СПОСОБ СВЯЗИ МЕЖДУ АКВАНАВТАМИ И УСТРОЙСТВО ПО НЕМУ Российский патент 2007 года по МПК H04B13/02 

Изобретение относится к технике передачи информации в проводящих средах с использованием электрических полей в качестве физического носителя информации.

Известны устройства, реализующие способ связи между акванавтами, заключающийся в том, что передаваемое сообщение преобразуется в электрический сигнал и далее путем умощнения, в ток передающей дипольной антенны, создающей в водной среде электрическое поле, напряженность которого в месте приема преобразуется приемной антенной в электрический сигнал, а затем в форму, удобную для восприятия (звуковую, оптическую и т.п.). [1, 2, 3]. В известных устройствах согласование аппаратуры с антенной осуществляется с помощью трансформатора, причем усилитель мощности передатчика работает в линейном режиме.

Эффективность этого способа связи определяется величиной дипольного момента I×ℓ, создаваемого в антенне, где I - ток в антенне, а - эффективная длина антенны. Мощность Р в антенне равна: Р=I²×|Z|, где Z - импеданс антенны. При фиксированной мощности передатчика величина дипольного момента тем больше, чем больше эффективная длина антенны и чем меньше ее сопротивление. При этом соотношение между мощностью и дипольным моментом можно выразить отношением:

Отсюда

Чувствительность приемника определяется уровнем электромагнитных шумов и помех в точке приема. Чем больше эффективная длина антенны и чем ниже ее импеданс, то есть чем выше тем ниже приведенный ко входу уровень собственных шумов приемника и тем выше эффективность приема.

При осуществлении связи в воде разной электропроводности импеданс антенны и уровень сигнала на приеме меняются, что должно быть учтено для поддержания эффективности работы связных устройств. Чем выше электропроводность воды, тем ниже величина импеданса и тем больше ток и, соответственно, дипольный момент может быть получен в передающей антенне при фиксированной мощности и соблюдении согласования передатчика с антенной. В то же время, чем выше электропроводность, тем ниже величина напряженности поля в точке приема при том же значении дипольного момента в источнике, а также тем ниже уровень электромагнитных шумов и помех, и тем большим должно быть усиление приемного тракта.

В устройстве [2] электроды приемопередающей антенны представляют собой относительно небольшие металлические пластины, закрепляемые на ноге и предплечье акванавта. В изобретении [3] конструкция антенны не приведена, но дается ссылка на японское устройство SWL для подводной связи, которое имеет аналогичный ножной электрод, а вместо верхнего электрода используется шноркельная трубка. Анализ этих устройств показывает, что эти антенны за счет относительно маленьких размеров электродов имеют большой модуль импеданса Z и, соответственно, низкую эффективность как на передаче, так и на приеме. Предлагаемое в известных устройствах согласование с аппаратурой с помощью трансформаторов и работа усилителей мощности в линейном режиме, во-первых, ограничивают к.п.д. величиной 50%, а, во-вторых, не позволяют сохранить эффективную связь при изменении электропроводности воды в районе эксплуатации, например, при переходе из соленой воды в пресную, в частности, вблизи устья реки или тающих льдов.

Целью изобретения является повышение эффективности и надежности связи.

Указанная цель достигается тем, что предварительно осуществляется оптимизация расположения на акванавте размеров и формы электродов дипольной антенны путем обеспечения максимума величины отношения квадрата эффективной длины к модулю ее импеданса, а ток в передающей антенне и коэффициент усиления приемного тракта регулируют исходя из величины импеданса оптимизированной антенны, которая, в свою очередь, определяется величиной электропроводности воды в районе эксплуатации. Для обеспечения высокого к.п.д. передатчика во всем диапазоне регулировки осуществляют преобразование аналогового сигнала в цифровой, усиление мощности в ключевом режиме, интегрирование умощненного сигнала, подаваемого на антенну.

