// Вие четете...

Чиста вода

Условия за използване на Оптически локационни системи.

„Морето е завладяло всички реки, защото е по-ниско от тях.“

Историята за изследване на океанските дълбочини наброява не малко ярки страници. В различните периоди на усвояване и изучаване на океаните и моретата, стъпка след стъпка, формиращи представата за значителна част от нашата планета, за изпълняване на работи, винаги трудни и опасни, са били привличани най-съвършените за всяка епоха технически средства. В наше време е характерно това, че в моретата и океаните започват активно да работят подводните апарати, в това число и апаратите – роботи. Добре известни са изпълнените от подводни апарати работите по оценка на състоянието на дъното в местата на полагане на кабели и тръбопроводи, по осигуряване на установката на плаващите нефтогазови платформи и т.н.

Но осигуряване на практическото използване на автономните необитаеми подводни апарати (АНПА) се явява сложна комплексна техническа задача, която може да се раздели на няколко по-прости. Една от тях се явява определяне на местоположението на АНПА в автономен режим в подводно положение да определи с голяма точност своето място относно морското дъно. Така или иначе бурното развитие на електронните системи и комплекси в последно време позволяват с голям оптимизъм да се гледа на търсенето на решение на дадената задача. При това отделно място сред големия набор от електронни системи заемат оптическите системи, които с успех могат да бъдат използвани за осигуряване на връзката с АНПА, а също така за осветяване на обстановката и определяне на местоположението на апарата.

Създаването на лазерна линия за свръзка с обектите, намиращи се под водата, а също така лазерните средства за осветяване на подводната обстановка се явяват приоритетна задача за развитие на системите за управление и наблюдение в чуждестранни военноморски сили. Така, отбранителното агентство DARPA е подписало контракт с фирмата QinetiQ за създаване на система за подводно лазерна свръзка в синьо зеления диапазон. Предполага се, че новото устройство за комуникация ще бъде включено в тактическата информационна мрежа TRITON. Освен това, също така по заявка на агентство DARPA фирмата QinetiQ е създала прототип на система за осветяване на подводната обстановка с използването на лазер. При това по информация на чуждестранния печат далечината на откриване на подводните обекти вече е на няколко стотен метра.

Във ВМФ на Русия работите по създаването на оптическите средства за връзка с обекти под водата се провеждали още в средата на осемдесетте години на миналия век. За установяване и проверка възможностите за двустранна свръзка е била преоборудвана подводната лодка проект 658С К-19. Предполагало се е да се проведе експеримент по установяване на връзка между подводната лодка в подводно положение и модула „Квант” на международната космическа станция „Мир”. За съжаление, по силата на определени причини довеждането на работите по това време до логичен край не е станало. Лазерни системи за осветяване на подводната обстановка и определяне на мястото никога в страната не са се разработвали.

В настоящия момент лазерни средства за осветяване на обстановката, или, както ги наричат средства за оптическа локация (СОЛ) – активно формиращи се в научната област. Тяхното използване на АНПА позволява решаването на задачата за определяне на местоположението относно морското дъно. Използването е свързано с това, че СОЛ имат редица съществени преимущества в сравнение с другите технически средства, осигуряващи определянето на мястото. Към такива преимущества могат да се отнесат:

– висока различаваща способност на оптическите локационни системи (разстоянието между два обекта, имащо еднакви ъглово координати, ще е от няколко сантиметра);

– тясната оптична диаграма на насоченост (позволява да се определят с точност до няколко минути ъгловите координати на подводните обекти);

– скритост на използване на оптическите средства за определяне на мястото на АНПА (за отличие от хидроакустическите комплекси и системи, работата на оптическите системи не е възможно да бъде открита).

Но, освен причислените преимущества, СОЛ имат и свои недостатъци:

– не голяма далечина на действие – до няколко стотен метра (това е свързано с ограниченията по преминаването на електромагнитната енергия във водната среда; светлинното излъчване – електромагнитното излъчване);

– голяма зависимост на преминаването на светлинната енергия във водната среда от физическите и химическите свойства на морето (разтворените и неразтворените органични и неорганични примеси, което води към разсейване на светлинното излъчване).

Дадените плюсове и минуси е необходимо да се отчитат при проектирането на оптически локационни системи за осигуряване на определяне на местоположението на АНПА относно морското дъно.

