СИСТЕМА ПОДВОДНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СВЯЗИ Российский патент 2003 года по МПК H04B13/00 

Изобретение относится к подводным средствам связи, основанным на использовании электромагнитных волн.

Известна японская система связи SWL, основанная на использовании электромагнитного поля [1]. Система связи симплексная. Передача сигнала осуществляется в диапазоне частот 300-3400 Гц. Система содержит надводную и подводную станции, каждая из которых работает на прием или на передачу информации и содержит одну двухэлектродную водную антенну.

Недостатком системы является односторонняя - симплексная связь.

Наиболее близкой по технической сущности и совокупности признаков является система подводной электромагнитной связи, содержащая надводную и подводную станции, каждая из которых содержит приемопередатчик и двухэлектродную водную антенну [2]. Приемопередатчик содержит передающий и приемный тракты, коммутационное устройство, соединенное с двухэлектродной антенной. Передающий тракт содержит соединенные каскадно микрофон, предварительный усилитель, усилитель мощности и согласующее устройство, выходные клеммы которого соединение с неподвижными контактами переключателя. Тракт снабжен дополнительной цепью для управления переключателем вида работы прием-передача. При наличии сигнала на выходе предварительного усилителя устройство в виде соленоида подключает к выходным клеммам согласующего устройства антенну.

Приемный тракт содержит входное согласующее устройство, у которого входные клеммы соединены со второй парой неподвижных контактов переключателя. Выход согласующего устройства посредством цепи, содержащей предварительный усилитель и усилитель мощности, соединен с телефоном.

Система связи симплексная, что является ее недостатком.

При водолазных погружениях можно использовать жесткое или мягкое водолазное снаряжение, однако большую часть работ под водой выполняют водолазы в мягком водолазном снаряжении. При спусках под воду в таком снаряжении нормальное дыхание возможно лишь при условии подачи водолазу воздуха или специальной дыхательной смеси под давлением, равным давлению окружающей среды. Каждые 10 м погружения требуют увеличения давления в скафандре на 1 кгс/см². Таким образом, статическое давление дыхательной смеси в скафандре может достигать очень больших значений. Поэтому при разработке подводной системы речевой связи необходимо учитывать влияние на водолаза повышенного давления и специального состава дыхательной смеси (обычно это кислородно-гелиевая смесь). Эти два фактора и определяют, в основном, особенности процесса речеобразования водолаза, приводят к снижению разборчивости речи и соответственно качества связи [1]. В связи со сдвигом по частоте спектра речи в гелиево-кислородной среде полосу частот для тракта связи с водолазами нужно выбирать порядка 300...10000 Гц вместо 300...3500 Гц для обычной передачи речи [1, с. 114].

Одновременно с ростом давления увеличивается порог слышимости водолаза, причем имеется большая неравномерность изменения слуховых порогов по частоте [1, с. 283]. На изменение порогов слышимости водолазов влияет и уровень окружающего шума. Шум, создаваемый в подшлемном пространстве системой подачи воздуха, является широкополосным, при этом максимум энергии в спектре шума приходится на речевой диапазон частот. С увеличением глубины погружения шумовая характеристика скафандра значительно ухудшается. Таким образом, водолаз и его микрофон оказываются под постоянным воздействием шумов значительной интенсивности. С точки зрения качества телефонной связи это приводит к ухудшению приема речи водолаза руководителем спуска и приема речи (команд) водолазом, так как шум скафандра маскирует полезный сигнал и слова становятся малоразборчивыми. Например, в вентилируемом трехболтовом снаряжении на глубинах 50 м в условиях воздействия шума 105 дБ величина смешения порога слышимости на частотах речевого диапазона 300...3000 Гц достигает 15 дБ, а на частоте 4000 Гц - до 24 дБ. Восстановление слуховой функции после работы на глубинах 5, 11, 20 и 50 метров происходит соответственно через 2, 10, 16 и 24 ч [1, c. 293] . Следует также учитывать, что часто опытные водолазы страдают профессиональной глухотой (плохо различают звуки в области частот свыше 3 кГц). Это значительно снижает возможности водолазов понимать чужую и контролировать собственную речь в гелиево-кислородной среде, спектр значимых частот которой лежит свыше 3 кГц.

