DOLPHIN: Tecnología habilitadora para sistemas acústicos

Figura 6: Un resultado de prueba de DOLPHIN Sonar, SAS a tres veces la velocidad de Nyquist. De archivo: QinetiQ Norteamérica

Tecnología de procesamiento de señal DOLPHIN
La acústica permite muchas capacidades básicas submarinas. Donde las ondas de radio no se propagan bien y la luz se absorbe rápidamente, las señales acústicas nos ayudan a mapear, ver, localizar y comunicar. Los muchos productos y tecnologías que emplean acústica dependen del procesamiento de la señal, por lo que los nuevos enfoques de procesamiento pueden impactar muchas aplicaciones. QinetiQ North America (QNA) y su socio Optimal Systems Laboratory (OSL) han desarrollado DOLPHIN, un método patentado que utiliza la cancelación analógica que elimina la saturación del receptor y permite la transmisión y recepción simultáneas. La figura 1 describe este concepto.

Figura 1: El concepto básico de DOLPHIN. Imagen: Aplicación de QinetiQ Norteamérica a la telemetría submarina
Desde el comienzo de las comunicaciones acústicas, la tecnología de vanguardia se ha limitado a las señales semidúplex: transmita con el receptor apagado y luego apague el transmisor y el receptor y espere a recibir, porque la transmisión directa en la fuente satura el transmisor. Electrónica del receptor si están habilitados simultáneamente.

La física oceánica es fija, pero la tecnología DOLPHIN permite una verdadera telemetría acústica dúplex. Cancela la señal de transmisión en el receptor en tiempo real. Esto elimina la saturación de la señal del receptor y permite la transmisión y recepción simultáneas en la misma frecuencia, con transductores colocados. La tecnología DOLPHIN es independiente de la frecuencia y el rango, por lo que ofrece nuevos enfoques flexibles para las comunicaciones y sensores submarinos.

En la práctica, el impacto de las comunicaciones dúplex completas frente a las comunicaciones semidúplex estándar se puede ver en términos del cambio en el rendimiento de datos (velocidad de recepción de información significativa). Esto se puede ver genéricamente en términos de rango de velocidad de datos vs. La Figura 2 muestra una generalización de los beneficios de DOLPHIN Comms frente a los enfoques tradicionales.

Figura 2: Velocidad de recepción de delfín frente a las tasas de recepción convencionales. De archivo: QinetiQ Norteamérica

Los beneficios positivos son particularmente claros a medida que aumenta el número de nodos en una red semidúplex (móvil o estática). Si bien los nodos crecientes degradan el rendimiento general de las redes convencionales, semidúplex, el modelado y las pruebas muestran que las redes de comunicaciones de DOLPHIN mantendrán un rendimiento constante. Esto es aún más evidente en las redes de nodos móviles donde las redes semidúplex generalmente dejan de funcionar con más de dos nodos. Pero las redes full-duplex de más de dos nodos en movimiento son posibles y mantienen un alto rendimiento de datos. Esto demuestra el valor de la tecnología DOLPHIN Comms para habilitar redes de nodos móviles, como enjambres de UUV.

Se puede ver un ejemplo más concreto de los beneficios al considerar el caso de dos UUV que intentan comunicarse mediante comunicaciones de datos asegurados. Esto se muestra en la Figura 3. Los enfoques tradicionales de semidúplex requieren un acuse de recibo del nodo receptor para cada paquete que se envía y demoran 20 segundos, en este ejemplo, para entregar un mensaje de datos entre UUV. Pero el uso de un enfoque de dúplex completo DOLPHIN puede ofrecer hasta un 400% de mejora en el rendimiento. Para que quede claro, esta mejora se debe enteramente al enfoque del procesamiento de la señal, las limitaciones generales de la transmisión acústica permanecen. O para decirlo un poco de manera casual, mientras que las leyes de la física no han cambiado, DOLPHIN Comms ofrece mejores abogados.

