DOLPHIN: Ενεργοποίηση της τεχνολογίας για τα ακουστικά συστήματα

Εικόνα 6: Ένα δοκιμαστικό αποτέλεσμα DOLPHIN Sonar, το SAS σε ταχύτητα Nyquist τρεις φορές. Εικόνα: QinetiQ Βόρεια Αμερική

Τεχνολογία επεξεργασίας σημάτων DOLPHIN
Η ακουστική επιτρέπει πολλές υποθαλάσσιες δυνατότητες πυρήνα. Όταν τα ραδιοκύματα δεν διαδίδονται καλά και το φως απορροφάται γρήγορα, τα ακουστικά σήματα μας βοηθούν να χαρτογραφήσουμε, να δούμε, να εντοπίσουμε και να επικοινωνήσουμε. Τα πολλά προϊόντα και τεχνολογίες που χρησιμοποιούν την ακουστική εξαρτώνται από την επεξεργασία σήματος, έτσι νέες προσεγγίσεις επεξεργασίας μπορούν να επηρεάσουν πολλές εφαρμογές. Η QinetiQ North America (QNA) και το συνεργάτη της Optimal Systems Laboratory (OSL) έχουν αναπτύξει το DOLPHIN - μια κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας μέθοδο με αναλογική ακύρωση που εξαλείφει τον κορεσμό του δέκτη και επιτρέπει ταυτόχρονη μετάδοση και λήψη. Το σχήμα 1 περιγράφει αυτήν την έννοια.

Σχήμα 1: Η βασική έννοια του DOLPHIN. Εικόνα: Εφαρμογή QinetiQ North America στην υποβρύχια τηλεμετρία
Από την αρχή των ακουστικών επικοινωνιών, η τεχνολογία της τελευταίας τεχνολογίας έχει περιοριστεί σε ημι αμφίδρομα σήματα: μεταδίδεται με τον δέκτη απενεργοποιημένο και έπειτα σβήνει ο πομπός και ο δέκτης και αναμένεται να λάβει, επειδή η άμεση μετάδοση στην πηγή κορεσθεί εάν είναι ενεργοποιημένα ταυτόχρονα.

Η φυσική του ωκεανού είναι σταθερή, αλλά η τεχνολογία DOLPHIN επιτρέπει την πραγματική ακουστική τηλεμετρία με πλήρη αμφίδρομη ακουστική. Ακυρώνει το σήμα μετάδοσης στον δέκτη σε πραγματικό χρόνο. Αυτό εξαλείφει τον κορεσμό του αυτόματου σήματος του δέκτη και επιτρέπει την ταυτόχρονη μετάδοση και λήψη με την ίδια συχνότητα, με συνεγκατεστημένους μορφοτροπείς. Η τεχνολογία DOLPHIN είναι ανεξάρτητη από τη συχνότητα και το εύρος - αποδίδοντας έτσι νέες ευέλικτες προσεγγίσεις στις υποβρύχιες επικοινωνίες και τους αισθητήρες.

Στην πράξη, ο αντίκτυπος των πλήρους αμφίδρομης επικοινωνίας σε σχέση με τα στάνταρ μισά αμφίδρομα επικοινωνία μπορεί να αντιμετωπιστεί από την άποψη της μεταβολής της απόδοσης δεδομένων (ταχύτητα λήψης σημαντικών πληροφοριών). Αυτό μπορεί γενικά να εξεταστεί από την άποψη του ρυθμού δεδομένων σε σχέση με το εύρος. Το σχήμα 2 δείχνει μια γενίκευση των οφελών των DOLPHIN Comms έναντι των παραδοσιακών προσεγγίσεων.

Σχήμα 2: Ρυθμός λήψης DOLPHIN έναντι συμβατικών ρυθμών λήψης. Εικόνα: QinetiQ Βόρεια Αμερική

Τα θετικά οφέλη είναι ιδιαίτερα ξεκάθαρα καθώς αυξάνεται ο αριθμός των κόμβων σε ένα ημιαμφίδρομο (κινητό ή στατικό) δίκτυο. Ενώ οι αυξανόμενοι κόμβοι υποβαθμίζουν τη συνολική απόδοση των συμβατικών, μισών αμφίδρομων δικτύων, η μοντελοποίηση και η δοκιμή δείχνουν ότι τα δίκτυα DOLPHIN Comms θα διατηρούν συνεπή απόδοση. Αυτό είναι ακόμη πιο εμφανές σε δίκτυα κινητών κόμβων, όπου τα ημίωρο αμφίδρομα δίκτυα γενικά παύουν να λειτουργούν με περισσότερους από δύο κόμβους. Ωστόσο, δίκτυα πλήρους αμφίδρομης λειτουργίας με περισσότερους από δύο κινούμενους κόμβους είναι δυνατά και διατηρούν υψηλή απόδοση δεδομένων. Αυτό αποδεικνύει την αξία της τεχνολογίας DOLPHIN Comms στην ενεργοποίηση δικτύων κινούμενων κόμβων, όπως σμήνη UUVs.