Кроме того, обеспечивают возможность коммутации гальванических элементов в источнике питания связного устройства исходя из значения электропроводности воды в районе эксплуатации.

Кроме того, для достижения указанной цели в качестве материалов для электродов могут применяться материалы, имеющие наименьшую величину импеданса на инфразвуковых частотах.

Также при передаче речевых сообщений до преобразования аналогового сигнала в цифровой целесообразно осуществлять кодирование исходного сигнала в посылки инфразвуковой частоты и их последующее декодирование на приеме.

С целью оптимизации согласования с водной средой измерение импеданса антенны или электропроводности воды и, соответственно, регулировку тока в передающей антенне и коэффициента усиления приемного тракта целесообразно осуществлять непосредственно в процессе связи.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где

на фиг.1 показаны варианты приемопередающей антенны, размещаемой на гидрокостюме акванавта;

на фиг.2 представлена блок-схема устройства для связи между акванавтами.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Электроды 1 и 2 дипольной антенны выполнены путем частичного покрытия гидрокостюма акванавта электропроводящим материалом. Размеры и расположение электродов влияют на величину отношения определяющего эффективность антенны. При построении антенны один электрод располагается вблизи головы, а другой - в районе ног акванавта. Размеры электродов следует выбирать такими, чтобы величина имела бы максимальное значение.

Оценка величины может быть осуществлена экспериментально по следующей методике. Гидрокостюм акванавта (фиг.1), выполненный из изоляционного материала, покрывают от пояса в две стороны проводящим покрытием. При этом нижняя и верхняя половины образуют электроды 1 и 2 дипольной антенны. Антенну соединяют с источником переменного тока. Измеряют ток I в антенне, импеданс Z, а также величину напряженности электрического поля Е в произвольной фиксированной точке приема 3. По величине Е оценивается величина эффективной длины ℓ антенны. После каждого измерения размеры электродов изменяются, например, путем срезания части проводящего покрытия каждого электрода, т.е. уменьшая размеры электродов, но при этом увеличивая расстояние между их центрами. Далее строится кривая зависимости от величины электродов и определяется максимум этой кривой. Достижение максимального дипольного момента означает обеспечение максимального значения сигнала в точке приема, и, следовательно, повышение надежности и эффективности связи. Качественно этот максимум соответствует случаю, когда размеры обоих электродов и размер промежутка между ними примерно соизмеримы. Поскольку в районе, близком к оптимуму, изменения размеров электродов не приводят к значительным изменениям величины то нет необходимости строго добиваться максимума.

На фиг.1 показано три варианта электродов, размещаемых на акванавте. В варианте А, соответствующем известному устройству [2], слишком большое значение импеданса Z. Простое увеличение электродов позволяет повысить эффективность связи за счет снижения собственных шумов приемника и увеличения тока передатчика при той же мощности. Чрезмерное увеличение размеров электродов также не эффективно - в варианте В слишком маленькая эффективная длина ℓ. Из вариантов, показанных на фиг.1, вариант Б эффективнее вариантов А и В и ближе к оптимальному. Оборудование, одеваемое на акванавта, может содержать проводящие части, поэтому модельные измерения лучше проводить с учетом этого оборудования. Важно, что полученное оптимальное решение (размер и форма электродов) не зависит от величины электропроводности воды. Таким образом, не требуется повторения вышеописанной процедуры при переходе в другой район эксплуатации с другими значениями электропроводности воды,

С целью повышения удобства эксплуатации в качестве материала для электродов могут быть применены электропроводящие углеродные волокнистые материалы. Эти материалы в настоящее время выпускаются в виде нитей, лент и тканей научно-производственным предприятием «Увиком» (см. www.textileclab.ru/uvikom.html). Углеродные материалы обеспечивают высокую стабильность и низкое значение электрохимической составляющей импеданса в водной среде, в том числе морской. Это делает их перспективными для применения не только в области звуковых, но и инфразвуковых частот, использование которых, согласно [3] обеспечивает повышение надежности связи. Эти материалы не подвержены коррозии, а их гибкость не причиняет неудобств акванавту при покрытии ими заметной части гидрокостюма.