Figura 3: Mejoras en el rendimiento de datos para el estudio de caso de UUV. Imagen: Aplicación de QinetiQ Norteamérica a Maping Sonar
Esta misma tecnología se puede aplicar al sonar de barrido lateral (SSS), una herramienta muy común para el mapeo y levantamiento del fondo marino, y el sonar de apertura sintética (SAS) es una tecnología emergente. Por lo general, SSS presenta una "brecha" en la cobertura que ofrece, como en la Figura 4. Esta brecha, o "Nadir" separa el sonar del lado izquierdo del derecho para evitar interferencias.

Debido a que DOLPHIN permite la transmisión y recepción de muchas señales en la columna de agua simultáneamente, permite que la cobertura se superponga. Como se muestra en la Figura 5, un conjunto de señales, Sidescan A, está ensonificando una parte del mismo área que Sidescan B. En las aplicaciones de sonar tradicionales, esto podría resultar en interferencia y pérdida de datos. Pero con el procesamiento DOLPHIN es posible interpretar ambas señales y, por lo tanto, llenar el espacio del nadir como se muestra en la Figura 5.

Esto proporciona una cobertura total de un SSS o SAS sin espacio. De hecho, la dispersión hacia adelante desde cualquiera de los barridos laterales (A o B) puede ser utilizada por el otro escaneo lateral (B o A) para mejorar la resolución en el área donde ambos lados se superponen.
Además del beneficio obvio de la cobertura mejorada, el procesamiento DOLPHIN puede proporcionar otras ventajas para los sistemas de sonar, lo que incluye una mayor resolución y adaptabilidad a los problemas ambientales, como la seguridad de los mamíferos marinos.

Figura 4: la exploración lateral típica muestra una brecha en la cobertura. Imagen: QinetiQ Laboratorio de Norteamérica y pruebas de campo
Las demostraciones de DOLPHIN Comms y Sonar de prueba de concepto (POC) se han completado con éxito. En ensayos de tanques y puertos, como se informó anteriormente, DOLPHIN Comms obtuvo resultados exitosos. El sistema pudo demostrar una cancelación analógica de más de 65 dB en un tanque de laboratorio altamente reverberante. Tras las pruebas de los tanques, el programa de desarrollo se trasladó a aguas abiertas. Esta prueba incluyó transductores omnidireccionales, frecuencias realistas y anchos de banda, distancias de alcance útiles, en condiciones altamente reverberantes. La prueba demostró 80 dB de cancelación analógica en un entorno difícil y dinámico y la capacidad de escalar a distancias útiles utilizando equipos comerciales, al tiempo que se mantienen comunicaciones robustas y confiables en dúplex completo. La prueba se realizó al 6% de potencia (60 mW o 160 dB) y demostró su velocidad de datos esperada de 1.6 Kbits / s, la telemetría de dúplex completo.

En las pruebas de sonar, DOLPHIN también se ha mostrado prometedor. Hasta la fecha, el trabajo ha modelado el 100% de la reconstrucción de una imagen (relleno de nadir) y ha demostrado DOLPHIN SSS y SAS en un entorno de laboratorio. También ha demostrado la operación de DOLPHIN SONAR en un entorno de laboratorio con equipos prototipo. El caso de prueba hasta la fecha ha utilizado un tanque de 3 metros en un rango de 1 metro con una frecuencia de 2 MHz.

Además, QNA ha demostrado la capacidad de DOLPHIN SAS para poder superar las limitaciones de velocidad típicas de SAS Nyquist. El SAS convencional solo puede avanzar tan rápido como la velocidad de Nyquist, según las especificaciones del SAS. Si uno excede la velocidad de Nyquist, la imagen SAS convencional falla completamente. Con un DOLPHIN SAS, uno puede exceder la velocidad de Nyquist sin perder la señal. Como resultado, la imagen se degradará con gracia (más borrosa) cuanto más el sonar supere 2 veces la velocidad de Nyquist. En otras palabras, DOLPHIN SAS puede al menos duplicar la velocidad estándar de SAS. Incluso puede aumentar la velocidad, aunque con una imagen borrosa cada vez mayor. La Figura 6 se creó en un tanque de prueba con un simple DOLPHIN SAS que funciona a 3 veces la velocidad de Nyquist.

