Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ каналов связи и в проводящих средах 17
1.1. Системы гидроакустической связи ближнего действия 17
1.2. Электромагнитные каналы связи в морской среде 18
1.3. Физическая специфика использования электромагнитных каналов связи в электропроводящих средах 25
1.4. Фоновые электромагнитные поля в морской среде 28
1.5. Оценка эффективности электрических дипольных антенн в режимах излучения и приема 30
1.6. Характеристика горных пород Приморья 34
1.7.Системы дальней связи, электромагнитного зондирования горных пород и связи в рудниках 37
Глава 2. Примеры разработок систем связи в проводящих средах 44
2.1. Поле электрического диполя в безграничных средах 44
2.2. Поле электрического диполя в безграничной проводящей среде 46
2.3. Расчет компонент электромагнитного поля для систем связи в морской среде 51
2.4. Подводное переговорное устройство для легководолазов 56
2.5. Расчет компонент поля электрического диполя в горных породах 58
Глава 3. Примеры разработок систем управления поведением биологических водных объектов 68
3.1. Некоторые методы освоения и воспроизводства морских биоресурсов 68
3.2.Реакция рыб на электрические поля в воде 72
3.3. Физические особенности использования электрических полей на траловом промысле ракообразных 75
3.4. Методика расчета параметров автономного электрооборудования креветочных тралов 77
Выводы по главе 85
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований эффективности использования электрических полей в разработоках технических средств освоения природных ресурсов 87
4.1. Экспериментальные исследования подводной электромагнитной связи 87
4.2. Опытная эксплуатация подводного радиотелефонного устройства для легководолазов 90
4.3. Экспериментальные исследования подземной связи 94
4.4. Опытная эксплуатация электрооборудования креветочных тралов 102
4.5.Экспериментальные исследования электронаркотизации лососей 106
Заключение 114
Список использованных источников 117
Приложения 130
- Электромагнитные каналы связи в морской среде
- Поле электрического диполя в безграничной проводящей среде
- Физические особенности использования электрических полей на траловом промысле ракообразных
- Опытная эксплуатация электрооборудования креветочных тралов
Введение к работе
Развитие цивилизации и обеспечение жизненных интересов человечества связаны с освоением природных ресурсов Земли. До недавнего времени ошибочно считалось, что биоресурсы Мирового океана неисчерпаемы, а природные запасы Земли беспредельны. Однако бурный технический прогресс и хищническое использование природных ресурсов во второй половине прошлого века привели к загрязнению окружающей среды, оскудению природных ресурсов, наличию частых техногенных аварий и катастроф. Поэтому на современном этапе наиболее актуальными являются исследования в области разработки методов энергосберегающих технологий и средств освоения природных ресурсов с соблюдением норм сохранения окружающей среды.
Реализация и защита интересов Российской Федерации в области изучения, освоения и использования Мирового океана, а также добычи полезных ископаемых в интересах устойчивого экономического развития государства обеспечивается достижениями отечественной науки, фундаментальными и прикладными исследованиями и разработками, связанными с практической деятельностью.
Из обширного ряда проблем, возникающих при практическом освоении природных ресурсов Мирового океана следует отметить определенные трудности в осуществлении связи в водной среде и толще морского дна, а также проблему сохранения ихтиофауны при добыче промысловых водных организмов.
Для геологических пород морского дна и водной среды морских глубин, как объектов физических исследований, характерно большое разнообразие термогидродинамических процессов, которые происходят в них при изменении различных внутренних и внешних условий и приводят к флюктуации их физических полей. При этом основными физическими полями являются акустические, гидродинамические, электрические, магнитные, электромагнитные и гравитационные. Каждое из перечисленных полей обуславливается своими физическими факторами и применяется при разработке технических средств освоения природных ресурсов.
В настоящее время при решении задач детальной и эксплуатационной разведки полезных ископаемых на многих месторождениях широко используются подземные радиоволновые методы (ПРВМ). В системах подводной связи, телеметрии, гидролокации, разведки полезных ископаемых на морском дне, а также в промышленном рыбоводстве особенно широко применяется гидроакустика. Но при всех несомненных достоинствах следует отметить, что ПРВМ решают узкие задачи геологоразведки, а гидроакустические системы, если подходить к ним с меркой современных требований, имеют ряд недостатков. Основным из них является зависимость от гидрологических условий. Сильно сказывается, например, наличие более или менее значительных температурных градиентов. В районах с небольшими глубинами распространение звукового луча происходит с неоднократными отражениями от дна и поверхности, сопровождающимися потерями звуковой энергии и наличием синфазных помех. Потери также имеют место при отражении лучей от промежуточных слоев, обусловленных наличием температурного градиента. Кроме того, в районе температурного скачка часто концентрируются планктонные слои, что в свою очередь приводит к значительной потере интенсивности звукового поля и т.д.
От указанных недостатков в определенной степени свободны системы с электромагнитным каналами связи, использующие электропроводные свойства водной среды и грунта.
Для физического моделирования неоднородной структуры морского дна предложено проведение экспериментальных работ в известных по электрическим и магнитным свойствам полигонах (рудниках, шахтах и т.д.). Проведенные эксперименты с реальными системами связи показали возможность передачи информации в подземных каналах связи. Это позволяет рекомендовать использование каналов электромагнитной связи не только в морской воде, но и в морском дне.
