Содержание к диссертации
Введение
1 Основные проблемы создания подводных электромагнитных систем (обзор литературы) 14
1.1 Анализ закономерностей распространения электромагнитного поля в морской среде 17
1.1.1 Аналитические расчеты электромагнитного поля в море 18
1.1.2 Численные методы исследования характеристик электромагнитного поля в море 23
1.2 Возбуждение электромагнитного поля в море и измерениеего характеристик 24
1.2.1 Возбуждение электромагнитного поля в море и измерениеего характеристик с помощью электрических диполей 25
1.2.2 Сравнение характеристик электрических и магнитных диполей, используемых в качестве передающих и приемныеантенн 34
1.3 Анализ и классификация электромагнитных шумов и помех в море 37
1.4 Выводы 46
2 Электромагнитное поле электрическогодиполя в слое воды, ограниченном поверхностью и дном 48
2.1 Постановка задачи расчета характеристик электромагнитного поля электрического диполя в слое воды 48
2.2 Расчет характеристик электромагнитного поля электрического диполя в слое воды, ограниченном поверхностью идном 50
2.3 Сравнение результатов расчета характеристик электромагнитного поля электрического диполя в слое воды различными методами 53
2.4 Основные особенности распространения электромагнитного поля в слое воды, ограниченном дном и поверхностью 59
2.4.1 Влияние электропроводности дна на распространение электромагнитного поля 66
2.4.2 Изменение характеристик электромагнитного поля приконечной глубине места 77
2.4.3 Распространение электромагнитного поля с поверхности к
Дну 81
2.5 Выводы 90
3 Методы и средства физического моделирования распространения электромагнитного поля в море 94
3.1 Принципы физического моделирования условий распространения электромагнитного поля в море 95
3.2 Варианты физических моделей подводных электромагнитных систем связи и навигации 98
3.2.1 Высокочастотная установка для исследования распространения электромагнитного поля 101
3.2.2 Низкочастотная установка для моделирования работы подводной электромагнитной навигационной системы 105
3.3 Примеры результатов исследований распространения электромагнитного поля в модельных условиях 107
3.4 Выводы 111
4 Подводная связь с помощью электромагнитного поля 113
4.1 Передача команд управления с судна на подводный объект 113
4.1.1 Расчет предельных возможностей системы для передачи команд управления с судна на подводный объект 113
4.1.2 Структура, элементы схемотехники, конструкция и результаты испытаний системы для передачи команд управления с судна на трал 138
4.1.3 Метод снижения мощности, необходимой для обеспечениясвязи 148
4.1.4 Структура, элементы схемотехники, конструкция и результаты испытаний системы для обеспечения безопаснойпостановки порядков донных орудий лова 15 5
4.2 Система для передачи информации о степени наполнения тралового мешка 161
4.3 Выводы 172
5 Подводная навигация по электромагнитному полю 174
5.1 Способ определения места приемника по результатам измерения характеристик искусственно созданного электромагнитного поля 175
5.2 Выбор рабочей частоты (диапазона частот) подводной электромагнитной навигационной системы 178
5.3 Подводная электромагнитная навигационная система для водолазов в автономном снаряжении 187
5.3.1 Структурная схема навигационной системы для водолазовв автономном снаряжении 187
5.3.2 Расчет места приемника относительно передатчика по результатам измерений характеристик электромагнитногополя 191
5.4 Источники погрешностей определения координат приемника 198
5.4.1 Влияние конструктивных особенностей передающей антенны навигационной системы на погрешности определения координат 199
5.4.2 Влияние параметров двойного слоя на электродах приемной антенны на погрешности определения координат 203
5.4.3 Влияние погрешностей измерения параметров среды на погрешности определения координат приемника205
5.5 Экспериментальная проверка принципов подводной навигации по электромагнитному полю 210
Выводы 217
Заключение 219
Список литературы 224
Приложение
- Возбуждение электромагнитного поля в море и измерениеего характеристик
- Расчет характеристик электромагнитного поля электрического диполя в слое воды, ограниченном поверхностью идном
- Высокочастотная установка для исследования распространения электромагнитного поля
- Система для передачи информации о степени наполнения тралового мешка
Введение к работе
Актуальность исследования. Изучение и освоение Мирового океана, в широких масштабах ведущееся в различных странах, предусматривает, среди многих других задач, создание и совершенствование специальных подводных рабочих систем и средств обеспечения выполнения подводных инженерно-технических работ, в том числе разнообразных водолазных систем и подводных аппаратов - привязных и автономных, обитаемых и необитаемых. Эффективное применение таких систем требует обеспечение их средствами связи и навигации.
