Волоконно-оптическая линия связи для активно-пассивной гидроакустической станции с гибкой протяженной буксируемой антенной
Полезная модель относится к технике волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и может быть использована в активно-пассивной гидроакустической станции с гибкой протяженной буксируемой антенной (ГПБА), содержащей блок акустических излучателей и блок акустических приемников. Техническим результатом полезной модели является повышение надежности линии связи на участке ВОЛС, опускаемом за борт, при этом не изменяется диаметр антенны и кабеля-буксира. Для этого в кабель-буксир и ГПБА вводится дополнительный световод, в состав оконечной схемы антенной части ВОЛС включается второй волоконно-оптический приемо-передающий модуль, а к вращающемуся оптическому переходу добавляется волоконный разветвитель-объединитель Y-типа.
Полезная модель относится к гидроакустической технике и касается проектирования новых образцов гидроакустических станций (ГАС) для надводных кораблей с активно-пассивной гибкой протяженной буксируемой антенной (ГПБА) с волоконно-оптической линией связи (ВОЛС).
Известно, что ГАС с ГПБА является частью гидроакустического вооружения надводного корабля. Основным достоинством гидроакустического комплекса такого класса является существенное уменьшение влияния собственных шумов корабля на обнаружение гидроакустического сигнала от подводных или надводных целей благодаря отдалению гидроакустической антенны от корабля-носителя. Станция состоит из комплекса стационарной бортовой аппаратуры и механизмов, и комплекса опускаемых за борт корабля устройств. На борту корабля стационарно размещаются следующие основные составляющие ГАС: процессор в составе центрального вычислительного комплекса (ЦВК), кабель внутрикорабельной прокладки, вращающийся токосъемник в составе спускоподъемного устройства (СПУ), которое применяется для постановки-выборки забортной части комплекса. В опускаемую за борт часть комплекса ГАС входят: кабель-буксир, буксируемый носитель (БН) с акустическими излучателями и ГПБА с акустическими приемниками [1].
Проводная электрическая линия связи соединяет между собой ЦВК, БН и ГПБА и включает в себя кабель стационарной прокладки, токосъемник в составе спускоподъемного устройства, кабель-буксир и электронные оконечные приемопередающие устройства. Имеющийся электрический цифровой интерфейс реализует код «Манчестер - 2» и передает гидроакустическую информацию от акустических приемников ГПБА со скоростью 10,24 Мбит/с по коаксиальному проводу, входящему в состав грузонесущего кабеля диаметром 29 мм и длиной 300 метров.
В этом решении линия связи достигла предела своих возможностей. При необходимости увеличения числа акустических приемников, частотного или динамического диапазона принимаемых сигналов требуется увеличивать диаметр кабель-буксира, так как придется вводить новые электрические связи для сохранения качества передаваемого сигнала от буксируемой гидроакустической аппаратуры.
Однако существующая тенденция развития гидроакустических буксируемых антенн как раз и направлена на увеличение числа акустических приемников, создание многорядных и многолинейных антенн, комбинированных антенн с приемными и излучающими модулями, к обеспечению еще большего отдаления антенны от корабля-носителя, при этом требование минимизации диаметра кабель-буксира является одним из основных требований к новым ГАС с ГПБА.
По количеству общих признаков ближайшим аналогом к предложенной полезной модели является ВОЛС, описанная в [2].
В [2] предложена структура гидроакустической станции с активно-пассивной буксируемой гидроакустической антенной, где акустические излучающие модули включены в состав буксируемой антенны и осуществлена замена электрической линий связи на волоконно-оптическую линию связи. Принципиально волоконно-оптическая линия связи имеет возможность передавать существенно больший объем информации, с большей скоростью и на большие расстояния, чем это позволяет электрическая линия связи, используя при этом лишь один волоконный световод в качестве физической среды передачи сигналов, что позволяет существенно уменьшить диаметр кабель-буксира.
Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) для активно-пассивной гидроакустической станции реализует дуплексный режим обмена информацией на двух разных длинах волн по волоконному световоду. ВОЛС содержит волоконно-оптический приемопередающий модуль в составе центрального вычислительного комплекса, оптически соединенный с волоконным световодом в составе внутрикорабельного стационарного оптического кабеля, который оптически связан с вращающимся оптическим переходом комбинированного токоперехода спускоподъемного устройства. Световод кабель-буксира и световод ГПБА, оптически связаны между собой, а последний с волоконно-оптическим приемопередающим модулем, находящимся в гермоблоке ГПБА. Его электрический вход-выход соединен с входом программируемой управляющей микросхемы. Управляющая электронная микросхема, согласует оптический протокол приема - передачи с электрическим протоколом сбора информации от акустических приемников антенны и выдачи команд управления работой акустических излучателей.
