Система связи сверхнизкочастотного и крайненизкочастотного диапазона с глубокопогруженными и удаленными объектами

Система связи сверхнизкочастотного и крайненизкочастотного диапазона с глубокопогруженными и удаленными объектами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а именно к технике связи СНЧ-КНЧ-диапазона, и может быть использована для связи с глубокопогруженными и удаленными подводными объектами.

Известен способ сейсмической разведки патент РФ №2029318, МКИ 6 G01V 1/09, 1995 г.) Этот способ сейсмической разведки заключается в возбуждении зондирующего сигнала и многоканального приема отраженных и дифрагированных волн от объекта, обработке с проведением селекции волн по направлениям прихода и отображением результатов в виде размеров параметров на плоттере.

Недостатком такого способа является то, что он использует приближенную интерполяцию данных, что приводит в ряде случаев к низкой достоверности результатов зондирования.

Известно устройство по «Способу электромагнитного зондирования земной коры с использованием нормированных источников поля» (патент РФ №2093863, МКИ 6 G01V 3/12, 1997 г.).

Данное устройство содержит два генератора синусоидального тока, которые нагружены на протяженные, низко расположенные, горизонтально ориентированные и заземленные на концах антенны, регистрация же излучения, создаваемого СНЧ-радиоустановкой, осуществляется с помощью измерительного комплекса Объединенного Института Физики Земли (ОИФЗ) РАН типа «Борок».

Однако данная установка не обеспечивает передачу информации с глубокопогруженными и удаленными подводными объектами, так как не имеет приемного комплекса в своем составе, а также обладает недостаточным уровнем СНЧ-КНЧ-сигналов на больших удалениях от источника.

Наиболее близким к заявляемой системе по технической сущности решения вопроса является «Унифицированный генераторно-измерительный комплекс СНЧ-КНЧ-излучения для геофизических исследований». Автор Катанович А.А. и др. Патент РФ №2188439 от 27.08.02 г. МКИ 7 G01V 3/12.

Комплекс состоит из задающего генератора, N генераторов синусоидального тока, нагруженных на протяженные, низко расположенные горизонтально ориентированные передающие антенны с заземлителями на концах, причем регистрация излучения, создаваемого СНЧ-КНЧ-генераторами, осуществляется с помощью измерительного комплекса, при этом все N генераторов подключены к единому задающему генератору.

Задающий генератор представляет собой однофазный мостовой инвертор, выполненный на мощных полупроводниковых управляемых вентилях-тиристорах.

Недостатками прототипа - известного генераторно-измерительного комплекса - является малый уровень излучения СНЧ-КНЧ-сигналов и их регистрация на больших удалениях от источника, так номинальная активная мощность при испытаниях на активную нагрузку составляет не более 30 кВт, а также низкая надежность работы комплекса в условиях наведенных помех (с глубоким подавлением гармоник промышленной частоты).

Кроме того, в связи с высокими требованиями, предъявляемыми теорией электромагнитного поля к распространению радиосигналов в Мировом океане, для связи с удаленными и глубокопогруженными объектами необходимо иметь специальную антенну, малошумящий антенный усилитель и аналого-цифровой приемник, которые в прототипе отсутствуют.

Известно, что радиоволны большей части электромагнитного диапазона не проникают в морскую воду. Поэтому для связи с удаленными глубокопогруженными подводными объектами (подводные лодки, подводные аппараты, батискафы, подводные дома и т.п.) предлагается система связи СНЧ-КНЧ-диапазона. Электромагнитные волны этого диапазона являются пригодными для решения указанной задачи вследствие их способности проникать в толщу морской воды на значительную глубину. Кроме того, по сравнению с электромагнитными волнами других диапазонов распространение СНЧ-КНЧ-сигналов в волноводе «земля-ионосфера» отличается высокой стабильностью даже при возникновении различных возмущений в ионосфере.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей прототипа путем создания радиолинии на основе регистрации электромагнитных полей, излучаемых системой СНЧ-КНЧ-диапазона.

