически значимых расстояниях. Традиционный радиофизический подход привел к заниженным оценкам этого канала связи. В первом параграфе главы обсуждается вопрос о применимости и достаточности уравнений Максвелла в водной среде. На примере статьи профессора кафедры ра 5 диофизики физического факультета СпбГУ Г.А.Остроумова «На каком расстоянии могли бы морские животные сообщаться при помощи электромагнитных волн» (Остроумов, 1968) изложена традиционная методология радиофизического подхода к оценке возможностей коммуникации.
Остальные параграфы главы изложены в соответствии с монографией [Ольшанский, 1990). Во втором параграфе обсуждается вопрос о специфике проводящих сред с акцентом на различия проводящих и диэлектрических сред.
Третий параграф главы посвящен анализу прием о-псредающих антенн. Если при радиосвязи главная задача передатчика обеспечить максимальный поток вектора Пойн-гинга в волновую зону, то в водной среде традиционная поперечная Максвелловская вол-на невозможна и следует добиваться максимума величины гальванического тока (тока проводимости) в удаленной от источника точке приема. Ключевым понятием при этом становится понятие «электрод», фактически отсутствующее при анализе традиционных волновых антенн, поскольку последние как правило изолированы от окружающей среды. Ставится задача оптимизации размеров электродов исходя из критерия обеспечения максимального сигнала в точке приема при фиксированной мощности источника. Показан пример аналитического решения этой задачи. Описана методика экспериментального определения оптимальных электродов. Приведены оценочные формулы и экспериментальные результаты (Ольшанский, Янов, 1981) для расчета эффективности антенн для подводной коммуникации на гальванических токах.
В четвертом параграфе обсуждаются вопросы, связанные с влиянием взаимной ориентации антенн на возможность и надежность подводной коммуникации. В традиционной радиофизике в волновой зоне поперечная компонента электромагнитного поля гораздо больше продольной и вопрос о диаграммах направленности решается относительно однозначно. В случае использования токов проводимости радиальная и тангенциальная компоненты поля в большинстве ситуаций соизмеримы. На расстояниях сравнимых с толщиной скин-слоя, а такие расстояния оптимальны с точки зрения обеспечения максимальной дальности и информативности связи, радиальная и тангенциальная компоненты имеют различную фазовую задержку по отношению к току в источнике. Это приводит к возникновению эллиптической поляризации ноля от гармонического источника, причем параметры эллипсов зависят от расстояния, частоты, электропроводности среды и угла между осью излучающего диполя и направлением на точку приема. Рассмотрено влияние эллиптической поляризации на диаграммы направленности для обычных дипольных антенн и для всенаправленных антенн, составленных из двух ортогональных диполей, токи в которых сдвинуты по фазе на 90 градусов.
Пятый параграф посвящен методике общих энергетических расчетов коммуникационных систем на токах проводимости. От традиционной методики она отличается очень тесной привязкой к особенностям и характеристикам объекта, на котором размещены антенны, в специфике задачи (глубина места, уровни электромагнитных шумов и помех, возможные взаимные ориентации). Методика иллюстрируется расчетом конкретной системы для речевой связи между аквалангистами. Расчеты доведены до конца - до построения семейства кривых сигнал/шум и оценок возможной дальности связи.
Заключительный параграф главы посвящен действующим макетам и практическим разработкам устройств подводной связи. Па основании расчетов и экспериментов с действующими макетами были разработаны опытные образцы устройств для речевой связи между аквалангистами. На технические решения были получены авторские свидетельства (АС СССР №593625. №6.1.798 L №669490, №1289436). Обсуждаются пути повышения эффективности и надежности работы подобных устройств исходя из возможностей сегодняшнего дня.
Вторая (обзорная) глава посвящена сравнительному анализу известных моделей электрических рыб. Термин «модель электрической рыбы» пред став ляется оправданным, поскольку речь идет не только об электрорецепторах или электрических органах, не только о коммуникационной или ориентационной функциях, но об электрических рыбах к целом и об их отличиях от неолектрических рыб.
Глава начинается с подробного изложения пионерской основополагающей публикации Т ".Лиссманна «О функции и эволюции электрических органов рьтб» (Li.ssm.aiui., J95S). В этой работе впервые было показано, что способность рыб давать электрические разряды должна рассматриваться вместе с их способностью воспринимать слабые электрические поля и осуществлять локационную, коммуникационную и ориентационнуто функции. Работа Лиссманна - не короткая догадка, а развитая система взглядов, подтвержденная тщательными и разнообразными экспериментами. В свете данной диссертации отдельный интерес представляет предложенная Лиссманном простая физическая модель из излучающего и принимающего диполей, расположенных симметрично относительно друг друга. Эта модель может стать отправной точкой при решении самых разных практических задач. Не меньший интерес представляет и полная модель Лиссманна, согласно которой кожа рыбы с тысячами электрорецепторов может быть уподоблена электрической сетчатке.
Важным обоснованием идей Г.Лиссманна об информационном использовании гальванических токов электрическими рыбами стала количественная модель 1 .Лиссманна-К. Мэй чина (Lissmann, Machin, 1958), которой посвящен второй параграф Эта работа свя 7 зывает особенности функционирования электроориентационных систем рыб со спецификой электромагнитного распространения в проводящих средах. Обсуждается целый комплекс вопросов о том, как должна или могла бы быть устроена рыба, чтобы эффективно решать задачи локации, ориентации и связи. Несмотря на простоту предложенных Мэй-чиным решений, они вовсе не тривиальны и затрагивают темы, которые обычно пропущены в учебниках по электродинамике.