В результате, использование ВОЛС в составе ГАС с ГПБА позволило заменить в кабель-буксире все электрические провода связи одним волоконным световодом, что существенно упростило конструкцию кабель-буксира, значительно уменьшило его диаметр, увеличило помехозащищенность передаваемой информации.
Однако недостатком ВОЛС - прототипа является меньшая надежность волоконного канала линии связи на участке, проходящим через антенну и кабель-буксир, в сравнении с участком ВОЛС стационарной прокладки. Эта часть ВОЛС наиболее подвержена воздействию эксплуатационных факторов, возникающих при операциях постановки-выборки и буксировки ГПБА за кораблем, что увеличивает риск обрыва световода и возможный отказ ВОЛС.
Пониженная надежность в рассматриваемой ВОЛС для ГПБА возникает из-за того, что схема ВОЛС строится на использовании одного волоконного световода. То есть вся информация, собираемая гидроакустической антенной, и все команды управления режимами работы гидроакустической аппаратуры транслируются по одному волоконному световоду, проходящему через кабель стационарной прокладки на корабле, спускоподъемное устройство, кабель-буксир и ГПБА. Для кабеля стационарной прокладки защищенность волоконного световода от эксплуатационных факторов высокая. Но кабель-буксир и буксируемая антенна в процессе постановки-выборки, а также при буксировке в условиях маневра корабля испытывают многократные перегибы и рывки, следствием которых может наступить обрыв волоконного световода или выход из строя приемопередающего модуля антенной части ВОЛС. Обрыв световода может наступить и из-за наличия в нем локального дефекта, возникшего в результате нарушения технологии прокладки световода в кабеле или в антенне, а развития дефекта вплоть до разрыва световода инициировано теми же эксплуатационными факторами. Все это приводит к отказу ВОЛС, полной потери гидроакустической информации и неработоспособности ГАС.
Задачей заявленной полезной модели является устранение отмеченного недостатка и обеспечение повышения надежности работы ГАС с ГПБА.
Технический результат от использования полезной модели заключается во введении схемы дублирования волоконно-оптического канала на участке ВОЛС, включающем в себя опускаемые за борт кабель-буксир и буксируемую антенну. При этом введение дублирующего канала связи не вызывает увеличения диаметра кабель-буксира и не изменяет наружный диаметр антенны, но приводит к существенному повышению надежности ВОЛС.
Для достижения указанного технического результата в волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС) для активно-пассивной гидроакустической станции, включающую кабель-буксир с гибкой протяженной буксируемой антенной (ГПБА), содержащую волоконно-оптический приемопередающий модуль в составе центрального вычислительного комплекса, оптически соединенный с волоконным световодом внутрикорабельного стационарного оптического кабеля, который оптически связан с вращающем оптическим переходом комбинированного токоперехода спускоподъемного устройства, также содержащую первый световод кабель-буксира и первый световод ГПБА, оптически связанные между собой, причем первый световод ГПБА оптически связан с первым волоконно-оптическим приемопередающим модулем, находящимся в гермоблоке ГПБА, электрический вход-выход которого соединен с первым входом программируемой управляющей микросхемы, введены новые признаки, а именно: в состав ВОЛС введен второй световод кабель-буксира и второй световод ГПБА, оптически соединенные между собой причем второй световод ГПБА оптически соединен со входом второго волоконно-оптического приемопередающего модуля, находящегося в гермоблоке ГПБА, электрический вход-выход которого соединен со вторым входом программируемой управляющей микросхемы, а в состав токоперехода, между вращающимся оптическим переходом и световодами корабельного конца кабель-буксира, введен волоконный разветвитель-объединитель Y-типа, причем одиночный световод волоконного разветвителя-объединителя соединен со световодом ротора вращающегося оптического перехода, а парные волоконные световоды разветвителя-объединителя соединены соответственно с первым и вторым световодами кабель-буксира.
Наилучший результат достигается, если первый и второй световоды кабель-буксира, первый и второй световоды ГПБА, а также первый и второй волоконно-оптические приемопередающие модули гермоблока в составе ГПБА выполнены идентичными.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг.1 на которой представлена схема волоконно-оптической линии связи гидроакустической станции с активно-пассивной буксируемой антенной, содержащей резервный канал связи на участке кабель-буксир и ГПБА.
