подводная кабельная цифровая волоконно-оптическая система связи

Формула изобретения

Подводная кабельная цифровая волоконно-оптическая система связи, содержащая береговые оконечные пункты, между которыми по морскому дну проложен подводный магистральный кабель, через определенные длины включены оптические ретрансляторы, от них на коротких отрезках кабелей на концах закреплены плавающие подводные гидроакустические станции, при этом на береговых оконечных пунктах системы установлены приемопередающие станции оптического диапазона, с помощью которых по оптическому кабелю передаются информационные сигналы, причем дистанционное питание подводных оптических ретрансляторов и подводных гидроакустических станций осуществляется с береговых оконечных пунктов по медной трубке, являющейся элементом конструкции подводного оптического кабеля, отличающаяся тем, что в системе дополнительно установлены подводные линейные ответвители, содержащие каждый преобразователь цифрового сигнала в сигнал гидроакустической станции на передачу с усилителем этого сигнала, а также преобразователь сигнала гидроакустической станции в цифровой сигнал на приеме с усилителем этого сигнала, причем гидроакустические станции расположены внутри корпусов подводных усилителей и ответвителей, при этом для осуществления связи суда оснащены малогабаритными маломощными гидроакустическими станциями, опускаемыми с борта в воду на кабель-тросе с помощью лебедки до нужной глубины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к технике проводной связи и может быть использовано для организации связи между подводными объектами (ПО) на большой глубине, а также судами и береговыми пунктами управления.

Известно, что наряду с подсистемами энергетики, навигации и др. на каждом ПО и судне имеются подсистемы связи сбора и обмена информацией.

Все подсистемы ПО и судов связаны со своими подсистемами связи, которые являются основными звеньями, соединяющими капитанов судов с вышестоящими начальниками и играют важнейшую роль в обеспечении согласованности действий.

Успешное выполнение поставленной задачи в значительной степени зависит от наличия своевременной и достаточной по объему информации. Эту информацию ПО, как правило, получают с береговых пунктов управления по радиоканалам радиосвязи СДВ и СНЧ, KB, СВ и ДВ диапазонов.

Аналог (Соловьев В.И., Новак Л.И., Морозов И.Д. Связь на море. - Л.: Судостроение, 1978, Система связи с ПО, стр.148,204).

Для связи с ПО в подводном положении используются сверхмощные (до 2000 кВт) береговые СДВ и СНЧ передающие радиоцентры (ПДРЦ). Главным элементом этих ПДРЦ являются антенные комплексы, содержащие десятки километров антенно-фидерных линий. Электропитание ПДРЦ обеспечивается дизельными электростанциями мощностью до 12000 кВт. Стоимость каждого такого центра составляет порядка 70 млн долларов.

Недостатками аналога являются низкая надежность и живучесть береговых антенно-фидерных линий СДВ, СНЧ ПДРЦ, а также их высокая стоимость.

Прототипом заявляемой системы является «Система подводной кабельной глубоководной связи с ПО». Катанович А.А. и др. Патент RU 2260249 С2 от 14.07.2003 г., кл. Н04В 10/16, 13/02.

Система подводной кабельной связи содержит два береговых оконечных пункта, между которыми по морскому дну проложен подводный магистральный кабель, через определенные длины включены оптические ретрансляторы, от них на коротких отрезках кабелей, на концах, закреплены плавающие подводные гидроакустические станции. На береговых оконечных пунктах системы установлены приемопередающие станции оптического диапазона, с помощью которых по оптическим волокнам кабеля передаются информационные сигналы. Дистанционное питание подводных оптических ретрансляторов и подводных гидроакустических станций осуществляется с береговых оконечных пунктов по медной трубке, являющейся элементом конструкции подводного оптического кабеля.

Недостатки прототипа состоят в том, что применяемые типы ГАС излучают сигналы большой мощности, до нескольких тысяч ватт, в область сферы на 360°.

Работа таких ГАС требует расхода значительной мощности электропитания, усложняет аппаратуру, увеличивает габариты ГАС.