Два следующих параграфа посвящены современным представлениям о механизмах работы электрических систем рыб. При осуществлении электролокации, электрокоммуникации и пассивной электроориентации по фоновым электромагнитным полям, включая обнаружение и различение гидробионтов по их неспецифическим электрическим проявлениям, понятия сигнал и шум меняются местами - то, что для одной задачи несет необходимую информацию, для двух других является помехой. На сегодняшний день электро-ориентационные системы лучше всего изучены у клюворылообразных (мормирид) и гим-потообразных (гимнотид), физиологические модели которых рассматриваются отдельно. Одним из базовых признаков, по которым идет разделение моделей является наличие у клюворылообразных и отсутствие у гимнотообразных специальных сигналов.
Поскольку речь идет о механизмах обработки информации, то эти физиологические модели тяготеют скорее к схемотехническому, чем к физико-математическому, анализу.
Завершает главу параграф, посвященный структуре электрических полей рыб, возможности сегментирования электрогенераторных структур и компьютерному моделированию электроориентационных систем рыб. Несмотря на то, что электрические органы состоят из множества электрощитов, иннервируемых сложной системой электромотоней-ронов, первоначально в большинстве моделей электрический орган обозначался как одно целое. Разряд электрической рыбы аппроксимировался полем диполя и обсуждался лишь вопрос о влиянии размеров электродов этого диполя и их явно выраженной несимметрии на функционирование электроориентационных систем в целом. В ранних работах подчеркивалось существование специальных механизмов, усиливающих синхронность срабатывания электроцитов. В то же время отмечалось, что многие электрические органы имеют протяженные размеры, часто состоят из электрических клеток разного типа. Более того, некоторые электрические рыбы имеют несколько электрических органов (например, 4 у электрического угря). Идея поблочного срабатывания электрических органов, по крайней мере у некоторых электрических рыб, получила ряд экспериментальных подтверждений, в том числе путем измерения динамики изменений картины поля во время разряда. Измерение изменений всей полной картины поля во время разряда рыбы - сложная техническая задача. Однако на сегодняшний день благодаря развитию техники быстрой многоканальной регистрации и обработки слабых электрических сигналов она эффективно решена. Специалисты измеряют изменения полей во время разряда в зависимости от изгибов тела рыбы или наличия лоцируемых объектов. Более того, методы компьютерного моделирования позволяют рассчитать реакцию разветвленной сети электрорепепторов с учетом их физиологических характеристик на распределение и изменения гальванических токов па поверхности тела рыбы. Таким образом, у исследователей появляется возможность искусственно имитировать сложное поведение рыбы при ее взаимодействии с активным или пассивным объектом и предсказать реакцию электросенсорной системы. Цветные изображения экспериментально измеренных и компьютерно смоделированных полей широко представлены в интернете. Фактически это аналог электровидения рыб -чувства, ранее недоступного человечеству. Работы по компьютерному моделированию ориентированы не только на научные, но и прикладные цели, в частности, оснащение подводных роботов системами электровосприятия.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям электрокоммуникации у третьей наименее изученной группы пресноводных слабоэлектрических рыб - сомооб-разных. До 90-х годов наличие элекгрогеиерации было известно только для одного семейства широкого отряда сомообразных - сильноэлектрических сомов. После обнаружения слабых относительно коротких двухфазных электрических разрядов у сомов рода Syno-dontis (Hagedom, Womble, Finger, 1990) исходя из цели оценки возможности электрокоммуникации у этих рыб требовалось в первую очередь ответить на два вопроса: 1) воспринимают ли эти сомы собственные разряды и 2) есть ли центральная связь между электро-рецепторной и электрогенератор ной системами. Получению ответов на эти вопросы посвящен первый параграф главы. Была создана автоматизированная стендовая установка для экспериментов по выявлению связи электрогенераторной и электрорецепторной систем сомов. Она позволила осуществить построение стандартных пост-стимульных гистограмм интервалов между фронтами разрядов тестируемых рыб и фронтами предъявляемых стимулов (Орлов, Барон, Ольшанский, 1993).0 втором параграфе на основании полученных данных выявлены профили фазной чувствительности сомов, определяющие характер реакции генераторной системы на подачу прямоугольных импульсов (Ольшанский, Моршнев, 1996). Для лучшего понимания полученных результатов была также создана компьютерная модель, позволяющая аппроксимировать вид гистограммы при реальном числе накоплений (например 4000 интервалов) на предельные случаи накоплений по массиву порядка 1000000 интервалов. Третий параграф главы посвящен тестированию рыб на наличие электрогенераторных способностей. Специально созданные для этих целей микропроцессорные стендовые установки (Ольшанский, 1997) позволили осуществлять тестирование произвольной пары рыб в автоматизированном режиме. Впервые были обнаружены и зафиксированы электрические разряды от пресноводных рыб, обитающих в Азии (Моршнев, Ольшанский, 1997). Описанная методика и аппаратура применяются нашей группой для тестирования эяектрогенераторных способностей сомов как в лабораторных, так и полевых условиях. К настоящему времени зарегистрированы тысячи разрядов от сотен особей, относящихся к десяткам разных видов сомообразных.
Оценка возможностей электрокоммуникации требует перехода от лабораторных экспериментов к регистрации в естественных условиях обитания тестируемых рыб. В четвертом параграфе обсуждаются проблемы связанные с этой регистрацией и приводятся результаты фиксации электрических разрядов сомов я естественных условиях их обитания (Барон В.Д., Моршнев К.С., Ольшанский В.М., Орлов А.А, Павлов Д.С. и Тефери И., 2001).
