ДЕЛЬФИН: Технологии для акустических систем

Рисунок 6: Результат испытания сонара DOLPHIN, SAS с трехкратной скоростью Найквиста. Изображение: QinetiQ North America

Технология обработки сигналов DOLPHIN
Акустика обеспечивает множество основных подводных возможностей. Там, где радиоволны не распространяются хорошо и свет быстро поглощается, акустические сигналы помогают нам отображать, видеть, определять местоположение и общаться. Многие продукты и технологии, в которых используется акустика, зависят от обработки сигнала, поэтому новые подходы к обработке могут повлиять на многие приложения. QinetiQ North America (QNA) и ее партнер Лаборатория оптимальных систем (OSL) разработали DOLPHIN - запатентованный метод, использующий аналоговое подавление, который устраняет насыщение приемника и обеспечивает одновременную передачу и прием. Рисунок 1 описывает эту концепцию.

Рисунок 1: Основная концепция Дельфина. Изображение: QinetiQ North America Приложение для подводной телеметрии
С самого начала акустической связи современная технология была ограничена полудуплексными сигналами: передача с выключенным приемником, затем выключение передатчика и включение приемника, а также ожидание приема, поскольку прямая передача на источнике насыщает электроника приемника, если они включены одновременно.

Физика океана фиксирована, но технология DOLPHIN обеспечивает настоящую полнодуплексную акустическую телеметрию. Он отменяет передачу сигнала на приемнике в режиме реального времени. Это устраняет насыщение самосигнала приемника и обеспечивает одновременную передачу и прием на одной частоте с расположенными рядом датчиками. Технология DOLPHIN не зависит от частоты и диапазона, что дает новые гибкие подходы к подводной связи и датчикам.

На практике влияние полнодуплексной связи на стандартную полудуплексную связь можно рассматривать с точки зрения изменения пропускной способности данных (скорость получения значимой информации). Это может быть в общем виде с точки зрения скорости передачи данных в зависимости от диапазона. На рисунке 2 показано обобщение преимуществ DOLPHIN Comms по сравнению с традиционными подходами.

Рисунок 2: Скорость приема DOLPHIN в сравнении с обычными скоростями приема. Изображение: QinetiQ North America

Положительные преимущества особенно очевидны по мере увеличения числа узлов в полудуплексной (мобильной или статической) сети. Хотя увеличение количества узлов снижает общую пропускную способность обычных полудуплексных сетей, моделирование и тестирование показывают, что сети DOLPHIN Comms будут поддерживать стабильную производительность. Это еще более очевидно в сетях с подвижными узлами, где полудуплексные сети обычно перестают функционировать с более чем двумя узлами. Но полнодуплексные сети с более чем двумя движущимися узлами возможны и поддерживают высокую пропускную способность. Это демонстрирует ценность технологии DOLPHIN Comms для создания сетей движущихся узлов, таких как скопления UUV.

Более конкретный пример преимуществ можно увидеть, рассмотрев случай, когда два UUV пытались установить связь с использованием гарантированной передачи данных. Это показано на рисунке 3. Традиционные полудуплексные подходы требуют подтверждения от принимающего узла для каждого отправляемого пакета и в этом примере занимают 20 секунд для доставки сообщения данных между UUV. Но использование полнодуплексного подхода DOLPHIN может повысить пропускную способность до 400%. Чтобы было ясно, это улучшение полностью связано с подходом обработки сигналов, общие ограничения акустической передачи остаются. Или, говоря попросту, в то время как законы физики не изменились, DOLPHIN Comms предоставляет лучших юристов.

Рисунок 3: Улучшение пропускной способности данных для исследования UUV. Изображение: QinetiQ North America Приложение для картографирования сонара
Эта та же самая технология может быть применена к гидролокатору бокового обзора (SSS), очень распространенному инструменту для картографирования и обследования морского дна, и к сонару с синтезированной апертурой (SAS), являющемуся новой технологией. Как правило, SSS представляет «пробел» в покрытии, которое он предлагает, как на рисунке 4. Этот пробел, или «Надир», отделяет левый боковой гидролокатор от правого, чтобы избежать помех.

Поскольку DOLPHIN позволяет передавать и принимать множество сигналов в толще воды одновременно, это позволяет перекрывать покрытие. Как показано на рисунке 5, один набор сигналов, Sidescan A, посвящает часть той же области, что и Sidescan B. В традиционных применениях сонара это может привести к помехам и потере данных. Но при обработке DOLPHIN возможно интерпретировать оба сигнала и, таким образом, заполнить пробел в надире, как показано на рисунке 5.

Это обеспечивает полный охват SSS или SAS без пропуска. Фактически, прямое рассеяние от одного бокового сканирования (A или B) может использоваться другим боковым сканированием (B или A) для улучшения разрешения в области, где обе стороны перекрываются.
В дополнение к очевидному преимуществу улучшенного покрытия, обработка DOLPHIN может обеспечить другие преимущества для сонарных систем, включая повышенное разрешение и адаптивность к таким экологическим проблемам, как безопасность морских млекопитающих.