В настоящее время для решения задач связи и навигации под водой чаще всего используются кабельный и гидроакустический каналы, преимущества и недостатки которых достаточно широко известны и описаны в литературе. Сравнительно новой разновидностью носителя информации для средств подводной связи и навигации является электромагнитное поле. Опыт исследований и разработок подводных электромагнитных систем различных классов и назначения, накопленный российскими и зарубежными учеными и инженерами, позволяет утверждать: они способны во многих случаях дополнить гидроакустические и кабельные системы, а иногда - и заменить их.
Классический подводный электромагнитный канал связи имеет ограниченную дальность действия и сравнительно малую информационную емкость. Однако он применим там, где каналы других типов непригодны из-за большого уровня гидроакустических помех, закономерностей распространения или по условиям эксплуатации. На надежность работы электромагнитного канала связи не влияют взвеси, водоросли, гидрологические условия, а близость дна или поверхности увеличивает уровень сигнала, а значит и дальность связи. Оборудование электромагнитного канала просто конструктивно и не содержит дорогих комплектующих изделий и материалов. Кроме того, электромагнитный канал обладает значительно лучшей, чем гидроакустический, скрытностью применения.
В литературе описано несколько систем подводной связи с использованием электромагнитного поля. Например, система «SEDAR» [1] предназначена для передачи с судна команд управления подводными устройствами. Однако большинство публикаций, в которых описывается техника, посвящено системам связи между водолазами в автономном снаряжении. Так, системы «SCUBA» [1] и Hydrocom11" [2] обеспечивают связь в речевом диапазоне на расстояниях порядка 100 м. Отечественные разработки систем связи для водолазов в автономном снаряжении, Омского НИИ приборостроения и Дальневосточного филиала НПО промрыболовства [3], имеют аналогичные характеристики.
Несколько электромагнитных систем связи, предназначенных для использования на промысле, в семидесятые годы прошлого века были разработаны сотрудниками Института проблем экологии и эволюции РАН [4]. Ими проработана возможность применения электромагнитного поля для передачи информации о глубине погружения нижней подборы кошелькового невода и для измерения перекоса трала.
О важности подводного электромагнитного канала связи и не доста
точном понимании его особенностей говорит описание одного из устройств в
книге Н.А. Стопцова, В.И. Бойцова и В.Н. Шелемина «Связь под водой» [5].
Говоря о японской системе связи для водолазов SWL -10, авторы отмечают:
«К положительным свойствам системы электромагнитной связи относятся
простота, малая стоимость, хорошая надежность и эффективность, а также
возможность работы в условиях, где гидроакустическая связь оказывается
малоэффективной (наличие сильных шумовых помех, различных препятст
вий, например рифов ).». И «Системы связи, основанные на использова
нии электромагнитного поля, имеют существенный недостаток - их нельзя
применять в пресной воде.». Первое утверждение соответствует действи
тельности, а второе - нет: снижение электтюпдоводности воды ПОИВОЛЕ*
увеличению дальности действия системы и улучшению частотной характери
стики канала.
Из систем навигации известно описанное W.H. Swain [6] электромагнитное устройство, позволяющее судну избегать приближения к берегу в уз-костях (каналах, проливах). Оно реагирует на изменение структуры искусственно созданного электромагнитного поля при приближении судна к препятствию, например, к краю канала или к пирсу.
Исходной информацией для создания электромагнитных систем любого класса и назначения являются закономерности распространения электромагнитного поля в условиях работы систем, помехи их функционированию, а также оптимальные характеристики передающих и приемных антенн. Все эти вопросы требуют дополнительного исследования.
Типичными условиями работы большинства подводных электромагнитных систем связи и навигации является слой воды, ограниченный поверхностью и дном. Значительный вклад в решение задачи распространения электромагнитного поля в слое воды внесли D.M. Bubenik, A.S. Innan, А.С. Fraser-Smith и R. W.P.King. Однако для адекватной оценки ожидаемых характеристик подводных электромагнитных систем связи и навигации актуально решение задачи распространения электромагнитного поля электрического диполя в слое воды при произвольном соотношении между расстоянием, глубиной места и глубинами погружения передающей и приемной антенн.
