„Две системи работят по-добре от една.“

В публикацията се оценява състоянието на средствата за ориентация на автономни необитаеми подводни апарати (АНПА) спрямо морското дъно и разглежда начини за подобряване на точността на определяне на координатите на АНПА. Показано е, че един от начините за подобряване на точността на позициониране на АНПА е съвместното използване на хидроакустични навигационни станции и лазерни навигационни станции за определяне на местоположението на автономни необитаеми апарати спрямо морското дъно.

Всяка година нараства значението на автономните необитаеми подводни апарати (АНПА) в изследването на Световния океан. Вече с тяхна помощ се извършва:
– събиране на океанологична информация;
– търсене на подводни и надводни обекти;
– извършване на геоложки проучвания;
– мониторинг на подводни тръбопроводи и кабелни линии.
Съществуват обаче редица ограничения за тяхното използване. Такива ограничения включват определяне на местоположението на АНПА спрямо морското дъно.
Понастоящем успешната работа на подводни апарати по предназначение се постига чрез наличието на хидроакустични навигационни станции (ХАНС) в неговите радиоелектронни средства. Основната цел на ХАНС е да осигури точно местоположение на устройството.

Според принципа на действие ХАНС се разделят на системи с дълга база, базирани на измерване на разстояния до навигационния обект от система от референтни точки (транспондерни маяци), и системи с ултракъса база, в които решението на навигационната задача се състои в определяне от една точка на обхвата, азимута и ъгъла на мястото с помощта на далекомерни и ъгломерни данни.

Най-голямата гъвкавост във връзка с дълбоководни подводни апарати с висока автономност и обхват се притежава от навигационни системи, съдържащи интеграция на системата като част от ХАНС с дълга базова линия (ХАНС-ДБ) и ХАНС с ултракъса базова линия (ХАНС-УКБ). Много чуждестранни АНПА имат както системи с дълга база, така и системи с ултракъса база като част от навигационни средства, които са комбинирани като единен комплект оборудване, а целесъобразността на избора на един или друг режим на работа на навигационния комплекс се определя от текущия задача и условията за нейното изпълнение.

Съществуват обаче редица технически и физически ограничения за ХАНС, които значително влияят върху приложението им. Тези характеристики включват:
– значителна зависимост на коефициента на затихване на хидроакустичните сигнали от носещата честота;
– ниски скорости на разпространение на хидроакустични сигнали във водна среда;
– многолъчево разпространение в нехомогенна водна среда, при наличие на граници, в плитко море и др.
Допълнителни ограничения върху работата на ХАНС се налагат от строгите изисквания за пестене на електроенергия, както и ниската секретност на работата.
В допълнение, използването на ХАНС с дълга основа без предварително инсталирани маяци ответници е невъзможно.
Всичко това не позволява да се определи точно местоположението на АНПА спрямо морското дъно, когато той извършва работа при липса на транспондерни сонарни маяци. Дебелият слой тиня, покриващ морското дъно, също ограничава използването на ХАНС с ултракъсата базова линия. Едно от решенията на този научно-технически проблем може да бъде съвместното използване за подводна навигация на ХАНС и лазерни навигационни станции (ЛНС).

Физическа основа на лазерните навигационни станции.
В момента в САЩ и Китай се обръща голямо внимание на създаването на ЛНС за използване във водна среда. Принципът им на действие е подобен на принципа на действие на навигационните системи, инсталирани на редица безпилотни летателни апарати. Това им позволява да работят с обекти с нисък контраст и в мътни среди. ЛНС имат редица значителни предимства пред ХАНС:
– възможност за определяне на пространствените координати на малко размерни (до единици сантиметри) обекти на морското дъно;
– висока производителност на работа;
– високо ниво на детайлност.

Лазерната навигационна станция използва ефекта от разпространението на оптичното лъчение под водата. Както се знае, във водната среда електромагнитната енергия се разпада. Въпреки това, ако анализираме целия диапазон на електромагнитните вълни (EMВ) – от единици Hz до 1020 Hz за проникването на EMВ във водната среда, тогава можем да намерим диапазон, в който се осигурява относително ниско затихване. Той показва минимални загуби при разпространението на електромагнитна енергия във водата.
На рис. 1 е показана такава област – това е така нареченият „прозрачен прозорец“.

Рис. 1. Оптична част на електромагнитния спектър

Както се вижда от рис. 1, такава област принадлежи към областта на видимата част на спектъра.
Научните изследвания потвърждават, че общото светлинно поле в океана варира в зависимост от дълбочината на морето. На дълбочина 1 см се абсорбира 15% от цялата слънчева енергия. Това е главно енергията на най-дългите вълни от инфрачервената част на спектъра, която се губи поради абсорбция в повърхностния филм на океана.
На дълбочина 1 m се абсорбира 55% от цялата енергия, включително всички инфрачервени вълни и значителна част от ултравиолетовите.
На дълбочина 10 м се абсорбира 84% от цялата енергия. Само вълни от синя и зелена светлина проникват до още по-големи дълбочини.
На дълбочина 100 m по правило остава само 1% от светлинната енергия, идваща от морската повърхност. На цвят това е остатъчна синьо-зелена светлина с дължина на вълната около 472 nm – 6 × 1014 Hz.
Въз основа на практически изследвания на преминаването на светлината през морската среда и теоретични изчисления можем да заключим, че работата на оптичните радарни системи ще се извършва най-ефективно в синьо-зеления диапазон на дължината на вълната. Теоретичните изчисления на проникващата способност на лазерното лъчение в синьо-зеления диапазон на дължината на вълната са дадени в таблицата.
Резултати от изчисляване на проникващата способност на лазерното лъчение в синьо-зеления диапазон на дължината на вълната

