книги из ГПНТБ / Аграновский, К. Ю. Основы теории радиоэлектронных систем морских объектов

для океанографических исследований, кодирование командных сиг­ налов производится четырьмя различными частотами [109]. Команд­ ному сигналу соответствует комбинация из двух частот. Кроме того, каждая команда формируется из шести двухчастотных импульсов

сопределенной длительностью импульсов и интервалов между ними.

Всистеме «Ratac-5600» формируется 56 команд. В системе «Ratac1200» образуется 12 команд.

Одновременная передача сигналов на двух частотах и временная

селекция импульсов позволяет выделить рабочий сигнал на фоне по­ мех. Кроме того, приемный канал оказывается защищенным от широ­ кополосных шумов и импульсных помех.

Для передачи информации от датчика на обеспечивающий ко­ рабль используются семь несущих частот. Частоты передаются по­ следовательно. Каждая из них соответствует определенному разряду семизначного двоичного кода. Присутствие в передаче данной частоты означает передачу единицы разряда, а ее отсутствие — нуля. Система позволяет передачу 128 сообщений или 128 уровней квантования одной величины.

В приемной аппаратуре обеспечивающего корабля информация поступает на семь узкополосных фильтров, согласованных по частоте с несущими частотами передачи. После фильтров сигналы поступают на интеграторы, а оттуда в блоки памяти и преобразователи последо­ вательного кода в параллельный. Затем параллельный код преобра­ зуется в цифровой десятичный код и регистрируется на счетчике.

Оператор имеет возможность с помощью пульта управления про­ изводить опрос всех датчиков управляемого объекта и выводить ин­ формацию на визуальный индикатор или записывать в блок памяти. Информация из блока памяти может быть в любое время считана и вы­ ведена на индикатор.

В системе TELTAC (Франция) [62], предназначенной для работы с буровыми подводными установками, пульт управления позволяет осуществлять поворот корабельной приемно-изЛучающей системы

вгоризонтальной и вертикальной плоскостях.

Вподводном автономном контейнере также предусмотрена возмож­ ность ориентации характеристики направленности приемно-излучаю- щей системы в требуемом направлении.

Помехоустойчивость гидроакустического канала обеспечивается следующими мерами:

—сигнал запроса формируется из двух частей;

—для каждой цифры и команды выделяются поднесущие частоты;

—каждому элементу сообщения дают свои порядковые номера;

—используется специальный сигнал для обозначения длины со­ общения.

Приемный тракт аппаратуры управляемого объекта, например буровой установки, работаетвтрехрежимах: дежурном, прослушивания и связи. В дежурном режиме воспринимается первая часть сигнала запроса в виде немодулируемого сигнала несущей частоты (f = 20 -ь 30 кГц; т = 3 с). По этому сигналу аппаратура контейнера перево­

дится в режим прослушивания.

20

В режиме прослушивания с обеспечивающего корабля передается вторая часть сигнала запроса. Эта часть сигнала является позывным запрашиваемой буровой установки. Буровая установка переводит ап­ паратуру в режим двусторонней связи. Все остальные установки, включенные первым сигналом в режим прослушивания, по истечении двух минут автоматически возвращаются в дежурный режим.

Ответный сигнал буровой установки в режиме двусторонней связи также состоит из двух частей: первая часть представляет собой позывной установки, а вторая часть — информацию о состоянии того или иного механизма буровой установки. Принятая информация об­ рабатывается бортовой аппаратурой судна и поступает на индикатор в виде цифрового кода. По данным обработки полученной информации на контейнер передаются команды управления. В конце связи аппара­ тура буровой установки по команде или автоматически (через 2 мин) переходит в дежурный режим.

Передача информации о состоянии установки представляет собой сообщение из двух частей. Первая часть включает сведения о резуль­ татах аналоговых измерений контролируемых параметров установки.

Вторая часть сообщения включает сведения дискретного харак­ тера: включено, выключено, открыто, закрыто и т. д. Оно кодируется номерами сообщения с помощью четырехразрядного равномерного кода С использованием всех четырех поднесущих частот.

Рабочая глубина системы TELTAC составляет 300 м. Ее дальность действия 5500 и 11 000 м.

Система SC-1 (США) предназначена для контроля подводных бу­ ровых установок, управления механизмами скважин, обслуживания нефтехранилищ, освобождения притопленных буев и т. п. Рабочая частота системы от 5 до 15 кГц, дальность действия 5500 м, число ка­ налов 22, вид модуляции сигналов — КИМ — ЧМ [62 I.