В заключительном параграфе главы речь идет о выявлении индивидуальных характеристики разрядов сомов при их парных взаимодействиях. Были измерены значения напряженности поля непосредственно на теле рыбы во время собственных и чужих разрядов (Ольшанский В.М., Моршнев К:С, Насека А.М и Нгуен Тхи Ига, 2002).
Для осуществления экспериментальных исследований коммуникации сомов принципиально важным был опыт регистрации слабых электрических сигналов в водной среде, который был накоплен в процессе модельных экспериментов по подводной коммуникации, о которых говорилось в первой главе, и опыт по созданию профессиональной измерительной техники (Ольшанский, Корсаков, 1983, Ольшанский, 1997, Кононов, Ветошко, Землянщын, Ольшанский, Эльягиев, 1997).
Заключительная глава диссертации посвящена вопросам ориентации на токах проводимости и практическим применениям результатов биофизических исследований слабоэлектрических рыб. Наличие прямой связи между источником и приемником открывает пути для использования свойственных клюворылообразным алгоритмов выделения сигналов из шума. На основании 4-х электродной модели Лиссманна, идей Лиссманна и Мэй-чина и модели К.Белла был предложен новый подход к решению важной практической задачи - контроля симметрии трала во время лова. Осуществлены расчеты модели. Названы критерии, позволяющие выбрать рабочую частоту, габариты и форму электродов. Качественно оценивается влияние неоднородности воды на достоверность измерений углов. Обсуждается возможность и средства предварительной калибровки системы. Описаны созданные действующие макеты, успешно испытанные в натурных условиях. Технические решения защищены авторскими свидетельствами (авт. сеид. NN 973089, 11976.1.9, 1308305, 1558359). Обсуждаются возможности их модернизации и перспективы использования, ограниченные главным образом проблемами включения модулей предлагаемого типа в общую инфраструктуру тралового оборудования.
Следующие параграфы главы посвящены концепции построения элетстроориента-ционных систем, использующих гальванические токи в качестве носителя информации. Одномерная модель Лиссмаина легко расширяется до двухмерной добавлением второго излучающего диполя. Это обеспечивает возможность точного определения положения подводного объекта относительно электродной системы. Однако сама электродная система нуждается в абсолютном ориентировании в пространстве. Кроме того, высокая степень неоднородности поля приводит к сложной зависимости амплитуды и фазы регистрируемого сигнала от угла и величины отклонения. Размещение электродной системы внутри корпуса, частично заполненного электролитом, приводит к известной практической задаче создания электролитических инклинометров. Прежде чем применить биофизический подход был выполнен обзор патентов и существующих конструкций. Во всех известных вариантах инклинометрическис сенсоры имеют принципиальную нелинейность и ограниченный диапазон измеряемых углов.
Концепция создания инклинометрических электролитических сенсоров, обеспечивающих равную чувствительность порядка сотых долей градуса в полном диапазоне углов 0-360°, разрабатывается на основе полной модели Лиссмаина и наиболее развитой модели электрических рыб - модели Вальтера Хейлигенберга, включающей разделение информации в амплитудно-фазовой плоскости и многоэлектродность. На предложенное решение был получен патент РФ №2100778, успешно прошедший международную экспертизу {номер международной публикации WO 97/49973). Основное внимание было уделено преодолению проблем, связанных с сильной неоднородностью электрического поля в зоне электродной системы. Описаны действующие макеты сенсоров, стендовая установка для исследования их характеристик, результаты экспериментальных исследований.
Расширение концепции создания инклинометрических сенсоров на более общие задачи подводной ориентации позволяет предложить новый тип распределенных приемопередающих источников и приемников для подводной связи и ориентации. Предлагаемые физические решения, созданные на базе биофизического анализа электрических рыб, имеют большие практические перспективы.
Я глубоко признателен основателю нашего коллектива профессору В.Р.Протасову, к сожалению уже ушедшему из жизни. Я благодарен также непосредственным участникам физических экспериментов, создания макетов и приборов Г.О.Корсакову, Д.Э.Эльяшеву, к. т. и. Б.М.Юрчикову, С. В. Скород умову, А.Л.Цибульскому и нашим специалистам по электроэкологии д.б.н. В.Д.Барону. к.б.н. А.А.Орлову, К.С.Моршневу. Со всеми этими людьми меня объединяют годы совместной работы как лабораторной, так и экспедиционной. Я благодарен также д.ф.-м.н. К.Ь. Асланиди, д.ф.-м.н. В.В.Смолянинову, д.б.н. Е.В.Романснко, академику Д.С.Павлову, и сотрудникам нашей лаборатории д.б.и. В.Н.Михееву, к.б.н. И.В.Нечаеву, к.б.н. В.В.Костину, оказавшим огромную помощь при подготовке и обсуждении диссертационной работы.
Количественная оценка эффективности диполытых антенн, компоненты импеданса, оптимизация антенн
Традиционно эффективность электромагнитной антенны оценивается по ее способности создавать поток вектора Пойнтинга вдали от антенны в волновой зоне. Радиофизические антенны являются резонансными, что позволяет создавать токи в них. без необходимости обеспечения цепей возвратного тока через среду. Требование обеспечения резонанса предопределяет точное соотношение между габаритами антенны и длиной волны и преимущественное использование сравнительно узких частотных диапазонов. Теоретически эффективная радиофизическая антенна может быть полностью изолирована от среды, а ее омическое сопротивление может быть бесконечно большим. Токи проводимости, реально существующие вблизи практически любой антенны, принято рассматривать лишь как потери, снижающие эффективность антенн.
