Table of Contents
مقدمة
إن نظم الرصد الصوتي تحت الماء لا غنى عنها لمجموعة واسعة من التطبيقات تتراوح بين البيولوجيا البحرية وعلم المحيطات والدفاع والأمن البحري، وتعتمد هذه النظم على المهابط لكشف الإشارات الصوتية التي تبث من خلال المياه، وتحويلها إلى فولت كهربائي يجب أن يُعد رقمياً للتخزين، والإرسال، والتحليل، وفي قلب عملية التحلل هذه، تكمن العقبات في القدرة على التحوُّل في درجة الحرارة المميتة التي تتغلب على مدى القدرة على التحلل.
التحديات الرئيسية في مجال التصميم تحت الماء
وتوفر القناة الصوتية تحت الماء بيئة تشغيلية فريدة الطلب بالنسبة للعناصر الإلكترونية، ويجب على المهندسين أن يتصدوا للتحديات المتعددة المترابطة لضمان أن تؤدي البلدان الجزرية الصغيرة النامية أداء متسقا ودقيقا على مدى فترات النشر الطويلة.
المتطلبات البيئية للمصابين بالنواحي الديناميكية
وتهيمن على هذه البقعة تحت الماء مجموعة متنوعة من الضوضاء الطبيعية والاصطناعية: حركة الموجات، والأمطار، والحركات البيولوجية، وحركة النقل البحري، والدراسات الاهتزازية، ونقل الأوزان، ويمكن أن تتفاوت مستويات الضوضاء الأساسية بأكثر من 120 درناً عبر النطاقات ذات الترددات العالية (من بضع عجلات إلى عدة مئات من الكيلورتز) من أجل الحصول على إشارات عالية جداً مثل الاتصال بالحيتان البعيدة
الضغط والتمهيد
ومع ارتفاع درجة العمق، يرتفع الضغط الهيدروكستي بحوالي الغلاف الجوي لكل عشرة أمتار، وفي أعماق عدة آلاف متر، يتجاوز الضغط 600 قطعة، ولا تُحسب المكونات الإلكترونية القياسية لهذه الظروف؛ وقد تعاني من التشوهات الميكانيكية، أو انهيار الديكل، أو تغييرات في سلوك شبه الموصلات، كما أن درجة الحرارة تتباين تباينا كبيرا من الترسبات القريبة من التجمد عند مستويات سطحية أدفأ، ومن الخطأ في تحديد درجات الحرارة يمكن أن يؤدي إلى الانجراف.
استهلاك الطاقة وعلم الطاقة الذاتي
وهناك العديد من محطات الرصد الصوتية تحت الماء تعمل بالطاقة البطارية أو تعتمد على جمع الطاقة من تيارات المحيطات أو الألواح الشمسية على السطح، وتتطلب العمليات المستمرة على مدى أشهر أو سنوات ميزانيات منخفضة للغاية للطاقة، ويمكن أن يستهلك مركز تنمية الطاقة العالية السرعة عدة واطحات، وهو أمر غير مقبول بالنسبة للانتشار الطويل الأجل، ولذلك يجب على المهندسين اختيار هياكل توازن بين التسوية والسرعة وكفاءة استخدام الطاقة، وتنفيذ استراتيجيات متقدمة في مجال التحكم في استخدام وسائل التحكم في النوم.
النزاهة والاعتراض
كما أن هذه الكابلات تعمل كهوائيات للتدخل الكهرومغناطيسي من خطوط الطاقة القريبة، والسيارات، والمواصلات اللاسلكية، فضلا عن أن ارتفاع الإملاء على المهابط الكهرومغناطيسية، يجعلها عرضة للتحميل الإصطناعي، وفرق الحركة الرقمية، واختيار أجهزة الترميز.
اعتبارات التصميم الخاصة بالبلدان النامية المرهقة
وتتطلب معالجة التحديات المذكورة أعلاه اتباع نهج منهجي في تصميم التعاون التقني فيما بين البلدان النامية، مع إجراء مبادلات دقيقة بين معايير الأداء والقدرة على التكيف البيئي.