Ένα πιο συγκεκριμένο παράδειγμα των πλεονεκτημάτων μπορεί να φανεί εξετάζοντας την περίπτωση δύο UUVs που προσπαθούν να επικοινωνήσουν με τη χρήση ασφαλισμένων δεδομένων. Αυτό απεικονίζεται στο σχήμα 3. Οι παραδοσιακές προσεγγίσεις μισού αμφίδρομου απαιτούν επιβεβαίωση από τον κόμβο λήψης για κάθε πακέτο που αποστέλλεται και λαμβάνει 20 δευτερόλεπτα, σε αυτό το παράδειγμα, για να παραδώσει ένα μήνυμα δεδομένων μεταξύ UUVs. Αλλά με τη χρήση μιας προσέγγισης DOLPHIN full duplex μπορεί να επιτευχθεί μια βελτίωση της απόδοσης κατά 400%. Για να γίνει σαφές, αυτή η βελτίωση οφείλεται εξ ολοκλήρου στην προσέγγιση επεξεργασίας σημάτων, παραμένουν οι συνολικοί περιορισμοί της ακουστικής μετάδοσης. Ή για να το θέσουμε λίγο επιπόλαια, ενώ οι νόμοι της φυσικής δεν έχουν αλλάξει, η DOLPHIN Comms παρέχει καλύτερους δικηγόρους.

Εικόνα 3: Βελτιώσεις διακίνησης δεδομένων για την περίπτωση μελέτης UUV. Εικόνα: Εφαρμογή QinetiQ στη Βόρεια Αμερική για την χαρτογράφηση του σόναρ
Αυτή η ίδια τεχνολογία μπορεί να εφαρμοστεί σε σόναρ πλευρικής ανίχνευσης (SSS), ένα πολύ κοινό εργαλείο για τη χαρτογράφηση και την έρευνα στο θαλάσσιο περιβάλλον, καθώς και σε μια τεχνολογία που αναπτύσσεται με το σόναρ σύνθεσης (SAS). Συνήθως, το SSS παρουσιάζει ένα "χάσμα" στην κάλυψη που προσφέρει, όπως στο Σχήμα 4. Αυτό το χάσμα, ή το "Nadir" χωρίζει το αριστερό σόναρ από δεξιά για να αποφύγει την παρεμβολή.

Επειδή το DOLPHIN επιτρέπει τη μετάδοση και τη λήψη πολλών σημάτων στη στήλη νερού ταυτόχρονα, επιτρέπει την κάλυψη για κάλυψη. Όπως φαίνεται στο σχήμα 5, ένα σύνολο σημάτων, το Sidescan A, ενσωματώνει ένα τμήμα στην ίδια περιοχή με το Sidescan B. Στις παραδοσιακές εφαρμογές σόναρ αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα παρεμβολές και απώλεια δεδομένων. Αλλά με την επεξεργασία DOLPHIN είναι δυνατόν να ερμηνευθούν και τα δύο σήματα και έτσι να γεμίσει το διάκενο του nadir όπως στο Σχήμα 5.

Αυτό παρέχει κάλυψη πλήρους κλίσης ενός SSS ή SAS χωρίς κενό. Στην πραγματικότητα, η εμπρόσθια διασπορά από τις δύο πλευρές (Α ή Β) μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τις άλλες πλευρές (Β ή Α) για τη βελτίωση της ανάλυσης στην περιοχή που επικαλύπτονται και οι δύο πλευρές.
Εκτός από το προφανές όφελος της βελτιωμένης κάλυψης, η επεξεργασία DOLPHIN μπορεί να προσφέρει και άλλα πλεονεκτήματα στα συστήματα σόναρ, συμπεριλαμβανομένης της αυξημένης ανάλυσης και της προσαρμοστικότητας σε περιβαλλοντικά προβλήματα όπως η ασφάλεια των θαλάσσιων θηλαστικών.