Разпространение на електромагнитната енергия в светлинния диапазон във водната среда.

Определянето на местоположението на АНПА, както беше казано по-горе се явява сложна техническа задача. За нейното решаване е необходимо:

– разработване на специални оптически локационни средства;

– създаване на цифрови карти на морското дъно за райони, в които ще маневрират АНПА.

Тези две задачи са взаимно свързани – без създаването на специални оптически локационни средства е невъзможно да се създадат цифрови карти на морското дъно и, обратно, без наличието на цифрови карти на морското дъно не може да се осигури определяне на мястото на АНПА, даже при наличието на борда на специално оптическо локационно средство.

До настоящия момент специализирани оптически системи за определяне на мястото не са създадени. За определяне на мястото широко се използват хидроакустическите комплекси и системи (както намиращите се в състава на оборудването на АНПА, така и специално установените в района на неговото местонахождение).

Това е свързано с особеностите на преминаване на електромагнитните вълни във водната среда. Колкото е по-голяма честотата (кратка дължина на вълната) на електромагнитното излъчване, толкова по-малко е разстоянието, което то преминава във водната среда (за СВЧ диапазон то съставлява от единици сантиметри). Разпространението на звука в морето не така силно зависи от честотата на излъчване, но работата на хидроакустическите средства (ХАС) силно зависи от хидрологичните условия на разпространение на звука във водата. Тези условия биват и не благоприятни. Поради това АНПА не винаги може с помощта на ХАС да определи своето място по маршрута на придвижване.

От друга страна, ако направим анализ на целия диапазон на електромагнитните вълни (ЕМВ) – от единица Хц до 1020 Хц) като предмет на проникване на ЕМВ във водната среда, то може да се намери диапазона, в който се осигурява относително малко затихване. В него се наблюдава минимални загуби при разпространение на електромагнитната енергия във водата.

На рис. 1 е представена такава област – това е така нареченото „око на прозрачност”.

Рис. 1. Зависимост на проникването на светлината от дължината на вълната.

Както се вижда от рисунката, такава област се отнася към видимата част на спектъра. Проведените научни изследвания са потвърдили, че общото светлинно поле в слоя вода се изменя в зависимост от дълбочината на морето.

На дълбочина 1 см поглъщането е 15% от всичката слънчева енергия. Основно тази енергия е за най-дългите вълни в инфрачервения спектър, която се губи заради заглъхване в повърхностния тънък слой на океана.

На дълбочина 1 м поглъщането е 55% от цялата енергия, в това число всички инфрачервени вълни и значителна част от ултравиолетовите.

На 10 м се поглъща 84% от цялата енергия. Само вълните от синия и зеления сектор на светлината проникват на още големи дълбочини.

На 100 м остава само 1% от светлината енергия, постъпваща от повърхността на морето. По цвета на тази остатъчна синьо зелена светлина с дължина на вълната около 472 нм – 6.1014 Хц.

Основавайки се на практическите изследвания преминаването на светлината през морската среда и теоретическите разчети, може да се направи извод за това, че работата на оптическите локационни системи ще са най-ефективни именно в синьо зеления диапазон на дължината на вълната. Теоретическите разчети на проникващите способности на лазерното излъчване в синьо зеления диапазон на дължина на вълната са приведени в следната таблицата.

Проникваща способност на лазерното излъчване в синьо зеления диапазон на дължината на вълната.

Мощност на излъчването, Вт100200300500
Дебелина на слоя вода, м100150180210
Диаметър на фото приемника, м0,20,20,20,2
Мощност на излъчване на приемния детектор, мВт0,590,931,482,35

Както се вижда от таблицата, дебелината на слоя на водата, през който преминава светлинното лазерно излъчване в синьо зеления диапазон на дължината на вълната, зависи от мощността на използвания лазер.

Освен поглъщането, още един физически фактор, който ще оказва силно влияние на разпространението на лазерното излъчване на оптическата система за определяне на мястото, е разсейването. Светлината – това е поток от фотони – частици, притежаващи определена енергия, импулс със собствен момент на импулса и нулева маса.

От гледна точка на оптиката, морската вода представлява мътна поглъщаща среда. Светлинния поток (поток от фотони), проникващ във водата и преминаващ през дебелината на слоя вода, ще отслабва за сметка на разсейването (при това се разсейва във всички посоки). Това физическо явление е свързано с преминаването на светлината през не еднородна среда.