أعلى مستوى للتصميم والرقص الديناميكي الواسع
وبالنسبة للإشارات الصوتية تحت الماء، فإن القرار البالغ 24 قطعة على الأقل قرار شائع، ويسمح القرار العالي لرابطة الدول المستقلة بحل تغيرات الإشارات الصغيرة جداً، مع استمرار استيعاب الكم الهائل من الكمائن، غير أن زيادة القرار كثيراً ما تقلل من الحد الأقصى لمعدل أخذ العينات وتزيد من استهلاك الطاقة، ويجب على المصممين أن يختاروا قراراً يطابق نطاق الترددات وديناميات الإفراط في أخذ العينات، مثل تلك المستخدمة في القرار.
التسامح البيئي والتغليف
ويجب تقييم المكونات لمدّة درجات الحرارة (مثلاً -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية) والضغط العالي، وهناك العديد من البلدان النامية المتاحة في مجموعات السيراميات المختومة التي تقاوم التآكل، كما يمكن أن تُجمع المياه الإلكترونية بأكملها في أعماق شديدة في إطار خليط حراري مقاوم للضغط يملأ بالزيوت المتناثرة للديكورات الديولوجية، ويحول دون السحق.
كفاءة الطاقة والهياكل الأساسية ذات الطاقة المنخفضة
وكثيراً ما تتضمن البلدان النامية الحديثة المصممة لتطبيقات الاستشعار المحمول والنائي سمات للاقتصاد في الطاقة، كما أن سجل التقريب المتعاقب يتسم بالكفاءة الخاصة في معدلات أخذ العينات المتوسطة (حتى بضعة ميغاهرتز) ويمكن أن يحقق 18-24 قطعة من استهلاك الطاقة في نطاق الميجوات، كما يمكن أن يؤدي إلى تحقيق أفضل استخدام لمناقصات التقلبات الفوقية في متوسطات في القوى.
حصانة الضوضاء وتصميم الجبهات
والنقطة الأمامية المشابهة لها هي ذات أهمية حاسمة بالنسبة للشركة المذكورة، حيث إن وجود جهاز لتحديد مسبق منخفض الدقة ذي مكاسب قابلة للبرمجة يعدل مستوى الإشارة ليطابق النطاق الكامل للشركة، ويزيد من درجة الارتداد إلى أقصى حد من الحصانة الأرضية.
المعمار المتقدم لنظم الصوتيات تحت الماء
وتتطلب التطبيقات المختلفة مبادلات مختلفة بين السرعة والحل والسلطة والتعقيد، أما البنى الثلاثة الأكثر شيوعاً في مجال التعاون التقني فيما بين البلدان النامية في مجال الرصد الصوتي تحت الماء فهي متحولات من الدلتا - سيغما، وشركة SAR، ومحولات خطوط الأنابيب.
Delta-Sigma (ria) ADCs
وتستعمل البلدان الجزرية الصغيرة النامية المحتوية على مادة الدلتا - سيغما أكثر من العينات والضوضاء التي ترسمها لتحقيق حل مرتفع جدا (حتى 32 قطعة) مع متوسط النطاق الترددي (حتى بضع مئات كيلوهرتز) وهي مثالية للرصد الصوتي المنخفض التردد، مثل الرصد الصوتي السلبي للثدييات البحرية، حيث تُزيل الإشارات من الأغلب أكثر من 100 كيلو متر.
سجل الاعتماد المتعاقب
وتوفر البلدان الجزرية الصغيرة النامية توازناً ممتازاً في القرار (حتى 24 قطعة)، والسرعة (حتى عدة ميغاهرتز)، وكفاءة الطاقة، وهي مناسبة تماماً للتطبيقات المتوسطة النطاق مثل نظم الاتصالات تحت الماء والسونار الجانبي.() وتعاني هياكل منطقة البحث العلمي من انخفاض بطبيعتها ولا تتطلب وقتاً لتسوية صفائف أجهزة التحكم في الطاقة الرقمية التي تتجاوز 10 موصلات تعمل بالشبكة.
Pipelined ADCs
أما بالنسبة للتطبيقات العالية السرعة مثل صفائف السونار النشطة أو قياسات الاتصالات الصوتية تحت الماء التي تتطلب معدلات أخذ العينات فوق 10 ميغاهرتز، فإن البلدان النامية المجهزة بالخطوط المتقدمة هي الهيكل الذي تختاره، وهي تحقق ناتجاً كبيراً عن تقسيم التحويل عبر مراحل متعددة، وتحل كل منها بعض الأجزاء، غير أن البلدان المتقدمة النمو التي تستهلك قدراً أكبر من الطاقة وتزداد حساسية إزاء التباينات البيئية، مما يتطلب قدراً من الاحتياطات عالية من الاحتراز وتعويضاً من درجات الحرارة.