Блок-схема устройства для связи между акванавтами показана на фиг.2. Как и известные устройства, оно содержит преобразователь 4 передаваемого сообщения в электрический сигнал, усилитель 5 мощности, выход которого соединен через согласующее устройство 6 с дипольной антенной 7, которая, в свою очередь, соединена через усилитель 8 принятого сигнала с преобразователем 9 этого сигнала в форму, удобную для восприятия. В отличие от известных устройств согласно данному изобретению дополнительно введены блок 10 регулировки тока в передатчике и коэффициента усиления приемного тракта и модулятор 11 для преобразования аналогового сигнала в цифровой, усилитель 5 мощности работает в импульсном режиме, а согласующее устройство 6 выполнено в виде интегратора. При этом вход модулятора 11 соединен с выходом преобразователя 4, а выход модулятора 11 - со входом усилителя 5 мощности. Модулятор 11 и усилитель 8 принятого сигнала имеют дополнительные управляющие входы, соединенные с выходами блока 10 регулировки тока в передатчике и коэффициента усиления приемного тракта. В состав устройства также может входить блок 12 измерения импеданса антенны или электропроводности воды, выход которого соединен со входом блока 10.

Устройство работает следующим образом.

Передаваемое сообщение, например, речь акванавта или кодовые сообщения, поступает на вход преобразователя 4. В качестве преобразователя 4 может быть использован микрофон, ларингофон, синтезатор сигналов и т.п. Полученный электрический сигнал преобразуется в последовательность цифровых импульсов посредством модулятора 11, управляемого блоком 10. Таким образом, длительность импульсов на выходе модулятора 11 определяется как текущей величиной передаваемого сообщения, например, речевого сигнала, так и величиной электропроводности воды. Усилитель 5 мощности, представляет собой мощный низкоомный ключ, управляющий вход которого соединен с выходом модулятора 11, а выход - со входом интегратора 6, который восстанавливает исходную форму электрического сигнала. Амплитуда напряжения, коммутируемого ключами, также может регулироваться блоком 10, например, путем коммутации гальванических элементов, составляющих источник питания, в зависимости от величины электропроводности воды в районе эксплуатации. Например, при эксплуатации связного устройства в морской воде все гальванические элементы в источнике питания соединяют параллельно, а при эксплуатации в пресной воде - последовательно. Коммутация элементов может осуществляться как предварительно, так и в процессе работы. Другой возможный способ регулировки напряжения, коммутируемого ключами, применение переключаемых конденсаторов.

В режиме приема усилитель 8, вход которого соединен с дипольной антенной 7, усиливает принятый сигнал и подает его на вход преобразователя 9. Помимо регулировки усиления в зависимости от величины электропроводности воды в устройстве может быть предусмотрена коррекция частотной характеристики. Чем выше электропроводность воды, тем сильнее следует поднимать высокие частоты, компенсируя затухание.

Эффективность использования инфразвуковых частот при речевой связи между акванавтами может быть существенно повышена путем кодирования речи в посылки инфразвуковой частоты и их последующего декодирования на приеме. Для этого в состав преобразователя 1 передаваемого сообщения в электрический сигнал и/или преобразователя 9 принятого сигнала в форму, удобную для восприятия, следует включить узел кодирования и декодирования речевых сообщений.

Для поддержания оптимального согласования в условиях переменной электропроводности воды и для быстрой адаптации связных устройств к особенностям района эксплуатации целесообразно введение в состав устройства дополнительного блока 12 измерения импеданса антенны или электропроводности воды. Величина импеданса антенны может быть пересчитана в значение электропроводности воды или наоборот. Выход блока 12 соединен с управляющим входом блока 10.

Устройство связи целесообразно строить на базе общего сигнального процессора.

Источники информации

1. Патент США №3,668,617, кл. 340-4, 1966.

