Table of Contents
مقدمة
ولا يزال الاتصال تحت سطح الماء يمثل أحد أكثر التحديات التي تكتنف هندسة لاسلكية، فالخصائص المادية للكثافة العالية للمياه والملوحة ودرجات الحرارة والجسيمات المعلَّقة - لأن سرعة تكثيف الموجات الكهرومغنطيسية، بينما تُعاني الإشارات الصوتية، وإن كانت أقل كثافة، من انتشار التكاثر الشديد، والضوضاء الملموسة، والحواجز المحدودة التي تحول دون استخدام مجموعة من الماء.
القناة الصوتية: التحديات الأساسية
وعلى عكس انتشار الفضاء البري، فإن القناة الصوتية تحت الماء توفر بيئة معادية فريدة، حيث تسافر الأمواج الصوتية على نحو أقل من 1500 متر/م، وخمسة أوامر أبطأ من الموجات اللاسلكية، مما يؤدي إلى تأخيرات كبيرة في الزمن وإلى تحولات في دوبلر، كما أن هذه القنوات تتباين بدرجة عالية: فالإشارة تعكس الترددات السطحية والقاعية والزئير، مما يؤدي إلى عشرات من الزمن.
مبادئ التصميم الأساسية لتصويرات المياه الجوفية
Array Geometry and Configuration
ويتوقف الترتيب الجغرافي للعناصر المكونة من صفائف أساسية على نمط الشعاع، والتسوية المكانية، والتسامح إزاء إخفاق العناصر، وتشمل التشكيلات المشتركة الطراز، والتصميم، والصفائف الحجمية، والنظم ذاتية الحجم، نظراً إلى البساطة التي تتسم بها النظم الفضائية، والقدرة على تشكيل مسامير ضيقة في بعد واحد.
Element Spacing and Grating Lobes
أما المسافة بين العناصر الفردية التي يشار إليها بأنها المباعدة بين العناصر فهي مواصفات تصميم حرجة، وبالنسبة للصفائف المتواجدة في الفضاء، فإن المباعدة بين المسافات بين المسافات لا تقل عن نصف الموجات التي تتسم بها أعلى درجة من الاهتمام لتجنب الفصائل (العلامات المساحة عن المياه) وفي الممارسة العملية، فإن الصفائف الصوتية تحت الماء التي تعمل في إطار النطاق الترددي 10 إلى 50 كيلو متراً تستخدم المسافات بين 1.5 كيلو متراً.
المبادئ الأساسية
ويُعدّل [المعلومات] عملية تأخير الوقت أو الانتقال التدريجي إلى الإشارات من كل عنصر من عناصر الصفائف بحيث يتدخل بشكل بناء في اتجاه مرغوب فيه، ويُعتبر التدخل في أكثر الأساليب إلحاحاً في مجال التضخيمات، حيث يُحسب التأخير من حيث القياس الجغرافي ويُطبق في المجال الزمني، أما بالنسبة للإشارات الضيقة، فتبدواً في مجال الترددات فتتمثل في تكييف أقل من ذلك.
المواد والقابلية للتأثر بالبيئة
ويجب أن تتحمل عناصر صفائح المياه الضيقة ضغوطاً شديدة، وتآكلاً، وضغطاً بيولوجياً، وتقلبات درجة الحرارة، وعادة ما تكون عناصر التحويل مكتظة في البوليوريثان أو النيوبيرين لتوفير الحماية من المياه مع الحفاظ على الشفافية الصوتية، وتواجه المواد السكنية لإطار السلاسل والوصلات التي تحتوي على التيتانيوم، والصلب غير القابل للاحتراق (316L)، وأجهزة البلاستيك ذات الدرجة العالية().
أنواع المترجمين وعناصر الأنتينا
هيدروفونات
(ب) إن الهايدروفونات هي أكثر العناصر شيوعاً في صفائف الصوت تحت الماء، وهي تحول تغيرات الضغط الصوتي إلى إشارات كهربائية، تستخدم عادة السيراميات الفائقة الصغر مثل تيارات الزركنة التي تعمل بالزهور، ويمكن أن تحقق أجهزة التهاب الكبد الوبائي حساسيات من - 170 دي بيكومتر/بيه مع ضغط متوسط يبلغ 100 كيلو متراً.
