DOLPHIN: Technologie für akustische Systeme

Abbildung 6: Ein DOLPHIN Sonar-Versuchsergebnis, SAS mit dreifacher Nyquist-Geschwindigkeit. Bild: QinetiQ Nordamerika

DOLPHIN-Signalverarbeitungstechnologie
Die Akustik ermöglicht viele grundlegende Unterwasserfunktionen. Wo sich Radiowellen nicht gut ausbreiten und Licht schnell absorbiert wird, helfen uns akustische Signale beim Kartieren, Sehen, Lokalisieren und Kommunizieren. Die vielen Produkte und Technologien, die die Akustik einsetzen, hängen alle von der Signalverarbeitung ab. Neue Verarbeitungsansätze können sich daher auf viele Anwendungen auswirken. QinetiQ North America (QNA) und sein Partner Optimal Systems Laboratory (OSL) haben DOLPHIN entwickelt - eine patentierte Methode mit analoger Unterdrückung, die die Sättigung des Empfängers beseitigt und gleichzeitiges Senden und Empfangen ermöglicht. Abbildung 1 beschreibt dieses Konzept.

Abbildung 1: Das Grundkonzept von DOLPHIN. Bild: QinetiQ North America Anwendung auf Unterwassertelemetrie
Seit Beginn der akustischen Kommunikation ist der Stand der Technik auf Halbduplex-Signale beschränkt: Senden Sie mit ausgeschaltetem Empfänger und schalten Sie dann den Sender aus und den Empfänger ein und warten Sie auf den Empfang, da die direkte Übertragung an der Quelle die Sättigung bewirkt Empfängerelektronik, wenn sie gleichzeitig aktiviert sind.

Die Physik der Ozeane ist festgelegt, aber die DOLPHIN-Technologie ermöglicht eine echte akustische Vollduplex-Telemetrie. Es löscht das Sendesignal am Empfänger in Echtzeit. Dies beseitigt die Selbstsignalsättigung des Empfängers und ermöglicht gleichzeitiges Senden und Empfangen auf derselben Frequenz mit zusammengestellten Wandlern. Die DOLPHIN-Technologie ist frequenz- und reichweitenunabhängig und bietet so flexible neue Ansätze für die Unterwasserkommunikation und -sensoren.

In der Praxis kann die Auswirkung von Vollduplex-Kommunikationen im Vergleich zu Standard-Halbduplex-Kommunikationen im Hinblick auf die Änderung des Datendurchsatzes (Geschwindigkeit des Empfangs aussagekräftiger Informationen) betrachtet werden. Dies kann allgemein in Bezug auf die Datenrate im Vergleich zur Reichweite betrachtet werden. Abbildung 2 zeigt eine Verallgemeinerung der Vorteile von DOLPHIN Comms gegenüber herkömmlichen Ansätzen.

Abbildung 2: DOLPHIN-Empfangsrate im Vergleich zu herkömmlichen Empfangsraten. Bild: QinetiQ Nordamerika

Die positiven Vorteile werden besonders deutlich, wenn die Anzahl der Knoten in einem Halbduplex-Netzwerk (mobil oder statisch) zunimmt. Während zunehmende Knoten den Gesamtdurchsatz herkömmlicher Halbduplex-Netzwerke verschlechtern, zeigen Modellierung und Tests, dass DOLPHIN Comms-Netzwerke eine konsistente Leistung aufrechterhalten. Dies zeigt sich noch deutlicher in Netzen mit sich bewegenden Knoten, in denen Halbduplex-Netze im Allgemeinen nicht mehr mit mehr als zwei Knoten funktionieren. Vollduplex-Netzwerke mit mehr als zwei sich bewegenden Knoten sind jedoch möglich und gewährleisten einen hohen Datendurchsatz. Dies zeigt den Wert der DOLPHIN Comms-Technologie, die es ermöglicht, Netzwerke von sich bewegenden Knoten wie UUV-Schwärme zu bilden.

Ein konkreteres Beispiel für die Vorteile ist der Fall von zwei UUVs, die versuchen, über Assured Data Communications zu kommunizieren. Dies ist in Abbildung 3 dargestellt. Herkömmliche Halbduplex-Ansätze erfordern eine Bestätigung vom Empfangsknoten für jedes gesendete Paket und benötigen in diesem Beispiel 20 Sekunden, um eine Datennachricht zwischen UUVs zu übermitteln. Die Verwendung eines DOLPHIN-Vollduplex-Ansatzes kann den Durchsatz jedoch um bis zu 400% verbessern. Es ist klar, dass diese Verbesserung vollständig auf den Signalverarbeitungsansatz zurückzuführen ist, wobei die allgemeinen Beschränkungen der akustischen Übertragung bestehen bleiben. Oder, um es etwas beiläufig auszudrücken, obwohl sich die Gesetze der Physik nicht geändert haben, bietet DOLPHIN Comms bessere Anwälte.