Поставленная цель достигается за счет применения радиокомплекса СНЧ-КНЧ-диапазона, содержащего «n» генераторов синусоидального тока, нагруженных на протяженные низко расположенные горизонтально ориентированные передающие антенны с заземлителями на концах, причем прием и регистрация излучения, создаваемого СНЧ-КНЧ-генераторами, осуществляются с помощью буксируемой кабельной антенны, антенного усилителя и приемника СНЧ-КНЧ-диапазона, находящихся на борту подводного объекта, при этом задающий генератор состоит из системы управления, защиты и автоматизации (УРЗА), тиристорного выпрямителя, первого устройства защиты, автономного инвертора напряжения, второго устройства защиты, согласующего устройства, устройства питания и двух входных переключателей, при этом входные переключатели выполнены трехпозиционными и последовательно тремя входами соединены с тиристорным выпрямителем, причем на соединительных линиях установлены датчика тока (ДТ) и датчики напряжения (ДН), которые соединены с системой управления, регулирования и автоматики, а выпрямитель через устройство защиты двумя выходами соединен с автономным инвертором, который в свою очередь через устройство защиты соединен с согласующим устройством, при этом согласующее устройство соединено с антенной, причем СУРЗА соединено с выносным постом управления и понижающим выпрямителем, который своим входом соединен с третьим входом высоковольтного устройства питания генератора, а тот в свою очередь первым входом соединен с входным переключателем, а вторым входом с понижающими блоками питания, при этом на глубокопогруженном и удаленном объекте установлена буксируемая кабельная антенна, которая через антенный усилитель соединена с приемником СНЧ-КНЧ-диапазона.

На фиг.1 изображена блок-схема СНЧ-КНЧ-системы связи. Она содержит: 1 - задающий генератор; 2 - генераторы; 3 - антенную систему; 4 - заземлители.

На фиг.2 представлена структурная схема задающего генератора системы. Она состоит из:

5 - аппаратуры электропитания генератора, аппаратура эта состоит из выпрямителя постоянного тока и устройства электропитания напряжением 380 В;

6 - возбудителя и устройства управления выходным напряжением, представляющие собой блок управления, регулирования, защиты и автоматики (СУРЗА) с микропроцессором на кварцевом генераторе;

7 - усилителя мощности с аппаратурой электропитания, управления и защиты в виде шкафа инвертора с устройствами защиты.

В состав передающей части системы генератора входят следующие функциональные узлы:

8 - тиристорный выпрямитель;

9 - автономный инвертор напряжения;

10 - согласующее устройство;

11 - комплекс датчиков тока;

12 - комплекс датчиков напряжения;

13, 14 - устройство защиты №1, №2;

15 - ограничитель грозовых напряжений (ОГН);

16 - переключатель ручного типа П1 и П2;

17 - выносной пульт управления;

18 - светодиодные индикаторы.

Тиристорный выпрямитель 8 выполнен по трехфазной мостовой схеме и обеспечивает плавный частотный диапазон (т.е. коммутацию) от 0,1 до 100 Гц. Дискретность установки частоты в диапазоне 0,1-10 Гц - 0,1 Гц, в диапазоне 30-100 Гц - 10 Гц. Регулировка и стабилизация величины выпрямленного напряжения достигаются изменением угла включения α. В случае аварии генератор отключается одновременным снятием импульсов управления с тиристоров.

Автономный инвертор напряжения 9 обеспечивает преобразование постоянного напряжения в переменное требуемой частоты.

Согласующее устройство 10 служит для согласования генератора и антенны.

Датчики тока и напряжения 11 и 12 служат для индикации тока и напряжения на линиях.

Устройство защиты 13 и 14 служат для защиты цепей выпрямителя и инвертора от перегруза.

Датчики 15 служат для установки фиксированной частоты.

С выносного поста управления 11 осуществляются контроль и управление генераторно-измерительным комплексом (ГИК), а также запись на осциллографе тока нагрузки на выходе инвертора 5.

Световые индикаторы 18 служат для определения исправности выпрямителя и инвертора и обосновывают необходимую точность регистрации рабочих параметров нагрузки на выходе генератора.

Задающий генератор представляет собой преобразователь частоты со звеном постоянного тока. Система управления - многофункциональная, микропроцессорная с развитым интерфейсом.

Генератор работает в диапазоне частот 0,1-10 Гц. Номинальная активная мощность при испытаниях на активную нагрузку - не более 10 кВт. Напряжение питания генератора 380 В. Сеть питания генератора 50 (3 Ф) Гц, КПД не менее 85%.