Рисунок 4: Типичное боковое сканирование показывает разрыв в покрытии. Изображение: QinetiQ North America Лаборатория и полевые испытания
Дельфин Comms и Sonar доказательство концепции (POC) демонстрации были успешно завершены. В ходе испытаний в танках и гаванях, о которых ранее сообщалось, DOLPHIN Comms дал успешные результаты. Система смогла продемонстрировать подавление аналогов более 65 дБ в лабораторном резервуаре с высокой реверберацией. После испытаний танка программа развития перешла на открытую воду. Этот тест включал в себя всенаправленные преобразователи, реалистичные частоты и ширины полосы, полезные расстояния, в сильно реверберирующих условиях. Тест продемонстрировал подавление аналогового сигнала на 80 дБ в сложной и динамичной среде и возможность масштабирования до полезных расстояний с помощью коммерческого оборудования, сохраняя при этом надежную и надежную полнодуплексную связь. Тест проводился при мощности 6% (60 мВт или 160 дБ) и продемонстрировал ожидаемую скорость передачи данных 1,6 Кбит / с, полнодуплексная телеметрия.

В тестировании сонара DOLPHIN также показал многообещающие результаты. На сегодняшний день в работе смоделирована 100% реконструкция изображения (заполнение надиром) и продемонстрированы DOLPHIN SSS и SAS в лабораторных условиях. Он также продемонстрировал работу DOLPHIN SONAR в лабораторных условиях на прототипе оборудования. На сегодняшний день в тестовом примере использовался 3-метровый резервуар с диапазоном 1 м с частотой 2 МГц.

Кроме того, QNA продемонстрировала способность DOLPHIN SAS превосходить типичные ограничения скорости SAS Nyquist. Обычный SAS может продвигаться только со скоростью Найквиста, основываясь на спецификациях SAS. Если скорость превысит скорость Найквиста, обычный образ SAS полностью потерпит неудачу. С DOLPHIN SAS можно превышать скорость Найквиста без потери сигнала. В результате изображение будет грациозно ухудшаться (размываться) по мере того, как сонар будет превышать скорость Найквиста в 2 раза. Другими словами, DOLPHIN SAS может по крайней мере удвоить стандартную скорость SAS. Это может даже увеличить скорость, хотя с увеличивающимся размытым изображением. Рисунок 6 был создан в тестовом резервуаре с простым DOLPHIN SAS, работающим с 3-кратной скоростью Найквиста.

В 2018 году QNA был заключен контракт с военно-морским надводным центром, подразделение Панама-Сити (NSWC PCD), Панама-Сити, штат Флорида, на демонстрацию передовой технологии маломощного, бокового сканирования. Этап 1 завершен, и результаты будут представлены в будущих публикациях.

Рисунок 5: Две полосы сонара, перекрывающиеся с обработкой DOLPHIN ™, заполняют типичный зазор надира. Изображение: QinetiQ North America Практические применения
Технологию обработки DOLPHIN можно применять в системах связи, сонара и телеметрии. На практике это принесет пользу многим рынкам и приложениям. Военные операции выиграют от создания сетей, тайных коммуникаций, повышения пропускной способности и повышения устойчивости к сложным акустическим условиям. Можно предположить, что DOLPHIN позволил бы сетям беспилотных систем быстрее и надежнее обнаруживать и обезвреживать мины в глубоких водах и в зоне прибоя. С коммерческой точки зрения нефть и газ, и в меньшей степени морские возобновляемые источники энергии, ищут системы, расположенные на морском дне, как для установки, так и для осмотра, технического обслуживания и ремонта (IMR). Эти подводные приложения получат огромную выгоду от полезности, навигации по местоположению и синхронизации (PNT), а также возможности подключения к данным, которые само собой разумеющееся принимаются мобильными устройствами, подключенными к обычным спутниковым и радиосетям.

Эти рынки также выиграют от улучшенного сонара. Охват шахтной охоты будет увеличиваться с более высокой скоростью продвижения сонара, и системам не придется проводить повторную съемку, чтобы заполнить «пробелы» в SSS / SAS. Энергетическая инфраструктура будет быстро нанесена на карту для поддержки операций и потребностей в обслуживании. Наука и исследования океана выиграют от увеличения охвата картографированием. До настоящего времени DOLPHIN улучшит ограниченный охват картированием океана.

DOLPHIN Comms - это трансформационная технология, которая обеспечивает полнодуплексную акустическую подводную связь и улучшенные гидролокаторы. Технология была проверена в полевых испытаниях. В оборонных приложениях запланированы текущие приложения и проекты по разработке.

Коммерческие и научные приложения и испытания представляют большой интерес. Несмотря на то, что основная технология готова, многие уровни разработки продуктов и «систем» со временем будут развиваться. Надежная экосистема производителей оборудования, разработчиков программного обеспечения и конечных пользователей должна развиваться вокруг лежащей в основе технологии. При надлежащих совместных усилиях разумно предположить, что многие продукты и приложения станут поддерживать DOLPHIN.

Биографии автора
Джастин Мэнли - технолог и руководитель с опытом работы в стартапах, государственных корпорациях, академических и общественных секторах. После профессиональной работы в MIT, в поддержке NOAA и в частном секторе, в 2015 году он основал Just Innovation Inc. для поддержки различных клиентов, специализирующихся на беспилотных и подводных системах.

Майкл Мерфри - менеджер по технологиям связи и наблюдения для морских систем в QinetiQ North America. Майкл имеет богатый опыт в подводной системной инженерии, программном обеспечении и автоматизации, а также в своей текущей работе с акустической связью.

Грег Фолтс - директор по развитию бизнеса морских систем в QinetiQ North America. Он имеет более чем 30-летний опыт работы в области беспилотных систем и ведения минных войн в качестве инженера и менеджера программ военно-морского флота США. Грег был вовлечен в сообщество защитников частного сектора, уделяя особое внимание беспилотным системам и технологиям гидролокатора с 2007 года.