Целью изобретения является расширение функциональных возможеностей подводно-кабельных систем связи путем создания двухсторонних гидроакустических каналов связи, при уменьшенной мощности излучения сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в систему, содержащую береговые оконечные пункты, между которыми по морскому дну проложен подводный магистральный кабель, через определенные длины включены оптические ретрансляторы, от них на коротких отрезках кабелей на концах закреплены плавающие подводные гидроакустические станции, при этом на береговых оконечных пунктах системы установлены приемопередающие станции оптического диапазона, с помощью которых по оптическому кабелю передаются информационные сигналы, причем дистанционное питание подводных оптических ретрансляторов и подводных гидроакустических станций осуществляется с береговых оконечных пунктов по медной трубке, являющейся элементом конструкции подводного оптического кабеля, в системе дополнительно установлены подводные линейные усилители и ответвители, причем гидроакустические станции расположены внутри корпусов подводных усилителей и ответвителей, при этом для осуществления связи суда оснащены малогабаритными малошумящими гидроакустическими станциями, опускаемыми с борта в воду на кабель-троссе с помощью лебедки до нужной глубины.

Такой принцип построения системы позволяет уйти от явления, когда границы подводных слоев воды с резкими перепадами температур или разности плотностей препятствуют прохождению гидроакустического сигнала в нужном направлении, что может нарушать связь между отдельными судами и делать ее невозможной.

Положение с диапазоном уровня передачи имеет существенные сложности. Приходится учитывать отличия в мощностях передачи гидроакустических сигналов и зависимость от дальности связи. Для передачи ГАС могут требоваться мощности до нескольких тысяч ватт.

Как известно, при приеме гидроакустического сигнала на разных расстояниях от излучателя интенсивность сигнала меняется в соответствии с соотношением:

где R - расстояние, км;

I_o - интенсивность акустических колебаний в точке их возникновения, Вт;

=0,036 f^3/2 - поглощение звука в воде, дБ/км;

f - частота, кГц.

Предельными значениями интенсивностей принимаемых сигналов можно считать интенсивности на расстояниях 0,1 и 50 км. Из соотношения (1) имеем отношение интенсивностей принимаемых сигналов для f=2 кГц (худший случай) J_c,01/J_с,50 75·10⁴, что соответствует 59 дБ.

Если к этой величине добавить динамический диапазон излучаемого сигнала (порядка 10-20 дБ), то становится ясной необходимость включения в тракт приема гидроакустических сигналов усилителя с автоматической регулировкой усиления на глубину порядка 60-80 дБ.

В предлагаемой системе расстояния между передающей ГАС и приемной ГАС

можно свести от 0 до нескольких метров и менее, что исключает проблемы описанные выше.

На Фиг.1 показаны функциональная схема системы подводной кабельной цифровой волоконно-оптической системы связи и общий принцип осуществления вариантов связи по ней между ПО, надводными судами и береговыми пунктами (БП), где:

1 - кабель основной оптической магистрали связи;

2 - подводный объект (ПО) - подводный аппарат, подводная лодка и т.д.;

3 - надводное судно;

4 - линейный подводный усилитель (ЛПУ) с гидроакустической станцией (ГАС);

5 - линейный подводный ответвитель (ЛПО) с гидроакустической станцией (ГАС);

6 - кабель ответвления от основной магистрали на промежуточный береговой пункт;

7 - гидроакустический приемопередатчик (ГПП);

8 - кабель-трос;

9 - пучки излучения от ГАС и ГПП;

На Фиг.2 показана блок-схема прохождения оптических информационных сигналов между ПО, судном и береговыми ПУ, где:

10 - береговые пункты (БП) А, Б, С, Д с комплексами каналообразующей аппаратуры;

11 - блок соединения оптических волокон (ОВ) и дистанционного питания, подаваемого по медной трубке линейного кабеля;

12 - преобразователь цифрового сигнала в ГАС на передачу;

13 - усилитель ГАС-сигнала на передачу;

14 - преобразователь ГАС в цифровой сигнал на приеме;