Для излучения и приема электромагнитного поля в задачах подводной навигации и связи принципиально применимы электрические и магнитные диполи. Основные обобщения работ в области излучения и приема электромагнитного поля связаны с именами M.L. Burrows, проанализировавшего важнейшие аспекты создания передающих антенн, а также Е.Ф. Зимина и Э.С. Кочанова, систематизировавших информацию о характеристиках электрических и магнитных диполей в режиме приема. Сравнительный анализ характеристик электрических и магнитных диполей показал, что практически для всех случаев применения передающих и приемных антенн электрические диполи по основным характеристикам превосходят магнитные. Импеданс электрического диполя имеет емкостную составляющую, влияние которой
может отрицательно сказаться на работе систем, использующих результаты измерения характеристик электромагнитного поля, например, навигационных. Для создания подводных электромагнитных навигационных систем актуально изучение влияния параметров двойного слоя на работу приемной антенны. Также не вызывает сомнения актуальность задачи оптимизации параметров передающих и приемных электрических диполей с учетом ограниченности их размеров.
Шумы и помехи работе подводных электромагнитных систем связи и навигации подразделяются на естественные и искусственные. Наиболее значимые для подводной электромагнитной связи и навигации результаты приведены в работах М.С. Александрова, E.L. Maxwell и E.F. Soderberg. Помехи, создаваемые работающим оборудованием и носителями могут быть определены только для конкретных мест и объектов.
Актуальность исследования, основные результаты которых приведены в настоящей работе, подтверждается тем, что, несмотря на сворачивание проекта «Сэнгвин», работы в рамках которого дали основной объем полезной информации, они проводятся в разных странах и в настоящее время.
Целью диссертационной работы является разработка, исследование и экспериментальное обоснование теоретических и технических основ подводной связи и навигации с использованием электромагнитного поля и создание образцов систем.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
выполнено теоретическое и экспериментальное исследование распространения электромагнитного поля электрического диполя в слое воды, ограниченном поверхностью и дном, при произвольном соотношении между расстоянием, глубиной места, глубинами погружения точек излучения и приема, а также электропроводностями воды и дна;
проведено теоретическое и экспериментальное исследование влияния характеристик антенн на параметры подводных электромагнитных систем связи и навигации;
обоснованы принципы подводной электромагнитной навигации;
разработаны методическое и аппаратурное обеспечение экспериментальных исследований, с помощью которых изучены закономерности распространения электромагнитного поля в море, а также характеристики систем связи и навигации в модельных и натурных условиях;
разработаны, изготовлены, испытаны и внедрены системы связи для обеспечения промысла и навигационная система.
Методы исследования. Использованы методы математического, компьютерного и физического моделирования, а также практическая реализация подводных электромагнитных систем связи и навигации и исследование их характеристик в лабораторных и натурных условиях.
Научная новизна исследования.
Решена задача распространения электромагнитного поля электрического диполя в море конечной глубины при произвольном соотношении между расстоянием, глубиной места и глубинами погружения передатчика и приемника.
Теоретически и экспериментально обоснованы и исследованы методы подводной навигации по электромагнитному полю.
Исследованы погрешности определения места приемника по результатам измерения искусственно созданного электромагнитного поля в зависи?--сти от характеристик передающей и приемной антенн, а также от условий работы навигационной системы.
Экспериментально исследовано влияние производственных проводников на характеристики системы связи; обоснована возможность значительного снижения мощности, необходимой для связи.
Теоретически и экспериментально исследованы образцы систем связи и навигационной системы; важнейшие технические решения, принятые при их создании, защищены шестью охранными документами, включая два поддерживаемых патента Российской Федерации.
Практическая значимость работы. Представленные в работе теоретические и экспериментальные результаты базируются на многолетнем опыте исследований и создания подводных электромагнитных систем различных классов и назначения. Исследования и разработки подводных электромагнитных систем связи и навигации под руководством автора проводились с 1976 года, но основные результаты получены в 1995 - 2005 годах.
Работы выполнялись в рамках программы ГКНТ СМ СССР «Мировой океан», а также по заказам предприятий рыбной промышленности. В частности, в последние годы автор являлся руководителем работ по НИР «Щипец-ГКНО» (1995-2000 годы) и «Цинния» (2002-2004 годы).
В ходе проведения исследований и разработок изготовлены и испытаны экспериментальные образцы систем связи для передачи команд управления с судна на подводный объект (два варианта), для передачи информации о степени наполнения тралового мешка рыбой, а также навигационной системы.
Для проведения испытаний макета навигационной системы разработана и утверждена Заказчиком методика проведения испытаний.