ВОЛС, представленная на фиг.1, содержит волоконно-оптический приемопередающий модуль 1 ВОЛС в составе ЦВК 2. Волоконный световод приемопередающего модуля соединен с оптическим кабелем стационарной прокладки 3. Далее световод кабеля стационарной прокладки через вращающийся оптический переход 4 в составе вращающегося токосъемника 5 спуско-подъемного устройства 6 соединяется с одиночным волоконным световодом 7 волоконно-оптического разветвителя-объединителя 8 Y-типа. Парные световоды 9 разветвителя-объединителя 8 соединены соответственно с первым 10 и вторым 11 волоконными световодами в составе комбинированного кабель-буксира 12. Другим своим концом кабель-буксир 12 соединен с активно-пассивной гибкой протяженной буксируемой антенной 13, в состав которой входят блок акустических излучателей 14, гермоблок 15 антенной части ВОЛС и блок акустических приемников 16. В антенне первый 10 и второй 11 волоконные световоды в составе кабель-буксира оптически соединяются с первым 17 и вторым 18 волоконными световодами в составе ГПБА. Эти световоды, пройдя через блок акустических излучателей, входят в гермоблок 15, где оптически соединены со световодами первого 19 и второго 20 волоконно-оптических приемопередающих модулей. В том же гермоблоке находится программируемая управляющая микросхема 21, электрически соединенная со входами-выходами обоих приемопередающих модулей и электрически связанная с блоком акустических излучателей 14 и блоком акустических приемников 16.
В предложенной ВОЛС световоды 10 и 11, световоды 17 и 18, а также приемо-передающие модули 19 и 20 выполнены идентичными.
В качестве оконечных устройств схемы ВОЛС для ГПБА могут быть использованы волоконно-оптические приемопередающие модули для дуплексной связи работающие в паре Single Fiber Bi-Directional Transceiver BTR-3620AG и BTR-3720AG фирмы Optoway, поддерживающие протокол связи Fast Ethernet 100 Base FX. Трансиверы обеспечивают дуплексный режим работы на двух длинах волн 
1=1310 нм и 2=1550 нм по одиночному одномодовому волоконному световоду.
Для нашего случая один трансивер BTR-3620AG входит в состав ЦВК, а два трансивера BTR-3720AG размещаются в гермоблоке в ГПБА. Габаритные размеры приемопередающих модулей 40×25×9 мм позволяют размещать их вместе на одной плате и располагать внутри гермоблока с размерами 
29×100 мм.
В качестве первого и второго волоконных световодов в составе ГПБА, кабель-буксира, а так же в составе кабеля стационарной прокладки может быть использован применяемый в технике связи одномодовый волоконный световод SMF-28 фирмы Corning®. Световод имеет соответствующий стандарту наружный диаметр 250 мкм. При наружном диаметре ГПБА 30÷80 мм, определяемом диаметрами акустических излучателей и приемников, а также при общем диаметре кабель-буксира 10÷20 мм, определяемом в основном величиной разрывного усилия, обусловленного буксировкой ГПБА и количеством электрических жил питания антенны, введение в состав кабель-буксира дополнительного элемента в виде световода указанного диаметра не приведет к значительному изменению наружного диаметров антенны и кабель-буксира.
В качестве волоконно-оптического разветвителя-объединителя Y-типа может быть использован любой разветвитель такого типа связного стандарта на одномодовых волоконных световодах на рабочие длины волн 1=1310 нм и 2=1550. Обычный разветвитель характеризуется оптическими поканальными потерями в прямом направлении 3,3 дБ при коэффициенте деления между каналами 50%: 50% и, соответственно, для излучения обратного направления (разветвитель работает в режиме объединения) также характеризуется оптическими потерями 3,3 дБ для каждого канала. Размер корпуса волоконного разветвителя-объединителя определяется размером капилляра, в котором сделана его сборка и обычно этот размер равен 4×70 мм. Благодаря небольшим размерам разветвитель-объединитель легко встраивается вместе вращающимся оптическим переходом в конструкцию токоперехода. Световоды разветвителя-объединителя соединяются со световодом ВрОП и световодами кабель-буксира стандартной технологией сварки одномодовых световодов с армированием места сварки путем восстановления снятого защитного покрытия.
В качестве микросхемы, управляющей работой обоих приемопередающих модулей антенной части схемы ВОЛС, может быть взята микросхема KS899MAI (U1). Ее функции расширяются и она программируется на работу с двумя приемопередающими модулями, так, чтобы обеспечить включение любого из них в зависимость от активизации волоконного канала и от работоспособности каждого из них.