Система NIO (Англия) [62] предназначена для включения акусти­ ческих маяков, открытия и закрытия траловой сети, отделения от якорей притопленных буев. В качестве кода команд в системе исполь­ зуются фиксированные значения поднесущих частот. Частотная мо­ дуляция несущей и большая длительность командного сигнала, по мнению авторов разработки, обеспечивают наибольшую помехоустой­ чивость системы в условиях воздействия па приемник шума моря. Использование сферического титанато-бариевого приемника в кон­ тейнере позволяет обеспечить работу системы на глубинах до 5000 м.

Дополнительным мероприятием обеспечения высокой помехоустой­ чивости системы является применение в приемном тракте контейнера трех ступеней фильтрации сигнала.

Кроме частотной, в приемном канале имеется временная фильтра­ ция, заключающаяся в том, что исполнительное реле срабатывает с выдержкой времени после появления сигнала. В соответствии с уста­ новленной выдержкой времени выбирается длительность командного сигнала, которая должна быть несколько больше выдержки времени. В схеме исполнительного реле имеется прибор кратности. Поэтому окончательное выполнение задачи система может осуществить лишь с получением заданного прибором кратности числа команд.

21

1.1.2.Рыбопоисковые приборы

Принцип действия рыбопоисковых приборов. Рыбопоисковыми приборами принято называть подводные технические средства, используемые для обнаружения мест скопления рыб, определения па­ раметров косяков и контроля работы трала. Несмотря на некоторые особенности приборов в зависимости от их назначения, общим для всех них является гидролокационный принцип действия [41 ].

Рыбопоисковые приборы можно разделить на корабельные и бук­ сируемые. К первым относятся рыбопоисковые гидролокаторы, эхо­ лоты. Ко вторым — сетевые зонды. В буксируемых приборах в ка-

Рис. 1.10. Структурная схема поисковых приборов

Лр — гидроакустические преобразователи горизонтального (ГЛ) или вертикального (ЭЛ) трактов; ПВ У — поворотно-выдвижное устройство; Б У — блок управления; Г — генератор рабочей частоты; ПУ У — приемно-усилительное устройство; Б П — блок питания; Б З И — блок звуковой индикации; ИУ — индикаторное устройство с самописцем

честве канала связи для передачи информации на траулер исполь­ зуется кабель или гидроакустический канал.

Волновое сопротивление рыбы как отражающего препятствия для звуковых волн равно 1,65-105 Нс/м3. Оно немногим превышает волно­ вое сопротивление воды, равное 1,5-105 Нс/м3. Коэффициент отраже­ ния практически не превышает величины (3 = 0,15, в связи с чем чув­ ствительность гидроакустических рыбопоисковых приборов должна быть выше, чем навигационных того же принципа действия.

В последнее время в поисковых приборах используется эффект Допплера, позволяющий путем сравнения частоты отраженного сиг­ нала с частотой зондирующего сигнала оценить характер относитель­ ного движения корабля и косяка рыб.

Поисковые гидролокаторы и эхолоты. Типовая структурная схема рыбопоискового гидролокатора и эхолота одинакова. Она приведена на рис. 1.10.

22

Расстояние г до скопления рыбы определяется по времени Дt между посылкой зондирующего импульса и приемом эхо-сигнала:

Г —-сМ

где с — скорость звука в морской воде.

Короткие промежутки времени A t измеряются при помощи электро­ механических или электронных разверток. В аппаратуре, как пра­ вило, предусматриваются несколько разномасштабных обзорных диа­ пазонов. С этой целью в цепь запуска развертки вводится временная

L = 0,514/w Ь = 30,8— у,

где t — время прохождения над косяком по отметкам наблюдателя или по данным эхограммы, с; v — скорость судна, уз; L — длина за­ писи на эхограмме, мм: v — скорость движения самописца, мм/мин.

Вертикальная протяженность и глубина залегания определяются по эхограмме как разность между нижней и верхней границами ко­ сяка. При этом допускается ошибка двоякого характера. Во-первых, за счет неодновременности прихода фронта волны до отражающей поверхности и угла раствора диаграммы направленности (рис. 1.11) создается ошибка измерения, равная Ah. Во-вторых, пространствен­ ная протяженность импульса в чистой водной среде изменяется при прохождении зондирующим импульсом толщи косяка. За счет процес­ сов реверберации внутри косяка может происходить увеличение дли­ тельности эхо-сигнала по сравнению с зондирующим импульсом. За­ пись удлиненного эхо-сигнала воспринимается как увеличение про­ тяженности косяка. ‘

23

Плотность рыбы в косяке оценивают по интенсивности записи на эхограмме. Значительную роль в этом играет опыт оператора по расшифровке записей.