Результаты исследований и разработок внедрены в войсковой части 25106 (копия акта в приложении 1), ОАО «Дальприбор» (копия акта в приложении 2) и Дальневосточном филиале НПО промрыболовства (копия акта в приложении 3). Одна из разработок, внедренная в рыбной промышленности, дала экономический эффект 11500 руб. (в ценах 1982 года) на изделие (690 тыс. руб. на годовую программу выпуска изделий).
Достоверность полученных результатов подтверждается высокой сходимостью данных расчетов и экспериментов, а также успешными испытаниями образцов систем подводной связи и навигации в натурных условиях. Методы и средства измерений, применяемые при проведении экспериментов, прошли метрологическую аттестацию.
Положения, выносимые на защиту.
Математическая модель распространения электромагнитного поля электрического диполя в слое воды, ограниченном поверхностью и дном.
Принципы построения подводных электромагнитных систем связи и навигации ближнего действия.
Технические решения и практическая реализация подводных электромагнитных систем связи и навигации.
Апробация результатов исследования. По основным результатам исследований и разработок опубликовано 36 работ, из них два поддерживаемых патента Российской Федерации, три авторских свидетельства СССР, свидетельство на полезную модель, монография, статьи в «Вестнике ДВО РАН», шесть докладов на Всероссийских и Международных конференциях, статьи в сборниках «Новое в гидробионике» и «Возможности использования физико-химических раздражителей для управления поведением рыб», пять статей в сборниках «Промышленное рыболовство».
Результаты работы докладывались на конференции «Наука и технический прогресс в рыбной промышленности» (Владивосток, 1979 г.), Всесоюзной конференции «Поведение рыб в связи с техникой промысла и организацией марикультуры» (Клайпеда, 1980 г.), IV Всесоюзной конференции «Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана» (Владивосток, 1983 г.), Всесоюзном совещании «Исследование и рациональное использование биоресурсов дальневосточных и северных морей СССР и перспективы создания технических средств для освоения неиспользуемых биоресурсов открытого океана» (Владивосток, 1985 г.), Всесоюзной школе «Технические средства и методы освоения океанов и морей» (Гелен-жик, 1989 г.), региональной научно-технической конференции по МРНТП «Дальний Восток России» (Хабаровск, 1995 г.), Всероссийской научно-технической конференции (Владивосток, 1998), Международной конференции ISC2002 (Санкт-Петербург, 2002 г.), XLV Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (Владивосток, 2002 г.), IX Международной
научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2003), Всероссийской научно-технической конференции «Информационно-телекоммуникационные технологии» (Сочи, 2004), а также на семинарах в Государственном научно-исследовательском навигационно-гидрографическом институте МО РФ, Институте проблем экологии и эволюции РАН, Дальневосточном государственном университете, Дальневосточном государственном техническом университете, Всесоюзном и Тихоокеанском НИИ рыбного хозяйства и океанографии.
Возбуждение электромагнитного поля в море и измерениеего характеристик
Характеристики электрических диполей, используемых в качестве передающих антенн, приведены в [89 - 97]. Примеры передающих антенн -магнитных диполей описаны в [85, 90, 98]. Параметры некоторых типов электрических и магнитных диполей - приемных антенн обсуждаются в [99 -102].
К сожалению, в рассматриваемом диапазоне частот невозможно создать направленную антенну, как, например, в диапазоне ОНЧ [103]. Особого внимания заслуживают монографии M.L. Burrows «ELF communication antennas» [104] и Е.Ф. Зимина, Э.С. Кочанова «Измерение параметров электрических и магнитных полей в проводящих средах» [105].
Первая монография посвящена комплексу проблем, имеющих место быть при обеспечении глобальной связи для управления погруженными подводными лодками на всех акваториях земного шара. С точки зрения разработки подводных электромагнитных систем связи и навигации ближнего действия интерес представляют обсуждаемые M.L. Burrows вопросы оценки эффективности антенн и сравнение электрических и магнитных диполей.
В монографии Е.Ф. Зимина и Э.С. Кочанова рассмотрены электрические и магнитные диполи в качестве зондов для измерения характеристик электромагнитного поля в море, то есть приемных антенн.
Выше мы утверждали, что в подавляющем большинстве случаев в качестве передающих и приемных антенн наиболее пригодны электрические диполи. Для доказательства преимуществ электрических диполей перед магнитными сравним их характеристики.