Таким образом, условия работы средств связи с водолазами оказываются значительно более тяжелыми, чем условия для наземных и корабельных систем связи. В первую очередь это [1, с. 111]:
- длительное нахождение водолазов под водой в тяжелых условиях, требующих обеспечения высокой надежности и качества работы связи, так как от этого зависит безопасность водолазов;
- зависимость чувствительности и деформация частотных характеристик электроакустических преобразователей от глубины погружения водолазов и состава дыхательной смеси;
- изменение характеристик речи и слуха водолазов, находящихся в воздушной, кислородно-азотно-гелиевой и кислородно-гелиевой средах, при величине статического давления, во много раз превосходящего нормальное;
- прием и передача речи водолаза происходит в сравнительно небольшом замкнутом объеме (шлеме водолаза, полумаске гидрокомбинезона);
- большая относительная влажность в скафандре, доходящая иногда до 100%;
- большой уровень шума, маскирующий полезный сигнал;
- наличие значительных электрических помех от работающего подводного и надводного оборудования и силовых кабелей, питающих это оборудование (светильники, электродвигатели, электроинструмент).

Все это необходимо учитывать при разработке системы связи с водолазами.

Таким образом, недостатки речевой связи, представленные выше и обусловленные прежде всего тяжелыми условиями работы средств связи, указывают на необходимость разработки альтернативных систем связи с водолазами. Одним из способов повышения качества связи является применение телеграфного вида работы, при котором используется очень узкий частотный спектр, что позволяет применить частотную селекцию и значительно повысить помехозащищенность канала связи. Кроме того, использование телеграфного вида работы с несущей частотой позволит реализовать дуплексную связь, т.е. осуществлять передачу и прием одновременно, что значительно повысит оперативность в обмене информацией. Благодаря применению дуплексной связи повысится безопасность водолазов, так как сигнал бедствия, например, водолаз сможет передать немедленно, не дожидаясь окончания принимаемого сообщения.

Задача изобретения - повышение надежности и помехозащищенности связи.

Это достигается тем, что в системе подводной электромагнитной связи, содержащей надводную и подводную станции, при этом надводная станция содержит передатчик, содержащий соединенные последовательно микрофон, предварительный усилитель, а также соединенные последовательно усилитель мощности, согласующее устройство, выполненное в виде двухобмоточного трансформатора, и двухэлектродную водную антенну, электроды которой размещены в воде, подводная станция содержит приемник, содержащий последовательно соединенные подводную двухэлектродную антенну, электроды которой размещены в воде, согласующее устройство, выполненное в виде двухобмоточного трансформатора, предварительный усилитель, а также выходной усилитель, к выходу которого подключены головные телефоны, согласно предмету изобретения у надводной станции передатчик дополнительно содержит соединенные последовательно кварцевый генератор на частоту f₁ и манипулятор, а также трехконтактный двухпозиционный переключатель, у которого подвижный контакт соединен со входом усилителя мощности, первый неподвижный контакт соединен с выходом манипулятора, второй неподвижный контакт - с выходом фильтра нижних частот, у которого вход соединен с выходом предварительного усилителя, надводная станция содержит дополнительно приемник, содержащий соединенные последовательно двухэлектродную водную антенну, электроды которой размещены в воде, частотно-селективное согласующее устройство, настроенное на принимаемую частоту f₂, предварительный усилитель, узкополосный фильтр на частоту f₂, тональный генератор, выходной усилитель и головные телефоны, у подводной станции приемник дополнительно содержит конденсатор, двухпозиционный двухконтактный переключатель, первый и второй двухпозиционный трехконтактный переключатель, соединенные последовательно узкополосный фильтр и тональный генератор, при этом конденсатор посредством двухпозиционного переключателя соединен с выводами вторичной обмотки трансформатора входного согласующего устройства, при этом у первого двухпозиционного трехконтактного переключателя подвижный контакт соединен с выходом предварительного усилителя, первый неподвижный контакт соединен с первым неподвижным контактом второго двухпозиционного трехконтактного переключателя, второй неподвижный контакт первого двухпозиционного трехконтактного переключателя соединен с входом узкополосного фильтра, у второго двухпозиционного трехконтактного переключателя подвижный контакт соединен с входом выходного усилителя, второй неподвижный контакт соединен с выходом тонального генератора, подводная станция содержит дополнительно передатчик, содержащий последовательно соединенные кварцевый генератор на частоту f₂, манипулятор, предварительный усилитель, усилитель мощности, частотно-селективное согласующее устройство, настроенное на частоту f₂, выполненное в виде двухобмоточного трансформатора, к первичной обмотке которого подключен конденсатор, и двухэлектродную водную антенну, электроды которой размещены в воде.