При использовании сигналов СНЧ-диапазона (5 Гц - 3 кГц) размер антенны становится настолько меньше длины волны, что обеспечить резонанс нельзя. Это требует радикального пересмотра базовых принципов построения антенн, что нашло отражение в известной монографии М.Л.Барроуза «Коммуникационные СНЧ антенны» (Burrows, 1978)-одного из лидеров работ но глобальной связи с подводными лодками.
Трудности начинаются уже с вопроса о размещении точек наблюдения и ориентации приемных антенн, необходимых для измерения антенных характеристик. В проводящей среде, да вдобавок в СНЧ-диапазоне, и зависимость антенных характеристик от ориентации приемника относительно источника и изменение этих величин по мере удаления приемника от источника гораздо сложнее, чем для классической плоской волны. Радиальная компонента электрического поля может быть соизмерима или превышать тангенциальную, а соотношение между электрической и магнитной компонентами может заметно отличаться от импеданса среды. Расстояния, на которых практически можно что-то измерить, соизмеримы с толщиной скин-слоя и значительно меньше длины волны. Даже находясь на расстояниях заметно превышающих размеры источника, нельзя полагаться на теорему взаимности и на справедливость уравнений эквивалентности. Большинство базовых понятый и в их числе диаграммы направленности, усиление антенны, излучаемая мощность и даже -эффективная длина нуждаются если не в полном пересмотре, то в существенных оговорках.
В этой ситуации за основу количественного подхода к эффективности передающих антенн берется простое правило: из двух возможных конструкций эффективнее та, которая при одной и той же мощности передающего устройства обеспечивает больший сигнал в удаленной точке. При этом речь идет об обычной мощности на выходе передатчика, т.е. о произведении тока в антенне на напряжение на электродах, а не о некой излученной волновой мощности.
Единственной характеристикой источника, входящей в уравнения распространения, является дипольный момент 11. Поскольку дипольный момент определяется не физической, а эффективной длиной 1эфф, то, выражая мощность через ток и полный импеданс (Z), и учитывая, что мнимая часть импеданса может быть скомпенсирована, т.е. импеданс будет определяться только действительной частью Re(Z), получаем отношение 1Яфф2/Ке(2) как количественную оценку эффективности передающей антенны.
Основной проблемой построения передающих низкочастотных антенн являются потери энергии непосредственно вблизи антенны и в элементах антенн. Повышение отношения 1Эфф /Re(Z) фактически означает снижение доли этих потерь. Для этого нужно сіремиться к уменьшению модуля и действительной части полного импеданса антенны, и к повышению эффективной длины.
Полный импеданс антенны определяется суммой нескольких компонент: Ze = ZaY + Z„p +Zr)i„, + Z e, где: Z3T - вклад в импеданс за счет электрохимических процессов, происходящих на границе "электрод - вода"; Z„p - импеданс проводов, соединяющих источник тока с электродами антенны; 2д,ш - импеданс, связанный с взаимодействием токов растекания в среде и токов в проводе, соединяющем антенну и источник; Z3Clti - R3ae - сопротивление заводнения электродов антенны.
В зависимости от конкретной задачи и, главное, от допустимых габаритов антенн, соотношения между компонентами импеданса существенно меняются. Антенны, рассматриваемые в монографии Барроуза, предназначены для глобальной связи. Это антенные решетки, площадью в десятки квадратных километров, зарытые в скальные грунты специально выбранной низкой электропроводности. Доминирующей компонентой импеданса в этом случае является 7 т, минимальное значение которой определяется выражением cofjU/S. Это позволяет Барроузу обозначить величину lvp(f/Re(Z) 81/(ОЦ как-теоретический предел эффективности. В силу обратной зависимости от частоты эта формула не пригодна для статики ( №=#), что не удивительно, їтоскольку Барроуз разрабатывает источник волнового ноля.
Антенны, рассматриваемые в настоящей работе, имеют габариты порядка единиц или долей метров (размещаемые на аквалангистах или применяемые в исследовательских целях) - десятков метров {береговые и донные антенны, антенны размещаемые на орудиях лова). При использовании достаточно толстых проводов и компенсации их индуктивпо-стей доля Znp в общем импедансе будет ниже Z3X и /?sao Влияние сопротивления заводнения на эффективность антенн легко продемонстрировать с помощью картины поля статического диполя из двух шаров радиусами а, разнесенных на расстояние /. Зададимся размерами: а=2.5 мм, 1 = 10 см (рис. 1.3).
Очевидно, что большая часть энергии токов растекания расходуется непосредственно в окрестности диполя. Поскольку картина поля на рис. 1.3 построена с дискретом (0,01 V х 0,11), где V- потенциал на электроде, а /-полный ток через диполь, то внутри области, ограниченной вращением любого криволинейного четырехугольника abed этой картины вокруг оси диполя, расходуется (переходит в тепло) 0,001 часть полной энергии диполя (V xl). При заданных для построения картины поля соотношениях а и / (аД=0,025) вне сферы с центром в центре диполя и радиусом порядка 31 выделяется менее одной тысячной части от всей энергии диполя.
Увеличим радиусы электродов, скажем в 8 раз, обеспечив тот же ток в антенне. При этом энергия, которая расходовалась раньше в среде внутри сфер радиусами по 20 мм, окружающих электроды первоначального диполя (она составляла 90% от полной энергии первоначального диполя), теперь расходоваться не будет, а поле в любой точке вне диполя останется прежним. Увеличение электродов в 8 раз привело в данном случае к падению сопротивления в 10 раз и уменьшению напряжения между этими новыми электродами в 10 раз. (Непропорциональность между увеличением радиусов и уменьшением сопротивления связана с возрастанием степени взаимодействия электродов). Увеличим теперь расстояние между центрами этих новых электродов в 8 раз. При этом снова получается поле, изображенное на рис. 1.3, но масштаб изображения будет отличаться от первоначального в 8 раз. Получившийся диполь по сравнению с первоначальным будет иметь в 8 раз меньшее сопротивление, а при одном и том же токе будет создавать в 8 раз большую величину напряженности во всех удаленных точках. Таким образом, увеличение размеров электродов и раздвижение электродов приводят к экономии мощности и (или) к увеличению напряженности поля вдали от диполя.