1.2.1 Возбуждение электромагнитного поля и измерение его характеристик с помощью электрических диполей. Электрический диполь представляет собой отрезок кабеля с заводняющими электродами на концах. Описывая контакт электрода с водой, мы традиционно используем термины «заводнение» и «сопротивление заводнения», хотя в литературе иногда используется и равнозначные термины «заземление», «сопротивление заземления». По нашему мнению, термин «заводнение» лучше отражает суть процесса.
Основными характеристиками передающих и приемных электрических диполей являются входной (выходной) импеданс и эффективная длина.
Для работы подводной электромагнитной системы любого назначения нужно обеспечить в точке приема требуемую величину напряженности поля сигнала. При прочих равных условиях, напряженность поля сигнала в точке приема пропорциональна эффективной длине антенны / и току в ней /. С другой стороны, величина мощности, необходимой для обеспечения заданного тока в антенне, пропорциональна активной части ее входного импеданса: где /-ток в антенне, R - активная часть входного импеданса антенны.
Таким образом, величина мощности, требуемая для обеспечения заданной напряженности поля, обратно пропорциональна параметру, называемому эффективностью [104]: где / - эффективная длина антенны.
Эффективность является достаточно универсальной характеристикой, позволяющей сравнивать антенны различных конструкций. Однако использование для ее определения активной составляющей импеданса антенны, на наш взгляд, недостаточно оправдано. Более правильным нам представляется замена в (1.16) и всех иных аналогичных формулах для передающих антенн активной составляющей импеданса на его модуль. Это обусловлено тем, что при реактивном сопротивлении, соизмеримом с активным, для создания тока в антенне придется приложить большее напряжение. То есть антенна будет хуже аналогичной, но без реактивной составляющей импеданса, для создания тока в которой потребуется меньшее напряжение. Если же реактивные составляющие импеданса невелики или скомпенсированы, модуль импеданса превратится в активную составляющую и эффективность позволит сравнивать передающие антенны по минимуму потребляемой мощности.
Формулы для определения полного импеданса электрических диполей в общем случае представляют собой сложные выражения, включающие в себя большое число параметров, часть которых, например параметры двойного слоя, практически не поддается аналитическому описанию. Однако в большинстве случаев импеданс антенны может быть представлен как сумма импедансов кабеля и электродов.
Входной импеданс антенны с кабелем длиной 1К при нулевом импедансе электродов может быть определен по формуле [19]:где R - активное сопротивление единицы длины антенны, L - индуктивность единицы длины антенны,
С - емкость единицы длины антенны, G - электропроводность изоляции единицы длины антенны.
Как правило, для кабелей антенн электромагнитных систем рассматриваемых классов выполняется условие Г1К « 1. С учетом этого (1.17) примет вид:
Характеристики импеданса антенны, длина которой соизмерима с глубиной проникновения, также представлены в литературе (например, [93, 104]).
Сопротивление единицы длины антенны состоит из двух слагаемых -сопротивления кабеля и динамического сопротивления: где у - удельное сопротивление материала кабеля, SK- площадь сечения кабеля, Интерес представляет сравнение между собой слагаемых (1.19), то есть определение частот, на которых одним из них можно пренебречь. В таблице 1.2 приведены частоты, на которых сопротивление кабеля и динамическое сопротивление становятся равными, при различных сечениях кабеля.
Расчет характеристик электромагнитного поля электрического диполя в слое воды, ограниченном поверхностью идном
В соответствии с выбранной моделью задачи магнитные проницаемости сред равны магнитной постоянной, то есть относительные проницаемости jXmQ = fimj = jum2 = 1. Как известно, при такой постановке задачи векторный потенциал будет иметь две составляющие Ах и Az. Следуя [127] и [128], общее решение краевой задачи можно записать таким образом:
Коэффициенты с относятся к границе между воздухом и водой, коэффициенты с ) - к границе вода-дно.
Коэффициенты Срх- ( находятся подстановкой решений (2.7) - (2.12) в граничные условия. В результате получаем систему из восьми линейных алгебраических уравнений для восьми неизвестных Сщ - с . Решение для электрической составляющей электромагнитного поля в среднем слое в цилиндрической системе координат выглядит следующим образом [128]:
Чтобы получить величины компонент поля необходимо вычислить несколько интегралов зоммерфельдовского типа. Методы вычисления таких интегралов описаны в [129] и [130]. Наиболее общим является метод, согласно которому интеграл разбивается на сумму интегралов следующим образом:
Значение интеграла (2.25) равно пределу, к которому стремится S„ при п стремящемся к бесконечности. Обычно интегральная сумма сходится очень медленно, значения Aj могут значительно превышать конечную сумму и ошибки округления, в результате, приводят к значительной потере точности. Чтобы этого избежать, используют различные методы ускорения сходимости последовательностей типа (2.26). Наиболее удобным и высокоэффек тивным является метод, разработанный D. Shanks [131] и усовершенствованный P. Wynn [132]. Он получил название «е алгоритм».
