Цифровий підводний акустичний зв’язок в мілкому морі.

Нiкiта Дмитрович Гладкіх
Кафедра Акустики та Акустоелектроніки, КПІ ім. Ігоря Сікорського
May, 2018
Повний текст (зовнішнє посилання)
 

Реферат

Дисертація присвячена розробці теоретичних засад принципів проектування і розробки гідроакустичного зв’язку адаптованого до умов мілкого моря з урахуванням особливостей розповсюдження імпульсних широкосмугових акустичних сигналів в гідроакустичних хвилеводах. Розроблені в роботі методи і рекомендації дозволяють спроектувати систему цифрового гідроакустичного зв’язку і спрогнозувати її продуктивність на основі напередзаданих вимог по швидкості передачі даних, споживаній потужності і частотному діапазону зв’язку. Алгоритм адаптації, що розроблено в роботі дозволяє в значній мірі підвищити продуктивність зв’язку в умовах канального розповсюдження імпульсних акустичних сигналів.
Для кількісної оцінки продуктивності системи цифрового гідроакустичного зв’язку в роботі автором запропоновано вираз для розрахунку продуктивності, що враховує швидкість передачі даних і її цільове значення, імовірність бітової помилки під час передачі, споживану потужність засобу зв’язку і її цільове значення, а також ефективність використання частотного діапазону. Отримані автором результати дозволяють не тільки якісно, а і кількісно порівнювати між собою системи зв’язку, що використовують різні методи модуляції і кодування інформації.
В дисертаційній роботі розроблено модель гідроакустичного каналу на основі хвилевої теорії, що дозволяє розрахувати векторне поле інтенсивності акустичних коливань від точкового джерела. Розроблена автором розроблено модель дозволяє розрахувати швидкість перенесення акустичної енергії коротким імпульсним синалом з урахуванням дисперсій. Модель надає можливість розрахувати вплив дисперсії на форму коротких широкосмугових акустичних сигналів з урахуванням дисперсієї під час їх хвилевідного поширення, розрахувати затримки розповсюдження акустичних імпульсів в хвилеводі. Це створює можливість спрогнозувати продутивність зв’язку в конкретних умовах.
В дисертаційній роботі встановлено і досліджено теоретично та експериментально наявність в гідроакустичному каналі вихорів потоку акустичної енергії. Розглянуте явище суттєво впливає на форму акустичних сигналів в хвилеводі, служить основою для моделювання акустичних полів в хвилеводі. Відповідно до результатів проведеного в роботі моделювання в акустичному каналі «вихори» акустичної енергії виникають періодично і утворюють зони «частотних завмирань», що суттєво ускладнює задачу передачі даних акустичними сигналами. Результати проведного в роботі моделювання «вихорів» акустичної енергії підтверджено експериментально. Це явище пояснюється взаємодією різночастотних компонент акустичного сигналу внаслідок дисперсії. Розглянуте автором явище «вихорів» акустичної енергії дозволяє більш точно спрогнозувати продуктивність зв’язку в умовах канального розповсюдження і надати рекомендації по вибору частотного діапазону під час проектування системи цифрового гідроакустичного зв’язку в залежності від заданих глибин і дальностей.
В роботі встановлено і досліджено явище переносу енергії коротким акустичним імпульсом в гідроакустичному каналі на швидкості відмінній від групової. Вплив дисперсії на короткі акустичні імпульси спотворює їх форму і впливає на швидкість переносу енергії. В роботі показано, що швидкість переносу енергії не дорівнює груповій швидкості і являє собою деяку нову велечину: «імпульсну швидкість». Імпульсна швидкість виникає внаслідок взаємодії частотних компонент, що складають акустичний імпульс і тим сильніше відрізняється від групової, чим ширшою є зайнята імпульсом частотна смуга. Розроблена в роботі модель гідроакустичного каналу дозволяє провести кількісну оцінку надлишкової затримки розповсюдження і швидкості переносу енергії акустичним імпульсом, що дає можливість підвищити точність використання акустичних сигналів для задач телеметрії в акустичних хвилеводах.
В роботі розглянуто вплив хвилеводного розповсюдження на спектр потужності і фазовий спектр акустичних сигналів. Показано вплив фільтраційних характеристик акустичного хвилеводу на форму акустичних імпульсів. Канальне спотворення призводить до збільшення імовірності бітової помилки під час передачі інформаційного повідомлення через цифровий гідроакустичний канал зв’язку. В роботі досліджено експериментально і за допомогою комп’ютерного моделювання вплив канального розповсюдження на імовірність бітової помилки. Проведене дослідження дозволило обрати найбільш продуктивний метод модуляції і кодування в складних умовах мілкого моря.
Вперше в роботі показано поширення «пачки» коротких акустичних імпульсів в гідроакустичному хвилеводі з урахуванням дисперсії. Хвилеводне розповсюдження спричинює зменшення/збільшення інтервалу між різночастотними імпульсами, що робить непридадтним використання частотного кодування і ускладнює використання сигналів з розширенням спектру. Особливості поширення «пачки» коротких акустичних імпульсів в дисперсіному середовищі може призводити до інтерференції різночастотних компонент, суттєвого спотворення форми частотномодульованих сигналів, чи, навіть, їх повного «руйнування».
В роботі проведено експериментальне дослідження зв’язку швидкості передачі даних і розрядності використовуваного коду системи зв’язку, ширини і положення смуги робочих частот. Також експериментально досліджено зв’язок імовірності бітової помилки в залежності від вказаних параметрів. Зазначена група експеримнетів дозволяє надати практичні рекомендації для проектування засобів гідроакустичного зв’язку по вибору розрядності коду, тривалості одного акустичного імпульсу, методу модуляції і кодування для збільшення продуктивності зв’язку. В ході цієї групи експериментів показано порівняння продуктивності системи зв’язку з розробленим автором алгоритмом адаптації і без такого.
Розроблений в роботі алгоритм адаптації полягає у використанні комбінації сигналів з розширенням спектру на основі різних неперервних, монотонних функцій в одному частотному діапазоні для задання послідовності імпульсів в повідомленні, а напередзадана синхронна послідовність використовується абонентом як «еталон» в межах одного пакету даних. Цей еталон відображає вплив канального розповсюдження і завад на акустичний сигнал. В роботі використовується припущення про стаціонарність характеристик каналу в інтервалі одного акустичного пакету, канал вважається таким, що змінюється повільно. Постійне оновлення «еталонної послідовності» дозволяє адаптувати систему зв’язку до динамічних характеристик каналу і суттєво збільшує продуктивність.
Результати дисертаційної роботи впроваджені в Державному підприємстві «Київський науково-дослідний інститут гідроприладів», що підтверджується відповідним актом впровадження і в навчальному процесі Національного технічного університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського».