Приемопередатчик для организации канала связи в морской воде
Приемопередатчик для осуществления связи в морской воде, резонатор которого помещен в морскую воду и представляет собой четыре электромагнитно-связанные длинные линии, расположенные на диэлектрическом пустотелом каркасе. В режиме приема в его резонаторе осуществляется аналоговое моделирование решения параметрически связанных уравнений синус-Гордона и нелинейного уравнения Шредингера. В режиме передачи в его резонаторе осуществляется аналоговое моделирование решения параметрически связанных уравнений Кортевега де Вриза и синус-Гордона.
Полезная модель относится к средствам связи и может быть применена как для дальней (тысячи километров) связи между континентами, разделенными морской водой, так и для связи с глубокопогруженными объектами. Аналогов предлагаемой модели не обнаружено. Известные средства связи в морской воде представляют собой акустические приемники и передатчики, обеспечивающие дальность связи не более нескольких километров. Кроме того, имеются средства связи на низкочастотных (порядка 30 Гц) электромагнитных волнах, обладающих малой информационной емкостью и потребляющих порядка единиц мегаватт мощности для связи с объектом на глубине около 300 метров.
В отличие от перечисленных методов связи, в предлагаемой модели морская вода используется как среда для распространения солитонных волн. При этом затухание солитонных волн при распространении в морской воде компенсируется за счет перекачивания энергии тепловых флуктуации среды в энергию сигнала. |
Принцип работы приемопередатчика основан на явлении возврата Ферми-Паста-Улама. Эффект неравновесного возврата Ферми-Паста-Улама впервые был обнаружен в системе связанных осцилляторов. Установлено, что простая динамическая система, состоящая из связанных нелинейных осцилляторов, при больших временах не является равновесной, а представляет собой систему, в которой наблюдается формирование неравновесного энергетического распределения по степеням свободы. Данное явление было названо эффектом возврата ФПУ. В целях изучения процесса взаимодействия возврата ФПУ с внешним шумом была исследована компьютерная модель канонической цепочки ФПУ, находящейся под воздействием гауссовского и пуассоновского шума.
В результате этого исследования установлено, что в канонической цепочке ФПУ с закрепленными концами под воздействием дискретного шума происходит как расширение спектра ФПУ, так и увеличение амплитуд его гармоник. Действие гауссовского шума на цепочку с закрепленными концами выражается в увеличении амплитуд гармоник спектра, а также в равномерном распределении энергии по гармоникам спектра по сравнению с невозмущенным состоянием. Комбинированное воздействие обоих типов шумов на цепочку с закрепленными концами приводит к резкому увеличению амплитуд гармоник спектра а также к частичному подавлению высокочастотной части спектра ФПУ. Для цепочки с открытыми концами установлено, что при воздействии на нее дискретного шума происходит увеличение амплитуд гармоник низкочастотной части спектра, а также стабилизация возврата ФПУ. Воздействие гауссовского шума на эту цепочку приводит к резкому возрастанию амплитуд гармоник низкочастотной части спектра ФПУ. 1
Полученные данные позволили предложить среды, где может быть реализован полный возврат ФПУ. К числу таких сред прежде всего можно отнести плазму. В рамках объединения ленгмюровских и ионно акустических волн в плазме, впервые описанных с помощью системы Захарова, при помощи связанных уравнений КДВ и синус-Гордона удалось показать, что в этой среде возможно формирование возврата ФПУ, и в этих условиях может наблюдаться явление эха в плазме, описываемое с помощью возврата ФПУ по аналогии с описанием исчезающих и появляющихся солитонов в работе Забуски и Крускала. Аналогичный подход был использован для описания возврата ФПУ в сильных электролитах, поскольку они могут рассматриваться с позиции плотной плазмы. В частности, в качестве среды формирования возврата ФПУ предложена модель сильного электролита морской воды содержащего ионы Н, ОН, Na, C1, кластерной теории Френка и Вина. Взаимодействие между ионами описывалось потенциалом Тоды. При этом, уравнение движения ионов водорода преобразуется в уравнение КДВ, а ионов натрия - в уравнение СГ (аналогичные уравнения могут быть записаны для ионов ОН и С1). Таким образом, динамика сильного электролита может быть описана в рамках рассмотренной выше модели возврата ФПУ в плазме. В данном случае, по аналогии с экспериментально обнаруженным явлением образования областей пониженной плотности плазмы, которые захватывают ленгмюровские волны, можно сформировать солитон в таких электролитах как морская вода, внутриклеточная жидкость и плазма крови, как низкочастотную уединенную концентрационную волну ионов натрия, в которой захвачена высокочастотная протонная концентрационная волна. Данные явления наблюдались в эксперименте, где использовались передатчик и приемник спектра ФПУ, помещенные в электролит.
В целях исследования возможности использования морской воды как среды распространения спектра ФПУ, содержащего информационный сигнал, нами были проведены следующие лабораторные и натурные испытания. Для испытаний нами были разработаны схемы приемника и передатчика спектра ФПУ, которые приведены на Рио.1.