Для физического моделирования неоднородной структуры морского дна предложено проведение экспериментальных работ в известных по электрическим и магнитным свойствам полигонах (рудниках, шахтах и т.д.). Проведен-
ные эксперименты с реальными системами связи показали возможность передачи информации в подземных каналах связи. Это позволяет рекомендовать использование каналов электромагнитной связи не только в морской воде, но и в морском дне. Применение электрических полей в ряде случаев способствует и сохранению ихтиофауны при освоении биоресурсов Океана.
На основании вышеизложенного, цель и задачи исследования можно сформулировать следующим образом.
Цель - теоретическое обоснование связи в проводящих средах, разработка систем многоабонентной связи в морской воде и в грунтовых породах морского дна и создание устройств управления поведением морских биообъектов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Разработаны теоретические модели электромагнитных каналов связи в электропроводящих средах (в морской воде и в грунтовых породах морского дна) на токах проводимости.
Определены оптимальные параметры электромагнитных полей для каналов связи в проводящих средах с учетом комплексной компоненты распространения у.
Выполнено теоретическое обоснование того, что в безграничных проводящих средах на расстояниях, меньших 1-И,5 скин -слоев при определенных рабочих частотах, в электромагнитном поле излучения преобладают радиаль-
ные составляющие напряженности Ег в направлении вдоль оси диполя (9 = 0,
180), а на расстояниях, больших HI,5 скин-слоев, преобладают тангенциаль-
ные составляющие Ев в направлении, перпендикулярном оси диполя (в = 90, 270).
Проведена экспериментальная проверка систем подземной и подводной связи на токах проводимости.
Теоретически и экспериментально обоснованы параметры электрических полей при управлении поведением морских гидробионтов.
6. Разработаны и внедрены в эксплуатацию системы электромагнитной связи для аквалангистов и автономное электрооборудование для креветочных тралов различных типов.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы физического и математического моделирования каналов связи и управления поведением морских гидробионтов. Экспериментальные исследования проводились с использованием аппаратуры, разработанной и изготовленной под руководством и при непосредственном участии автора.
Актуальность проблемы. Освоение шельфовой зоны Мирового океана и добыча полезных ископаемых требует разработки надежных систем речевой связи и каналов дистанционного управления различными приборами и устройствами. В морской среде широко используются гидроакустические каналы связи, телеуправления и телеметрии, а в горнодобывающей промышленности традиционно применяются проводные системы. Однако при работе в «мелком море» и в придонных и приповерхностных слоях в виду наличия многолучевой помехи, возникающей из-за отражения акустических сигналов от дна и поверхности моря, разборчивость речи и надежность каналов управления не удовлетворяют современным требованиям [50]. Разработка и эксплуатация проводных и индукционных систем управления и связи в рудниках и шахтах требуют значительных финансовых затрат [97]. Актуальность проблемы заключается в том, что надежно работающей в различных условиях подводной и подземной связи практически нет, а ведь планируется строительство нефтепровода и нефтеза-правочных терминалов на ДВ бассейне. При этом будут проводиться сложные гидротехнические работы, и понадобится подводная связь, надежно функциа-нирующая в различных условиях. Применение электрических полей в ряде случаев способствует и сохранению ихтиофауны при освоении биоресурсов Океана
Современный этап промышленного рыболовства характеризуется активным поиском способов более рационального использования существующих сырьевых ресурсов. Принципиальные вопросы освоения биоресурсов Мирового
океана и рационального регулирования промысловых нагрузок требуют совершенствования технологий лова, основанных на приемах дистанционного управления поведением биообъектов. Одним из путей совершенствования технологий лова является комплексное применение электрических полей при управлении поведением объектов промысла.
Решению сформулированных проблем посвящена диссертационная работа. Актуальность разработки обусловлена необходимостью совершенствования технических решений, направленных на развитие и повышение эффективности освоения природных ресурсов.
Научная достоверность результатов исследований обусловлена обширным экспериментальным материалом, собранным на протяжении 15 лет. Достоверность полученных данных подтверждается применением апробированных методик экспериментальных работ, повторяемостью результатов экспериментов, согласованием экспериментальных и теоретических оценок, а также внедрением результатов исследований в различных конструкторских разработках новой техники.
Материалы диссертационных исследований включены в отчеты ряда НИР "Электромагнитный канал управления подводными приборами" (ДВ филиал НПО промрыболовства, 1981г., № гос. per. 8040513), "Устройство для забоя производителей лосося" (ДВ филиал НПО промрыболовства, 1982,1983гг., № гос. per. 01824017022), "Распространение радиоволн в естественных волноводах земной коры" Межотраслевая программа сотрудничества Министерства образования и Министерства обороны РФ (ДВНТУ, 2001г.), "Поисковые исследования возможности использования подземных радиоволноводов для создания закрытых и устойчивых радиоканалов приема-передачи информации большой дальности", шифр "Твязь" (ИАПУ ДВО РАН, 2001,2002 гг.), "Разработка и исследование новых принципов прогноза катастрофических природных явлений" (ДВГТУ, 2003г.), "Разработка и исследование новых принципов прогноза катастрофических природных явлений на границе раздела литосфера-океан-
атмосфера" (ДВГТУ, 2004,2005гг.), «Исследование способов и методов повышения эффективности подземной радиосвязи» (ИАПУ ДВО РАН, 2006г.).
