Результат интеллектуальной деятельности: Устройство передачи информации с подводной лодки бесконтактным методом

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для передачи сообщений с подводной лодки, находящейся в погруженном состоянии.

При проектировании кораблей и судов особое внимание уделяется разработке аварийно-спасательных устройств для оказания помощи аварийному кораблю и спасению его личного состава. К этим устройствам относятся и средства связи для подачи сигналов с аварийного корабля и связи с кораблем, оказывающими помощь: аварийный сигнальный буй с телефоном, аварийные буи и аварийная система сигнализации.

Известен сигнальный буй для определения местоположения потерпевшей аварийной подводной лодки [патент Франции №957735, кл. В64С 9/00, 1971 г.], а также выпускное информационное устройство, содержащее приборный контейнер, заглубляющий груз с устройством его отделения [патент РФ на ПМ №94537 от 27.05.2010 г.]. Известны и др. буи [патенты РФ на ПМ №141688 от 06.05.2014 г., №148908 от 19.11.2014 г., №142232 от 20.05.2014 г., №140980 от 16.04.2014 г.] Однако подобные буи, как правило, ограничивают маневренные возможности подводных лодок и демаскируют их [Соловьев В.И. и др. Связь на море. - Л.: изд. «Судостроение», 1978 г.].

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность передачи информации с ПЛ бесконтактным методом, предусматриваемым существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень»

Целью изобретения является передача сообщений с подводной лодки бесконтактным методом за счет считывания с поверхности воды радиолокационным приемником.

Поставленная цель достигается тем, что под водой на глубине h на днище подводной лодки расположен акустический излучатель f_a, облучающий морскую поверхность снизу подводной лодки, а на рубке подводной лодки, в верхнем полупространстве, на расстоянии r от поверхности воды расположен приемопередатчик электромагнитного сигнала на рабочей частоте f_e, при этом передача сообщений с подводной лодки в воздух осуществляется бесконтактным методом путем считывания с поверхности воды радиолокационным или оптическим приемником.

На фиг. 1 представлена схема размещения излучателей и приемника относительно границы раздела. Она содержит:

1 - точка расположения акустического излучателя;

2 - граница раздела воздух-вода;

3 - точка расположения приемопередатчика электромагнитного канала;

4 - корпус носителя акустического излучателя;

5 - АК акустический канал;

6 - ЭМ электромагнитный канал.

На схеме под водой на глубине h расположен акустический излучатель частоты f_a, облучающий морскую поверхность снизу. В верхнем полупространстве, на расстоянии r от поверхности воды расположен приемопередатчик электромагнитного сигнала 7 на рабочей частоте f_e.

В работе Шайдурова Г.Я. и др. О параметрической модуляции электромагнитной волны ультразвуком на границе раздела вода-воздух // Радиотехника и электроника. 1985. Вып. 11. С. 2136-2142, показано, что коэффициент модуляции фазы отраженной электромагнитной волной (ЭМВ) за счет механического колебательного смещения поверхности воды под действием акустического излучения с плотностью потока мощности I зависит от рабочих частот ЭМ и акустического канала как

где Ω - круговая частота акустических колебаний; I - интенсивность акустической волны.

Системное соотношение, связывающее все основные параметры канала, выводится из уравнения дальности для радиолокации. Мощность радиосигнала на входе приемника РЛС определяется в виде

где - P_E - мощность на выходе антенны передатчика; r - расстояние от поверхности моря до приемника РЛС; А_Е - эффективная площадь приемопередающей антенны; - коэффициент направленности действия антенны РЛС; α_E, α_а - коэффициенты поглощения радиоволн в воздухе и акустического излучения в воде; σ - эффективная поверхность рассеивания поверхности моря с площадью S_П, соответствующая «пятну» ультразвука на границе раздела вода-воздух.

Согласно [Шайдуров Г.Я. и др. Параметрической модуляции электромагнитной волны ультразвуком на границе раздела вода-воздух // Радиотехника и электроника. 1985. Вып. 11. С. 2136-2142] получим

где Р_а - мощность акустического сигнала; А_а - эффективная площадь акустической антенны. Для случая зеркального отражения

где λ_Е - длина ЭМВ.