Предлагаемая схема генератора, основанная на тиристорной схеме коммутации в режиме пошагового изменения частоты, позволила успешно провести выбор оптимального набора частот для работы на ЛЭП (ВЛ-401 и ВЛ-154).

Задающий генератор обеспечивает выходной ток на активной нагрузке силой 100 А.

Система коммутации позволяет осуществлять подбор режимов работы в широком диапазоне частот от 0,3 до 100 Гц и выше, что существенно превышает параметры известных устройств.

На фиг.3 представлена блок-схема буксируемой кабельной антенны. Кабельная антенна содержит провод с положительной плавучестью и двумя заземляющими электродами 19, блок базовой информации 20, блок ввода скорости буксировки в реальном масштабе времени 21, компаратор атмосферных помех 22, решающий блок 23, индикатор скорости максимальной глубины 24.

Перед началом радиоприема в диапазоне СНЧ-КНЧ-антенну выпускают из подводного объекта, положение антенны должно быть таким, чтобы ходовой ее конец находился вблизи границы раздела «воздух-вода». В блок 21 вводится информация о текущей скорости хода, которая поступает в блок 22. С помощью блока коммутатора атмосферных помех 22 на частоте радиоприема F1 в такой же полосе ΔF, в которой измерялось U_ш, фиксируются уровень атмосферных помех U1_АП и скорость хода, на которой он был измерен. Эта информация поступает в решающий блок 23, где определяется угол наклона провода α1. В решающем блоке на основании данных по U1_АП на скоростях V_x на частоте F1 вычисляется V_АП на каждом заранее заданном дискретном значении скорости в диапазоне возможных изменений скорости V_x от максимального до минимального значения.

При расчетах зависимость угла наклона провода α от скорости буксировки V_х поступает из блока базовой информации 20.

На каждом значении скорости в блоке 23 сравнивается значение U_ш на частоте радиоприема F1, поступающее из блока 20, и значение U_АП, поступающее из блока 22.

Вычисляется отношение N=U_АП/U_ш.

При достижении N достаточного для уверенного приема значение N=N₀ (например, N₀=10) в блок 24 выдается значение скорости буксировки, при котором в данной реальной помеховой обстановке возможен прием на максимальной глубине.

На фиг.4 изображена блок-схема антенного усилителя.

Антенный усилитель служит для согласования с источником сигнала и по выходу с волновым сопротивлением фидера с минимальными искажениями в диапазоне 0,1-10 Гц с коэффициентом усиления не менее 40 дБ.

Антенный усилитель, имеющий симметричный вход, содержит входной малошумящий усилитель (МУ) 25, выполненный на двух входных каскадах на транзисторах (Т) 26, включенных по схеме с общим эмиттером, дифференциальный усилитель (ДУ) 27, повторитель напряжения (ПН) 28 и выходной усилитель мощности (УМ) 29.

При этом ДУ 27 является нагрузкой Т 26 выходных каскадов и выполнен на двух взаимосвязанных операционных усилителях (ОУ) 30, ПН 28 включен на входе выходного УМ 25 и нагружен на два канала усиления выходного УМ 25 с инвертирующим ОУ 30, соединенными параллельно по входу и нагруженными на идентичные усилители тока УТ 31, выполненные на двухтактных эмиттерных повторителях с двумя комплементарными парами Т. Блок питания 32.

Для обеспечения приема сообщений на большой глубине в СНЧ-КНЧ используется приемник, блок-схема которого показана на фиг.5.

Обозначения, показанные на фиг.5: 33 - усилитель с ЦУ - с цифровым управлением; 34 - фильтр КВО - фильтр компенсации влияния океана; 35 - фильтр П - фильтр предыскажений; 36 - ПДП - псевдослучайная двоичная последовательность; 37 - фильтры КС - квадратурные согласованные фильтры; 38 - схема РАУ - схема аналогового регулирования усиления; 39 - регулировка УО - уровня ограничения; 40 - УОФ - устройство оценки фазы; 41 - УПД - устройство последовательного декодирования; 42 - ФВ - фазовращатель; 43 - УВПП - устройство восстановления первичной последовательности; 44 - АЦП - аналого-цифровой преобразователь; 45 - система фильтров и преобразователь; 46 - ФНЧ - фильтр низких частот; 47 - следящие режекторные фильтры; 48 - ограничитель шумов.