Abbildung 3: Verbesserungen des Datendurchsatzes für die UUV-Fallstudie. Bild: QinetiQ North America Anwendung zur Sonarkartierung
Dieselbe Technologie kann auf Side-Scan-Sonar (SSS), ein sehr verbreitetes Tool für die Kartierung und Vermessung des Meeresbodens, und auf die aufkommende Technologie des synthetischen Apertursonars (SAS) angewendet werden. In der Regel weist SSS eine "Lücke" in der Abdeckung auf, die es bietet, wie in Abbildung 4. Diese Lücke oder "Nadir" trennt das linke Echolot von dem rechten, um Interferenzen zu vermeiden.

Da DOLPHIN das gleichzeitige Senden und Empfangen vieler Signale in der Wassersäule ermöglicht, kann sich die Abdeckung überlappen. Wie in Abbildung 5 dargestellt, wird durch einen Signalsatz, Sidescan A, ein Teil des gleichen Bereichs wie Sidescan B in den Schalldruck eingebunden. In herkömmlichen Sonaranwendungen würde dies zu Interferenzen und Datenverlust führen. Mit der DOLPHIN-Verarbeitung ist es jedoch möglich, beide Signale zu interpretieren und damit die Nadir-Lücke wie in Abbildung 5 zu füllen.

Dies bietet eine vollständige Bandabdeckung eines SSS oder SAS ohne Lücke. Tatsächlich kann die Vorwärtsstreuung von beiden Seitenabtastungen (A oder B) von den anderen Seitenabtastungen (B oder A) verwendet werden, um die Auflösung in dem Bereich zu verbessern, in dem sich beide Seiten überlappen.
Zusätzlich zu dem offensichtlichen Vorteil einer verbesserten Abdeckung kann die DOLPHIN-Verarbeitung Sonarsystemen weitere Vorteile bieten, einschließlich einer erhöhten Auflösung und Anpassungsfähigkeit an Umweltbelange wie die Sicherheit von Meeressäugern.

Abbildung 4: Typischer Side-Scan zeigt eine Lücke in der Abdeckung. Bild: QinetiQ North America Labor- und Feldtests
Die Demonstrationen von DOLPHIN Comms und Sonar Proof-of-Concept (POC) wurden erfolgreich abgeschlossen. DOLPHIN Comms lieferte in bereits erwähnten Tank- und Hafenversuchen erfolgreiche Ergebnisse. Das System konnte eine analoge Auslöschung von über 65 dB in einem hochhallenden Labortank nachweisen. Nach Tankversuchen wurde das Entwicklungsprogramm auf offenes Wasser verlagert. Dieser Test umfasste omnidirektionale Wandler, realistische Frequenzen und Bandbreiten sowie nützliche Entfernungen bei starkem Nachhall. Der Test zeigte eine analoge Auslöschung von 80 dB in einer schwierigen und dynamischen Umgebung und die Fähigkeit, mit kommerziellen Geräten auf nützliche Entfernungen skaliert zu werden, während eine robuste, zuverlässige Vollduplex-Kommunikation aufrechterhalten wird. Der Test wurde bei 6% Leistung (60 mW oder 160 dB) durchgeführt und zeigte die erwartete Vollduplex-Telemetrie mit einer Datenrate von 1,6 Kbit / s.

Auch im Sonartest hat sich DOLPHIN als vielversprechend erwiesen. Bisher wurde eine 100% ige Rekonstruktion eines Bildes (Nadir-Füllung) modelliert und DOLPHIN SSS und SAS in einer Laborumgebung demonstriert. Es wurde auch der Betrieb von DOLPHIN SONAR in einer Laborumgebung mit Prototypausrüstung demonstriert. Der bisherige Testfall verwendete einen 3-Meter-Panzer bei 1-Meter-Reichweite mit einer Frequenz von 2 MHz.

Darüber hinaus hat QNA die Fähigkeit des DOLPHIN SAS demonstriert, die typischen Geschwindigkeitsbegrenzungen von SAS Nyquist zu übertreffen. Konventionelle SAS können nur so schnell vorrücken wie die Nyquist-Geschwindigkeit, basierend auf den Spezifikationen der SAS. Wenn man die Nyquist-Geschwindigkeit überschreitet, versagt das herkömmliche SAS-Image vollständig. Mit einem DOLPHIN SAS kann man die Nyquist-Geschwindigkeit überschreiten, ohne das Signal zu verlieren. Infolgedessen verschlechtert sich das Bild umso mehr, je mehr das Sonar das Zweifache der Nyquist-Geschwindigkeit überschreitet (Unschärfe). Mit anderen Worten, DOLPHIN SAS kann die Standard-SAS-Geschwindigkeit mindestens verdoppeln. Es kann sogar die Geschwindigkeit erhöhen, wenn auch mit zunehmendem unscharfen Bild. Abbildung 6 wurde in einem Testtank mit einem einfachen DOLPHIN SAS erstellt, der mit der dreifachen Geschwindigkeit von Nyquist betrieben wurde.

