Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Беспроводная связь с подводным аппаратом. Учебное пособие
.pdf
41
Рисунок 2.12 – Зависимость сигнала приемника от расстояния от области
рассеяния до передатчика (1) и после приемника (2)
Исходя из минимального уширения передаваемых импульсов 25 нс, можно считать, что предельная скорость передачи на расстояние 20 м в водоеме не
превышает 20 МГц. Наличие нанопузырьков и взвешенных частиц во всем во-
доеме приводит к тому, что на фотоприемник одновременно попадают потоки
излучения, рассеянные по всей трассе. Поэтому уширение передаваемых оптических импульсов больше, чем приведено в таблицах. Также увеличивается величина постоянной составляющей и уменьшается доля переменной составляю-
щей регистрируемого потока излучения.
При использовании в качестве отражающих поверхностей дна или поверхности водоема можно увеличить длину трассы подводной оптической связи. Однако расстояние между излучателем и приемником для такой ПОС будет
меньше, чем для ПОС с прямой видимостью с таким же энергетическим запа-
сом.
2.6 Заключение по второй главе
Связь с подводным объектом может осуществляться посредством
атмосферных оптических линий сязи (АОЛС), бистатической (АБС),
подводными оптической (ПОС) или бистатической (ПБС) связи через радиосвязные буи с антенной и приемником оптического излучения, на который посылается сигнал для подводного объекта с использованием АОЛС – АБС, в
случае его подводного, приповерхностного расположения – ПБС.
В природных водоемах предпочтительнее использование ПОС с прямой
видимостью, обеспечивающей для любой мутности воды наибольшую даль-
ность связи. Показано, что наибольшим энергетическим потенциалом и минимальной межсимвольной интерференцией обладают бистатические ПОС, в которых рассеивающая область находится сбоку от приемного блока относитель-
но линии передатчик-приемник. В природных водоемах возможно использование таких бистатических ПОС для связи с частотой менее 20 МГц на расстояниях не более 20 м.
42
Рассеяние и поглощение лазерного излучения на взвешенных частицах и
нанопузырьках газа в воде значительно ограничивают возможности использования бистатической ПОС либо по интенсивности оптических импульсов (дли-
на связи), либо из-за межсимвольной интерференции (ограничение скорости
передачи информации). В пресной воде могут существовать нанопузырьки,
расчетный коэффициент ослабления излучения которыми составляет 0,89 м
-1
.
Ослабление на нанопузырьках обусловлено рассеянием, что оказывает значи-
тельное влияние на уширение импульсов бистатических ПОС.
В качестве рассеивающей области в бистатических ПОС можно использовать дно водоема, поверхность воды или область воды с более высокой за-
мутненностью, чем остальной водоем.
2.7 Контрольные вопросы для самостоятельной подготовки
1. Как может быть организована связь с подводным объектом?
2. Принцип работы атмосферной оптической связи.
3. Поясните технологию FSO.
4. Объясните и изобразите схему атмосферной оптической линии свя-
зи с прямой видимостью.
5. Принцип работы атмосферной бистатической связи.
6. Объясните и изобразите схему формирования внешних каналов
АБС.
7. С какой скоростью работает ИК канал согласно стандарту IEEE
802.11?
8. Перечислите достоинства и недостатки АОЛС.
9. Перечислите достоинства и недостатки АБС.
10. Опишите принцип работы подводной оптической связи.
11. Как определить коэффициент рассеяния на дисперсных частицах в
заданной точке внутри аэрозоля?
12. Объясните и изобразите схему АБС с рассеянием.
13. Как определить распространение излучения, если трасса оптическо-
го излучателя не однородна?
14. Что такое нанопузырьки и как они влияют на связь?
43
3 Сверхнизкочастотная-низкочастотная радиосвязь с
подводными объектами по лазерному каналу передачи
Освоение месторождений полезных ископаемых океана также требует
разработки и совершенствования систем сверхнизкочастотных-низкочастотных
(СНЧ-НЧ) систем радиосвязи, с помощью которых может быть послан сигнал
управления на подводный объект. Изучаются прибрежные шельфы при мони-
торинге климатических, биологических, химических и экологических изменений в различных водоемах как с использованием роботизированных систем, так
и подводных аппаратов и комплексов.