Работа содержит новые научные результаты, наиболее важными из которых являются следующие:
1. Теоретически обоснованы методы количественной оценки компонент
электромагнитных полей в проводящих средах и методы определения парамет
ров формирования полей на определенных расстояниях от излучающего диполя
в замкнутых объемах и безграничном пространстве.
По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований определены параметры электромагнитных полей и разработаны технические требования для проектирования средств связи в проводящих средах (море и дно океана).
Экспериментально доказана принципиальная возможность создания систем электромагнитной связи в морской среде и горных породах, а также по каналам «вода - земля - вода» и «вода - воздух - вода».
Разработана и внедрена в практику конструкторских разработок методика инженерных расчетов параметров электромагнитных полей для воздействия на ряд морских объектов промысла.
В результате опытной эксплуатации разработанных устройств на акваториях Тихого океана, Черного и Карского морей доказана возможность организации электромагнитного канала связи в морской среде с различными электрическими свойствами.
На основании полученных результатов разработаны рекомендации по дальнейшему совершенствованию новой техники освоения природных ресурсов с использованием электромагнитных полей.
Новизна результатов работы подтверждена сравнением с известным уровнем развития науки и техники, а также расширением знаний об условиях освоения природных ресурсов.
Практическая значимость и реализация результатов работы определяется разработкой оригинальных методов и приборов, которые позволяют ре-
шить прикладные проблемы при освоении природных ресурсов. Результаты исследований, проведенных автором, использованы при разработке устройств подводной связи и управления поведением водных организмов, доведенных до стадий РКД и принятых ведомственной комиссией.
Опытная эксплуатация комплектов переговорного устройства для легко-водолазов, защищенного патентом РФ, проводилась специалистами Сахалинского ДальморНИИпроекта, Преображенской БРФ Приморрыбпрома, ЭМБ «Гдазковка» Приморрыбпрома, Подводной археологической экспедицией «Энергия», ЭМБ «Посъет» и ДВ филиала НПО промрыболовства в различных условиях реальных подводно-технических работ. В опытной эксплуатации переговорное устройство использовалось при проведении исследовательских и судоремонтных работ в открытом море, подводных киносъемках в археологической экспедиции, обслуживании выростных хозяйств марикультуры. За экспонирование на ВДНХ СССР "Выставке достижений изобретателей и рационализаторов Приморского края" подводного переговорного радиотелефонного устройства автор удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР.
Электрооборудование креветочных тралов, защищенное АС и спроектированное с использованием методики инженерных расчетов, разработанной автором, использовалось при участии автора на промысле креветок, лангустов, омаров и рака-медведя в заливе Аляска, Анадырьском заливе, Уссурийском заливе и побережье Вьетнама. С применением электрооборудования везде наблюдалось значительное повышение уловов.
На основании экспериментальных исследований впервые доказана принципиальная возможность применения методов и систем с применением электрических полей для наркотизации лососевых рыб ДВ бассейна при заборе икры и молок на рыборазводном заводе. Проведены наблюдения инкубации оплодотворенной икры до стадии выклева и развития мальков в стандартных условиях от рыб, подверженных электронаркотизации. Определены параметры воз-действия,2 при котором технологический отход оплодотворенной икры составил 2,9 % (допустимый технологический отход - 5 %).
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано двадцать две печатных работы, в том числе три авторских свидетельства. Принято положительное решение о регистрации патента РФ «Способ связи между акванавтами и устройство по нему». Результаты исследований, приведенных в диссертации, использовались в десяти отчетах по НИР и в двух конструктоских проектах, доведенных до стадии рабочей конструкторской документации (РКД); оформлены технические описания, инструкции по эксплуатации, программы и методики испытаний общим числом более пятнадцати наименований. Результаты исследований докладывались на заседании Секции № 3 Научного совета ГКНТ СССР по проблеме "Изучение океанов и морей и использование их ресурсов" (Москва, 1983 г); совместных советско-вьетнамских переговорах по проведению научно-поисковых и экспериментальных работ в экономической зоне СРВ (Хайфон, СРВ, 1984,1987 гг); II, III, IV Всероссийских симп о-зиумах «Сейсмоакустика переходных зон» (Владивосток, 2001, 2003, 2005гг); Международной научно-технической конференции «Технические проблемы освоения Мирового океана» (Владивосток, 2005г); XLVIII и XLIX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (Владивосток, 2005, 2006гг); XVIII сессия Российского акустического общества (Таганрог, 2006 г); техсоветах ДВ филиала НПО промрыболовства (Владивосток, 1972-1987гг), ВРПО Дальрыба (1984-1987гг), Дальрыбтехцентра и фирмы "Невод" (Владивосток, 1988-1999гг). Содержание диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидроакустики и ультразвуковой техники (ГА и УЗТ) ДВГТУ, в/ч 90720.