Пока ограничений на габариты антенн нет - чем больше антенна, тем ора эффективнее. Однако на практике допустимые габариты антенн всегда ограничены, например; размером рыбы или аквалангиста.
Чтобы проиллюстрировать возможность оптимизации антенн путем правильного выбора габаритов электродов вернемся к рис. 1.3 и будем увеличивать размеры электродов таким образом, чтобы их форма всегда совпадала с эквипотенциальными поверхностями исходного поля диполя с маленькими электродами. Однако, после каждого увеличения электродов будем уменьшать общий размер диполя таким образом, чтобы полная длина L от края одного электрода до края другого оставалась одинаковой (рис, 1.4).
Разделение задач при обработке электросенсорной информации у юповорылообразных (модель К. Белла)
В отличие от волновой связи в случае использования гальванических токов нет возможности формировать диаграммы направленности дипольной антенны за счет отражателей или иных конструктивных элементов. Однако, можно комбинировать поля нескольких дипольных антенн. Наиболее известная комбинация - два ортогональных диполя с общим центром, токи в которых сдвинуїьі на 90. В волновых системах эта комбинация позволяет получить круговую диаграмму направленности. Аналогичные антенны предлагались и в некоторых патентах на подводную электромагнитную связь с целью обеспечения всенаправленности излучения или приема. Однако подробного анализа такого всена-правлешюго источника применительно к случаю проводящих сред я в литературе не встречал и осуществил его самостоятельно (Ольшанский, 1990).
Если бы поле диполя содержало только одну компоненту (только радиальную или только тангенциальную), то поле от двух ортогональных диполей, токи в которых сдвинуты друг относительно друга по фазе на 90 было бы линейно поляризованным и при любом значении угла в соответствовало бы максимальному значению поля от одного диполя на данном расстоянии. Так как в нашем случае одновременно имеются две компоненты (радиальная и тангенциальная), то поле от двух ортогональных диполей, сдвинутых по фазе на 90, - эллиптически поляризованное в.плоскости образованной осью излучающего диполя и направлением на точку приема (Патент США 3,668,617). Вблизи антенны фг«1) соотношение между максимумами радиальной и тангенциальной компонент равно 2:1 и компоненты от каждого из диполей сфазированы, поэтому эллипсы поляризации и диаграммы направленности одинаковы для всех значений угла в, причем большая ось эллипса ориентирована вдоль радиального направления.
С ростом fir соотношения между компонентами напряженности поля меняются и, кроме того, компоненты друг относительно друга сдвигаются по фазе. В связи с этим форма и ориентация эллипсов поляризации меняются. Наиболее заметно эти изменения проявляются в диапазоне значений (Зг от 0,5 до 3,0, где соотношения между максимумами радиальной и тангенциальной компонент близки к 1. При больших значениях /Зг начинает доминировать тангенциальная компонента. Поле для каждого из диполей становится все ближе к линейно поляризованному (за исключением направлений, близких к оси диполя). Большая ось эллипса поляризации рассматриваемого излучателя асимптотически стремится к значению максимума тангенциальной составляющей от одного диполя, ориентированного перпендикулярно направлению на точку приема. Вопрос о всенаправленных антеннах будет еще раз обсужден в последней главе диссертации в свете альтернативных подходов и многоэлектродных антенн.
Выше говорилось о том, что границы «вода-воздух» и «в од а-дно» оказывают влияние на распространение ЭМИ. На мелководьи это влияние сказывается кардинальным образом. Учет границ крайне важен на этапе постановки экспериментов и сопоставления полученных результатов с теоретически ожидаемыми. Без учета границ невозможно построение локационных и ориентационных систем. Поэтому не удивительно, что этому вопросу уделено такое большое внимание и в основных зарубежных монографиях по электромагнитному распространению под водой (Wait, 1962; Banos, Calen, 1965; Kraichmnan, 1970), и в многочисленных статьях лидеров американских проектов СНЧ-связи П.Р.Баннистсра и А. Фразер-Смита (P.R.Bannister, 1966, 1967а, 19676, http;//nvinist.gov/риЬ/пislpubs/sp958-li.de/120-J22.pdf). и в немногих обзорных и теоретических публикациях отечественных авторов (Акиндипов, Нарышкин, Рязанцев, 1976; Тювеев, 2000, Шибкое, Герасимов, Тювеев, 2002 ). В научной физико-математической литературе приведены сотни аппроксимационных формул для случаев двухслойных, трехслойных и многослойных сред.
Однако я не задавался целью не только пополнить их число, но и вообще уделять им здесь.место. Дело в том, что, во-первых, устройства, разработанные для безграничной волной среды, в среде с границами будут работать только эффективнее, а, во-вторых, мобильность беспроводных систем предполагает, что они будут эксплуатироваться в разных условиях, тогда как аналитические задачи требутот жесткого задания границ.