15 - усилитель принятого цифрового сигнала;

16 - рефлектор (излучатель/приемник) ГАС-сигналов;

17 - аппаратура дистанционного питания ЛПУ и ГАС;

18 - аппаратура контроля состояния кабельной линии;

19 - аппаратура контроля качества каналов связи;

20 - передающее оборудование;

21 - приемное оборудование;

22 - аппаратура цифрового группообразования каналов связи;

23 - аппаратный комплекс отображения состояния каналов связи и состояния кабельной линии;

Блоки 11-15 являются аппаратными частями ЛПУ 4 и ЛПО5, которые выполняют задачи передач и приема информации по оптическим волокнам кабельной линии.

Передающая часть (блоки 11, 12, 13, 16) снимает цифровые сигналы передачи с определенного оптического волокна (ОВ), преобразует их в ГАС-форму, который усиливается и поступает на рефлектор 16 и далее в воду узконаправленным пучком 9 вверх.

Приемная часть (блоки 16, 14, 15, 11) снимает с рефлектора ГАС-сигнал, преобразует его в цифровой вид, усиливает и подает его в ОВ определенное для приема информационных сигналов кабельной линии, которые принимаются на БП10, ПО2 или судне 3.

Опускаемые с борта ПО2 или судна 3 на кабель-тросе 8 маломощные гидроакустические станции аналогичны по принципу построения и функционирования.

Система работает следующим образом.

Для выхода на связь ПО 2 или надводное судно 3 подходят в точку расположения ближайшего от них ЛПУ 4 или ЛПО 5, становится над ним, и удерживается в режиме автоматического позиционирования. С борта ПО 2 с помощью лебедки на кабель-тросе 8 опускают гидроакустический приемопередатчик (ГПП) 7 до нужной глубины и подают сигнал-пароль. После идентификации сигнала свой/чужой на главной береговой приемопередающей станции 10 для связи выделяют определенный канал и организуют связь с вызывающим судном и, при необходимости, между нужными судами.

Главный БП 10 имеет данные нахождения ПО 2 и судов 3 в регионе расположения подводной кабельной системы связи и имеет возможность и технические средства для организации связи судно-судно, судно-ПО, ПО-судно.

Координаты точек расположения на морском дне кабельной магистрали связи, ЛПУ4 и ЛПО5 известны с точностью ±2 метра, они фиксируются с помощью навигационных систем во время прокладки кабеля магистрали связи.

В постоянном режиме система связи работает на прием, прослушивая подводную обстановку. Информационные сигналы, сформированные на приемопередающих береговых станциях БП10, ПО2 или судна 3, преобразуются из цифрового вида в ГАС либо наоборот, передаются и принимаются по оптическим жилам линейного магистрального кабеля, взаимно обрабатываются в аппаратных частях ЛПУ4, ЛПО 5 и по выбору преобразуются в телеграфный либо телефонный вид.

Каждый БП имеет комплекс каналообразующей аппаратуры 17-23, с помощью которой осуществляется дистанционное электропитание ЛПУ и ЛПО 17, преобразование в цифровой вид сигналов из аналоговой или телеграфной формы каналов связи 22, обмен информацией на передачу 20 и прием 21, контроль исправности кабеля, его оптических и электрических параметров 18-19, которые отображаются на экране мониторов 23.

В тракте передачи информации осуществляется преобразование аналогового (голосового) либо телеграфного сигнала в цифровой вид, который передается в ОВ кабеля линейного тракта.

В тракте приема пришедший по ОВ линейного кабеля сигнал в цифровой форме усиливается до нужного уровня, преобразуется в аналоговый вид и направляется на нужный телефонный или телеграфный канал связи. Количество ОВ в кабеле может быть различным, от 4 и более.

Эффективность предлагаемой системы заключается в том, что система обеспечивает возможность создания двухсторонней гидроакустической связи при малой мощности излучения сигнала, при этом значительно уменьшить расход электроэнергии и мощность питания ГАС, снизить вероятность повреждений в процессе строительства и повысить надежность и долговечность работы системы в целом.