الاعتبارات المتعلقة بالمواد والتعبئة من أجل بيئات أعماق البحار
مرافق الإيواء المكثف
ويجب أن يتحمل السكن المخصص لمؤسسة التعمير والتنمية والإلكترونيات المرتبطة بها الضغط الهيدروستاتي دون التصادم، وتشمل المواد المشتركة سبائك الألمنيوم، والصلب اللاصق، والتيتانيوم، مع تفضيل التيتانيوم على الأعماق القصوى بسبب ارتفاع نسبة القوة إلى الوزن ومقاومة التآكل، وعادة ما يُملأ السكن بزيت الديكلتري، مثل النفط المعدني أو المكون الاصطناعي، لمنع حدوث ثغرات في الإشارات الاصطناعية.
التدوينات والصيد العرضي
أما بالنسبة للأعماق الأقل تطرفا أو لأقصر فترات نشر، فيمكن حماية لوحات الدوائر المطبوعة بمعاطف متطابقة (مثلا، البرايلين، أو الكريلي، أو السيليكون)، وتمنع هذه المعاطف من التكثيف الدقيق أو رذاذ الملح، وفي بعض التصميمات، تُجرى مقاومة كاملة في تكاثر ضغط الدم المنخفض.
موثوقية الموصل
فالوصلات التي تعمل تحت الماء هي نقطة فشل متكررة، إذ يجب أن تحافظ على ختم مائي تحت الضغط وأن تظل منخفضة الضياع بالنسبة للإشارات المشابهة، وكثيرا ما تستخدم أجهزة الاتصال التي يمكن ربطها أو فصلها تحت الماء في نظم الرصد الموحدة، أما بالنسبة للمنشآت الدائمة، فإن أجهزة الاتصال ذات الوصلات الجافية يجب أن تغلق قبل نشرها، ويؤثر اختيار الوصلات المطاطية (50 مترا أو 75 كيلوغراما).
تحديد الهوية وتجهيزها
التصميم المسبق
وعادة ما تكون الإشارة إلى إنتاج المواد الهيدروفونية في نطاق الميكروفولت، حيث يُعزز هذا الرقم المسبق من مستوى منخفض إلى مستوى مناسب لمدخلات شركة ADC (عادة ما يكون من 2 إلى 10 من طراز V الذروة إلى البيرك) ويجب أن يكون لدى المُعَلِّم المُسبق درجة منخفضة جداً من المدخلات - الإرسال (مثلاً، رقم 1 من طراز V/Hz) وكمية عالية المدخلات لتجنب التحميلات.
التصوير المضاد للألعاب النارية
فبدون التصفيق المناسب، أو الضوضاء العالية التردد أو الإسم المستعار يمكن أن تفسد الإشارة العينية، وبالنسبة لأجهزة تحديد النطاقات المحتوية على دلتا، فإن مرشح التشفير المبني يوفر مضادا قويا للتأثير، ولكن لا يزال هناك توصية بوضع مرشح خارجي أو مرشح نشط لمنع الإشارات التي تُعد من نطاق الترددات من تهدئة الترددات.
مراقبة الغازات ومصيدة الزناميك
ونظراً لأن الإشارات الصوتية تحت الماء تختلف اختلافاً كبيراً، يمكن استخدام مراقبة الكسب التلقائي لإبقاء مستوى الإشارة ضمن النطاق الأمثل للمدخلات في شركة ADC، وتكيف شركة AGC المكاسب التي تُدفع على أساس السعة القصوى للإشارة المقيسة، ومنع القذف أثناء الأحداث الصاخبة، مع الحفاظ على الشبكة خلال فترات هادئة، وتسمح التغييرات الرقمية التي يتم تنفيذها في إطار نظام البرمجيات الثابتة بأن تكون أكثر تطوراً (مثل، التكييف، والهات السريعة).
