Системы многоабонентной электромагнитной связи и управления биообъектами в электропроводящих средах

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.). 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. 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:

1. Разработаны теоретические модели электромагнитных каналов связи в электропроводящих средах (в морской воде и в грунтовых породах морского дна) на токах проводимости.

2. Определены оптимальные параметры электромагнитных полей для каналов связи в проводящих средах с учетом комплексной компоненты распространения у.

3. Выполнено теоретическое обоснование того, что в безграничных проводящих средах на расстояниях, меньших 1-И, 5 скинслоев при определенных рабочих частотах, в электромагнитном поле излучения преобладают радиальо ные составляющие напряженности Ег в направлении вдоль оси диполя (0 = 0, о.

180), а на расстояниях, больших 1-И, 5 скин-слоев, преобладают тангенциальо ные составляющие Eg в направлении, перпендикулярном оси диполя (в = 90, 270°).

4. Проведена экспериментальная проверка систем подземной и подводной связи на токах проводимости.

5. 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, 1981 г., № гос. per. 8 040 513), «Устройство для забоя производителей лосося» (ДВ филиал НПО промрыболовства, 1982,1983гг., № гос. per. 1 824 017 022), «Распространение радиоволн в естественных волноводах земной коры» Межотраслевая программа сотрудничества Министерства образования и Министерства обороны РФ (ДВНТУ, 2001 г.), «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, 2003 г.), «Разработка и исследование новых принципов прогноза катастрофических природных явлений на границе раздела литосфера-океанатмосфера» (ДВГТУ, 2004,2005гг.), «Исследование способов и методов повышения эффективности подземной радиосвязи» (ИАПУ ДВО РАН, 2006 г.).

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 параметров формирования полей на определенных расстояниях от излучающего диполя в замкнутых объемах и безграничном пространстве.

2. 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).

3. 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».

4. Разработана и внедрена в практику конструкторских разработок методика инженерных расчетов параметров электромагнитных полей для воздействия на ряд морских объектов промысла.

5. 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.

6. 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 реп 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 воздействия^ 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, 1983г) — 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 90 720.

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:

1. Теоретические модели каналов связи на токах проводимости в электропроводящих средах.

2. 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.

3. 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, достоверность 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 рыборазводном 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.

Выводы по главе.

На основании требований, сформулированных в предыдущих главах, разработана и изготовлена аппаратура для экспериментальных исследований подводной связи, а также для электронаркотизации лососей.

Проведены экспериментальные исследования, определены параметры электромагнитных полей для связи в различных средах в различных условиях, а также выявлены параметры электрических полей для электронаркотизации лососей ДВ бассейна.

Проведены наблюдения инкубации оплодотворенной икры до стадии выкле-ва и развития мальков в стандартных условиях от рыб, подверженных электронаркотизации.

На основании экспериментальных исследований осуществлены конструкторские разработки до стадии рабочей конструкторской документации (РКД) подводного радиотелефонного устройства для легководолазов, а также электрооборудования креветочных тралов [102, 103].

Изготовлены мелкосерийные партии упомянутых устройств, организована и проведена их опытная эксплуатация в морях Дальневосточного и Западного бассейнов в различных условиях деятельности различными производственными управлениями.

Заключение

.

В диссертационной работе представлены научно обоснованные и экспериментально апробированные исследования параметров электромагнитных полей, направленные на развитие технических средств освоения природных ресурсов Океана. Внедрение в практику разработок технических средств результатов проведенных исследований позволит существенно ускорить процесс получения новых знаний о Мировом океане.

В диссертации представлен анализ достижений и проблем в исследовании параметров электромагнитных полей в проводящих средах. Рассмотрена физическая специфика использования электромагнитных каналов связи в морской среде и аналоге морского дна (в горнорудных породах).

Показаны преимущества использования электромагнитных полей в системах подводной связи в мелком море, отсутствие ограничений по направленности связи, возможность связи при наличии гидроакустических препятствий, а также возможность связи непосредственно с береговой черты.