Im Jahr 2018 erhielt QNA einen Auftrag vom Naval Surface Warfare Center der Panama City Division (NSWC PCD) in Panama City, FL, um die fortschrittliche Side-Scan-Sonartechnologie mit geringem Stromverbrauch zu demonstrieren. Phase 1 ist abgeschlossen und die Ergebnisse werden in zukünftigen Veröffentlichungen vorgestellt.

Abbildung 5: Zwei Sonarschwaden, die sich mit der DOLPHIN ™ -Verarbeitung überlappen, füllen die typische Nadir-Lücke. Bild: QinetiQ North America Praktische Anwendungen
Die DOLPHIN-Verarbeitungstechnologie kann auf Kommunikations-, Sonar- und Telemetriesysteme angewendet werden. In der Praxis wird dies vielen Märkten und Anwendungen Vorteile bringen. Militärische Einsätze profitieren von Netzwerken, geheimer Kommunikation, verbessertem Durchsatz und erhöhter Toleranz gegenüber schwierigen akustischen Bedingungen. Man könnte sich vorstellen, dass DOLPHIN-fähige Netzwerke unbemannter Systeme Minen in tiefen Gewässern und in der Brandungszone schneller und zuverlässiger finden und neutralisieren. Kommerziell konzentrieren sich Öl und Gas sowie in geringerem Maße Offshore-Erneuerbare auf Systeme für Installation, Inspektion, Wartung und Reparatur (IMR) am Meeresboden. Diese Unterwasseranwendungen werden immens von der Nützlichkeit, der Positionsnavigation und dem Zeitverhalten (PNT) sowie der Datenkonnektivität profitieren, die für mobile Geräte, die an herkömmliche Satelliten- und Funknetze angeschlossen sind, selbstverständlich ist.

Diese Märkte werden auch von einem verbesserten Sonar profitieren. Je schneller das Sonar voranschreitet, desto höher wird die Erfassungsrate bei der Minenjagd sein, und die Systeme müssen nicht zweimal Vermessungen durchführen, um die „Lücken“ von SSS / SAS zu schließen. Meeresforschung und -forschung werden von einer höheren Kartenabdeckungsrate profitieren. DOLPHIN wird sich verbessern, wenn die bisherige Abdeckung durch Ozeankarten begrenzt ist.

DOLPHIN Comms ist eine Transformationstechnologie, die eine akustische Vollduplex-Unterwasserkommunikation und verbesserte Sonarsysteme ermöglicht. Die Technologie wurde in Feldversuchen validiert. In Verteidigungsanwendungen sind laufende Anwendungen und Entwicklungsprojekte geplant.

Kommerzielle und wissenschaftliche Anwendungen und Versuche sind von großem Interesse. Während die Kerntechnologie fertig ist, werden sich die zahlreichen Produkt- und Systementwicklungen im Laufe der Zeit weiterentwickeln. Ein robustes Ökosystem aus Hardwareherstellern, Softwareentwicklern und Endbenutzern muss rund um die zugrunde liegende Technologie heranreifen und Technologie ermöglichen. Bei angemessener Zusammenarbeit ist davon auszugehen, dass viele Produkte und Anwendungen DOLPHIN-fähig werden.

Biografien der Autoren
Justin Manley ist ein Technologe und leitender Angestellter mit Erfahrung in den Bereichen Startup, Public Corporation, Wissenschaft und öffentlicher Sektor. Nach seiner beruflichen Tätigkeit am MIT, bei der Unterstützung von NOAA und im privaten Sektor gründete er 2015 Just Innovation Inc., um eine Vielzahl von Kunden mit Schwerpunkt auf unbemannten und Unterwassersystemen zu unterstützen.

Michael Murphree ist Leiter der Kommunikations- und Überwachungstechnologie für Maritime Systeme bei QinetiQ North America. Michael verfügt über langjährige Erfahrung in den Bereichen Untersee-Systemtechnik, Software und Automatisierung sowie in seiner aktuellen Arbeit mit akustischer Kommunikation.

Greg Folts ist Director Business Development für Maritime Systems bei QinetiQ North America. Er hat über 30 Jahre Erfahrung in unbemannten Systemen und in der Minenkriegsführung als Ingenieur und Programmmanager für die US Navy. Greg ist seit 2007 in der privaten Verteidigungsbranche tätig, mit Schwerpunkt auf unbemannten Systemen und Sonartechnologie.