Не еднородността се явява свободно плаващите частици, предизвикващи оптическа не еднородност на морската вода. Характера на разсейването на светлината зависи от размера на разсейващите частици. Поради това се разглеждат разделно разсейването на светлината от частиците, имащи размери по-малки от дължината на вълната на падащата светлина, – молекулярно разсейване, и разсейването на светлината от крупни частици, съизмерими с дължината на вълната на падащата светлина.

Отслабването на енергията на светлинния поток за сметка на разсейването зависи от дължината на вълната на светлината λ. То е обратно пропорционално на четвъртата степен на дължината на светлинната вълна. Поради това във водата по-силно се разсейват лъчите на зеления и особено сините частици на спектъра с дължина на вълната по-малка от 500 нм.

Този извод се отнася към разсейването на светлината от частици по-малки в сравнение с дължината на светлината вълна, тоест за случая на молекулярно разсейване. То се наблюдава тогава, когато в морската вода няма разтворени газове и примеси, намиращи се в свободно плаващо (безтегловно) състояние. В последния случай те и другите могат да достигнат размерите от порядъка на дължината на светлинната вълна и даже и по-големи и ще предизвикват силно разсейване на светлината, която не се подчинява на законите на молекулярното разсейване.

Когато размерът на разсейващите частици е съизмерим с дължината на светлинната вълна, на нейната повърхност под въздействието на променливо електромагнитно поле, разпространяващо се в направление на светлинния поток, възникват не прости електромагнитни колебания, както в случая на молекулярното разсейване, а сложни. Светлинния поток, проникващ под повърхността на морето, се разсейва от всеки елементарен слой вода както напред, така и назад. И двата потока на свой ред се разсейват в двете страни (разсейване от втори порядък). В зависимост от размера и характера на частиците възникват електромагнитни колебания не само от втори, но от трети и четвърти порядък и т.н. Сумарния ефект от разсейването за всеки елементарен слой представлява сложна картина на многократното разсейване на светлинните лъчи в дебелината на слоя морска вода.

В този случай модулът на разсейване се оказва много пъти по-голям от модула за молекулярното разсейване. Поради което крупните частици могат да предизвикат сумарен ефект на разсейване, примерно в 200 пъти превишаващ ефекта от молекулярното разсейване.

В резултат на съвместния ефект от поглъщането и разсейването на светлината с дълбочината протича процес на отслабване на светлинния поток и изменение на неговия спектрален състав, тъй като показателите на поглъщане и разсейване по различен начин зависят от дължината на вълната. Дълго вълновите лъчи (>600 нм) се поглъщат основно от повърхностния слой с дебелина от няколко метра, по-надълбоко преобладава разсейването на зелено синята част от спектъра.

В природата процесът на поглъщане и разсейване на светлината действат едновременно. Поради това при проникване на светлината в дълбочина на морето нейното отслабване ще се осъществява за сметка на двата процеса.

В чиста океанска вода отслабването на светлината е минимално и се определя преимуществено от поглъщането на светлината. Разсейването на светлината има еднакъв порядък с поглъщането само в синята част на спектъра (от 300 до 500 нм) с максимум при дължина на светлинната вълна от 460 нм. При дължина на вълната по-голяма от 580 нм дяла на разсейването в общото отслабване на светлината не превишава 1%.

С увеличаването на мътността на водата, обикновено наблюдавана при прехода към брега, значенията на разсейването в сумарното отслабване нараства вследствие наличието във водата на крупни свободно плаващи частици. Едновременно нараства и поглъщането от крупните частици, което предизвиква общо увеличаване на сумарното отслабване и изместване на минимума на отслабване в зоната на по-дългите вълни.

Зависимостта на отслабването на светлината от дължината на вълната и наличието на примеси трябва да бъде отчетена при избора на дължина на вълната на оптическата локационна система, предназначена за определяне на мястото на АНПА. Към настоящия момент работи в страната не се провеждат нито практически, нито теоретически. Но без тяхното провеждане (без определяне на оптималната дължина на вълната) не е възможно да се създаде ОЛС с характеристики, осигуряващи навигационната безопасност на плаване на АНПА в подводно положение.

Правилния избор на дължина на вълната позволява да се намери сред всичкото многообразие варианти за оптически локационни системи системата с оптимални технически характеристики.

Коментари

Все още няма коментари

Публикувай коментар