Dipole Antennas for Electromagnetic Propagation
وعلى الرغم من أن الأساليب الصوتية تهيمن، فإن بعض التطبيقات تتطلب الاتصال الكهرومغناطيسي لسد الثغرات القصيرة المدى أو عبر الجو، وتفضّل نظم التخصيب المغناطيسية في المياه البحرية لأن الميادين المغناطيسية تشهد تقلّل من الطاقة الكهربائية، وتُستخدم مجموعات من المواد المغناطيسية في نطاق يتراوح بين 1 و100 كيلوهيرتز مع مجموعة من الكهرباء تتراوح بين 10 و100 متر.
التصويب و الصراخ ذات النطاق العريض
وتصمم صفائف الترددات الضيق على تواتر واحد أو على عدد قليل من النقاط المتباينة، مما يحقق كفاءة عالية على حساب النطاق الترددي، وهي تستخدم عادة في أجهزة مرسلة مستجيبة للسونار وأجهزة الصوت تحت الماء، غير أن نظم الاتصال الحديثة تتطلب توسيع نطاقها لدعم معدلات البيانات المرتفعة، وتستخدم صفائف النطاقات العريضة إما عناصر واحدة ذات تردد عال أو عناصر متعددة ذات سمية متداخلة في 16 و 50).
تعزيز استقبال الإشارات: التقنيات والفوائد
التوعية المباشرة والحد من الضوضاء
ومن خلال توجيه النسيج الرئيسي للصفيفة نحو المصدر وإحداث باطلة في اتجاه المتدخلين الأقوياء، يمكن للصفيفة أن تحقق انخفاضا كبيرا في الضوضاء المحيطة، وفي المياه العميقة، يكون مجال الضوضاء المحيطية سطحيا نسبيا، بحيث يمكن أن توفر مجموعة من العناصر العشرة حوالي ١٠ باء من المكسب المكاني، وفي المياه الضحلة، كثيرا ما يكون الضجيج موجها )مثلا، النقل البري( مما يتيح إمكانية الوصول إلى بيئة الرفض المأمون.
حالات التخفيف المتعددة التعاطف عن طريق التنوع المكاني
(أ) أن مجموعة من الهوائيات المصممة جيداً يمكن أن تفصل مسارات الوصول المختلفة عن طريق زاوية وصولها (AoA) مثلاً، يمكن أن تميز مجموعة من أنواع التلامس العمودية بين الأشعة السطحية المباشرة والأشعة المائلة من القاعدة والأشعة المائلة (Brifected) باستخدام نهج مُثبط للزلاجات في المجال المكاني.
زيادة القدرة على تحقيق النتائج الاستراتيجية الوطنية
أما الفائدة الأساسية للصفيفة فهي الإضافة المتسقة للطاقة من عناصر متعددة، ففيما يتعلق بصفيفة N-element، تنمو قوة الإشارة إلى 2، بينما تنمو قوة الضوضاء (غير المتصلة) بشكل مباشر مع نون، مما يؤدي إلى تحقيق مكاسب في نطاق 10 من النطاقات الترددية (N) - وفي الممارسة العملية، فإن معدلات التخلف عن العناصر والانقلاب المتبادل تقلل من هذه المكاسب، ولكن صفيفة من 16 مقسما من العناصر تحقق عادة زيادة في عدد المكسب يتراوح بين 10 و11 د.
دراسات حالات إفرادية وتطبيقات
نظم الاتصال الغواصة
وتعتمد الغواصات الحديثة على صفائف خطية ملتوية لكل من الكشف والاتصال السلبيين، ويمكن أن تحتوي هذه الصفائف على مئات العناصر التي تتسع في فترات نصف الموجات، مما يتيح استخدامات مسافات دقيقة جدا )درجة من الدرجة( للتواصل التصاعدي الخفي على الطوافات أو الطائرات، ويجب أن تسحب المجموعة صامتة على الأعماق التي تتجاوز ٣٠٠ متر، مما يتطلب معالجة الإشارات المخففة من الضغط.
