Дипломная работа: Анализ гидроакустических сетей
Стало возможным не только передавать информацию на дальние расстояния, но и разворачивать целые сети для передачи информации под водой с обеспечением связи с внешними сетями.
При использовании данных сетей связи, как и любых других, необходимо cоблюдение нескольких условий:
передача информации между узлами должна осуществляться без потерь;
необходимо обеспечить минимальную задержку при передаче данных;
оптимальное использование ресурсов сети.
Для гидроакустической сети связи очень важным параметром является также потребление энергии, так как иногда уменьшение энергетических затрат достигается путем более длительной передачи информации.
Одной из проблем, возникающих при передаче информации в гидроакустических сетях, является проблема маршрутизации.
Маршрутизация позволяет определить оптимальный по заданным параметрам маршрут (например, количество транзитных узлов коммутации (УК), время задержки в элементах сети связи при передаче информации между пользователями, надежность элементов сети и так далее) на сети связи между абонентскими пунктами (АП) пользователей либо узлами коммутации.[9].
Целью данного дипломного проектирования является разработка структурной схемы для гидроакустической сети связи с использованием наиболее подходящего из нижеописанных метода формирования плана распределения информации (ПРИ) и исходящей линии связи (ЛС).
1 Определения
1.1 Классификация существующих гидролокационных устройств
Гидролокация – это обнаружение, определение местоположения и установление физической природы объектов в море с использованием отражения, переизлучения или собственного отражения акустических волн, распространяющихся в водной среде [7]. Акустическая волна в данном случае – это полезный сигнал, с помощью которого передаются данные в гидроакустическом канале. Скорость передачи акустической волны на пять порядков ниже, чем скорость распространения радиоволн. При условии хорошего распространения звуковой волны дальность связи обеспечивается до 10 километров и более. Существуют приборы – лучеграфы, которые по значениям скорости звука на нескольких глубинах автоматически вычерчивают траекторию звуковых лучей, направленных под различными углами к горизонту.
Важным фактором распространения звуковой волны является гидростатическое давление – глубина, на которой распространяется звук. Звуковой канал залегает в океане на глубине нескольких сотен метров. Возможны приповерхностные и поверхностные каналы, а также каналы в осадочных породах, застилающих дно [3]. Существуют пассивные слои-фантомы морского дна – скопление морских организмов, обуславливающих появление звукорассеивающих полей.
Гидролокационным наблюдением называется обнаружение объектов, определение их местоположения и измерение параметров движения гидроакустическими методами. Устройства, выполняющие эти функции – гидролокационные системы (ГЛС).
В зависимости от того, как отражается гидроакустический полезный сигнал, различают следующие виды гидролокационного наблюдения.
Гидролокационные системы наблюдения, основанные на отражении от объектов звуковых сигналов, излучаемых генератором гидролокационной системы. Отраженный гидроакустический сигнал несет информацию о координатах, параметрах движения объекта и о его физических особенностях. Такие гидролокационные системы называются активными. Они позволяют обнаруживать объекты, не являющиеся источниками активных излучений.
Гидролокационные системы наблюдения, основанные на приеме сигналов собственного акустического излучения объектов. Это пассивные гидролокационные системы. К полезным сигналам пассивных систем можно отнести шумы механизмов и машин, гидродинамические шумы, излучения генераторов гидролокационных систем.
Гидролокационные системы наблюдения, основанные на ретрансляции – переизлучении сигналов генераторов активных гидролокационных систем специальными ретрансляторами, что широко используется в навигации [7].
Схема гидролокатора такова: мощный электрический генератор создает звуковые или ультразвуковые импульсы-посылки. После излучения импульса излучатель переключается на режим приема колебаний и с этого момента начинает принимать эхо, отраженное любыми подводными препятствиями. Звуковая мощность гидролокатора очень велика.
Шумопеленгатор (пассивный гидролокатор) для надводного корабля – это подводные “уши”, а для подводной лодки и “глаза”, так как на больших глубинах гидроакустическое ухо слышит дальше, чем видит телевизионный подводный глаз.
В качестве приемников шумопеленгаторов применяют пъезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи. В первом случае под воздействием звукового давления получаются электрические заряды, которые подаются на вход усилителя, а он в свою очередь увеличивает электрическое напряжение до необходимого значения. А в магнитострикционном приемнике происходит преобразование звуковой энергии в энергию электро-магнитного поля.
Эхолот от гидролокатора отличается направлением звукового луча, отсутствием устройств, указывающих пеленг на отражающий объект. Для больших глубин рабочая частота уменьшается, чтобы затухание звука не ослабилось до уровня помех. Эхолот используется в качестве поводыря на судне указывающего когда можно двигаться полным ходом, когда следует замедлить ход или остановиться.
С помощью ГЛС производится обнаружение рыбных косяков, ведется картографирование морского дна и поиск полезных ископаемых в прибрежных районах морей, решаются задачи навигации и гидроакустической океанографии, проводится сейсмографическое прогнозирование, подводное управление транспортными средствами. Например, управление движением судов производится при помощи цепочки звукопроводящих маяков, располагающихся на якорях на дне моря по средней линии обслуживаемой трассы движения судов.
В рыболовном промысле рыболокаторы могут определить местонахождение рыбных скоплений в горизонтальном, вертикальном или обоих направлениях.
В основу ГЛС положено постоянство скоростей распространения звуковых волн в воде и прямолинейность их распространения в однородной среде, что позволяет определять расстояние до объекта прямым или косвенным измерением времени прохождения волн от ГЛС до объекта и обратно.
Существует множество типов подводных звукоприемников – волоконно-оптические, конденсаторные (с применением некоторых диэлектриков – меняющих свои свойства под воздействием колебаний) и другие.
Чтобы получить более сильные сигналы используют не один приемник, а группы подводных приемников.
Данные от гидролокационного устройства поступают на донные станции, датчики гидроакустической сети связи. Сеть состоит из большого числа датчиков, которые могут быть неподвижными, или медленно передвигающихся. Суммарная информация гидроакустической сети состоит из океанических параметров: например солености воды, температуры, подводных потоков. На поверхности располагаются станции, которые служат как шлюзы, обеспечивающие радиосвязь с береговыми станциями. Пользователями таких сетей могут быть метеорологические станции, военные центры, добывающая и промысловая промышленность и другие. Осуществляется и обратная задача, например субмарина может обратиться к внешним системам и осуществить передачу сигнала подводной сети.
Подводные лодки получают современное гидроакустическое оборудование обнаружения и связи, приборы для обнаружения работы гидролокационных станций противника, приборы для прогнозирования погоды.