Работа ВОЛС в соответствии с предложенной схемой резервирования канала связи осуществляется следующим образом. ЦВК 2 формирует команды управления работой излучателей 14 и приемников 15 ГПБА 13, которые трансформируются приемопередающим модулем 1 в оптические импульсы на длине волны излучения 2. Оптическое излучение, пройдя по кабелю стационарной прокладки 3, через ВрОП 4 комбинированного токосъемника 5 СПУ 6, волоконным разветвителем-объединителем Y-типа 8 делится и одновременно направляется в оба световода первого 10, 17 и второго 11, 18 каналов кабель-буксира 12 и ГПБА 13. Пройдя по обоим световодам, оптические сигналы команд попадают в фотоприемные части волоконно-оптических приемопередающих модулей 19, 20 антенной части ВОЛС. В микросхеме 21 управления работой обоих приемопередающих модулей антенной части ВОЛС заложен алгоритм арбитража. В штатной ситуации, когда световоды обоих каналов целы и оптический сигнал одновременного присутствует на входах обоих модулей, управляющая микросхема позволяет включить любой из пары модулей. Включившийся приемопередающий модуль антенной части ВОЛС по выбранному каналу передает далее в электрическую схему ГПБА команды управления работой блоков излучателей и приемников, а в обратном направлении готов передавать на другой длине волны излучения 1 собранную и уплотненную информацию от акустических приемников, а также служебную информацию. Таким образом, выбранный канал становится рабочим, а оставшийся канал резервным. В случае нештатной ситуации, когда один из волоконных световодов поврежден или неисправен приемопередающий модуль, управляющая микросхема включит тот приемопередающий модуль, который исправен и на который поступает оптический сигнал. С помощью волоконного разветвителя-объединителя Y-типа 8, работающего в этом направлении объединителем обоих волоконных каналов, излучение из любого канала попадет в световод кабеля стационарной прокладки 3, а затем в фотоприемную часть приемопередающего модуля 1 ВОЛС в составе ЦВК.
Таким образом, в приведенной схеме ВОЛС в направлении от ЦВК к ГПБА по волоконному световоду стационарного кабеля и по обоим волоконным световодам, входящим в состав кабель-буксира и ГПБА, одновременно передаются сигналы команд управления работой ГПБА на фотоприемные входы обоих приемо-передающих модулей антенной части ВОЛС. В обратном же направлении от ГПБА к ЦВК гидроакустическая информация передается по одному из двух выбранных световодов кабель-буксира и ГПБА и далее по кабелю стационарной прокладки. В случае обрыва одного из световодов на участке ГПБА - кабель-буксир или выхода из строя одного приемопередающего модуля, включается приемопередающий модуль другого канала и автоматически обеспечивается восстановление связи.
В результате, можно сделать заключение, что предложенная ВОЛС для активно-пассивной ГАС с ГПБА, обладает преимуществами, отвечающими поставленной задаче - обеспечение более надежной работы гидроакустической станции с гибкой протяженной буксируемой антенной за счет резервирования канала передачи данных на наиболее ответственном участке ВОЛС, при этом не происходит увеличения диаметра кабель-буксира и диаметра антенны.
Источники информации:
1. Андреев М.Я., Охрименко С.Н., Рубанов И.Л., Разработка гидроакустической станции с гибкой протяженной буксируемой антенной для освещения подводной обстановки. // Датчики и системы, 2008, 
11, стр.29-31.
2. James A. Theriaulta, Frederick D. Cotarasb, D.Linas Siurnac Towed Integrated Active-Passive Sonar Using A Horizontal Projector Array Sound Source: Re-Visiting A Canadian Technology for Littoral Applications, Conference Europe, 25 April, 2007, UDT Europe 2007 14, 2007.04.25, www.ultra-uems.com/pdfs/Canadian HPA Sonap UDT Europe 2007. pdf
1. Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) для активно-пассивной гидроакустической станции, включающей кабель-буксир с гибкой протяженной буксируемой антенной (ГПБА), содержащая волоконно-оптический приемопередающий модуль в составе центрального вычислительного комплекса, оптически соединенный с волоконным световодом внутрикорабельного стационарного оптического кабеля, который оптически связан с вращающимся оптическим переходом комбинированного токоперехода спускоподъемного устройства, также содержащая первый световод кабель-буксира и первый световод ГПБА, оптически связанные между собой, причем первый световод ГПБА оптически связан с первым волоконно-оптическим приемопередающим модулем, находящимся в гермоблоке ГПБА, электрический вход-выход которого соединен с первым входом программируемой управляющей микросхемы, отличающаяся тем, что в состав ВОЛС введен второй световод кабель-буксира и второй световод ГПБА, оптически соединенные между собой, причем второй световод ГПБА оптически связан со входом второго волоконно-оптического приемопередающего модуля, находящегося в гермоблоке ГПБА, электрический вход-выход которого соединен со вторым входом программируемой управляющей микросхемы, а в состав токоперехода, между вращающимся оптическим переходом и световодами корабельного конца кабель-буксира введен волоконный разветвитель-объединитель Y-типа, причем одиночный световод волоконного разветвителя-объединителя соединен со световодом ротора вращающегося оптического перехода, а парные волоконные световоды разветвителя-объединителя соединены соответственно с первым и вторым световодами кабель-буксира.
2. ВОЛС по п.1, отличающаяся тем, что первый и второй световоды кабель-буксира, первый и второй световоды ГПБА, а также первый и второй волоконно-оптические приемопередающие модули гермоблока в составе ГПБА выполнены идентичными.