С целью повышения придонного лова в аппаратуре эхолотов приме­ няются специальные устройства. Такие устройства получили название каскада «Белая линия» и «Дно» в отечественных эхолотах и в эхолоте

«Хамбер» (США) [41].

Ваппаратуре с каскадом «Белая линия» блок усиления обладает регулируемой избирательностью эхо-сигналов по интенсивности. При поступлении на вход схемы сигнала, равного или выше установлен­ ного порога, усилитель запирается на некоторый промежуток времени. На ленте самописца возникает пропуск в записи («белая линия»), по величине пропорциональный времени запирания усилителя. Порог запирания усилителя устанавливается по максимальному эхо-сигналу от грунта. Скопление рыб в придонном слое в таких регистрирующих устройствах более четко изображается над «белой линией».

Внекоторых эхолотах в схемы усилителей включаются дифферен­ цирующие цепи, укорачивающие принятый эхо-сигнал. Благодаря этому появляется возможность более четкого разделения записей косяков рыбы и грунта.

Устройство «Дно» нашло применение в эхолотах с индикацией сиг­ налов на электронно-лучевой трубке. Сущность работы этого уст­ ройства заключается в следующем. После каждой посылки зондирую­ щего импульса сигнал с приемного вибратора поступает в блок па­ мяти и параллельно с этим на селектор. В последнем выделяется сигнал от грунта, который является синхросигналом для запуска развертки осциллографа и включения блока воспроизведения. Блок воспроизве­ дения обеспечивает многократную подачу записанной в блоке памяти информации на входе осциллографа и этим помогает более четкому рассмотрению записи. Затем при новой посылке зондирующего им­ пульса работа схемы возобновляется в том же порядке.

Устройство «Дно» позволяет, во-первы'х, стабилизировать изобра­ жение на экране электронно-лучевой трубки вне зависимости от ме­ няющегося рельефа дна; во-вторых, применять более крупный масш­ таб развертки (5—10 м), облегчающий расшифровку эхограммы.

Сетевые зонды. Сетевые зонды являются телеметрическими систе­ мами для контроля и управления работой рыболовецких тралов. Успешность лова зависит от установочных данных трала — глубины его хода, раскрыва и т. д.

Типовая схема действия сетевых зондов приведена на рис. 1.12. На трале в определенных местах закрепляются различные датчики: гидроакустические, гидростатические, тензометрические и темпера­ турные.

Гидроакустические датчики 2 предназначаются для контроля глубины хода трала, величины его раскрыва и количества рыбы в трале. Гидростатические датчики 4 используются для контроля глубины хода трала. Тензометрические датчики 5 контролируют на­ тяжение в различных местах трала. Температурные датчики 3 служат для измерения температуры воды.

24

Полученная от датчиков информация поступает на излучатель 1 и от него по гидроакустическому каналу на приемник 6. Далее сооб­ щения передаются по кабелю на индикатор 7, установленный в рубке траулера.

По принципу получения информации о глубине хода трала сете­ вые зонды делятся на гидростатические и гидролокационные. В ка­ честве датчиков глубины гидростатического зонда используются гидро-

статы. Обычно запись глубины производится на эхограмме одновре менно с регистрацией обнаруженных косяков рыбы. Такая запись позволяет устанавливать трал в соответствии с положением косяка. Приемник на корабле (или буксируемый) ориентирован в сторону

Излучатель можно закреплять на трале различным образом: на малых глубинах он устанавливается излучающей поверхностью вниз, на больших глубинах — излучающей поверхностью вверх. В первом

25

обусловливается тем, что трал буксируется за кормой на расстоянии до 1 км и приходит в место, где был зарегистрирован косяк, с некото­ рым опозданием. При скорости хода 10 уз опоздание может составлять около 3 мин. Смещение косяка за это время может оказаться существен­ ным.