Εικόνα 4: Η τυπική πλευρική σάρωση εμφανίζει ένα κενό στην κάλυψη. Εικόνα: Δοκιμή εργαστηρίου και πεδίου QinetiQ στη Βόρεια Αμερική
Οι διαδηλώσεις DOLPHIN Comms και Sonar proof-of-concept (POC) έχουν ολοκληρωθεί με επιτυχία. Σε δοκιμές δεξαμενών και λιμανιών, που αναφέρθηκαν προηγουμένως, η DOLPHIN Comms απέδωσε επιτυχημένα αποτελέσματα. Το σύστημα ήταν σε θέση να επιδείξει 65 + dB αναλογικής ακύρωσης σε μια ιδιαίτερα ανθεκτική εργαστηριακή δεξαμενή. Μετά τις δοκιμές δεξαμενών, το αναπτυξιακό πρόγραμμα κινήθηκε προς το ανοιχτό νερό. Αυτή η δοκιμή περιελάμβανε μετασχηματιστές οριζόντιων κατευθύνσεων, ρεαλιστικές συχνότητες και εύρος ζώνης, χρήσιμες αποστάσεις, σε συνθήκες ιδιαίτερα ανθεκτικές. Η δοκιμή απέδειξε 80 dB αναλογικής ακύρωσης σε ένα δύσκολο και δυναμικό περιβάλλον και την ικανότητα κλιμάκωσης σε χρήσιμες αποστάσεις με χρήση εμπορικού εξοπλισμού, διατηρώντας ταυτόχρονα αξιόπιστες και αξιόπιστες επικοινωνίες πλήρους αμφίδρομης επικοινωνίας. Η δοκιμή εκτελέστηκε με ισχύ 6% (60 mW ή 160 dB) και απέδειξε την αναμενόμενη ταχύτητα δεδομένων 1,6 Kbits / sec, τηλεμετρία με πλήρη αμφίδρομη επικοινωνία.

Στη δοκιμή σόναρ, το DOLPHIN έχει επίσης δείξει την υπόσχεσή του. Μέχρι σήμερα η εργασία έχει διαμορφώσει 100% ανακατασκευή μιας εικόνας (πλήρωση nadir) και έχει αποδείξει το DOLPHIN SSS και το SAS σε εργαστηριακό περιβάλλον. Έχει επίσης επιδείξει τη λειτουργία DOLPHIN SONAR σε εργαστηριακό περιβάλλον με πρωτότυπο εξοπλισμό. Η υπόθεση δοκιμής μέχρι σήμερα έχει χρησιμοποιήσει δεξαμενή 3 μέτρων σε εύρος 1 μέτρου με συχνότητα 2 MHz.

Επιπλέον, η QNA έχει καταδείξει την ικανότητα του DOLPHIN SAS να υπερβαίνει τους τυπικούς περιορισμούς ταχύτητας SAS Nyquist. Το συμβατικό SAS μπορεί να προχωρήσει μόνο με ταχύτητα όπως η ταχύτητα Nyquist, με βάση τις προδιαγραφές του SAS. Αν κάποιος υπερβεί την ταχύτητα Nyquist, η συμβατική εικόνα SAS αποτυγχάνει τελείως. Με ένα DOLPHIN SAS, μπορεί κανείς να ξεπεράσει την ταχύτητα Nyquist χωρίς να χάσει σήμα. Ως αποτέλεσμα, η εικόνα θα υποβαθμιστεί χαλαρά (θαμπή) όσο περισσότερο το σόναρ υπερβαίνει το 2χ της ταχύτητας Nyquist. Με άλλα λόγια, το DOLPHIN SAS μπορεί να διπλασιάσει τουλάχιστον την κανονική ταχύτητα SAS. Μπορεί ακόμη και να αυξήσει την ταχύτητα, αν και με μια αυξανόμενη θολή εικόνα. Το Σχήμα 6 δημιουργήθηκε σε μια δεξαμενή δοκιμής με απλό DOLPHIN SAS που λειτουργούσε 3 φορές την ταχύτητα Nyquist.

Το 2018 το QNA απονεμήθηκε σύμβαση από το Ναυτικό Surface Warfare Center, Panama City Division (NSWC PCD), Πόλη του Παναμά, FL για να επιδείξει προηγμένη, χαμηλής ισχύος, sidecan τεχνολογία σόναρ. Η φάση 1 ολοκληρώνεται και τα αποτελέσματα θα παρουσιαστούν σε μελλοντικές δημοσιεύσεις.

