В настоящее время для передачи информации в водной среде используют проводные и беспроводные линии связи [ 2, 3 ].
Передаваемая информация представляет собой характеристики подводной среды и видеоданные с подводных камер, а также команды управления подводными роботами.
Проводные линии подводной связи, в том числе волоконно-оптические, существенно ограничивают диапазон действия и снижают мобильность малогабаритных телеуправляемых подводных аппаратов( МТПА). Кроме того, использование таких линий становится невозможным при увеличении числа обслуживаемых подводных аппаратов.
Беспроводные акустические линии связи основываются на передаче звуковых волн через водную среду. Однако данные линии связи обеспечивают низкую скорость передачи и имеют невысокую помехоустойчивость из-за наличия большого количества акустических помех [ 4 ].
Использование электромагнитных волн позволяет существенно повысить скорость передачи информации. Кроме того, распространение электромагнитных волн не зависит от солености, температуры и давления воды. Однако данный вид волн подвержен сильному затуханию в водной среде вследствие поглощения и рассеяния, что значительно ограничивает дальность связи.
Из анализа работ [ 2 – 5 ] известно, что наименьшее поглощение в водной среде испытывают электромагнитные волны оптического диапазона с длиной волны 200-900 нм. Беспроводные оптические линии связи позволяют получить высокую скорость передачи информации путем использования большой полосы частот, составляющей десятки гигагерц [ 6, 7 ].
Учитывая вышеизложенное, целесообразно использовать беспроводную оптическую систему передачи информации для применения в мобильных МТПА. Однако из-за взаимодействия оптического излучения с водной средой при распространении происходит значительное рассеяние и поглощение сигнала, которое достаточно трудно прогнозировать.
Обоснование модели распространения оптического сигнала в водной среде
Известно, что морская вода включает в себя три основные составляющие: чистую воду, растворенные вещества( неорганические и органические) и взвесь( минеральную и органическую) [ 4, 5 ]. Однако механизм влияния указанных составляющих различен. Поэтому при обосновании модели распространения оптического сигнала предложе- но разделять содержащиеся в воде вещества по природе их влияния на данный сигнал.
Основными компонентами, учитывающими влияние среды распространения оптического сигнала, являются поглощение и рассеяние.
Способность воды и содержащихся в ней веществ поглощать электромагнитное излучение в широком диапазоне интенсивностей определяется законом Бугера [ 4, 5 ]. Данный закон связывает передаваемую и принимаемую мощность оптического сигнала с помощью коэффициента поглощения а( λ), который зависит от длины волны λ распространяющегося сигнала и характеризует потери электромагнитной энергии в водной среде на нагревание, изменение химического состава вещества, ионизацию, переизлучение на другой длине волны и т. п.
В общем случае океаническая вода состоит из молекул воды, органических частиц, газов, вирусов, бактерий, фитопланктона и неорганических частиц [ 4, 5 ]. Концентрация указанных веществ в зависимости от типа водной среды и времени меняется в достаточно широких пределах. Таким образом, в ряде случаев невозможно полностью учесть все составляющие показателя поглощения оптического сигнала в водной среде. Поэтому обычно [ 1, 4 ] учитываются только основные компоненты, имеющие наибольшую концентрацию.
В [ 4, 5 ] приводятся измеренные зависимости коэффициента поглощения для разных типов вод, по которым осуществляется выбор длины волны оптического сигнала, имеющего наименьшее поглощение. Для чистой воды минимум поглощения находится около 450 нм.
При добавлении примесей минимум поглощения немного смещается в область более длинных волн, а его значение зависит от типа примесей и их концентрации.
Интенсивность и направление рассеяния зависят от размеров присутствующих в воде частиц.
В связи с этим выделяют [ 3, 4, 8 ] рассеяние света частицами с размерами, соизмеримыми с λ( молекулярное рассеяние Релея), и рассеяние света частицами с размерами большими λ( рассеяние Ми). Рассеяние на атомах и молекулах описывается теорией Релея [ 2, 4, 8 ], которая позволяет полностью учесть рассеяние сигнала в чистой воде.
Рассеяние на частицах с размерами большими λ имеет ярко выраженную направленность, определяемую индикатрисой рассеяния [ 5, 8 ]. Расчет данного вида рассеяния проводится с использованием теории Ми, в которой учитываются относительные размеры частиц, их форма, расстояния между частицами, взаимные расположения частиц и показатели преломления. При этом используется допущение о том, что частицы являются сферическими
45