Сущность изобретения состоит в том, что в системе подводной электромагнитной связи, содержащей канал связи в виде водной среды, надводную и подводную станции, при этом надводная станция содержит передатчик телефонного сигнала и передающую водную антенну, а подводная станция содержит приемник телефонного сигнала и приемную водную антенну, дополнительно введены в надводную станцию приемник телеграфного сигнала и приемная водная антенна, а в подводную станцию передатчик телеграфного сигнала и передающая водная антенна. У надводной станции передатчик снабжен дополнительными кварцевым генератором и манипулятором. Передатчик работает в телефонном и телеграфном режимах. К выходу передатчика постоянно подключена передающая антенна. Приемник надводной станции снабжен постоянной приемной антенной и принимает только телеграфные сигналы. Помехозащищенность обеспечивается селективным согласующим устройством и наличием узкополосного фильтра в тракте усиления.

У подводной станции передающий тракт снабжен кварцевым генератором и манипулятором, согласующее устройство выполнено селективным и соединено постоянно антенной. Приемный тракт снабжен дополнительно приемной антенной, предварительным усилителем, фильтром нижних частот, узкополосным фильтром и тональным генератором. Приемный тракт принимает телеграфный или телефонный сигнал.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемой системы связи между водолазом и обеспечивающим плавсредством (берегом). Из схемы видно, что у надводной радиостанции 1 передатчик 2 может работать в двух режимах: телефонном (ТЛФ) или телеграфном (ТЛГ) с несущей частотой f₁, а приемник 3 - только в телефафном с несущей частотой f₂. У радиостанции водолаза 4 передатчик 5 может работать только в телеграфном режиме с несущей частотой f₂, а приемник 6 - в телефонном или телефонном режиме с несущей частотой f₁. Выбор представленной на фиг.1 системы связи с водолазом можно объяснить следующим образом.

Прием слабого речевого (телефонного) сигнала от маломощного передатчика водолаза на борту корабля будет практически невозможен из-за большого уровня помех от работающих механизмов и широкой полосы пропускания приемного тракта, а также по другим причинам, изложенным выше.

Надводная же часть аппаратуры может передавать информацию как в телефонном, так и в телеграфном режимах и одновременно принимать ее от водолаза. Передаваемый сигнал (ТЛФ или ТЛГ) превосходит по мощности уровень помех от работающих механизмов судна или порта, поэтому он будет принят водолазом на значительно большем расстоянии.

На фиг. 2 изображена структурная схема радиостанции, устанавливаемой на обеспечивающем плавсредстве или на берегу и состоящей из передатчика 2 и приемника 3.

Передатчик 2 (см. фиг.2) содержит последовательно соединенные микрофон 7, предварительный усилитель 8, фильтр нижних частот 9 с частотой среза 4 кГц, двухпозиционный трехконтактный переключатель 10, усилитель мощности 11 и выходное согласующее устройство 12, выполненное в виде двухобмоточного трансформатора. Выводы вторичной обмотки трансформатора соединены с двухэлектродной антенной 13, электроды которой размещены в воде.

При работе передатчика 2 в телефонном режиме к входу усилителя мощности 11 подключается электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных кварцевого генератора 14 на частоту f и манипулятора 15, при помощи которого формируется телеграфный сигнал. Для повышения эффективности передачи в телеграфном режиме выходное согласующее устройство можно сделать более узкополосным, обеспечив резонанс выходной цепи передатчика на частоте f₁ при помощи дополнительно подключенного конденсатора.