Приемник состоит из двух блоков: аналогового (предварительного усиления и фильтрации) и цифрового (дальнейшая фильтрация, обработка сигналов и динамическое управление).

Аналоговый блок приемника содержит систему фильтров 45, которая обеспечивает нормальную работу при наличии различных помех. Аналоговый входной тракт обеспечивает постоянный коэффициент усиления в соответствии с уровнем атмосферных помех, скоростью и глубиной погружения подводного объекта.

Сигнал с выхода аналогового блока выбирается и преобразуется в цифровую форму аналогово-цифровым преобразователем ЭВМ 44, которая и является основой приемника, время выборки определяется по точным часам.

Входной сигнал обрабатывается ЭВМ с учетом скорости и глубины погружения подводного объекта, времени суток.

Фильтр низких частот 46 исключает прохождение ВЧ-составляющих шумов антенны, фильтр компенсации влияния океана восстанавливает характеристику атмосферных помех, которая пропадает с увеличением глубины.

Следящие режекторные фильтры 47 понижают уровень помех от электродвигателей подводного объекта.

Фильтр предыскажений 35 сглаживает спектр атмосферных помех, а ограничитель шумов адаптивно понижает эффективный уровень шумов. Квадратурные согласованные фильтры 37 восстанавливают как можно больше информации. Благодаря этим мерам в приемнике получена почти оптимальная полоса пропускания. Устройство оценки фазы 40 (ошибка должна быть минимальной, так как она уменьшает энергию входного сигнала в число раз, соответствующее Cos² фазовой ошибки) оценивает ее из самого сигнала на каждом интервале путем интерполяции. Причинами изменения фазы могут быть внезапное изменение глубины подводного объекта и ионосферные возмущения.

Последовательное и сверточное декодирование 41 используются потому, что они обеспечивают наиболее высокую надежность приема сообщений при низком отношении сигнал/шум.

Устройство позволяет с высокой вероятностью определить ошибку, которая в этом случае на выходе не печатается.

Положительный эффект системы состоит в том, что система обеспечивает высокую надежность работы в условиях наведенных помех с использованием линии электропередачи (ЛЭП), а также повышенную мощность, причем обеспечивается регистрация электромагнитных полей на удаленных и глубокопогруженных объектах.

Система связи СНЧ-КНЧ-диапазона с глубокопогруженными и удаленными подводными объектами, содержащая «n» генераторов синусоидального тока, нагруженных на протяженные, низко расположенные, горизонтально ориентированные передающие антенны с заземлителями на концах, причем прием и регистрация излучения, создаваемого СНЧ-КНЧ-генераторами осуществляется с помощью буксируемой кабельной антенны и приемника СНЧ-КНЧ-диапазона, находящихся на подводном объекте, отличающаяся тем, что задающий генератор передающей системы состоит из системы управления, защиты и автоматики (УРЗА), тиристорного выпрямителя, устройства защиты, автономного инвертора напряжения, устройства защиты два, согласующего устройства, устройства питания и двух входных переключателей, при этом, входные переключатели выполнены трехпозиционными и последовательно тремя входами соединены с тиристорным выпрямителем, причем на соединительных линиях установлены датчики тока (ДТ) и датчики напряжения (ДН), которые соединены с системой управления, регулирования, защиты и автоматики, а выпрямитель через устройство защиты двумя выходами соединен с автономным инвертором, который в свою очередь через устройство защиты соединен с согласующим устройством, причем согласующее устройство через параллельно включенный ограничитель грозовых перенапряжений соединен с антенной, причем СУРЗА соединено с выносным постом управления и понижающим выпрямителем, который своим входом соединен с третьим входом высоковольтного устройства питания генератора, который в свою очередь первым входом соединен с входным переключателем, а вторым входом с понижающим блоком питания, при этом на глубокопогруженном и удаленном объекте установлена буксируемая кабельная антенна, которая через антенный усилитель соединена с приемником СНЧ-КНЧ-диапазона.