Площадь акустического пятна на поверхности воды равна

где λ_а - длина акустической волны.

При подстановке (5) в (4) для зеркального отражения получим

а в случае диффузного отражения

σ_Д=4S_ПR,

где R - коэффициент отражения от поверхности рассеивания.

С учетом (5) запишем

При подстановке (6) и (7) в (2) получим выражение для зеркального отражения

и для диффузионного отражения

где α=α_Е+α_а.

Введем соотношение (1), определяющее преимущество варианта зеркального отражения по сравнению с диффузным:

Например, при h=100 м, λ_a=0,1 м, λ_Е=3⋅10^-2 м, А_а=1 из (10) получим η=3,14⋅10⁷. Проигрыш диффузного варианта можно существенно уменьшить путем повышения рабочей частоты РЛС. В этом смысле представляет интерес перенос спектра зондирующих сигналов в оптический диапазон. Так, для сине-зеленого цвета с длинной волны около 1 мкм при прочих равных условиях этот проигрыш уменьшится на 8 порядков.

На фиг. 2 приведены графики зависимости требуемой мощности акустического излучения от высоты полета летательного аппарата r и глубины погружения подводной лодки h (зеркальное отражение).

При заданном отношении сигнал/шум q необходимый уровень сигнала на выходе приемной антенны РЛС определяется как P_c=qP_ш, где из соотношения Больцмана для оценки уровня шума приемника используем известную формулу:

где k=1,38⋅10^-23, Вт/(Гц⋅град); - температура шума приемника; Δƒ - полоса пропускания.

В этом случае из (8) и (9) имеем

Как видно из этих соотношений, высота полета борта РЛС в сильной мере зависит от отношения длины акустической и ЭМ волн, что может явиться управляющим фактором параметров канала, передачи информации. Из сравнения (12) и (13) также видно, что в случае диффузного отражения величина r существенно меньше зависит от глубины погружения подводной лодки h, что связано с увеличением размера акустического пятна на поверхности воды по мере роста глубины.

Количественные характеристики связи требуемой мощности акустического излучателя с высотой полета носителя РЛС и глубины погружения ПЛ приведены на фиг. 2 и 3. За основу расчетов приняты следующие данные: ρ=10; Δƒ=100 Гц; Р_Е=100 Вт; λ_a=0,1 м; R=1; А_Е=1 м²; А_а=1 м². Дополнительное увеличение энергетического потенциала требует учета рефракции акустических колебаний в слоях воды (коэффициент γ в (9), (10). Изменение угла визирования ЭМ луча Θ при пролете спутника над акустическим пятном также снижает эффективность системы.

На фиг. 4 приведены копии эпюр сигналов, полученные экспериментально на соленом озере с выхода приемника радиолокатора, работающего на частоте f_Э=10 ГГц. Рабочие частоты акустического излучателя, работавшего в телеграфном режиме, составляли 15 и 80 кГц. Глубина погружения акустического излучателя изменилась в пределах 0,9…3 м [Шайдуров Г.Я. и др. Параметрической модуляции электромагнитной волны ультразвуком на границе раздела вода-воздух // Радиотехника и электроника. 1985. Вып. 11. С. 2136-2142]. Электропроводность воды составляла σ=1,7 См/м. Цифрами на фиг. 4 отмечены различные сочетания акустических частот и глубина погружения, буквами: a - периоды включения акустического излучателя: b - периоды его выключения. Электромагнитный сигнал приемника снимался с выхода фазового детектора.

Как видно из эпюр, момент передачи единицы информации (момент включения акустического излучателя) четко отличается повышением уровня сигнала с выхода фазового детектора. Амплитуда модуляции сигнала шума обусловлена волнением поверхности воды.

Приведенные расчеты показывают возможность передачи сообщений с ПЛ в воздух бесконтактным методом, путем считывания с поверхности воды радиолокационным или оптическим приемником без использования радиобуя.