Данная глава посвящена результатам исследований возможностей ис-
пользования лазерного проводящего канала для СНЧ-НЧ-связи.
По результатам исследований опубликованы работы [75-77, 136-138].
3.1 Теоретические оценки по возможности создания протяженного
вертикального лазерного проводящего канала связи
В основе формирования электрической структуры объемных образований
в возмущенной атмосфере лежат процессы электризации молекул пара и аэрозольных частиц, находящихся в жидком и твердом состоянии, с последующим
перераспределением разноименных зарядов в морской атмосфере. При внесении в морскую атмосферу заряженного тела нарушается существующее рас-
пределение зарядов и, следовательно, изменяется пространственная структура
электрического поля. Объем области возмущения определяется величиной созданного заряда в атмосфере и концентрацией заряженных частиц в невозму-
щенной зоне [136, 137]. Движение возмущенной зоны можно описать (для случая ионных зарядов) следующим уравнением [139]:
( )
2
1
4
Qt
d
R
dt R
=
или
( )
3
3
4
d
R Q t
dt
=
, (3.1)
где
( )
Qt
и R ‒ соответственно ионный заряд внутри возмущенной зоны и
ее радиус;
– подвижность заряженных частиц;
ɛ – диэлектрическая проницаемость.
В условиях электрического и термодинамического равновесия (
0dn dt
=
,
где
n
– концентрация носителей заряда – аэроионов) и при отсутствии конвек-
тивного и адвективного переноса зарядов справедливо уравнение:
2
0n n N
− − =
, (3.2)
где
– интенсивность образования ионов;
44
и
– коэффициенты рекомбинации ионов друг с другом и с аэро-
зольными частицами;
N
– концентрация аэрозольных частиц.
При отсутствии зарядов на малых частицах (d≤0,1 мкм) и больших
(d≤0,1 мкм) классические соотношения для
выглядят следующим образом:
2
1
4
Vd
=
2 Dd
=
, (3.3)
где
V
и
D
– тепловая скорость и коэффициент диффузии иона.
Из этих трех выражений для электропроводности атмосферы, при нали-
чии в основном грубодисперсного аэрозоля, можно записать [140, 141]:
2
2
e
kTNd
=
. (3.4)
И для случая очень мелкого аэрозоля (d≤0,01 мкм):
( )
2
4 n
Vn
ed N
−
=
. (3.5)
То есть электропроводность зависит, в первом случае, равно как от раз-
мера частиц, так и от их концентрации. А появление очень мелких частиц со-
провождается увеличением проводимости воздуха.
Вертикальный профиль ионизации в канале лазерного пучка при наличии
паров легкоионизируемых примесей описывается выражением [137,142]:
( )
( )
0
0
exp
ср
ie в в a i
i
I
N N h x x
= = − + +
, (3.6)
где Ne, Ni – средняя концентрация электронов и ионов в канале УФ-пучка;
0ср
I
- интенсивность излучения на выходе УФ-лазера;
в
,
a
– коэффициенты ослабления лазерного излучения воздухом и
атомами испаренного вещества;
i
– потенциал ионизации;
0
x
– расстояние от лазерного источника до легкоионизируемой приме-
си Al2O3;
1
x
– текущая координата излучения в среде распыленных частиц Al2O3;
α – постоянная тонкой структуры;
h – постоянная Планка.
Для практических целей наиболее целесообразно использовать частицы
Al2O3. Если длительность лазерного Nd-импульса составляет τи=2∙10-9 c, фактор
45
эффективности поглощения материалом частицей K
а
=0,5, интенсивность излу-
чения лазерного импульса I, радиус облучаемых частиц RчAl2O3, концентрация
частиц NчAl2O3, плотность вещества частиц ρчAl2O
3
, удельная теплота испаре-
ния γ
испAl2O3
, высота трассы Hтр, тогда полная энергия испарения частиц в ла-
зерном луче сечением 1 см2 составляет:
3
34
исп ч ч ч исп тр
E R N Н
=
, (3.7)
где R
ч –
радиус облучаемых частиц аэрозоля;
Nч – концентрация частиц;
ρ
ч –
плотность вещества частиц;
γ
исп –
удельная теплота испарения;
Hтр – высота трассы канала ионизации.
