„Виж, за да повярваш.“

В началото на 21 век, с навлизането на иновативни технологии във флотовете на развитите страни, започнаха активно да се създават роботизирани системи за различни цели. Военното командване на Съединените щати и страните от НАТО приема нови и модернизира съществуващите автономни безпилотни подводни апарати (АНПА). Крайната цел на тези работи е частична или пълна подмяна на човек по време на опасна работа под вода. Още сега с помощта на АНПА се извършва:
– събиране на океанологична информация;
– търсене на подводни и надводни обекти;
– картографиране на морското дъно;
– търсене и унищожаване на мини.

Обхватът на задачите, решавани с помощта на АНПА, непрекъснато се разширява. В близко бъдеще се планира те да бъдат включени в търсенето и унищожаването на вражески подводници и АНПА. В тази връзка гамата от полезни товари, инсталирани на АНПА (оборудване и оръжия), както и броят на самите превозни средства, се увеличават от година на година. Съществуват обаче редица неразрешени технически проблеми, които налагат ограничения върху приложението им.

По-специално, такива нерешени проблеми включват липсата на надеждни високоскоростни комуникационни канали за предаване на големи количества информация в двоична форма (видео файлове, снимки с висока разделителна способност и т.н.) от АНПА до специализирани ретранслационни устройства – дълбоководни ретранслационни станции и други АНПА. Предаването на живо на данни от устройства е необходимо на първо място за увеличаване на скоростта на вземане на решения за открити обекти. Понастоящем значителни количества данни (от няколко килобайта до стотици мегабайта) могат да се предават в реално време от подводно превозно средство до ретранслатори само чрез кабелни комуникационни линии.

Може, разбира се, да се използват хидроакустични средства за комуникация за предаване на данни. По тях информацията от АНПА чрез ретранслатора може да бъде доведена до центъра за управление на кораба. Необходимо е обаче да се вземат предвид и особеностите на разпространението на звука в морската вода. Обхватът на хидроакустичната комуникация зависи пряко от честотата на носещия сигнал, на който се предава информацията. Колкото по-висока е, толкова по-къс е обхватът на хидроакустичната комуникация. В допълнение, скоростта на пренос на данни в двоична форма по хидроакустичния канал е доста ниска. В момента тя не надвишава 20 Kbps на разстояние няколко километра. В същото време физическите условия на разпространение на звука в морската вода не гарантират надеждността на комуникацията (при определени условия комуникацията може да не е възможна). Поради тези причини хидроакустичната комуникация не може да се счита за надеждно средство за предаване на големи количества информация от устройство към ретранслатор или контролен кораб. Това от своя страна не позволява да се реализира напълно функционалността на съвременните АНПА.

Оптични комуникации. Всяка година броят на задачите, възложени на АНПА, ще се увеличава, което ще изисква бързо създаване на нови високоскоростни комуникационни канали. Един от тях може да бъде лазерен комуникационен канал. Както е известно, електромагнитната енергия практически не се разпространява във водната среда поради голямото затихване. Въпреки това, в диапазона от 472 нм (f=6*1014 Гц) до 530 нм (f=1,27*1012 Гц), затихването на електромагнитната енергия спрямо други диапазони на дължина на вълната е много по-малко и следователно нейното разпространение на дълги разстояния е възможен. Този диапазон, който съответства на оптичното излъчване на синьо-зеления спектър, се нарича „прозорец на прозрачност“. Обхватът на разпространение на лъчите, в зависимост от мощността на излъчване, може да достигне няколко стотин метра. На рис. 1 е показана тази област от електромагнитния спектър.

Рис. 1. Област на “прозорец на прозрачност”

В компютърните технологии вече няколко десетилетия за предаване на информация се използват оптични комуникационни линии. Скоростта на пренос на информация в тях може да достигне стотици мегабита в секунда. Принципът на работа на тези линии е прост. В предавателя оптичното излъчване се модулира с ниско честотен информационен сигнал, който съдържа файлове, с помощта на специални устройства. В приемника полезна информация се извлича от оптичното излъчване. Същият принцип може да се използва и под вода. Източникът на излъчването трябва да бъде лазер в синьо-зелен цвят. Този метод за пренос на информация има значителни предимства пред хидроакустиката, главно по отношение на скоростта на прехвърляне на големи количества информация в двоична форма.
Теоретичните изчисления показват възможността за формиране на подводен комуникационен канал със скорост на предаване на данни от 1 до 10 Mbps в зависимост от мощността на излъчване и обхвата на комуникация.

Съществуват обаче редица фактори, които значително влияят върху разпространението на оптичното излъчване под водата. Тези фактори включват поглъщането на електромагнитна енергия, както и дисперсията. Светлината е поток от фотони – частици, които имат определена енергия, импулс, собствен ъглов момент и нулева маса.

От оптична гледна точка морската вода е нехомогенна мътна среда, съдържаща различни нехомогенни органични и неорганични частици. Светлинният поток (поток от фотони), разпространяващ се във водата, се сблъсква с тях, отразява се и в резултат на това се разсейва, което води до отслабване на оптичното излъчване. В този случай фотонните потоци могат да се разпръснат във всяка посока.
Разбира се, по-малката зависимост от естествените условия на разпространение и в резултат на това възможността за предаване на големи количества информация прави за предпочитане използването на лазерен комуникационен канал. Въпреки това обхватът на оптичната комуникация между обектите във водната среда ще бъде значително по-нисък от обхвата на комуникация в хидроакустичния канал.

Начини за използване на оптична комуникация. В момента нивото на развитие на оптичните технологии позволява да се започне работа по създаването на лазерни подводни комуникационни комплекси. В същото време е желателно да се предвиди използването му заедно с хидроакустични средства за комуникация.

Лазерното комуникационно оборудване ще позволи да се компенсират недостатъците на хидроакустичните комуникации. Хидроакустичната комуникация от своя страна ще позволи да се компенсират недостатъците на оптичната комуникация. Подобно съвместно използване на „многоскоростни“ комуникационни канали отдавна се използва в безпилотни летателни апарати (БПЛА). По ниско скоростният канал се осъществява управлението на апарата и се предават телеметрични данни. Информацията се предава на контролния пункт чрез високоскоростен канал от оборудването за наблюдение (оптично и т.н.), монтирано на БПЛА. Научният метод „аналогия“ позволява да се разшири този метод на работа на комуникационните канали и на АНПА.

Чрез ниско скоростен хидроакустичен канал апаратът може да предава телеметрична информация за своето състояние на дълбоководни дънни станции или контролен кораб и да получава команди за управление. Такава информация има малък размер (обемът й не надвишава няколко килобайта). Големи количества информация ще се предават по лазерен комуникационен канал. Движейки се по предварително зададен маршрут, с помощта на хидроакустични средства, АНПА трябва да избере оптимално разположения (най-вероятно най-близкия до устройството) ретранслатор и да предаде натрупаната информация към него чрез лазерен комуникационен канал. Получената информация ще бъде излъчена по жична линия до кораба-носител на апарата. В същото време, за да се организира двупосочна оптична комуникация, лазерните предаватели и приемници трябва да бъдат инсталирани както на ретранслатори, така и на АНПА. Това ще направи възможно използването на транспортния протокол TCP (Transmission Control Protocol) за предаване на байтови съобщения. Той осигурява надежден превод на файлова информация с ненадежден комуникационен канал, което ще позволи да се доставят файлове от един компютър на друг без грешки.