Както се вижда от таблицата по-горе, дебелината на водния слой, през който преминава синьо-зелената лазерна светлина, зависи от мощността на използвания лазер.
В допълнение към абсорбцията, друг физически фактор, който ще има силно влияние върху разпространението на лазерното лъчение в оптична система за позициониране, ще бъде разсейването. Светлината е поток от фотони – частици, които имат определена енергия, импулс, собствен ъглов момент и нулева маса.
От оптична гледна точка морската вода е мътна абсорбираща среда. Светлинният поток (фотонен поток), проникващ във водата и преминаващ през водния стълб, ще бъде отслабен поради разсейване. Това физическо явление се свързва с преминаването на светлина през нехомогенна среда (в този случай потокът може да се разпръсне напред, назад и във всяка друга посока). Хетерогенностите са суспендирани частици, които причиняват оптична нехомогенност на морската вода.

Характерът на разсейването на светлината зависи от размера на разсейващите частици. Поради това се разглеждат по отделно разсейването на светлината от частици, по-малки от дължината на вълната на падащата светлина – молекулярно разсейване, и разсейването на светлината от големи частици, съизмерими с дължината на вълната на падащата светлина.
Отслабването на енергията на светлинния поток поради разсейване зависи от дължината на вълната на светлината λ. Тя е обратно пропорционална на четвъртата степен на дължината на вълната на светлината. Затова във водата най-много се разсейват лъчите от зелената и особено от синята част на спектъра с дължина на вълната под 500 nm.
Това заключение се отнася за разсейването на светлината от частици, малки в сравнение с дължината на вълната на светлината, т.е. за случая на молекулярно разсейване. Наблюдава се, когато няма разтворени газове и примеси в суспензията в морската вода. Ако водата съдържа разтворени газове и примеси, тогава и двете могат да достигнат размери от порядъка на дължината на вълната на светлината и дори по-големи. Те ще предизвикат силно разсейване на светлината, което не се подчинява на законите на молекулярното разсейване.

Когато размерът на разпръскващата частица е съизмерим с дължината на вълната на светлината, на нейната повърхност, под въздействието на променливо електромагнитно поле, разпространяващо се по посока на светлинния поток, възникват не прости електромагнитни трептения, както в случая на молекулярно разсейване, а но сложни. Светлинният поток, който е проникнал под повърхността на морето, се разпръсква от всеки елементарен слой вода както напред, така и назад. И двата потока от своя страна се разпръскват в двете посоки (разсейване от втори ред). В зависимост от размера и природата на частиците възникват електромагнитни трептения не само от втори, но и от трети, четвърти ред и т.н. Общият ефект на разсейване от всеки елементарен слой представлява сложна картина на многократно разсейване на светлинните лъчи в морето.
В този случай модулът на разсейване се оказва многократно по-голям от модула на молекулярното разсейване. Следователно големите частици могат да причинят нетен ефект на разсейване, който е около 200 пъти по-голям от ефекта на молекулярното разсейване.
В резултат на комбинирания ефект на поглъщане и разсейване на светлината с дълбочината, светлинният поток се отслабва и неговият спектрален състав се променя, тъй като индексите на поглъщане и разсейване зависят от дължината на вълната по различни начини.

Дълговълновите лъчи (>600 nm) се абсорбират главно от повърхностния слой с дебелина няколко метра, по-дълбоко преобладава разсеяната зелено-синя част от спектъра. В природата процесите на поглъщане и разсейване на светлината действат едновременно. Следователно, когато светлината проникне в дълбините на морето, нейното отслабване ще настъпи поради двата процеса.
В чистата океанска вода отслабването на светлината е минимално и се определя главно от поглъщането на светлината. Разсейването на светлината е от същия порядък с поглъщане само в синята част на спектъра (от 300 до 500 nm) с максимум при дължина на светлинната вълна 460 nm. При дължини на вълните над 580 nm делът на разсейването в общото затихване на светлината не надвишава 1%. С увеличаване на мътността на водата, обикновено наблюдавана при приближаване до брега, стойността на разсейването в общото затихване се увеличава поради наличието на големи суспендирани частици във водата. В същото време се увеличава и поглъщането от големи частици, което води до общо увеличение на общото затихване и изместване на минимума на затихване към зоната на по-дългите вълни.
Зависимостта на затихването на светлината от дължината на вълната и наличието на примеси трябва да се вземат предвид при избора на дължината на вълната на ЛНС, предназначена за определяне на местоположението на АНПА. Понастоящем нито практически, нито теоретично тези работи не са извършвани у нас. Без тяхното внедряване (без определяне на оптималната дължина на вълната) е невъзможно да се създаде ЛНС с характеристики, които осигуряват навигационната безопасност на навигацията на АНПА в потопено положение.
Правилният избор на дължина на вълната ще позволи да се избере система с оптимални технически характеристики от цялото разнообразие от опции за ЛНС.