Для Rч=3∙10-4 см, ρч=3 г/cм-3, Nч=10 част/см3, Hтр=1000 м, γ
исп
=9200 Дж/г,
плотность энергии в пучке неодимового лазера, необходимая для испарения ча-
стиц, находящихся в канале пучка, составляет:
E
исп
=1,04 Дж/см2. (3.8)
Для Nd-лазера интенсивность I
исп
= 1,04 Дж∙см-2 / 2∙10-9 с= 0,5∙109 Вт/см2.
Если длительность лазерного импульса
𝜏
и
= 2∙10-9 с, а энергия в импульсе
Е
и
=10 Дж, то мощность импульса:
Nи =10 Дж / 2∙10-9 с=5∙109 Вт.
Тогда средняя интенсивность для диаметра Д
0
пучка 30 мм после оптиче-
ского коллиматора составит:
Iи = 5∙109 Вт / 3,14∙1,52 см2 = 0,7∙109 Вт / см2. (3.9)
Итак, на выходе оптического коллиматора средняя интенсивность будет:
Iи = 0,7∙109 Вт / см2. (3.10)
На рисунке 3.1 показано изменение электронной концентрации в зависи-
мости от интенсивности УФ-излучения (0,35 мкм), построенной на основании
работ [143-146] для веществ с потенциалом ионизации 2-5 эВ, в канале пучка в
зависимости от интенсивности лазерного излучения. Видно, что при интенсивности 10
8
Вт / см2 достигается электронная концентрация 1012 см-3.
46
Рисунок 3.1 – Изменение электронной концентрации в зависимости от
интенсивности УФ-излучения (0,35 мкм)
На рисунке 3.2 приведена зависимость электронной проводимости возду-
ха в зависимости от интенсивности излучения ультрафиолетового лазера.
Рисунок 3.2 – Электронная проводимость воздуха в зависимости от
интенсивности УФ-излучения лазера
Видно, что для достижения средней проводимости, соответствующей
проводимости, например, тлеющего разряда 10-2-30 (Ом×м)
-1
, которая может
быть использована в качестве среды, способной проводить и излучать электро-
магнитные волны, необходима интенсивность УФ-излучения 108-1010 Вт/см2
[138].
47
3.2 Исследование проводимости атмосферного лазерного канала
Основным методом измерения проводимости воздуха является так назы-
ваемый метод рассеивающего тела [146, 147]. Его сущность состоит в том, что
потеря заряда изолированным телом зависит от проводимости окружающего
воздуха. В этом случае регистрируя изменение потенциала изолированного те-
ла, можно определить величину проводимости воздуха.
Потеря заряда Q происходит по закону Кулона:
dQ dt Q
=−
, (3.11)
где а – коэффициент рассеяния, зависящий от электрических свойств
окружающей среды.
Пусть в воздухе находится проводник, имеющий некоторый положительный заряд Q+. Тогда под действием поля Е0, соударяющегося у какого-то элемента поверхности dS, к проводнику потекут заряды противоположного знака и
изменение количества электричества на проводнике в первое мгновение может
быть записано в виде:
0
1
k
ii
i
s
dQ
eU n E dS
dt
+
−−
=
− =
, (3.12)
где ni- – концентрация ионов с подвижностью Ui-;
е – заряд иона.
Отсюда:
1
1
4
k
ii
i
dQ
e U n
Q dt
−−
=
+
−=
.
(3.13)
С другой стороны, проводимость σ может быть представлена в виде:
11
kk
i i i i
ii
e U n e U n
− + − − + +
==
= + = +
,
(3.14)
где
1
k
ii
i
e U n
− − −
=
=
– проводимость, создаваемая отрицательными ионами;
1
k
ii
i
e U n
+ + +
=
=
– проводимость, создаваемая положительными ионами.
Из сравнения выражений (3.13) и (3.14) следует, что:
1
4
dQ
Q dt
+
+
−=
. (3.15)
48
Сравнивая (3.11) и (3.15), получаем а+=4πλ-. Очевидно, что для коэффи-
циента рассеяния отрицательного заряда а-=4πλ
+
Таким образом, определяя потерю проводником заряда, можно опреде-
лить как положительную, так и отрицательную проводимость воздуха. Однако
переход ионов из воздуха на заряженный проводник изменяет концентрацию
ионов в прилегающем объеме воздуха, а также создает дополнительное поле от
объемного заряда, оставшегося в воздухе.