مركبات تحت الماء المستقلة
(أ) استخدام صفائف صغيرة من المخطّط أو السيليندرائية للملاحة (الوضع الصوتي) وأجهزة قياس البيانات عن بعد، حيث إن الحجم المادي للمركبات يحد من سرعة الصفيف إلى بضع سنتيمترات، مما يحد من الحل المكاني، وللتغلب على ذلك، يستخدم المهندسون تقنيات الاختراق الاصطناعي: يتم نقل الصفائف من خلال شبكة المياه والبيانات من مواقع متعاقبة إلى حد متماسك.
شبكات الاستشعار الأوقيانوغرافية
(أ) أن تنشر أجهزة رصد المحيطات (مثل مبادرة مرصد المحيطات) صفائف عمودية ثابتة مع وقفها عن الطوافات السطحية، ويمكن أن تحتوي كل صفيفة على 10-20 ميغاهراً من عمود المياه، متصلة بالشاطىء عبر الألياف الضوئية، وتطبق هذه الصفائف السماوية الصوتية لقياس درجة الحرارة والأوراق الحالية، كما أنها تعمل كبوابات اتصال في إطار التنوع.
التكنولوجيات المتقدمة والتوجيهات المستقبلية
التصوير التصحيحي والإدراكي
فالتضخيم الثابت غير كاف في قنوات المياه الجوفية المتغيرة بسرعة، إذ تقوم صفائف التكيف باستمرار بتحديث أوزانها المتحركة استناداً إلى إحصاءات الإشارات الواردة، والاستجابة لمصادر متحركة، وميادين ضوضاء متغيرة، ومتنوعة، وتمضي صفائف الإدراك خطوة أخرى: فهي تُحس البيئة (تستخدم أجهزة تعلم الآلات لتمييز ضوضاء السفن عن الضوضاء البيولوجية) وتعديل نطاقها [على الترددات، والنم.
تعليم الآلات من أجل التضليل
وتطبق شبكات الظواهر العصبية العميقة على اتخاذ قرارات مضنية، لا سيما في السيناريوهات التي تنطوي على ضوضاء غير موسعة واستجابات معقدة للدفع، وبدلا من حساب الأوزان المتأخرة والكبيرة الحجم، يمكن تدريب شبكة جديدة للثورة على مجموعة كبيرة من التسجيلات الهيدروفونية على أجهزة توجيه النواتج التي تزيد إلى أقصى حد من عناصر التدخل الافتراضي في الشبكة العالمية للشبكة.
التدريج والتنميط
ويستلزم هذا الاتجاه إلى تحسين أقل وأرخص في المركبات ذات الترددات العالية، تقليل عدد المحركات المسطحة الصغيرة إلى النصف، وتصل إلى نصف قطري من المواد الكيميائية إلى نصف متر، وتصل إلى نصف مركب مسطح، وتصل إلى نصف مليئ من المواد الكيميائية إلى نصف مسطحات مسطحة، مما يتيح تركيب أجهزة مرنة ذاتية متطابقة مع بشرتها.
النظم الصوتية/النظم الإيكولوجية المختلطة
ولا تغطي مجموعة من المواد المادية كل احتياجات الاتصالات تحت الماء، إذ أن الصفوف الصوتية ترتفع من المدى الطويل ولكنها تعاني من معدلات البطء وانخفاض البيانات؛ وتوفر صفائف الإدارة البيئية درجات أعلى من الترددات (حتى الميغاهرتز) ولكنها تعمل فقط على مسافات قصيرة، وتدمج صفائف الكيلومترات الهجينة كلا النوعين من العناصر في مجموعة المواد المادية نفسها، مما يسمح بالتبديل غير المستقر بين أجهزة التفتيش الصوتية وأجهزة الإي إم بي إم بي إم بي إم.
خاتمة
إن تصميم صفائف الهوائيات لأغراض الاتصالات تحت الماء هو مسعى متعدد التخصصات يعتمد على الصوتيات والكهرباء وعلم المواد وتجهيز الإشارات والتعلم الآلي بصورة متزايدة، والتحديات الفريدة التي تواجه مجموعة الرصد المكاني تحت الماء، والضوضاء، ومحدودية النطاق الترددي، والمبادلات الإجهادية الميكانيكية في مجال القياس الجغرافي، والعنصرية، وتكييف الألغوريات.