Способ передачи информации от подводного объекта на летательный аппарат Российский патент 2019 года по МПК G01S13/78 

Предлагаемое изобретение относится к области специальной радиотехники, и может быть использовано в радиолокационных и гидроакустических системах при организации комбинированных каналов связи в морских условиях.

Известно, что при передаче информации между объектами, находящимися в разнородных физических средах (вода, воздух, грунт и др.), возникает проблема выбора: или единого оптимального носителя сигнала для этих сред, или оптимизации согласования различных носителей на границе раздела сред.

В частности, при организации связи на море для передачи сообщений от подводного объекта (ПО) на летательный аппарат (ЛА) может быть использован способ радиолокационного считывания акустических вибраций водной поверхности, облучаемой гидроакустическими волнами Ю.П. Дьяков, К.К. Ляпин, Н.И. Поздняков и др. Радиофизический метод зондирования гидроакустических полей. / Тезисы четырнадцатой Всесоюзной школы-семинара по статистической гидроакустике. - М: Акустический институт им. акад. Н.Н. Андреева АН СССР, 1986, с. 94-97; Патент РФ на изобретение №2257692 от 28.06.2005], см. Фиг. 1.

Акустический излучатель помещен в точке А на ПО, частота акустических волн Ω_a. Излучатель электромагнитных волн (ЭМВ) с частотой ω находится на ЛА в точке В. В общем виде отраженный сигнал ищется в точке С, он состоит из трех компонент: средней (СК) с частотой ω и двух комбинационных - верхней (ВКК) и нижней (НКК) с частотами соответственно ω+Ω_a и ω - Ω_a. Обозначения расшифрованы ниже.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является способ передачи информации, известный из статьи [Ю.П. Дьяков, К.К. Ляпин, Н.И. Поздняков и др. Радиофизический метод зондирования гидроакустических полей] и рассматриваемый в качестве прототипа, согласно которому предполагается фиксированное положение в пространстве как ПО, так и ЛА (вертолет, дирижабль, геостационарный спутник). При этом реализуется главное преимущество: полезная часть отраженного сигнала (ВКК) при соблюдении определенных условий направлена точно на ЛА (точка С совмещается с точкой В, Фиг. 1).

Однако в реальной обстановке на море и ПО и, особенно, ЛА (обычно -самолет) перемещаются в пространстве, ориентация антенн также заранее неизвестна, поэтому поиск и удержание в контакте освещаемых на поверхности зон («пятен засветки») на водной поверхности вырастает в сложную техническую и тактическую задачу.

Согласно способу, описанному в патенте [Патент РФ на изобретение №2257692 от 28.06.2005], эта задача в какой-то мере решается предварительным вызовом, посылаемым с ЛА на ПО с помощью лазерного луча, в результате чего их антенные устройства ориентируются встречно. Однако с изменением угла облучения поверхности электромагнитными волнами диаграмма направленности ВКК уходит из захвата антенной ЛА, и время связи значительно сокращается.

Целью предполагаемого изобретения является увеличение времени сеанса связи между движущимися подводным объектом и летательным аппаратом посредством удержания направленности ВКК путем перестройки частоты ω.

Теоретические расчеты показывают [Ю.П. Дьяков, К.К. Ляпин, Н.И. Поздняков и др. Радиофизический метод зондирования гидроакустических полей], что отраженная верхняя комбинационная компонента (ВКК) электромагнитных волн, несущая полезную информацию, может быть записана в виде:

где:

К - волновое число ЭМВ;

К_а - волновое число акустических волн;

Е_изл - напряженность поля, излучаемого с ЛА;

ω - круговая частота ЭМВ;

R₀ - расстояние от ЛА до центра облучаемого участка;

R_a0 - расстояние от ПО до центра облучаемого участка;

r₀ - расстояние от точки наблюдения до центра облучаемого участка;

М, N - коэффициенты, учитывающие векторные соотношения падающей и отраженной волн;

- орт направления падения акустической волны в текущую точку поверхности ξ(x,y,t),

q₀ - орт направления падения ЭМВ;

х, z - орты координат;

v - орт нормали к поверхности ξ(x,y,t),

- амплитуда вибрации поверхности воды,

ρс_а - акустический импеданс воды,

P_m - амплитуда акустического давления,

Ω_a - круговая частота акустических колебаний,

- единичный вектор поляризации падающей и рассеянной волны соответственно;

и - орты волновых векторов падающего и рассеянного электромагнитного поля;

- приращение расстояния до текущей точки на поверхности моря по сравнению с расстоянием до начала координат, которое помещено в середину освещаемой площадки;

- орт нормали к поверхности крупных волн;

, где - орт нормали к поверхности Σ(x,y,t)

При выполнении условия:

т.е. при встречном облучении и при К_а=2К показатель экспоненты ВКК в выражении (1) обращается в 0, и ВКК не зависит от крупного морского волнения. При этом максимум отраженного ЭМ поля ВКК наблюдается в направлении, определяемом условием:

где λ и λ_a - длины волн ЭМ и акустической соответственно.

При постоянстве частот облучения в случае отклонения направления падения ЭМВ от встречного на некоторый угол Θ произойдет симметричное отклонение ВКК на такой же угол, см. Фиг. 2:

т.е. ВКК, несущая полезную информацию, выйдет из диаграммы направленности приемной антенны ЛА, и связь прервется.

Переходя к частотам, выражение (3) записываем:

где с и c_a соответственно скорости электромагнитных и акустических волн.

Поставив в зависимость от времени частоту ЭМВ ω и угол Θ и дифференцируя, получаем:

Поставленная изобретением цель достигается тем, что синхронно с изменением угла облучения при пролете ЛА изменяют частоту облучения ЭМВ ω в соответствии с выражением (5). При этом максимум переизлученной ВКК будет оставаться в пределах диаграммы направленности приемной антенны ЛА, продлевая сеанс передачи информации.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокационных и гидроакустических системах при организации комбинированных каналов связи в морских условиях. Достигаемый технический результат – увеличение времени сеанса связи между движущимся подводным объектом и летательным аппаратом. Указанный результат достигается за счет того, что изменяют частоту электромагнитных волн синхронно с изменением угла падения по определенному закону. 2 ил.

Способ передачи информации от подводного объекта на летательный аппарат, основанный на встречном облучении участка морской поверхности с подводного объекта акустическими волнами и с летательного аппарата электромагнитными волнами, отличающийся тем, что, с целью увеличения времени сеанса связи, частоту электромагнитных волн изменяют синхронно с изменением угла падения волн в соответствии с законом:

где: с и с_а соответственно скорости электромагнитных и акустических волн;

ω - частота облучения электромагнитных волн;

Ω - частота акустических колебаний;

Θ - угол облучения электромагнитной волной морской поверхности при полете летательного аппарата;

обеспечивая нахождение максимума переизлученной верхней комбинационной компоненты электромагнитной волны в пределах диаграммы направленности приемной антенны летательного аппарата.