Тем не менее, некоторые аспекты, связанные с влиянием границ, являются важными с точки зрения коммуникации на гальванических токах. Они должны быть названы.Во-первых, граница с диэлектрической или плохопроводящей средой усиливает продольные компоненты электрического поля и ослабляет поперечные. Во-вторых, как уже отмечалось, в случаях, когда дальность связи гораздо больше суммарной глубины погружения передатчика и приемника (z+h), экспоненциальный член имеет вид e z h\ но обратная кубическая зависимость от расстояния сохраняется за исключением случаев совсем «мелкого» моря, когда глубина места соизмерима с (z+h), т.е. задача из трехмерной превращается в двухмерную.
И первое, и второе справедливо как для сигнала, так и для помехи. Т.е. ориентируя антенны в воде параллельно близкой границы с плохо проводящей средой, получим лучшие условия распространения, но и больший уровень помех. Поскольку при малых глубинах основным источником шумов и помех являются поля, распространяющиеся в воздухе и проникающие в море, то их уровень экспоненциально падает с глубиной. Более того, поскольку в воздухе эти поля носят волновой характер, то имеется жесткая связь между компонентами электрического и магнитного поля в воздухе и в воде, обусловленная им-педансами сред. Волновой импеданс, который в общем случае определяется выражением rj=(Ofj/j, для воздуха имеет вид: rjo="vfjU/є) , а для воды Tj; = Vfu)H/(7). Соответственно, отношение Г}і/гіо= (сдє/а) = 0,745 I(f/a) определяет отношение горизонтальной компоненты электрического поля в воде вблизи границы к вертикальной компоненте электрического поля в воздухе вблизи границы. Это позволяет не только пересчитывать значения электромагнитного фона, измеренного в воздухе, в ожидаемые значения фона на разных глубинах, но и определяет характер зависимости уровня фона от частоты и электропроводности воды.
Зависимость возможной дальности действия подводных систем на токах проводимости от электропроводности среды проявляется не столь прямолинейно, как это пишется во многих публикациях. Пока дальность связи не превышает толщины скин-слоя и влияние экспоненциального члена не существенно, напряженность сигнала от дипольной антенны согласно формулам (1,9-1.10) убывает обратно пропорционально т. Однако, ток в антенне, прямо пропорционален Vo , поскольку доминирующий компонент импеданса антенны - сопротивление заводнения - обратно пропорционально т. И тепловые шумы приемных антенн и атмосферики обратно пропорциональны Vo . Таким образом, во многих случаях итоговое отношение сигнал/шум, а следовательно дальность действия при фиксированной мощности и при правильном согласовании приемо-передаьощей аппаратуры с антеннами, не зависит от величины удельной электропроводности воды - этот же вывод сделан в статье Г.А.Остроумова (Остроумов, 1968).
Поскольку чем больше электропроводность, тем короче скин-слой, то влияние электропроводности проявляется в первую очередь в виде частотной дисперсии сигнала, когда верхние частоты ослабляются заметно сильнее нижних. Чем больше электропроводность, тем сильнее искажения сигнала и тем заметнее проявление экспоненциального затухания. При связи вблизи поверхности и спектр сигнала и спектр шума меняются одинаковым образом, что позволяет в какой-то степени скомпенсировать частотную дисперсию, применяя коррекцию амплитудно-частотной характеристики приемника.
Особенности электрогенерации сомов. Регистрация формы разрядов электрических рыб: электронный «сторож» и примеры его применения
Вопрос о предельной дальности связи сопряжен с очень большим количеством параметров - глубина места, глубины погружения партнеров, взаимные ориентации, уровни естественных шумов и антропогенных помех, предельные значения отношения сигнал/шум при которых сигнал может быть принят и т.п. Ехли все эти величины заданы, то определить предельную дальность просто. Например, для безграничной среды исходя из показанных на рис. 1.12 уровней шума, для глубины 30 м, частотного диапазона 300 Гц -1,6 кГц и мощности передатчика 3 Вт рассчитанная дальность составит около 50 м.
Нетрудно определить и максимальную дальность связи для условий близких к идеальным, когда используются достаточно низкие частоты {16 Гц) и узкий частотный диапазон (1 Гц), партнеры сориентированы по максимуму сигнала, мощность передатчика равна 1 Вт, а суммарный уровень помех,.включая шумы аппаратуры, и электромагнитного фона, приведенного ко входу, превышает тепловой шум антенн не более, чем на порядок, Тогда для антенн с ае= 4,5 м /Ом, размещаемых на аквалангистах, можно ждать дальности около 470м.
В случае произвольной ориентации партнеров друг относительно друга о дальности связи приходится говорить как о вероятностной функции, поскольку при некоторых взаимных ориентациях сигнал равен нулю и, соответственно, теоретически дальность связи также равна нулю. РТа малых дальностях между партнерами эти угловые диапазоны, соответствующие нулю сигнала, очень узкие. Но с ростом расстояния дополнительное ослабление сигнала за счет неблагоприятных взаимных ориентации проявляется все сильнее. Возможный подход к анализу надежности связи в случаях произвольной ориентации партнеров предложен и проиллюстрирован расчетами в монографии {Ольшанский, 1990).
Повышение надежности связи может быть достигнуто путем применения всена-правленных антенн. В традиционной радиофизике для достижения всенаправленности обычно применяются два ортогональных диполя со сдвигом фазы 90. Возможны три варианта: 1) два ортогональных диполя со сдвигом фазы на 90использованы только для передачи, прием осуществляется на обычную дипольную антенну; 2) излучение осуществляется с помощью обычной дипольной антенны, а прием осуществляется на два ортогональных диполя, причем один из принимаемых сигналов сдвигается по фазе на 90 и складывается с другим; 3) по два ортогональных диполя со сдвигом фазы на 90 используется и на излучении и на приеме.