Коротко этот метод можно представить следующим образом. Пусть для разных п=\ ,2,... Тогда последовательность из е/ , Єз , Є$ , &2р+1 стремит ся к значению интеграла при порядке итерации р, стремящемся к бесконеч ности. В действительности процесс вычислений значительно сокращается при использовании значений/? до 10.
Алгоритм вычисления электрических компонент поля в трехслойной среде реализован в программе численного интегрирования. Эта программа включена в состав компьютерной модели, позволяющей анализировать работу подводных электромагнитных систем связи и навигации в типичных условиях эксплуатации - слое воды, ограниченном поверхностью и дном, при произвольном соотношении между расстоянием, глубиной места, глубинами погружения передающей и приемной антенн, а также при произвольных величинах электропроводности дна и воды. Погрешность интегрирования определяется как разница между величинами текущего и предыдущего членов последовательности, деленная на величину текущего члена.
В общем случае характеристики поля в море, кроме прочего, зависят от расстояния, частоты, электропроводности воды и дна, от глубины места, а также от глубин погружения передающей и приемной антенн. Такое большое количество независимых переменных затрудняет анализ и интерпретацию результатов расчетов и экспериментов. Некоторого снижения количества переменных можно добиться, если представлять результаты в зависимости от безразмерных расстояний и глубин, то есть от расстояний и глубин, выраженных в глубинах проникновения для воды. Так как глубина проникновения зависит от частоты и электропроводности, количество независимых переменных уменьшиться. Этот метод представления результатов хорошо зарекомендовал себя при анализе ситуации в безграничной среде.
Определим наличие ограничений на представление результатов в зависимости от безразмерного расстояния, накладываемых трехслойной средой. Для этого рассчитаем характеристики поля при одинаковых безразмерных расстояниях и глубинах, но на разных частотах и, следовательно, на разных расстояниях. Сравнение амплитуд напряженности поля, умноженных на куб расстояния, и фаз показало хорошее совпадение результатов. Пример сравнения приведен в таблице 2.1. где PlOt Ею и (рю - расстояние, амплитуда и фаза напряженности поля на частоте 10 Гц, Pf9 Ef utyf- расстояние, амплитуда и фаза напряженности поля на частоте/
Видно, что отклонения невелики. Данные, приведенные в таблице 2.1, являются типичными: на остальных частотах отклонения характеристик электромагнитного поля не превышают приведенных.
Таким образом, и в слоистой среде в качестве меры расстояния и глубины можно использовать глубину проникновения для воды.
Для проверки точности и достоверности результатов расчетов с помощью разработанной нами программы сравним их с известными. Начнем с безграничной среды. В таблицах 2.2 приведены относительные погрешности расчета амплитуды радиальной компоненты напряженности электромагнитного поля в безграничной среде с помощью компьютерной модели при точности интегрирования 10"15. Относительная погрешность вычисления амплитуды определялась по формуле: где Ef - амплитуда напряженности поля, определенная по формулам для безграничной среды, Е - амплитуда напряженности поля, рассчитанная с помощью компьютерной модели.
Максимальная погрешность вычисления составляет 5.84 10"4, что вполне достаточно для достоверного определения амплитуды напряженности электромагнитного поля. Погрешность вычисления фазы определялась как разница между величинами фаз, определенных по формулам для безграничной среды и с помощью компьютерной модели.
При точности интегрирования 10"15 погрешности вычисления амплитуд и фаз напряженности поля весьма малы. Очевидно, что и при меньших точностях интегрирования погрешности также будут приемлемыми. Однако повышение точности интегрирования не приводит к принципиальному увеличению времени вычисления, поэтому в дальнейших расчетах, если это не оговорено специально, будем использовать точность интегрирования 10
Адекватность работы компьютерной модели можно проверить еще одним способом. В приведенных выше расчетах безграничная среда задавалась большой толщиной слоя воды и размещением точек передачи и приема в его середине. Другим способом задания безграничной среды является размещение антенн на дне с электропроводностью, равной электропроводности воды, при достаточно большой толщине слоя. Сравнение показало абсолютное совпадение амплитуд и фаз обоих компонент напряженности электромагнитного поля.