Как уже было описано выше, генератор спектра ФПУ представлял собой физическую реализацию совместного решения связанных уравнений КДВ и синус-Гордона. Отличительным свойством передатчика было наличие входа для модуляции спектра ФПУ информационным сигналом. В качестве информационного сигнала выступала обычная магнитофонная запись. Осциллограмма Выходного сигнала передатчика приведена на Рис.2.
Схема приемника спектра ФПУ представляла собой физическую реализацию решения связанных уравнений НУШ и синус Гордона. Осциллограмма принимаемого сигнала приведена на Рис.3.
В целях исследования явления распространения волн возврата ФПУ в морской воде были проведены следующие экспериментальные испытания.
1. Было продемонстрировано явление распространения волн возврата ФПУ, промодулированных звуковым сигналом, по пластиковой трубе длиной 4 м и шириной 0,1 м, которая была заполнена 0,2М раствором NaCl, (моделирующего морскую воду).
2. В целях проверки необходимости наличия среды для распространение волн возврата ФПУ резонаторы приемника и передатчика были помещены в разные сосуды емкостью 1 л с 0,2М раствором NaCl. При этом, передача сигнала прекращалась.
3. При помещении резонатора передатчика в описанную пластиковую трубу, а резонатора приемника в отдельный сосуд с 0,2М раствором NaCl и перемещении последнего вдоль трубы передача сигнала не осуществлялась.
4. При использовании автономных источников питания для приемника и передатчика в виде преобразователей напряжения 12 в автомобильных аккумуляторных батарей в сетевое напряжение 220 в. Передача сигнала при этом не прекращалась. В результате этого был снят вопрос о распространении спектра ФПУ через электрическую сеть.
После лабораторных исследований были проведены натурные испытания приемопередатчика в морской воде. В этих целях резонаторы приемника и передатчика были помещены в морскую воду на расстоянии 50 метров друг от друга (Рис.4).
Для того, чтобы исключить акустический канал передачи в эксперименте резонаторы приемника и передатчика помещались в стеклянные контейнеры, наполненные морской водой. Характер приема сигнала при этом не изменялся.
Технический результат, обеспеченный полезной моделью, состоит в том, что в отличие от традиционных электромагнитных волн, затухающих в морской воде как в проводящей среде на частоте около 5 Мгц на расстоянии порядка 1-2 см, солитонные волны на расстоянии в 50 метров не обнаруживали затухания, что указывает на принципиальное отличие указанных типов волн. Таким образом, в результате проведенных исследований было показано, что с помощью описанного устройства возможна организация канала связи в морской воде. При этом, как показывают результаты компьютерного моделирования, дальность связи может достигать тысяч километров, поскольку спектр возврата ФПУ, который служит носителем информации, способен взаимодействовать с тепловым шумом среды, компенсируя потери на диссипацию.
Осуществление предложенной модели может быть реализовано при помощи создания электронных конструкций приемника и передатчика в соответствии со схемой Рис.1. При этом, резонатор, изображенный на схеме, для приемника и для передатчика может быть общим и представлять собой 40×4 витков изолированного провода диаметром 0,2 мм, намотанного на полый стеклянный цилиндр диаметром 20 мм. Резонатор погружается в морскую воду на глубину до 1 м. Информационная модуляция сигнала в простейшем случае может быть осуществлена путем подключения аналогового сигнала в виде микрофона или выхода с магнитофона к сопротивлению R50k в базовой цепи левого по схеме транзистора передатчика (Рис.1). При правильно работающей схеме приемника на коллекторе левого по схеме транзистора должна наблюдаться осциллограмма в виде решения связанных нелинейного уравнения Шредингера и синус-Гордона (Рис.3). При правильно функционирующей схеме передатчика на коллекторе левого по схеме транзистора должна наблюдаться осциллограмма в виде решения связанных уравнений Кортевега де Вриза и синус-Гордона. Второй комплект аналогичного приемо-передатчика располагается на дистанции связи. Его резонатор помещается в воду. Вначале устанавливается канал связи. Один из комплектов включается в режим приема, второй - в режим передачи. Канал считается установленным, когда тестовая модуляция передатчика регистрируется приемником без искажений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Berezin А.А. et al. //Physica Scripta, 1988, 38, p 719-720.
2. Berezin.A.A. Fermi-Pasta-Ulam Recurrence Dynamics in a Medium with Fluctuations.Physics of Vibration v.10, n 3,2002.p 151-155.
3. Berezin А.А. and Berezin K.A. Nonlinear Waves in Sea Water. Physics of Vibration v.8, n 3,2000.p 179-184. J
1. Приемопередатчик для осуществления связи в морской воде, отличающийся тем, что его резонатор помещен в морскую воду и представляет собой четыре электромагнитно-связанные длинные линии, расположенные на диэлектрическом пустотелом каркасе.
2. Приемопередатчик по п.1, отличающийся тем, что в режиме приема в его резонаторе осуществляется аналоговое моделирование решения параметрически связанных уравнений синус-Гордона и нелинейного уравнения Шредингера.
3. Приемопередатчик по п.1, отличающийся тем, что в режиме передачи в его резонаторе осуществляется аналоговое моделирование решения параметрически связанных уравнений Кортевега де Вриза и синус-Гордона.