Для повышения точности наведения трала на косяк возможна установка поискового устройства, состоящего из гидролокационных зондов. Приемно-излучающая система такого устройства предпола­ гает наличие горизонтальных и вертикальных пар гидроакустических преобразователей. В каждой паре преобразователей диаграммы на­ правленности перекрываются. Они образуют равносигнальную зону. На рис. 1.14 показано сечение диаграммы направленности горизон­ тальной пары преобразователей. Здесь ОАг и ОА2 — направление

главных максимумов, ОО — ось равносигнальной зоны.

Характеристики сетевых зондов. Сетевой зонд ИГЭК-4 предназна­ чен для измерений глубины хода трала и его раскрытия. Является гидролокационным кабельным зондом. Применяется на глубинах до 600 м. Работает при скоростях траулера до 6 уз и волнении моря до 6 баллов.

Сетевой зонд FNZ-5NC (Япония) гидростатического типа с акусти­ ческим каналом связи.. Регистрирует только глубину хода трала. Имеет два диапазона измерений: 20—400 м и 20—800 м. Точность из­ мерения глубины +3 М. Дальность действия акустического канала 2000 м. Излучатель и приемник пьезокерамические с резонансной часто­ той 50 кГц. Угол раствора диаграммы направленности около 40°. Для передачи данных измерений используется частотная модуляция сигнала в диапазоне от 48,5 до 51,5 кГц. С регулятором частоты передатчика связан шток датчика глубины. Изменение частоты от 48,5 до 51,5 кГц соответствует диапазону измерения глубин от 0 до 800 м. Приемник буксируется на параване на глубине 10—15 м.

Сетевой зонд FNR-50 (Япония) гидролокационного типа с акусти­ ческим каналом связи. Применяется для поиска придонных рыб. Используются две рабочие частоты: одна для определения глубины хода трала, другая для передачи информации об условиях работы трала на приемник судна. Измерительно-передающий блок устанавли­ вается на трале. Он включает два титанато-бариевых преобразователя, один из которых ориентирован в вертикальной плоскости, второй — в горизонтальной. Вертикально ориентированный преобразователь выдает сигнал о величине раскрытия трала, о прохождении рыбы

26

27

28

в трал и о рельефе дна. Эхо-сигналы, воспринимаемые приемно-измери­ тельным устройством, передаются при помощи второго преобразова­ теля в направлении траулера. Принятые приемником сигналы пере­ даются по кабелю на блок индикатора. Наблюдение за работой трала и управление им осуществляется по записям на ленте самописца непрерывно в период всего времени лова рыбы.

§ 1.2. РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ

ДЛЯ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ

1.2.1.Общие сведения о средствах для океанографических исследований

Исследования океана в настоящее время осуществляются с помощью различного рода глубоководных аппаратов и обитаемых подводных станций [12, 21, 96 ].

Глубоководные аппараты позволяют проникать в глубь океана и находиться там только в течение весьма ограниченного времени. Значительно большими возможностями обладают ученые, используя обитаемые глубоководные станции.

К настоящему времени имеются два типа обитаемых станций. К первому типу относятся станции, свободно сообщающиеся с заборт­ ным пространством. Давление внутри таких станций определяется гидростатическим давлением на глубине их постановки. Обитаемые станции другого типа имеют прочные, изолированные от окружающей среды корпуса. Давление внутри таких станций должно сохраняться равным атмосферному.

Оборудование станций позволяет производить разнообразные ис­ следования океанографического, акустического, физиологического, биологического и психологического характера, а также обеспечивать освоение континентального шельфа.

Имеются различные проекты создания глубоководных станций. Один из таких проектов, разработанный фирмой «Chrysler» (США), предусматривает корпусную часть станции в виде цилиндров диамет­ ром около 4 м и длиною 27 м, устанавливаемых на глубинах 500— 2000. м. Снабжение станции и смену экипажей предполагается произ­ водить с помощью подводной лодки.

Другой проект рекомендует производить сборку станций вблизи дна из полых сфер диаметром 3,6 м. Каждая из сфер явится функцио­ нальным узлом станции. Предполагаемая глубина постановки станции 3700 м. Сборка станции должна производиться с помощью специальных глубоководных аппаратов. Созданы и создаются также различные телеуправляемые аппараты для подводных исследовательских работ. Так, например, телеуправляемый аппарат CURV имеет на борту:

—гидролокаторы бокового обзора с высокой разрешающей спо­ собностью, позволяющие обнаружить на дне моря предметы размером

внесколько десятков сантиметров;

—магнитометр;

— телевизионную аппаратуру;

29