Личный вклад автора. Фактический материал, на основании которого подготовлена диссертация, получен в результате исследований автора, проведенных самостоятельно и с сотрудниками ДВ филиала НПО промрыболовства (Коган С.Я.,Кудрявцев A.M., Прокопец Е. Н., Троельников В.В.), Института эва-люционной морфологии и экологии животных (ИЭМЭЖ АН СССР, Ольшанский В.М., Корсаков Г.О), Тихоокеанского института рыболовства и океанографии (ТИНРО, Шибков А.Н.) и ДВГТУ. Лично автором и коллективами под
его руководством выполнены конструкторские и схемотехнические разработки систем подводной электромагнитной связи, исследованы воздействия электромагнитных полей на биологические организмы и определена эффективность их использования в натурных условиях. Автором разрабатывались методики проведения экспериментальных работ и осуществлялось руководство их проведением. Частично оборудование, необходимое для экспериментальных исследований, было разработано и изготовлено автором самостоятельно. Экспериментально-технические и визуальные исследования воздействия электромагнитных полей на биологические объекты проводились при непосредственном участии автора с погружением на обитаемом подводном аппарате БНК «Тетис» на глубины до 240 м. Основные научные положения, связанные с разработкой и экспериментально-физическим обоснованием технических решений, вошедших в диссертацию, получены при решающем вкладе автора. На защиту выносятся следующие положения:
Теоретические модели каналов связи на токах проводимости в электропроводящих средах.
Результаты экспериментальных исследований каналов электромагнитной связи в морской воде и эквиваленте донных пород (земной среде), а так же результаты воздействия электрических полей на морские биообъекты.
Результаты внедрения методов расчетной оценки параметров электромагнитных полей в практику конструкторских разработок технических средств электромагнитной связи и воздействия электрических полей на морские биообъекты.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (114 наименований) и приложений, включает титульный лист и оглавление, 129 страниц печатного текста, 42 рисунка и 6 таблиц. Каждая глава начинается вводными замечаниями и заканчивается выводами.
Во введении сформулирована тема диссертации, ее цель и задачи, обоснована ее актуальность темы исследований, научно-техническая новизна, дос-
товерность выводов и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен анализ результатов исследований отечественных и зарубежных специалистов, касающихся вопросов разработки систем связи в электропроводящих средах (в морской среде и земных породах). Рассмотрена физическая специфика использования электромагнитных каналов связи в электропроводящих средах и приведена оценка эффективности дипольных антенн.
Во второй главе приведены расчетные формулы и методы инженерных расчетов для оценки параметров поля электрического диполя в проводящих средах. Обоснованы рекомендации по ориентации приемо-передающих дипольных антенн в системах электромагнитной связи. На расстояниях, меньших 1,5 скин-слоев среды, целесообразно электрические диполи приемо - передающих антенн располагать вдоль воображаемой линии связи, а на расстояниях, больших 1,5 скин-слоев среды - перпендикулярно линии связи. Приведены результаты разработки и экспериментальных исследований переговорного радиотелефонного устройства для аквалангистов.
В третьей главе приведены примеры разработок систем управления поведением водных организмов при воздействии на них импульсных электрических полей. Описаны устройства автономных электрогенераторов для тралового промысла ракообразных, а также методы электронаркотизации лососевых рыб при заборе их половых продуктов на рыборазводных заводах.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований систем подводной и подземной электромагнитной связи. Описаны результаты СНЧ связи между бухтами через грунтовый мыс, а также подводной связи с преградой (бетонный пирс). По результатам исследований разработана система электромагнитной связи для аквалангистов, приведены результаты ее опытной эксплуатации. Также описаны результаты экспериментальных исследований беспроводной подземной связи. В главе приведены результаты экспериментальных исследований по электронаркотизации лососевых рыб на рыбораз-
водном заводе, а также подводных наблюдений за работой импульсных электрогенераторов на траловом промысле ракообразных.
В заключении обобщен изложенный материал, сформулированы выводы, показаны новизна результатов и перспективы дальнейших исследований.
Электромагнитные каналы связи в морской среде
Первая беспроводная связь была успешно испытана более чем за пол -века до изобретения радио в 1895 году А.С. Поповым. Но эти исследования были признаны тогда тупиковыми, а имена исследователей просто забыты.
Самые ранние опыты по установлению беспроводной связи провел не кто иной, как изобретатель телеграфной азбуки Самюэль Морзе. К несчастью по своей основной профессии он был художником, и ученые не воспринимали его тогда всерьез. В результате его эксперименты по беспроволочному телеграфированию были основательно забыты. В истории науки не раз бывало, когда исследователи игнорировали очевидные факты, будучи не в силах объяснить их, и тем самым нередко проходили мимо крупных открытий.
В 1842 году на Морском канале близ Вашингтона Морзе разместил в воде на некотором расстоянии друг от друга металлические пластины, соединенные с батареей и телеграфным ключом. На другом берегу такие же электроды соединялись с чувствительным гальванометром. Когда замыкался ключ, стрелка гальванометра отклонялась. В итоге была получена достаточно приличная дальность связи по чисто водяной линии более полутора километров. Англичанин Ландсей усовершенствовал опыт Морзе, в частности, для усиления сигнала поместил батарею и на приемной аппаратуре. В 1854 году Ландсей взял первый в мире патент на «беспроволочный телеграф».