إدارة الطاقة وكفاءة الطاقة
عدد المحركات العاملة ذات القوة المنخفضة
وهناك العديد من البلدان النامية ذات الأداء العالي التي تدعم أساليب القوة المتعددة: القوى الكاملة، والقوى المنخفضة، والتوقف عن العمل، وفي التطبيقات التي لا تكون فيها الأحداث الصوتية مستمرة، يمكن أن تكون البلدان الجزرية الصغيرة النامية قادرة على تحديد مواعيدها على استخدام نوافذ أخذ العينات القصيرة ثم تغلق، ويجب أن يكون وقت استعادة القدرة على العمل أقصر من الحد المطلوب، كما أن بعض البلدان النامية تقدم طريقة " للانتقال " تحافظ على المجلد المرجعي.
Energy Harvesting Integration
وبالنسبة لمراكز الرصد المستقلة حقاً، فإن الطاقة من البيئة - مثل التيارات البحرية، أو التدرجات الحرارية، أو الطاقة الشمسية في السطح - يمكن حصادها لتحميل البطاريات أو المكثفات الخارقة، ويجب أن تعمل شركة التعمير والتنمية وهادفها الأمامي بكفاءة على مجموعة واسعة من فولتات الإمدادات (مثل 2.5-5-5-5-5) وينبغي أن تشمل أجهزة تحكم ذات انبعاثات منخفضة من أجل الحفاظ على استقرار أعداد المبردات.
أخذ العينات والضغط على البيانات
ويمكن أن يؤدي تخفيض كمية البيانات المرسلة أو المخزنة إلى تخفيض متوسط استهلاك الطاقة انخفاضا كبيرا، إذ أن تقنيات أخذ العينات التصحيحية تكيف معدل أخذ العينات لدى شركة ADC استنادا إلى نشاط الإشارة أثناء فترات الهدوء، وبسرعة عندما يتم اكتشاف الأحداث، كما أن ضغط البيانات على متنها (مثلا، التزيين غير المكشوف أو الضغط الموجي) يقلل من احتياجات التخزين، ولكن يجب أن يضيف مسار التداول بين الادخار والتجهيز.
سلامة البيانات ونقلها
تصحيح الأخطاء والتكرار
وكثيرا ما تنقل البيانات الصوتية تحت الماء عن طريق الكابلات أو المودم الصوتي، وكلتاهما عرضة للأخطاء من الضوضاء والتدخلات المتعددة التعاطف، ويمكن تطبيق رموز التصحيحات الخاطئة الأمامية مثل رموز Reed-Solomon أو الرموز الثورية على البيانات الرقمية قبل الانتقال، وتشمل بعض البلدان النامية الحديثة اعادة الترجيح الدورية التي يتم بناؤها في مواقع الإنتاج.
تخزين البيانات وبثها
وفي العديد من عمليات النشر، يُخزن ناتج شركة ADC على الذاكرة الداخلية من أجل الاسترجاع في وقت لاحق، ولا بد من القيام بتذكرة فلاش تحمل الكتابة المناسبة والاحتفاظ بالبيانات تحت درجات الحرارة القصوى، ومن ثم، فإن البيانات تُنقل في الوقت الحقيقي عن طريق كابل تحت الماء (مثلاً، شبكة إيثر نت أو RS-485) أو عن طريق جهاز لاسلكي، ومن ثم فإن معدل البيانات في وصلات النقل يحد من الوقت المناسب.
اختبارات ومؤهلات البلدان الجزرية الصغيرة النامية الواقعة تحت الماء
الضغط والتصميم
وقبل النشر، يجب أن تخضع نظم تحديد درجة الحرارة لفحص دقيق يُحاكي التعمق المعتزم ودرجة الحرارة، وتطبق الغرف الهيدروكية ضغطاً يصل إلى عدة آلاف من البار، بينما يمكن أن تقاس دورة درجات الحرارة من - 20 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية. وتقاس مقاييس الأداء مثل المضامين، والكسب، والاختراق غير المباشر، في كل حالة من حالات الفشل في اختبار درجات الحرارة المشتركة.
الحد الأدنى للأداء الديناميكي
إن قياس الحد الأدنى للضوضاء في بيئة تحت الماء أمر صعب بسبب صعوبة عزله من الضجيج الصوتي الخارجي، إذ أن اختباراً احتياطياً بمدخلات محمية ومصدراً للإشارة المنخفضة الدقة (مثلاً إشارة فولتية دقيقة) يستخدم لوصف أداء شركة التعمير والتنمية، كما أن البارامترات مثل النطاق الدينامي الخافض (SFDR)، وهي عوامل تشوهية تماماً.