2. Переговорное устройство для легководолазов. В.Рублев, В.Симоненко «Спортсмен-подводник 68», 1982, с.30-33.

3. Патент РФ №2218665, кл.7 Н 04 В 13/00.

Изобретение относится к технике передачи информации в проводящих средах с использованием электрических полей в качестве физического носителя информации. Технический результат заключается в повышении эффективности и надежности передачи информации. Сущность изобретения состоит в том, что обеспечивают максимум величины отношения квадрата эффективной длины антенны к модулю ее импеданса путем оптимизации размеров и формы электродов дипольной антенны и их расположения на акванавте, регулируют ток в передающем тракте и коэффициент усиления в приемном тракте исходя из значения импеданса оптимизированной антенны. Передаваемый сигнал предварительно преобразуют в цифровую форму и усиление мощности осуществляют в ключевом режиме с последующим восстановлением формы усиленного аналогового сигнала путем интегрирования перед подачей на антенну. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ связи между акванавтами, заключающийся в том, что передаваемое сообщение преобразуется в электрический сигнал и далее после усиления его мощности в ток приемопередающей дипольной антенны, создающей в водной среде электрическое поле, напряженность которого в месте приема преобразуется антенной в электрический сигнал, а затем в форму, удобную для восприятия, отличающийся тем, что обеспечивают максимум величины отношения квадрата эффективной длины антенны к модулю ее импеданса путем оптимизации расположения на акванавте электродов антенны, их размеров и формы, ток в антенне и коэффициент усиления приемного тракта регулируют в зависимости от величины импеданса оптимизированной антенны, причем передаваемый сигнал предварительно преобразуют в цифровую форму и усиление мощности осуществляют в ключевом режиме с последующим восстановлением формы усиленного аналогового сигнала путем интегрирования перед подачей на антенну.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материалов для электродов применяются материалы, имеющие наименьшую величину импеданса на инфразвуковых частотах.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при передаче речевых сообщений до преобразования аналогового сигнала в цифровой производится кодирование исходного сигнала в посылки инфразвуковой частоты и их последующее декодирование на приеме.4. Способ по п.1., отличающийся тем, что измерение импеданса антенны или электропроводности воды для регулировки тока в антенне и коэффициента усиления приемного тракта производится непосредственно во время связи.5. Устройство для связи между акванавтами, содержащее преобразователь передаваемого сообщения в электрический сигнал, усилитель мощности, выход которого через согласующее устройство соединен с дипольной приемопередающей антенной, которая, в свою очередь, соединена через усилитель принятого сигнала с преобразователем этого сигнала в форму, удобную для восприятия, отличающееся тем, что дополнительно введен блок регулировки тока в передающем тракте и коэффициента усиления в приемном тракте, первый выход которого соединен с управляющим входом дополнительно введенного модулятора, преобразующего аналоговый сигнал в цифровой, а второй выход - с управляющим входом усилителя принятого сигнала, выход преобразователя передаваемого сообщения соединен через модулятор с усилителем мощности, выполненным в виде импульсного усилителя тока, согласующее устройство выполнено в виде интегратора, а электроды дипольной антенны выполнены путем частичного покрытия гидрокостюма акванавта электропроводящим материалом, причем размеры электродов и их расположение на гидрокостюме выбираются таким образом, чтобы обеспечить максимум величины l²/|Z|, где ℓ - эффективная длина дипольной антенны, Z - ее импеданс.6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в качестве материала для электродов применены электропроводящие углеродные волокнистые материалы.7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что преобразователь передаваемого сообщения в электрический сигнал и/или преобразователь принятого сигнала в форму, удобную для восприятия - звуковую или оптическую, включают узел кодирования и декодирования речевых сообщений.8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что дополнительно введен блок измерения импеданса антенны или электропроводности воды, выход которого соединен со входом блока регулировки тока в передающем тракте и коэффициента усиления в приемном тракте.