Рассмотрим первый вариант. Если бы поле диполя содержало только одну компоненту (только радиальную или только тангенциальную), то поле от двух ортогональных диполей со сдвигом фазы на 90 было бы линейно поляризованным и при любом значении угла 6 соответствовало бы максимальному значению поля от одного диполя на данном расстоянии. Так как в нашем случае одновременно имеются две компоненты (радиальная и тангенциальная), то поле от двух ортогональных диполей, сдвинутых по фазе на 90, -эллиптически поляризованное. Вблизи антенны (рг«1) соотношение между максимумами радиальной и тангенциальной компонент равно 2:1 и компоненты от каждого из диполей сфазированы, поэтому эллипс поляризации и диаграмма направленности при приеме на обычный диполь имеют вид, показанный на рис. 1.13,/1. Эллипс и диаграмма, показанные на рис. 1.13 4, одинаковы для всех значений угла 9, причем большая ось эллипса ориентирована вдоль радиального направления.
С ростом j3r соотношения между компонентами меняются и, кроме того, компоненты друг относительно друга сдвигаются по фазе. В связи с этим формы и ориентация эллипсов поляризации меняются (Ольшанский, 1990). Особенно заметно эти изменения сказываются в области значений j5r от 0,5 до 3,0, где соотношения между максимумами радиальной и тангенциальной компонент близки к 1. При больших значениях /Зг начинает доминировать тангенциальная компонента, поле для каждого из диполей все ближе к линейно поляризованному (за исключением направлений, близких к оси диполя) и большая ось эллипса поляризации рассматриваемого излучателя асимптотически стремится к значению максимума тангенциальной составляющей от одного диполя, ориентированного перпендикулярно направлению на точку приема.
Во втором варианте для случаев в = 0 и в = 90, когда поле линейно-поляризованное, при любом повороте "креста" из двух ортогональных диполей принимаемый сигнал соответствует полному значению вектора поля. Для случая же, когда в отлично от 90, поле эллиптически поляризованное и, как нетрудно убедиться, при любом значении у/ принимается сигнал, пропорциональный либо разности осей эллипса поляризации, либо сумме осей, в зависимости от того, совпадают ли направления фазовращения поля и принимаемого сигнала или они противоположны.
В третьем варианте устраняется зависимость величины принимаемого сигнала и от 9 и от у/, а уровни сигналов соответствуют суммам или разностям напряжений, соответствующих осям эллипсов поляризации. Для этого случая нет необходимости в вычислении вероятности отсутствия связи (разве только, если уровень фона в среде задан через вероятностные функции) и процедура определения дальности связи относительно проста.
Проведем расчет дальности всенаправленной связи для конкретного примера. Пусть передающая всенаправленная антенна составлена из двух ортогональных диполей, причем эффективность одного диполя характеризуется величиной aei= 4,5м2/Олі, а другого - величиной ае2 - 0,22 м /Ом. Такое различие эффективностей диполей связано с трудностью размещения относительно большой дипольной антенны поперек оси тела. Уменьшение длины диполя в 5 раз эквивалентно уменьшению ае в 25 раз. Чтобы получить в этих диполях одинаковые моменты // = {ae, Ps) = {ае2 Р2), следует в менее эффективном диполе обеспечить в (оСеї/Оег) = (Р2/Р1) = 20,5 раз большую мощность.
Если ввести понятие авс для всенаправленного источника следующим образом: y(0CsC(P]+P2)) = 11, то (Хес = (Ое ОеяЖ ОСеі+аЄ2), что в данном примере составит 0,21 м/Ом.
Рассуждая аналогичным образом относительно всенаправленного приема и задавшись той же антенной, что и выше, можно показать, что приведенный тепловой шум ан 56 тенны равен (0,13/ v(aec) ) нВ/м/НГц и в данном случае составляет 0,28 нВ/м/НГц, т.е. -10,9 05относительно / нВЫНГц или -70,9 соотносительно / мкВ/м/НГц.
Двумерная ориеитациоиная модель: задача создания ин клин о метри чес кого сенсора; обзор известных технических решений
Лиссманн уклоняется от обсуждения биохимических и физиологических аспектов электрогенерации как лежащих вне рамок его публикации и отмечает, что у него нет удовлетворительного объяснения сравнительных достоинств или недостатков двух типов разрядов - волновых и пульсирующих, встречающихся как у мормирид, так и у гимнотид.
Хотя некие намеки на возможность электрочувствительности рыб делались и до работ Лиссманна, он по праву считается основоположником исследований электрорецепции. Пионерская работа - не учебник и не срез современных исследований. Лиссманн вынужден опираться на работы крайне эпизодические, в которых интересующие его аспекты специально не проверялись. Тщательные исследования слабоэлектрических рыб, морфологии и физиологии их электрорецепторов начались после работ Лиссманна и в связи с его работами. Пока он вынужден строить гипотезы и здесь интересен ход его рассуждений, который мы имеем возможность сопоставить со сделанными позже открытиями.
Предполагая электрорецепцию Лиссманн должен указать какие конкретно органы . могли бы быть электрорецепторами. Он ищет их среди сенсорных окончаний, морфологически описанных для слабоэлектрических рыб и не встречающихся у других водных животных. При этом он акцентирует внимание на особом строении кожи мормирид, которое могло бы обеспечивать высокое электрическое сопротивление, и на наличии у этих рыб густой сети «мормиромастов» - каналов, заполненных хорошо проводящим желе, заканчивающихся сенсорными клетками. Такое устройство кожи и мормиромастов должно, приводить к концентрации тока в каналах и приложении всего напряжения к сенсорной клетке. Специфика иннервации мормиромастов и их распределения на поверхности тела (очень густо в области носа и головы и очень редко вблизи электрического органа) также называется как фактор в пользу их электрорецепторного назначения. Аналогичные «мор-миромастам» канальные органы указываются для гимнотид, скатов и сомов.