اختبار قابلية الاختراق المغناطيسي
ويجب أن تتحمل البلدان النامية التي تنشر بالقرب من السفن أو المركبات تحت الماء تدخلاً الكهرومغناطيسياً من الأجهزة الإلكترونية الموجودة على متن السفن، وأن تجرى اختبارات للانبعاثات والقابلية للتأثر وفقاً لمعايير مثل MIL-STD-461 أو IEC 60945، وقد يلزم توفير المزيد من الدرعات باستخدام الخرز المحتوي على مسامير أو عبودية، وينبغي اختبار النظام بأكمله باستخدام حمولات الكابلات المحاكاة لضمان استمرار الرفض الموحد.
الاتجاهات والابتكارات في المستقبل
التعويض والمعايرة على أساس ألف
ويمكن تدريب خوارزميات التعلم الآلات على التعويض عن عدم خطى التحلل والانحرافات البيئية، ومن خلال دمج شبكة عصبية صغيرة في سلسلة التجهيز الرقمي، يمكن للمصممين تصحيحها عن الأخطاء الناجمة عن درجة الحرارة والكسب في الوقت الحقيقي، وتحسين التسوية الفعالة دون اشتراط مكونات قياسية عالية الجودة، وهذا النهج واعد بشكل خاص بالنسبة للمجسات في أعماق البحار حيث يتعذر إعادة التصحيح.
البلدان النامية المعارضة
ويستخدم المحولات البصرية الناشئة من المحولات إلى الأرقام تقنيات التصوير الضوئي لتحقيق معدلات عالية جداً لأخذ العينات والنطاق الديناميكي مع الحد من استهلاك الطاقة، ومع ذلك فإن البلدان النامية البصرية التي لا تزال تجريبية يمكنها أن تثور نظم السونار التي تتطلب أخذ عينات واسعة النطاق من مئات القنوات، فإن مقاومتها للتدخل الكهرومغناطيسي تجعلها جذابة بالنسبة لبيئة المياه الجوفية.
MEMS Hydrophone Integration
وأصبحت النظم الكهرمائية الميكانيكية الصغيرة أصغر وأكثر حساسية، مما يتيح صفائف من أجهزة الاستشعار التي تستخدم أجهزة مدمجة في رقاقة واحدة، وهذا التكامل المشترك يقلل من استهلاك الكابلات والطاقة، ويتيح أخذ عينات مكانية مكثفة في الميدان الصوتي، ولا تزال هناك تحديات في تحقيق أداء الضجيج في الهواتف الهيدرولوجية التقليدية التي تستخدم في الفطائر، ولكن التقدم السريع يشير إلى أن النظم القائمة على نظام الرصد المتعدد المؤشرات ستؤدي دوراً.
شبكات الاستشعار الموزعة
وبدلا من أن تكون هذه النظم ذات أداء عال، فإنها قد تعتمد في المستقبل على شبكات من البلدان المنخفضة القوة، والبلدان المنخفضة القدرة على الاستبانة، التي توزع في منطقة واسعة، وتجمع الخوارزميات في عملية دمج البيانات بين النواتج لإعادة بناء صورة صوتية عالية الاستبانة، عالية المدى، ويمكن أن يقلل هذا النهج من استهلاك الطاقة في كل مكان ويزيد من سوء التسامح، ويجري بالفعل استكشافه من أجل رصد الزلازل في قاع البحر والثدييات البحرية.
خاتمة
:: تصميم البلدان النامية القوية لنظم الرصد الصوتي تحت الماء هو مسعى متعدد التخصصات يتطلب خبرة في تصميم الدوائر المشابهة، والهندسة الميكانيكية، وإدارة الطاقة، وتجهيز الإشارات، وتفرض البيئة القاسية تحت الماء متطلبات صارمة من أجل النطاق الدينامي، والتسامح البيئي، وكفاءة استخدام الطاقة، وسلامة الإشارات، وذلك عن طريق اختيار بنية التعاون التقني فيما بين البلدان النامية مثل النسيج الميكانيكي أو التتبع الصناعي، واستخدام تقنيات التعبئة الحسنة
For further reading on ADC selection and design, refer to Analog Devices’ ADC structures guide, an article on low-power SAR ADC design from Texas Instruments], an overview of underwater acoustic monitoring technologies[FL: