Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2021, T. 496, № 1, стр. 65-68

В настоящее время активное развитие техники натурного физического эксперимента в мелководных акваториях связано с применением различного вида автономных необитаемых устройств (аппаратов) или даже нескольких таких устройств, работающих в рамках единой сети [1]. Наиболее ярким примером здесь является развитие подобной техники для изучения и практического освоения арктического шельфа, но востребована она и для исследований крупных пресноводных водоемов. Особые требования предъявляются к подводным автономным аппаратам, работающим удаленно, и при наличии сплошного ледового покрова. В этом случае обмен информацией с подобными устройствами и между ними возможен только с помощью звукоподводной связи (ЗПС) [2]. Однако существенные фундаментальные особенности и возможности ЗПС подо льдом нельзя считать установленными и проверенными в натурных экспериментах даже в том в случае, когда расстояние r между корреспондирующими точками невелико и определяется соотношением r ≈ H – 40H, где H – глубина акватории. Вместе с тем, ввиду ограниченности мощности источников звука на автономных аппаратах, именно для этих расстояний целесообразно использовать ЗПС. Недостаток знаний о ЗПС подо льдом в основном связан с особенностями ледового покрова, для которого характерны многочисленные трещины и шероховатости. Его нельзя рассматривать как цельную твердую пластину с известными акустическими характеристиками. Кроме того, возникновение трещин на льду приводит к генерации импульсных акустических шумов. Все это затрудняет оценку качества ЗПС при численном моделировании, а о натурных экспериментах известно очень немного [3, 4]. В частности, в этих экспериментах применялся точечный приемник звука, тогда как уже известно о преимуществах использования для ЗПС вертикальных линейных антенн [5, 6]. Такие антенны позволяют подавить помеху, обусловленную межсимвольной интерференцией, а также повысить отношение сигнал/шум при акустических шумах, связанных с ветровым волнением [6].

В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований возможностей звукоподводной связи с использованием вертикальных приемных антенн в акватории с ледовым покровом, а также приведены оценки повышения эффективности ЗПС за счет их применения. Эксперименты были проведены на озере Байкал в марте 2019 г. В это время года на озере присутствует сплошной ледовый покров. Толщина льда в месте проведения экспериментов составляла около 66 см. Температура и скорость звука в воде слабо менялись с глубиной и составляли 1°C и 1409 м/с соответственно. Излучатель звука и две вертикальные цепочки гидрофонов были установлены в прибрежной зоне (H ≤ 86 м), а уклон дна от берега к центру озера достигал 45° (рис. 1).

Источник звука – пьезокерамическая сфера диаметра 80 мм – находился на глубине 18 м при глубине места 55 м. Первая приемная цепочка длиной 72 м, состоящая из J = 9 гидрофонов, была расположена в 66 м от излучателя в направлении от берега. Глубина в месте расположения первой цепочки составляла 86 м. Вторая цепочка состояла из  J = 10 гидрофонов и была установлена на расстоянии 353 м в направлении примерно вдоль берега в месте, где толщина водного слоя составляет 41 м. Глубины расположения гидрофонов показаны в табл. 1. Как показали модельные расчеты [6], именно на близких расстояниях может складываться наиболее неблагоприятная для передачи информации ситуация, связанная с межсимвольной интерференцией.

Для тестирования ЗПС передавался сигнал s₀(t) с двоичной фазовой манипуляцией. Его зависимость от времени может быть записана в следующем виде:

где f_c – несущая частота, m(t) – временная зависимость, отвечающая набору нулей и единиц, включающему преамбулу из двух одинаковых М-последовательностей, случайный ряд из N = 2000 символов (пробная передаваемая информация s₀(n), n – номер символа) и постамбулу также в виде M-последовательности. Использовались М-последовательности с разным числом символов от 127 до 1023. Несущая частота f_c равнялась 735 Гц (отметим, что частотный диапазон от 500 до 1000 Гц является оптимальным для передачи информации на Арктическом шельфе [6]). При выбранной частоте f_c мощность излучения составляла ≈0.01 Вт. Одному биту информации отвечало 4 или 6 периодов несущей, что соответствует скорости передачи информации 183.75 или 122.5 бит/с. Результаты, полученные на этих двух режимах, усреднялись. Перед излучением, а также после приема сигнал пропускался через фильтр типа “корень из приподнятого косинуса”, что позволяло избавиться от побочных максимумов в частотной области и сконцентрировать мощность сигнала в заданной полосе частот.

Формировать выходной сигнал приемной антенны можно различными способами. В настоящем исследовании применяется обработка, заключающаяся в когерентном суммировании сигналов с каждого гидрофона с предварительным подбором фазы несущей и выравниванием времени первого прихода (по прямому лучу). Подбор фазы и выравнивание времени выполняется по сигналам преамбулы и постамбулы.

Для количественной оценки качества передачи информации использовался коэффициент битовых ошибок BER и отношение сигнал/(интерференция + шум) SINR. BER равен доле ошибочных бит в посылке. SINR вычислялся следующим образом:

Здесь s(n) – мягкое решение [7] на выходе демодулятора. Мягкое решение нормируется таким образом, чтобы

и в общем случае является комплексным. Примеры мягких решений, полученных для сигналов на выходе первой и второй антенны, показаны на рис. 2.

Результаты оценки качества передачи информации при приеме на отдельные гидрофоны и с использованием антенны приведены в табл. 1. Данные получены при когерентном суммировании мягких решений четырех последовательных информационных сигналов. Это позволило увеличить SINR примерно на 10 lg4 = 6 дБ. Отсюда следует, что влияние межсимвольной интерференции на уровень битовых ошибок мало по сравнению с воздействием фонового шума и подледный канал распространения звука не менялся в течение нескольких минут. Несмотря на суммирование, отношение SINR оказалось достаточной низким, что объясняется малой мощностью источника звука. Большее значение SINR на элементах длинной антенны обусловлено их более близким расположением к излучателю. Соответственно на этой антенне удалось добиться безошибочной передачи информации (BER = 0).

Несмотря на общее снижение уровня шума в акваториях со сплошным ледовым покровом по сравнению с акваториями, свободными от льда, эпизодические моменты треска льда могут полностью перекрыть несколько бит информации, принимаемой на одиночный гидрофон, без возможности ее восстановления. В данном случае использование антенны позволяет избежать полной потери информации, так как время прихода импульсной помехи от возникающей близи приемной системы трещины будет неодинаковым для различных гидрофонов: помеха сначала приходит на верхний приемник, потом регистрируется на более нижних (рис. 3). Следовательно, на различных гидрофонах будут перекрыты разные информационные биты. (Здесь предполагается, что расстояние от излучателя информационного сигнала до приемной антенны много больше H, так, что время первого прихода полезного сигнала примерно одинаково на каждом гидрофоне.)

В заключение отметим, что применение вертикальных приемных антенн для ЗПС в мелководных волноводах с ледовым покровом оказывается особенно эффективным как вследствие стабильности канала передачи информации, так и ввиду особенностей поля фоновых помех. Использование таких антенн не исключает применения при необходимости других известных методов адаптивной эквализации, но существенным образом уменьшает требования к этим методам.