Приемник надводной радиостанции содержит последовательно соединенные двухэлектродную водную антенну 16, частотно-селективное согласующее устройство 17, настроенное на частоту принимаемого сигнала f₂, предварительный усилитель с большим входным сопротивлением 18, узкополосный фильтр 19 на частоту f₂ с полосой пропускания 10-20 Гц, тональный генератор 20, усилитель 21 и головные телефоны 22. Тональный генератор с частотой около 1 кГц запускается принимаемым сигналом, прошедшим узкополосный фильтр.

Таким образом, надводная радиостанция способна работать в дуплексном режиме, осуществляя передачу речи в диапазоне частот 0,4-3,5 кГц или телеграфного сигнала на частоте f₁ и одновременно принимая телеграфный сигнал на частоте f₂.

На фиг.3 изображена структурная схема подводной радиостанции. Передатчик водолаза содержит последовательно соединенные кварцевый генератор 23 с частотой f₂, манипулятор 24, предварительный усилитель 25, усилитель мощности 26, согласующее селективное устройство 27 и двухэлектродную подводную антенну 28. Согласующее устройство выполнено в виде двухобмоточного трансформатора, к первичной обмотке которого подключен конденсатор.

Передатчик водолаза обеспечивает передачу телеграфных сигналов на частоте f₂.

Приемник содержит подводную двухэлектродную антенну 29, соединенную с входом частотно-селективного согласующего устройства 30, представляющего собой в простейшем случае двухобмоточный трансформатор.

К вторичной обмотке трансформатора через переключатель 31 может быть подключен конденсатор 32, образующий с обмоткой трансформатора параллельный колебательный контур, уменьшающий полосу пропускания до 50...500 Гц (в зависимости от несущей частоты принимаемого в телеграфном режиме сигнала). Выход согласующего устройства соединен с приемным трактом, содержащим последовательно соединенные (при телеграфном режиме работы) предварительный усилитель 33 с большим входным сопротивлением, переключатель 34, узкополосный фильтр 35, тональный генератор 36, переключатель 37, усилитель 38 и головные телефоны 39.

В телефонном режиме часть приемного тракта, содержащая узкополосный фильтр и тональный генератор, отключается переключателями 34 и 37.

Для случая, когда подводная радиостанция размещается на подводном аппарате, она может быть снабжена дополнительными телеграфными приставками - кодирующей и декодирующей с регистрирующим устройством. Передатчик и приемник подводной радиостанции с целью упрощения конструкции выполняются в виде отдельных функциональных блоков. Каждый из блоков содержит корпус в виде трубы из нержавеющей стали диаметром 75 мм с двумя фланцами. К верхнему фланцу крепится крышка с проходным антенным изолятором и разъемом. К нижнему фланцу крепится аккумуляторный отсек, выполненный в виде стакана из нержавеющей стали с фланцем. Между фланцами размещается резиновая прокладка. Крепление осуществляется болтами из нержавеющей стали. На боковой поверхности корпуса приемника расположена ручка переключателя вида работы.

Приемник и передатчик подводной радиостанции (также как и надводной) имеют каждый свою антенну. В качестве водной и подводной антенн могут быть применены двухэлектродные антенны с электродами трубчатой или плоской формы, выполненными из нержавеющей стали. В качестве одного из электродов антенны приемника или передатчика водолаза может быть использован корпус соответствующего устройства. Возможно применение и индуктивных антенн, выполненных в виде многовитковой обмотки, размещенной в диэлектрике и герметизированной. При этом добротность обмотки в воде равна половине добротности обмотки, размещенной в воздушной среде. Достигается это выбором толщины диэлектрика. Возможны и другие варианты антенн. Однако в каждом случае необходимо выполнять условия согласования антенн как с водной средой, так и с входом или выходом соответствующего устройства.

Антенны приемника и передатчика радиостанции должны быть удалены друг от друга на максимально возможное расстояние.

Эффективным способом повышения качества связи между водолазом и обеспечивающим плавсредством (берегом) до 500 м является применение телеграфного вида работ, при котором используется очень узкий частотный спектр, что позволяет применить узкополосный фильтр в приемном тракте, а также частотную селекцию и узкополосное согласование на входе приемника и выходе передатчика.

Построение системы подводной связи, использующей телеграфный режим работы с несущей частотой, позволяет реализовать дуплексную связь, т.е. осуществлять передачу и прием сообщений одновременно, что значительно повышает оперативность в обмене информацией.