Поскольку электричество в дальней беспроводной связи себя не оправдало, другой известный американский изобретатель Томас Эдисон решил использовать для этой же цели магнитное поле (напомним, радио тогда еще не существовало). В 1885 году он провел успешное испытание беспроводной связи между берегом и кораблем вдоль водной поверхности. В 1891 году Эдисон получил патент на «прибор для передачи без проводов сигналов азбуки Морзе». Правда в самом эксперименте, на основании которого был получен патент, результат был скромным: между кораблем и береговой станцией связь удалось установить на расстоянии всего 200 метров [44].
В дальнейшем в системах передачи информации, телеуправления и телеметрии широкое применение получили радиоволны. Для связи на большие расстояния применяются длинные и сверхдлинные волны. Однако в связи со значительным затуханием в морской среде радиоволны в системах подводной связи и оказались неприемлемы. В этих системах используются в основном гидроакустика, однако в ряде случаев, как уже отмечалось, она имеет существенные недостатки.
Проектирование систем связи, построение отдельных узлов и элементов схем в большинстве случаев определяется характеристиками и типом используемой линии связи. Линия связи в подводной телеметрической аппаратуре должна обеспечивать надежность и эффективность связи, быстродействие, хорошую помехоустойчивость, достаточную пропускную способность, удобство эксплуатации, высокую механическую прочность. При этом не последнюю роль играют сравнительная дешевизна изготовления, малая габаритная емкость устройства связи и простота в эксплуатации.
Помимо конструктивного улучшения существующих методов получения информации в морской среде исследователи и разработчики все чаще обращаются к новым методам связи и телеметрии в акустике и радиотехнике. Новые тенденции развития связи и телеметрии в этих областях заключаются, во-первых, в применении в широких масштабах вычислительной техники. Во-вторых, для целей развития новых методов измерения и связи осваиваются новые частотные диапазоны, причем, радиотехника осваивает области сверхдлинных электромагнитных волн (СДВ), а акустика - области инфразвуковых частот. И, в-третьих, осуществляется переход от классических методов связи к конструктивным, т.е. исследования конфигурации полей, распознавание образов и т.д. производятся при помощи методов математического и компьютерного (виртуального) моделирования. Таковы общие тенденции современного развития связи и подводной телеметрии.
В настоящее время повысился интерес к изучению распространения электромагнитных волн сверхнизких частот (СНЧ), что связано прежде всего с поисками решения проблемы связи с подводными объектами в любых районах Мирового океана.
Изучение законов распространения электромагнитных полей в воде и проводящих средах не входит в задачи данной работы, однако без знания этих законов невозможны ни аналитические расчеты эффективности приемопередающих антенн, ни корректная постановка натурных экспериментов. Поэтому, в обзоре обращено внимание главным образом на сводки аппроксима ционных формул, пригодных для конкретных расчетов в интересующих нас диапазонах глубин, частот и расстояний.
Одной из лучших работ этого плана остается «Справочник по электромагнитному распространению в проводящих средах» М.Б.Крайчмана [79]. Из работ,посвященных антеннам для подводной связи наиболее фундаментальной и цитируемой остается монография «Связные СНЧ антенны» М.Л.Барроуза [70], известного своими теоретическими и экспериментальными исследованиями. С точки зрения задач подводной связи и телеметрии нас интересует случай связи непосредственно в водной среде, т.е. случай неволнового электромагнитного поля, тогда как практически все известные профессиональные специалисты по подводным антеннам ориентированы на задачи создания волнового поля, проникающего в воду из воздуха. Однако некоторые авторы, в частности М.Л.Барроуз [68,69], отмечают шаткость и малую пригодность базовых понятий волновой теории при переходе к водной среде. Более того, будучи одним из лидеров американского проекта «Сэнгуин», М.Л.Барроуз довел свои теоретические построения до практических конструкций и экспериментальных проверок.
Максимальный всплеск интереса к применению электромагнитных полей под водой приходится на начало 70-х годов, когда была снята завеса секретности с американского проекта СНЧ-связи с подводными лодками. В это же время было подано наибольшее количество заявок на патенты в области систем связи и телеметрии с применением электромагнитных полей в морской среде. Разработка электромагнитных связных систем на низких частотах заставляет исследователей столкнуться с целым рядом трудностей, обусловленных распространением радиоволн в морской среде. Наряду со значительным затуханием при распространении (что ограничивает возможность применения подводной радиосвязи на больших расстояниях) важным аспектом в распространении низкочастотного электромагнитного сигнала в морской воде является его выделение на фоне индустриальных помех.
Поле электрического диполя в безграничной проводящей среде
Поскольку магнитные характеристики реальных сред (по крайней мере воды и воздуха) близки, то они могут выступать в качестве общей меры, позволяющей назвать характерные пространственные критерии оценки электромагнитного поля для случаев проводящей и диэлектрической сред. В диэлектрической среде таким критерием является длина волны. В проводящей среде критерием является 8-толщина скин-слоя, то есть расстояние, на котором амплитуда напряженности поля падает в е = 2,71 раз. Некоторые существенные отличия проводящих и диэлектрических сред в случае дипольных источников приведены в таблице 2.1 [32].