Приведены расчетные формулы для оценки поля электрического диполя в безграничных проводящих и полупроводящих средах с учетом комплексной константы распространения у. Приведены оценки компонент поля. Определ е-но, что на расстояниях, меньших 1-И, 5 скин-слоев при определенных рабочих частотах, в электромагнитном поле излучения преобладают радиальные составляющие напряженности Ег в направлении вдоль оси диполя (0 = 0°, 180°), а на расстояниях, больших 1−4,5 скин-слоев, преобладают тангенциальные составляющие Е0 в направлении, перпендикулярном оси диполя (0 = 90°, 270°). Выводы проведенного анализа позволяют оценить параметры поля излучения при разработке электромагнитных каналов связи в морской среде и горных породах.

Определено, что при разработке систем электромагнитной связи в проводящих и полупроводящих средах на расстояниях, меньших 1−4,5 скин-слоев среды, целесообразно электрические диполи приемо-передающих антенн располагать вдоль воображаемой линии связи, а на расстояниях, больших HI, 5 скин-слоев среды — перпендикулярно линии связи. На основании разработанных методов расчетных оценок параметров поля электрического диполя приведены примеры разработок электромагнитных систем связи в морской среде и горных породах.

На основании исследований, теоретических и экспериментальных данных выбраны параметры электрических полей для проведения экспериментальных работ по определению степени воздействия электрического тока на лососевых рыб Дальневосточного бассейна.

В диссертационной работе приведены примеры разработок систем управления поведением промысловых водных организмов, в частности, электронаркотизации производителей лососей на рыборазводных заводах для их обездвиживания при заборе икры и молок, а также применение электрических полей при траловом промысле ракообразных.

На основании исследовательских и экспериментальных данных обоснованы физические особенности использования электрических полей на траловом промысле ракообразных с целью повышения эффективности лова при снижении отрицательных воздействий на фауну и флору морского дна.

Разработана утвержденная методика инженерных расчетов параметров автономного электрооборудования креветочных тралов.

Разработана и изготовлена аппаратура для экспериментальных исследований подводной связи, а также для электронаркотизации лососей.

Приведены результаты экспериментальных исследований по электронаркотизации лососевых рыб на рыборазводном заводе, а также подводных наблюдений за работой импульсных электрогенераторов на траловом промысле ракообразных на глубинах до 240 м.

Проведены наблюдения инкубации оплодотворенной икры до стадии вы-клева и развития мальков в стандартных условиях от рыб, подверженных электронаркотизации.

Результаты исследований, приведенных в диссертационной работе, использованы при составлении десяти отчетов по НИР, а также при разработке устройств электромагнитной подводной связи и управления поведением водных организмов, доведенных до стадий РКД и внедрения в промышленность, например [102,103].

Изготовлены мелкосерийные партии упомянутых устройств, организована и проведена их опытная эксплуатация в морях Дальневосточного и Западного бассейнов в различных условиях деятельности различными производственными управлениями.

Таким образом, в диссертационной работе получены следующие результаты.

1. Разработаны теоретические модели каналов связи на токах проводимости в электропроводящих средах.

2. На основании разработанных методов расчетных оценок параметров поля электрического диполя разработаны макеты и опытные образцы систем связи в морской среде и горных породах.

3. Проведены экспериментальные исследования и опытная эксплуатация систем подводной и подземной электромагнитной связи.

4. Обоснованы физические особенности использования электрических полей на траловом промысле ракообразных с целью повышения эффективности лова при снижении отрицательных воздействий на фауну и флору морского дна. Разработана утвержденная методика инженерных расчетов параметров электрооборудования для креветочных тралов различных типов.

5. Определены параметры электрических полей, эффективно воздействующих на морские биообъекты при добыче ракообразных и искусственном разведении лососевых рыб.

Дальнейшие исследования электромагнитных полей в проводящих и полупроводящих средах в выбранном направлении позволят также выработать рекомендации по разработке систем дальней связи с подводными аппаратами через коренные породы морского дна и усовершенствованию системы дальней связи и электромагнитного зондирования горных пород (СНЧ-радиоустановки).