Описанные выше комплекты аппаратуры для подводной электромагнитной связи обеспечивают надежную дуплексную связь в телеграфном режиме в диапазоне фиксированных частот 1-10 кГц и дуплексную телефонно-телеграфную связь в диапазоне частот 0,4-3,5 кГц и в диапазоне фиксированных частот до 10 кГц.

Надводная часть аппаратуры производит одновременно передачу информации в телефонном или телеграфном режиме и прием информации в телеграфном режиме.

Источники информации
1. Н. А. Стопцов и др. Связь под водой. - Л.: Судостроение, 1990, с. 209-210.

2. Патент Франции 2105398, кл. Н 04 В 13/00; Н 04 В 1/00, 04.09.70 г.

Изобретение относится к подводным средствам связи, основанным на использовании электромагнитных волн. Технический результат заключается в повышении надежности и помехозащищенности связи. Для этого надводная станция содержит передатчик, включающий микрофон, усилитель мощности, согласующее устройство, выполненное в виде двухобмоточного трансформатора, двухэлектродную водную антенну, фильтр нижних частот, кварцевый генератор, манипулятор, приемник, включающий двухэлектродную водную антенну, согласующее устройство, фильтр, тональный генератор, усилитель, головные телефоны, подводная станция содержит передатчик, включающий кварцевый генератор, манипулятор, усилитель мощности и подводную антенну, приемник содержит двухэлектродную антенну, согласующее устройство, переключатель, конденсатор, тональный генератор, узкополосный фильтр и головные телефоны. 3 ил.

Система подводной электромагнитной связи, содержащая надводную и подводную станции, при этом надводная станция содержит передатчик, содержащий соединенные последовательно микрофон, предварительный усилитель, а также соединенные последовательно усилитель мощности, согласующее устройство, выполненное в виде двухобмоточного трансформатора, и двухэлектродную водную антенну, электроды которой размещены в воде, подводная станция содержит приемник, содержащий последовательно соединенные подводную двухэлектродную антенну, электроды которой размещены в воде, согласующее устройство, выполненное в виде двухобмоточного трансформатора, предварительный усилитель, а также выходной усилитель, к выходу которого подключены головные телефоны, отличающаяся тем, что у надводной станции передатчик дополнительно содержит соединенные последовательно кварцевый генератор на частоту f₁ и манипулятор, а также трехконтактный двухпозиционный переключатель, у которого подвижный контакт соединен со входом усилителя мощности, первый неподвижный контакт соединен с выходом манипулятора, второй неподвижный контакт с выходом фильтра нижних частот, у которого вход соединен с выходом предварительного усилителя, надводная станция содержит дополнительно приемник, содержащий соединенные последовательно двухэлектродную водную антенну, электроды которой размещены в воде, частотно-селективное согласующее устройство, настроенное на принимаемую частоту f₂, предварительный усилитель, узкополосный фильтр на частоту f₂, тональный генератор, выходной усилитель и головные телефоны, у подводной станции приемник дополнительно содержит конденсатор, двухпозиционный двухконтактный переключатель, первый и второй двухпозиционный трехконтактный переключатель, соединенные последовательно узкополосный фильтр и тональный генератор, при этом конденсатор посредством двухпозиционного переключателя соединен с выводами вторичной обмотки трансформатора входного согласующего устройства, при этом у первого двухпозиционного трехконтактного переключателя подвижный контакт соединен с выходом предварительного усилителя, первый неподвижный контакт соединен с первым неподвижными контактом второго двухпозиционного трехконтактного переключателя, второй неподвижный контакт первого двухпозиционного трехконтактного переключателя соединен с входом узкополосного фильтра, у второго двухпозиционного трехконтактного переключателя подвижный контакт соединен с входом выходного усилителя, второй неподвижный контакт соединен с выходом тонального генератора, подводная станция содержит дополнительно передатчик, содержащий последовательно соединенные кварцевый генератор на частоту f₂, манипулятор, предварительный усилитель, усилитель мощности, частотно-селективное согласующее устройство, настроенное на частоту ƒ₂, выполненное в виде двухобмоточного трансформатора, к первичной обмотке которого подключен конденсатор, и двухэлектродную водную антенну, электроды которой размещены в воде.