Устранить влияние изменения проводимости и действие объемного заря-
да на скорость рассеивания заряда можно, введя непрерывное обдувание заря-
женного тела (тела рассеивания) потоком воздуха. При этом скорость прохож-
дения потока воздуха должна быть достаточно большой, чтобы не было заметно влияние объемного заряда и изменений ионной концентрации в соответствии с заданной точностью измерений. При этом подразумевается, что обтекающий тело воздух однороден по своим свойствам. На основе описанного ме-
тода был изготовлен датчик проводимости воздуха (аэрозольной среды) [148].
Структурная схема датчика для измерения проводимости воздуха представлена
на рисунке 3.3, где
1 – сферический конденсатор (тело рассеивания);
2 – сетчатый экран;
3 – источник тока;
4 – предварительный усилитель;
5 – секундомер;
6 – пороговое устройство;
7 – блок индикации.
Рисунок 3.3 – Схема датчика для измерения проводимости воздуха
Датчик состоит из измерительной головки и электронного блока и рабо-
тает следующим образом. Сферический конденсатор заряжается от стабилизи-
рованного источника тока и начинается разряд конденсатора, обусловленный
наличием заряженных частиц в воздухе. На рисунке 3.4 показана зависимость
49
разряда заряженного сферического конденсатора от времени.
Рисунок 3.4 – График разряда заряженного сферического конденсатора
При достижении некоторого порогового значения U1 срабатывает порого-
вое устройство и включается секундомер отсчета времени, при достижении некоторого значения U2 пороговое устройство отключает секундомер, результат
высвечивается на табло блока индикации.
Результатом измерений является время, необходимое для разряда сфери-
ческого конденсатора от величины U1 до U
2
. Для сферического конденсатора
имеем:
12
0
21
4
rr
C
rr
=
−
, (3.16)
где С – емкость конденсатора;
r1 и r2 – радиусы сфер конденсатора.
Отсюда можно получить формулу для времени разряда конденсатора от
U1 до U2:
10
n
=
, (3.17)
где σ
1 –
электропроводность среды.
Отсюда
10
n
=
(по времени разряда можно рассчитать электропро-
водность среды). Для компенсации объемного заряда и поддержания постоян-
ной концентрации аэроионов датчик необходимо обдувать потоком воздуха со
скоростью 1-3 м/с.
Если в электрическое поле внести проводящее тело, последнее электризу-
ется. Плотность зарядов в какой-либо точке тела будет равна
4
Н
E
=
, где ЕH
– напряженность поля, нормальная к поверхности в точке измерения δ. Между
ЕH и напряженностью поля Е существует зависимость Е
H
=kЕ, где k – коэффи-
циент нарушения, определяемый конфигурацией тела и конфигурацией поля.
50
Если поле до внесения тела можно считать равномерным, то k определяется
только конфигурацией тела и его положением в поле.
Таким образом, между напряженностью электрического поля и плотно-
стью заряда на проводящем теле существует прямая пропорциональность.
Все методы непосредственного измерения напряженности электрического
поля в атмосфере основываются на измерении тем или иным способом поверх-
ностного заряда на теле, внесенном в электрическое поле [148].
Одним из наиболее применяемых методов измерения напряженности
электрического поля атмосферы является динамический метод измерения с помощью электрических генераторов, который основан на том, что при внесении
в переменное электрическое поле проводящего тела в последнем возникает
движение индуцированных зарядов. Величина тока, создаваемого перемещающимися зарядами, пропорциональна вызывающему его изменению поля. Это
обстоятельство используется для создания приборов, измеряющих напряжен-
ность электрического поля.
Разработано множество конструкций электрических генераторов, применяемых для измерения поля. Генератор должен преобразовывать измеряемое
постоянное электрическое поле в переменное, воздействующее на измерительный электрод. Во всех этих конструкциях существует элемент, за счет периодического перемещения которого изменяется величина электрода, восприни-
мающем поле [148].
Рисунок 3.5 – Структурная схема датчика для измерения напряженности
электрического поля атмосферы
На рисунке 3.5 представлена структурная схема датчика для измерения
напряженности электрического поля атмосферы, где
1 – генератор;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]