При эксплуатации систем связи в морской среде самым жестким условием является связь в бесконечной среде при выполнении (1.1) - (1.2). Поэтому при разработке систем связи следует учитывать, что если аппаратура рассчитана на связь в безграничной морской среде, то в придонных или приповерхностных вариантах качество связи повышается, так как к прямым сигналам добавляются сигналы, прошедшие по воздуху или грунту с меньшими потерями (см. раздел 1.2). Первый сомножитель в последних трех выражениях - постоянный множитель, величина компонент поля при работе в статике (со = 0). Второй сомножитель \F{fir\ учитывает изменения компонент электромагнитного поля в точке регистрации в зависимости от частоты и третий относится к фазовым сдвигам.
Если пренебречь в выражениях (2.21) - (2.23) фазовыми сдвигами (в ближней зоне электромагнитная волна еще не сформировалась, наблюдается только переменное электромагнитное поле) и принять модуль комплексного e j9 = I, то можно получить оценку величин компонент электромагнитного поля. Так как для систем подводной связи наибольший интерес представляет ближняя зона распространения электрических полей (квазистатическая или зона индукции), где г« X, то можно предположить, что фазовые сдвиги не вносят значительный вклад в условия распространения, и дальней (волновой) зоны в морской среде практически не существует. Тогда эти выражения примут вид:
При излучении магнитного диполя компоненты поля описываются выражениями [34]: где т= I-S-N - дипольный момент магнитного излучателя; S - эффективная площадь магнитного излучателя; N - число витков рамки магнитного излучателя.
Степень сложности параметров электросистем связи определяется целью расчетов и характером конкретных задач, связанных со степенью сложности технических решений. Все задаваемые и вычисляемые величины (например, дальность действия, частотный диапазон, габариты электродов и антенн, потребляемая мощность, чувствительность и т. д.) взаимозависимы и главная цель расчетов часто состоит в подборе такой совокупности этих параметров, которая обеспечит наилучший компромисс между удобством использования электросистемы и ее реализуемостью.
Возможность и сложность технической реализации электросистемы в первую очередь определяется требуемой дальностью действия. Так, если речь идет о создании связных устройств, то при дальностях, составляющих несколько десятков метров (квазистатическая зона или зона индукции) связь достигается только при правильном выборе рабочих частот, принятии специальных мер по увеличению величин эффективности дипольных электрических антенн ае (раздел 1.5), по согласованию антенн с аппаратурой, повышению реальной чувствительности приемной аппаратуры и т. д. При дальностях связи, исчисляемых сотнями метров и более, разработчик, как правило, должен помимо приведенных выше мер максимально использовать все возможности увеличения дальности связи, например, особенности водной акватории при связи вблизи берега. В последних случаях простых формул явно не достаточно ни для расчета характеристик трассы связи, ни для расчета антенн, ни для оценки реальной чувствительности аппаратуры, ограничиваемой, как правило, помехами антропогенного и промышленного характера.
Электромагнитный канал связи может быть успешно использован в тех случаях, когда гидроакустический канал оказывается неустойчивым при волнении моря, в шуме прибоя, в турбулентных слоях потоков воды, при реверберации в мелком море. Связь между аквалангистами в мелких бухтах и при волнении моря также неустойчива и так далее.
При работе систем связи с использованием электромагнитного канала передачи информации самым жестким условием распространения электромагнитного поля является случай бесконечной среды, то есть когда суммарная глубина погружения приемника и передатчика много больше скин-слоя среды. Также распространение электромагнитных полей в бесконечной однородной среде имеет место в том случае, когда расстояние между приемником и передатчиком много меньше суммарной глубины их расстояния до дна:г «(/z, +hz), r«[2z-(/?, +h2)].
В научно-технической литературе для описания характера распространения электромагнитного сигнала введен термин «вверх - вдоль - вниз», то есть от источника к поверхности моря, далее вдоль поверхности (поверхностная волна), затем от поверхности к точке регистрации. При этом дальность связи по сравнению с безграничной морской средой значительно увеличивается, так как затухание сигнала при распространении в воздухе (диэлектрической среде) меньше, чем в морской воде (проводящей среде). В придонном варианте наблюдается та же картина, но с несколько большим затуханием сигнала в полупроводящей среде морского дна.
Таким образом, формулы распространения электромагнитных полей в бесконечной однородной среде (самые жесткие условия) интересны для анализа при разработке связи между водолазами, подводными аппаратами, систем телеметрии и телеуправления. Для расчета электрических и магнитных компонент поля при излучении электрического диполя выражения (2.24) - (2.26) можно записать в виде [98]:
Физические особенности использования электрических полей на траловом промысле ракообразных
Повышение эффективности тралового промысла в технике промышленного рыболовства связано с применением физических полей, в частности электрических, воздействующих на объекты лова. Широкое распространение применения электролова получило при решении задач, связанных с эксплуатацией шельфовой зоны дальневосточных и атлантических морей. В связи с этим, наряду с эффективным использованием электрических полей в морской среде, возникает вопрос о возможности вредных последствий на гидробионты, попавшие в зону действия электрического поля орудий лова и не пойманные ими, и на другие водные организмы, оставшиеся в облавливаемых водоемах после прекращения действия электрического тока.