Аналогичные действия были проделаны с двухслойной средой. Для этого при прочих равных условиях электропроводность дна была положена равной 0. Сравнение результатов по амплитуде и фазе дало расхождение в пятом знаке после запятой. Такое совпадение также можно считать абсолютным. В заключение настоящего подраздела сравним результаты наших расчетов с данными, приведенными в монографии Р. Кинга и С. Смита [87]. Они, численным методом, отличным от примененного нами, рассчитали напряженность поля вблизи поверхности воды в приближении двухслойной среды на разных расстояниях и частотах. Результаты наших расчетов и их отклонение от величин, приведенных в [87], сведены в таблицу 2.4.
Высокочастотная установка для исследования распространения электромагнитного поля
Цифровая часть высокочастотной установки включает в себя контроллер на базе платы EZ-KJT фирмы Analog Devices. Ее структурную схему поясняет рисунок 3.2. Рисунок 3.2 - Структурная схема цифровой части высокочастотной установ Красным цветом выделены аналоговые цепи, а синим - цифровые. 101
Аналоговый интерфейс (буферные усилители) предназначен для согласования входов аналого-цифровых преобразователей (АЦП) с выходами источника сигнала, а также для смещения сигнала на половину опорного напряжения. В последнем варианте цифровой части он собран на малошумя-щих усилителях с симметричным входом AD620 и операционных усилителях AD8061. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой, взамен штатных АЦП платы EZ-KIT, использованы быстродействующие шестнадцатиразрядные сигма-дельта АЦП AD7721 со временем полного преобразования 2 мкс. С выходов АЦП цифровой сигнал поступает непосредственно на процессор ADSP2181 платы EZ-KJT. Работой процессора управляет программа, записанная в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Она обеспечивает прием сигналов с АЦП, размещение их в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а также передачу результатов измерений на ЭВМ через последовательный порт RS-232. Максимальное число отсчетов, которые могут быть записаны в ОЗУ процессора, равно 8000 (по 4000 отсчетов по каждому каналу).
По окончании цикла измерения (накопления заданного количества реализаций) информация с контроллера передается на портативную ЭВМ. В простейшем варианте портативная ЭВМ обеспечивает запись результатов измерений на жесткий диск.
Сигналы, записанные на жесткий диск, подвергаются дальнейшей обработке с целью выделения их из шума, определения амплитуд напряжений и сдвига фазы между ними. Для этого было разработано более десяти вариантов программ обработки, однако в основе всех их лежат два алгоритма - быстрое преобразование Фурье с последующим усреднением по заданному количеству реализаций и синхронное детектирование с усреднением. Как правило, количество усредняемых реализаций было равно пяти, однако использовались и другие количества усреднений.
Кроме цифровой части, высокочастотная и низкочастотная установки отличаются и некоторыми элементами.
Задающий генератор высокочастотной установки изготовлен двухка-нальным. Он формирует сигналы на 32 фиксированных частотах в диапазоне от 2.97 до 187 кГц. Исходные сигналы в цифровом виде записаны в ПЗУ. Двухканальный быстродействующий цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует цифровые значения в аналоговые сигналы синусоидальной формы, сдвинутые по фазе на 90. Переключение частоты осуществляется вручную. Индикация частоты осуществляется с помощью семнадцати све-тодиодов.
Для изменения токов в антеннах предусмотрена возможность вручную, плавно регулировать амплитуды сигналов по обоим каналам.
Усилитель мощности высокочастотной установки является одним из важнейших блоков, поэтому было изготовлено и использовано несколько вариантов УМ. Все они имеют рабочий диапазон частот от 2 до 200 кГц, поэтому мощная часть УМ всегда собиралась на дискретных элементах. Как правило, усилители мощности были двухканальными.
С целью уменьшения габаритов, веса и фазовых искажений на нижних частотах, а также для увеличения тока в нагрузке усилитель включался по мостовой схеме (рисунок 3.3).
Каждый датчик тока включает в себя: измерительное сопротивление, включенное последовательно с антенной; входной согласующий каскад, имеющий симметричный вход и несимметричный выход; выходной согласующий каскад, рассчитанный на работу с кабелем.
Входной согласующий каскад собран на микросхеме AD620, а выходной - на операционном усилителе AD8041.
Двухканальный предварительный усилитель предназначен для предварительного усиления сигналов, принятых диполями антенн. Он должен иметь симметричные входы.