Обработка электросенсорной, информации требует развития соответствующих отделов головного мозга. У мормирид мозг развит чрезвычайно, соотношение веса мозга к весу тела достигает 1:50 - это почти как у человека и гораздо больше, чем у других рыб. Соответственно, те отделы, которые заметно больше, чем у других рыб - в первую очередь мозжечок - первые кандидаты на причастность к электровосприятию. Ко времени подготовки статьи Лиссманна относительно функции канальных органов морских скатов - ампул Лоренцини - уже высказывались предположения в литературе.Было известно, что эти органы чрезвычайно чувствительны к изменениям давления и температуры. Предшественники склонялись в пользу температурной гипотезы, указывая, что ампулы Лоренцини реагируют на изменения температуры 0.05С. Лиссманн снова применяет свой методологический подход, утверждая что функциональное назначение части может быть определено только исходя из представлений о функционировании целого. Он пишет, что прежде чем принять температурную гипотезу нужно получить удовлетворительные ответы на 3 вопроса: 1) зачем было прятать чувствительные температурные рецепторы вглубь тела, на глубины до которых температура передается в течение нескольких секунд; 2) центральная иннервация и распределение каналов от этих органов указывает, что рецепторы предназначены для быстрой передачи информации с сохранением соответствия - точка на периферии - точка в мозгу - зачем это рецепторам температуры?; 3) что за биологические стимулы, на которые эти органы адаптированы отвечать? Эта дискуссия продлится более 10 лет, пока окончательно не будет принято, что ампулы Лоренцини - не мультирецепторы, а электрорецепторы {Bullock, 1986). В конечном счете этот вывод был принят на базе рас-суждений, аналогичных предложенным Лиссманном.
Прежде, чем окончательно предположить, что ампулы Лоренцини могут быть электрорецепторами, Лиссманн останавливается на проблеме, которая представлялась главной трудностью: некоторые рыбы, имеющие ампулярные рецепторы, не обладают специальными электрическими органами. Это касается не только пластиножаберных, но и сомов -единственных костистых рыб, имеющих ампулярные рецепторы. Во времена Лиссманна только одно семейство отряда сомообразпых - электрические сомы (Malapteruridae) - было известно как семейство электрических рыб. И Лиссманн указывает решение этой проблемы: электрорецепция не следствие генерации, а ее предпосылка. Электрочувствительность должна предшествовать возникновению электрогенерации, поэтому электрорецеп-торных животных должно быть много, и к их числу относятся сомы и пластшшжаберные, в том числе акулы и осетры. Этот вывод Лиссманна подтвердился полностью и чрезвычайно широко - электрорецепторных животных гораздо больше, чем электрогенераторных, они встречаются в разных группах животных, включая даже амфибий и утконосов, причем все известные электрочувствительные животные имеют ампулярные электрорецепторы. Более того, к настоящему времени считается /(оказанным, что ампулярные рецепторы были у первого позвоночного животного, т.е. все позвоночные в процессе эволюции прошли стадию специализированной электрочувствителыюсти.
Возникновение электрорецепторов как процесс эволюционно предшествующий возникновению электрических органов требует ответа на вопрос о том, какие электрические стимулы могла бы воспринимать неэлектрическая или доэлектрическая рыба. Предполагается, что это мышечные потенциалы действия от пищи, хищников, особей того же вида и от самих рыб - позже это предположение было убедительно экспериментально подтверждено в работах других исследователей, в первую очередь Калмайна (Kalmijn, 1974, 1982)t а электрические проявления неэлектрических гидробионтов подробно были исследованы В.Р.Протасовым и его учениками. (Протасов, 1972, Протасов, Бондарчук, Ольшанский, 1980, Басов, 1985)
В заключение статьи Лиссманн употребляет термин, который с этого времени будет неоднократно использован в различных обзорных и популярных статьях - «электрорецептивная сетчатка»: «такая рыба, живущая в особом электрическом мире принимает разнообразную информацию посредством сенсорных органов распределенных по всей поверхности ее тела, которую можно уподобить «электрорецептивной сетчатке»»
Общая функциональная модель Лиссманна создана биологом и ориентирована главным образом на биологов. Но модель нуждалась также в согласовании с требованиями физики и в количественных оценках. Со времен Гальвани известно, что все живое электрочувствительно и электрогенераторно. О каких пороговых величинах должна идти речь в случае, когда животное имеет специализированную электрочувствительность? Насколько они соответствуют представлениям о предельно возможной чувствительности физических приемников тока?
Количественные оценки были выполнены Гансом Лисе манном совместно с Кеном Мэйчиньш - бывшим астрофизиком, привлеченным Джеймсом Греем длн инженерного и физико-математического обеспечения проводимых в коллективе исследований. Статья Лиссманна и Мэйчина «Механизм локации объектов у Gymnarchus nilniicus и подобных рыб» (Lissmann, Machin, 1958) была опубликована в том же номере журнала, что и базовая статья Лиссманна, обсуждавшаяся в предыдущем параграфе.
Три серии экспериментов подтверждали электрочувствительность гимнарха, мор-мирид и гимнотид: 1) наблюдаемая реакция на движущийся вблизи стенки аквариума заряд; 2) возможность выдрессировать рыб питаться в присутствии магнита и не брать пищу в его отстутствии и наоборот; 3) возможность выдрессировать гимнарха или гимн ота брать пищу в присутствии объекта более электропроводящего, чем аквариумная вода и не брать пищу в противном случае или наоборот.