К сожалению, до сих пор на этот аспект применения электрического тока в рыболовстве исследователи обращали недостаточное внимание, и он слабо акцентирован в технической литературе. Наряду с этим, например, в [14], приведен анализ и оценена возможность гибели различных видов рыб и водных беспозвоночных в электрических полях некоторых орудий, предназначенных для промышленного электролова морских и пресноводных рыб и ракообразных. Отмечено, что объектами лова в Центральной Атлантике и в Северном море являются различные пелагические и природные скопления рыб: сельдь, сардинелла, ставрида, скумбрия, треска, пикша, марлинг и др. экологически и систематически родственные салаке и треске Балтийского моря.
На основании сопоставления экспериментальных и расчетных данных в [14] следует заключение, что при длительности воздействия до 60 с импульсным электрическим током (f= 25 - 160 Гц, Е = 0,5 - 6 В/см) в непосредственной близости от электродов, возможность гибели рыб от электрических полей, применяемых в морском электрифицированном трале, практически исключена. Еще менее вероятно пагубное влияние электрического тока, применяемого в электрифицированном трале, на планктонные и бентосные организмы. Как показывают данные, приведенные в [14], при 30-секундном воздействии импульсного тока 5-процентную гибель беспозвоночных, живущих в соленой воде, можно ожидать только при напряженности электрического поля около 4 - 10 В/см.
Согласно подводным наблюдениям, проведенным в шельфовой зоне СРВ при непосредственном участии автора, при скорости траления 2 м/с (4 узла) в электрическом поле объекты промысла задерживаются не более 7 с. За этот пери од часть особей рыб уходит перед крыльями трала из облавливаемого объема, часть поднимается к верхней подборе трала.
На основании полученных данных можно предположить, что при длительности воздействия (не превышающий 7 с) на рыб электрического тока даже при напряженности поля около 6 В/см, трудно ожидать сколько-нибудь заметной гибели рыб, тем более тех особей, которые каким-то образом смогли выйти из зоны облова.
В настоящей работе рассмотрены вопросы применения электрических полей при траловом промысле ракообразных и при электронаркотизации лососей для забора икры и молок на рыборазводных заводах. креветочных тралов
Настоящая методика утверждена заместителем начальника ДВ филиала НПО промрыболовства и использована при разработке электрооборудования креветочных тралов (далее по тексту - электрооборудование) [103]. Электрооборудование предназначено для использования на траловом промысле ракообразных, может быть применено на промысловых судах всех типов, приспособленных к траловому лову, с донными тралами различных конструкций.
Электрооборудование (рис. 3.4) состоит из системы электродов и двух автономных импульсных генераторов, размещенных в герметичных контейнерах на крыльях трала и состоящих из блока питания 1 и блока электроники 2 каждый.
Система электродов состоит из двух, движущихся параллельно грунту перед устьем трала, кабелей-электродов 3: анода и катода. Каждый электрод состоит из двух секций, изготовленных из электрического кабеля НРШМ 1x70 с оголенными от изоляции (рабочими) участками. Места стыковок двух секций электродов связываются сеточником. Место связи является слабым звеном и служит для разрыва секций электродов при зацепах о грунт. Каждый автономный импульсный генератор со своей системой электродов независимо друг от друга создает импульсное электрическое поле в половине предустьевой площади грунта перед тралом. Рис.3.4. Размещение электрооборудования на трале ДТ - 43 / 33,4 м На поверхности электрооборудование находится в отключенном состоянии. При достижении тралом определенной глубины срабатывает реле давления, и силовая цепь импульсных генераторов подключается к блокам питания. Оно же отключает импульсные генераторы при ходе трала менее определенной глубины. Блоки электроники снабжены ограничителем глубокого разряда аккумуляторных батарей блоков питания. При тралении между электродами электрооборудования наводится импульсное электрическое поле, вызывающее рефлекторное сокращение мышц хвостового плавника ракообразных, заставляя их всплывать над грунтом.
Структурная схема электрооборудования приведена на рис. 3.5. Силовая (выходная) цепь аппаратуры электрооборудования состоит из накопительного конденсатора, выходного тиристора, дросселя и системы электродов. В общем случае мощность излучения электрической энергии электрооборудования зависит
Опытная эксплуатация электрооборудования креветочных тралов
Таким образом, по результатам экспериментальных исследований была подтверждена возможность речевой радиосвязи в толще земли. 4.4. Опытная эксплуатация электрооборудования креветочных тралов Электрооборудование креветочных тралов, защищенное АС [6], разработано с использованием методики инженерных расчетов, разработанной автором и приведенной в разделе 3.4. Конструкция электрогенераторов приведена на рис.4.7. Рис.4.7. Электрогенераторы электрооборудования креветочных тралов Электрооборудование использовалось при участии автора на промысле креветок, лангустов, омаров, рака-медведя в заливе Аляска, Анадырьском заливе, Уссурийском заливе, на акватории о. Шри-Ланка и побережье Вьетнама. С применением электрооборудования везде наблюдалось значительное повышение уловов ракообразных. Электрические характеристики электрооборудования: 1) напряженность питания, В 10 2) потребляемый ток, А 1,0 3) частота следования импульсов, имп /с 1; 2; 4 4) импульсное напряжение, В 110; 250 5) расстояние между электродами, м 1 1,5 6) импульсный ток, А 650 7) напряженность электрического поля, В/см 1,8 8) время непрерывной работы, час, не менее 8 Экспериментальные исследования в экономической зоне СРВ проводились с использованием обитаемого двухместного буксируемого подводного аппарата БНК «Тетис» под руководством и при непосредственном участии автора на глубинах до 250 м. На рис. 4.8 приведена конструкция БНК «Тетис».