Система для передачи информации о степени наполнения тралового мешка
Рассмотрим предельные возможности передачи информации в море вдали от дна и поверхности. С точки зрения скорости затухания сигнала с расстоянием этот случай является наиболее сложным. К системам такого класса могут быть отнесены системы связи между водолазами в худших условиях, когда оба абонента находятся вдали от дна. Основные вопросы создания систем связи между водолазами рассмотрены нами в [134].
Ниже проанализированы закономерности распространения и иные вопросы создания систем такого класса с целью определения их предельных возможностей по расстоянию и частоте.
Анализируя распространение электромагнитного поля ограничим ди-польный момент передающей антенны 10 А м, а минимальный принимаемый сигнал напряженностью поля 0.1 нВ/м. Для расчетов электромагнитного поля в условиях работы системы будем пользоваться разработанной нами компьютерной моделью. На рисунке 4.21 приведены графики зависимости амплитуды напряженности поля от расстояния на разных частотах.
По вертикальной оси отложена амплитуда напряженности поля в мкВ/м, а по горизонтальной - расстояние в метрах.
С ростом частоты возможная дальность связи уменьшается. Дистанции, на которых амплитуда напряженности поля уменьшается до 0.1 нВ/м, приведены в таблице 4.6.
Данные, приведенные в таблице 4.6, позволяют предварительно выбрать рабочую частоту (диапазон частот) при требуемой максимальной дальности и известных возможностях приемника.
Рисунок 4.21 - Графики зависимости амплитуды напряженности поля от расстояния
В качестве примера рассмотрим систему с требуемой дальностью связи 300 метров. На основании данных, приведенных в таблице 4.6, определим диапазон частот 10 - 100 Гц.
На рисунке 4.22 приведены графики зависимости радиальной компоненты напряженности поля от расстояния. По вертикальной оси отложена напряженность поля в мкВ/м, а по горизонтальной - расстояние в метрах.
В рассматриваемом диапазоне связь на 300 метров может быть обеспечена на частотах не выше 40 Гц. В нашем случае поле не имеет каких-либо особенностей, нуждающихся в детальном анализе. Поэтому рассмотрим реальную систему, разработанную нами [43].
При траловом промысле часто необходимо знать количество рыбы, находящейся в траловом мешке. Дело в том, что, при выборке трала до того, как в нем накопилось достаточное количество рыбы, теряется промысловое время и, следовательно, деньги.
С другой стороны, если количество рыбы в траловом мешке больше определенного, она мнется и теряет цену [150].
Степень наполнения тралового мешка определяется с помощью датчиков, информация с которых передается на основной блок прибора контроля. Он обычно находится в устье трала вблизи верхней подборы.
Как правило, для передачи информации о степени наполнения тралового мешка используется кабельный канал связи [151]. Для этого вдоль всего трала от устья до тралового мешка пришивается дополнительное сетное полотно. В получившийся мешок змейкой укладывается кабель, Это делается для компенсации деформации трала в процессе промысла. Гидроакустический канал применим с большими трудностями из-за значительных турбулентностей, создаваемых по трассе распространения сигнала элементами конструкции трала [152].
Так как необходимая дальность передачи информации в такой системе около 250 метров, применение электромагнитного канала представляется вполне логичным.
Для проверки работоспособности канала нами было разработано и изготовлено экспериментальное оборудование, работающее на частотах 30 и 40 Гц с дипольным моментом 22.75 А м. Проанализируем ожидаемые характеристики экспериментального оборудования в условиях промысла.
По горизонтальной оси отложена глубина хода трала в метрах, а по вертикальной - напряженность поля в мкВ/м. Сплошные линии соответствуют радиальной компоненте поля, а штриховые - тангенциальной. Глубина места велика и дно не оказывает влияния на уровень сигнала.
С ростом глубины напряженность поля сигнала убывает до тех пор, пока не перестает сказываться влияние поверхности. Минимальная величина сигнала составляет 1.04 нВ/м для радиальной компоненты напряженности поля на частоте 40 Гц. Тангенциальные компоненты напряженности поля больше радиальных приблизительно в 4 раза.
Графики зависимости отношения сигнал/шум от глубины хода трала приведены на рисунке 4.24. По горизонтальной оси отложена глубина хода трала в метрах, а по вертикальной - отношение сигнал/шум в относительных единицах. Сплошной линией выделены графики для радиальной компоненты поля, а штриховой - для тангенциальной. Напряженности поля шумов на поверхности определены по [112] и [117] и составляют 1.22 нВ/(мГц/2) на часин е 30 Гц и 0.995 нВ/(мГц"2) на частоте 40 Гц.