Σχήμα 5: Δύο σφήνες με σόναρ που επικαλύπτονται με επεξεργασία DOLPHIN ™ γεμίζουν το τυπικό διάκενο nadir. Εικόνα: Πρακτικές εφαρμογές QinetiQ της Βόρειας Αμερικής
Η τεχνολογία επεξεργασίας DOLPHIN μπορεί να εφαρμοστεί σε συστήματα επικοινωνιών, σόναρ και τηλεμετρίας. Στην πράξη αυτό θα αποφέρει οφέλη σε πολλές αγορές και εφαρμογές. Οι στρατιωτικές επιχειρήσεις θα επωφεληθούν από τη δικτύωση, τις παράνομες επικοινωνίες, τη βελτιωμένη απόδοση και την αυξημένη ανοχή για δύσκολες ακουστικές συνθήκες. Θα μπορούσαμε να αντιληφθούμε τα δίκτυα μη επανδρωμένων συστημάτων DOLPHIN ταχύτερα και αξιόπιστα να βρίσκουν και να εξουδετερώνουν τα ορυχεία σε βαθιά νερά και στη ζώνη επιφανείας. Εμπορικά, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, και σε μικρότερο βαθμό οι υπεράκτιες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αναζητούν συστήματα κατοικίας σε θαλασσινά για εγκατάσταση και επιθεώρηση, συντήρηση και επισκευή (IMR). Αυτές οι υποβρύχιες εφαρμογές θα ωφεληθούν πάρα πολύ από τη χρησιμότητα, την πλοήγηση και το χρονισμό της θέσης (PNT) και τη συνδεσιμότητα δεδομένων, που θεωρούνται δεδομένες από τις κινητές συσκευές που συνδέονται με συμβατικά δορυφορικά και ραδιοφωνικά δίκτυα.

Αυτές οι αγορές θα επωφεληθούν επίσης από τη βελτίωση του ηχοβολισμού. Τα ποσοστά κάλυψης των ορυχείων θα αυξηθούν με την ταχύτερη ταχύτητα πρόωσης σόναρ και τα συστήματα δεν θα χρειαστεί να πραγματοποιήσουν διπλή έρευνα για να γεμίσουν τα κενά του SSS / SAS. Η ενεργειακή υποδομή θα χαρτογραφηθεί γρήγορα για να υποστηρίξει τις λειτουργίες και τις ανάγκες συντήρησης. Η επιστήμη και η εξερεύνηση του ωκεανού θα ωφεληθούν από το αυξημένο ποσοστό κάλυψης χαρτογράφησης Το DOLPHIN θα βελτιωθεί με βάση την περιορισμένη κάλυψη ωκεανογραφίας μέχρι σήμερα.

Το DOLPHIN Comms είναι μια τεχνολογία μετασχηματισμού που επιτρέπει πλήρη αμφίδρομη ακουστική υποβρύχια επικοινωνία και βελτιωμένα συστήματα σόναρ. Η τεχνολογία έχει επικυρωθεί σε δοκιμές πεδίου. Υπάρχουν υπό εξέλιξη εφαρμογές και αναπτυξιακά έργα που σχεδιάζονται σε αμυντικές εφαρμογές.

Εμπορικές και επιστημονικές εφαρμογές και δοκιμές έχουν μεγάλο ενδιαφέρον. Ενώ η βασική τεχνολογία είναι έτοιμη, τα πολλά στρώματα του προϊόντος και των συστημάτων των συστημάτων θα εξελιχθούν με την πάροδο του χρόνου. Ένα ισχυρό οικοσύστημα κατασκευαστών υλικού, προγραμματιστών λογισμικού και τελικών χρηστών πρέπει να ωριμάσει γύρω από την υποκείμενη τεχνολογία. Με την κατάλληλη προσπάθεια συνεργασίας, είναι λογικό να υποθέσουμε ότι πολλά προϊόντα και εφαρμογές θα ενεργοποιηθούν με DOLPHIN.

Βιογραφίες συγγραφέα
Ο Justin Manley είναι τεχνολόγος και εκτελεστικό μέλος με εμπειρία στην εκκίνηση, στον δημόσιο τομέα, στον ακαδημαϊκό και στον δημόσιο τομέα. Μετά από επαγγελματικούς ρόλους στο MIT, υποστηρίζοντας την NOAA και στον ιδιωτικό τομέα ίδρυσε Just Innovation Inc. το 2015 για να υποστηρίξει μια ποικιλία πελατών με έμφαση στα μη επανδρωμένα και υποθαλάσσια συστήματα.

Ο Michael Murphree είναι ο Διευθυντής Τεχνολογίας Επικοινωνιών και Επιτήρησης για τα Ναυτιλιακά Συστήματα στην QinetiQ North America. Ο Michael έχει μια πλούσια εμπειρία στην υποθαλάσσια μηχανική συστημάτων, το λογισμικό και τον αυτοματισμό, καθώς και την τρέχουσα εργασία του με ακουστικές επικοινωνίες.

Ο Greg Folts είναι Διευθυντής Επιχειρηματικής Ανάπτυξης Ναυτιλιακών Συστημάτων στην QinetiQ North America. Έχει πάνω από 30 χρόνια εμπειρίας στα μη επανδρωμένα συστήματα και τον πόλεμο των ορυχείων ως μηχανικός και υπεύθυνος προγράμματος για το Πολεμικό Ναυτικό των ΗΠΑ. Ο Greg ασχολείται με την κοινότητα άμυνας του ιδιωτικού τομέα, με έμφαση στα μη επανδρωμένα συστήματα και την τεχνολογία sonar από το 2007.