Целью экспериментальных работ являлось определение параметров электрических полей, эффективно воздействующих на ракообразных, и определение целесообразности использования электрооборудования на промысле рака-медведя.
При предварительных аквариумных исследованиях были определены ориентировочные параметры электрических полей, эффективно воздействующие на ракообразных. Но ракообразные плохо адаптировались к перепаду давления в 16 -20 атм. (при этом в аквариуме поддерживэлась температура придонных слоев воды (16- - 18С). Дальнейшие исследования проводились на БНК «Тетис». Схема расположения электрооборудования на БНК «Тетис» приведена на рис. 4.9. к импульсному генератору (5), последний начинал вырабатывать электрические импульсы, подаваемые через токопроводящий кабель (6) на электроды (7). За электродами, тянущимися по грунту, можно было наблюдать через иллюминатор (8) в прочном корпусе БНК. При попадании ракообразных (рака-медведя, омаров, креветок и лангустов) в зону действия электрического поля хорошо наблюдалось их перемещение вверх и в сторону от электродов. Наблюдаемые объекты поднимались от грунта на высоту от 0,5 до 1,5 м. Следовательно параметры электрооборудования выбраны верно и появляется возможность вести промысел ракообразных в придонном варианте, сохраняя фауну и флору морского дна. Рис. 4.10. Промысел травяного шримса с применением импульсных электрических полей Экспериментальные работы на промысле рака-медведя в экономической зоне СРВ показали, что применение электрических полей приводит к повышению уловов ракообразных на 120 %. В других приведенных ранее промысловых районах наблюдались аналогичные результаты.
В прибрежном рыболовстве промысел травяного шримса, который обитает на морских водорослях, традиционно проводится креветочными ловушками. При использовании автономного электрооборудования появляется возможность промысла бим - тралами с мотоботов, при этом бим - трал ведется в придонном варианте, как показано на рис. 4.10. Мотобот 1 ваєрами 7 буксирует бим - трал 6, оснащенный электрогенераторами 5 с электродами 4, зафиксированными грузом 3 с оттяжкой 8. При тралении перед бим - тралом наводится импульсное электрическое поле, при воздействии которого шримс всплывает к поверхности и попадает в облавливаемую зону бим - трала.
Экспериментальные исследования по воздействию электрических полей на лососевых рыб проводились на Калининском рыбоводном заводе Сахалинрыбво-да специалистами ДВ филиала НПО промрыболовства и ИЭМЭЖ АН СССР под руководством и при участии автора. На акватории реки рыборазводного завода проведены исследования реакции рыб на постоянные и импульсные электрические поля. При этом напряжение на электродах составляло 35 + 38 В, частота импульсного напряжения -1+2 Гц, расстояние между электродами варьировалось от 2 -Зм до 15 - 18м. В определенных случаях наблюдалась анодная реакция рыб (т. е. они направлялись четко к аноду). При включении импульсного тока резко покидали эту зону. Реакции особей лосося показаны на рис. 4.11.
Для проведения экспериментальных работ по электронаркотизации лососей автором были разработаны и изготовлены генераторы, обеспечивающие параметры полей, определенных по результатам опубликованных исследований, проведенных на других породах рыб. Из условия работ по забору икры и молок на рыборазводных заводах идеальным методом обездвиживания производителей является наркотизация их в воде с последующим извлечением их из воды специальным подъемником и транспортировкой по желобу с проточной водой к разделочному столу. В этом случае при подъеме из воды рыба не бьется, и, следовательно, отсутствуют механические воздействия на молоки и икру. Рис.4.11. Реакция рыб на электрическое поле на акватории реки Из аналитических исследований следует, что каждая особь, помещенная в электрическое поле, вносит значительные искажения в картину поля, т.е. параметры наркотизирующего поля, подобранные для одной особи в определенном объеме воды, будут воздействовать на группу рыб совершенно по другому. Таким образом, результаты исследований, проведенных в аквариуме, нельзя перенести без изменений в реальные условия, учесть же искажения поля, вносимые конструкцией подъемника и самими производителями практически невозможно.
К моменту начала работ с генераторами электрических полей для наркотизации лососевых, были завершены с положительными результатами испытания макета подъемника и его конструкция была взята за основу. Осуществлены подъемы до 30 производителей одновременно. Исследования по определению параметров наркотизирующего электрического поля было решено провести в реальных условиях в подъемнике, габаритные размеры которого приведены на рис. 4.12.