En 2018, QNA se adjudicó un contrato del Centro de Guerra de la Superficie Naval, División de la Ciudad de Panamá (NSWC PCD), Ciudad de Panamá, FL para demostrar la tecnología avanzada de sonar de barrido lateral de baja potencia. La fase 1 está completa y los resultados se presentarán en futuras publicaciones.

Figura 5: Dos franjas de sonar que se superponen con el procesamiento de DOLPHIN ™ llenan la brecha típica del nadir. Imagen: Aplicaciones prácticas de QinetiQ Norteamérica
La tecnología de procesamiento DOLPHIN se puede aplicar a los sistemas de comunicaciones, sonar y telemetría. En la práctica, esto dará beneficios a muchos mercados y aplicaciones. Las operaciones militares se beneficiarán de las redes, las comunicaciones clandestinas, el rendimiento mejorado y la mayor tolerancia ante condiciones acústicas difíciles. Uno podría imaginar que las redes de sistemas no tripulados habilitadas por DOLPHIN sean más rápidas y confiables para encontrar y neutralizar minas en aguas profundas y en la zona de surf. Comercialmente, el petróleo y el gas, y en menor medida las energías renovables en alta mar, buscan sistemas residentes en el fondo marino tanto para la instalación como para la inspección, mantenimiento y reparación (IMR). Estas aplicaciones subacuáticas se beneficiarán enormemente de la utilidad, la navegación de posición y la sincronización (PNT) y la conectividad de datos, que se dan por sentado en dispositivos móviles conectados a redes de radio y satélite convencionales.

Estos mercados también se beneficiarán de la mejora del sonar. Las tasas de cobertura de la caza en las minas aumentarán con una velocidad de avance más rápida del sonar y los sistemas no tendrán que realizar una encuesta dos veces para llenar las "brechas" de SSS / SAS. La infraestructura energética se asignará rápidamente a las necesidades de operaciones y mantenimiento. La ciencia y la exploración oceánicas se beneficiarán de una mayor tasa de cobertura de mapas. DOLPHIN mejorará la cobertura limitada de mapas oceánicos hasta la fecha.

DOLPHIN Comms es una tecnología de transformación que permite una comunicación acústica subacuática dúplex completa y sistemas de sonar mejorados. La tecnología ha sido validada en ensayos de campo. Hay aplicaciones en curso y proyectos de desarrollo planeados en aplicaciones de defensa.

Las aplicaciones comerciales y científicas y los ensayos son de gran interés. Si bien la tecnología central está lista, las muchas capas de desarrollo de productos y "sistemas de sistemas" evolucionarán con el tiempo. Un sólido ecosistema de fabricantes de hardware, desarrolladores de software y usuarios finales debe madurar en torno a la tecnología subyacente y habilitadora. Con un esfuerzo de colaboración adecuado, es razonable suponer que muchos productos y aplicaciones estarán habilitados para DOLPHIN.

Biografías de los autores
Justin Manley es un tecnólogo y ejecutivo con experiencia en startups, corporaciones públicas, académicos y sectores públicos. Después de desempeñar funciones profesionales en MIT, apoyar a NOAA y al sector privado, fundó Just Innovation Inc. en 2015 para brindar apoyo a una variedad de clientes con un enfoque en sistemas no tripulados y submarinos.

Michael Murphree es el Gerente de Tecnología de Comunicaciones y Vigilancia para Sistemas Marítimos en QinetiQ North America. Michael tiene una gran experiencia en ingeniería de sistemas submarinos, software y automatización, así como su trabajo actual con comunicaciones acústicas.

Greg Folts es Director de Desarrollo de Negocios para Sistemas Marítimos en QinetiQ North America. Tiene más de 30 años de experiencia en sistemas no tripulados y guerra de minas como ingeniero y gerente de programas para la Marina de los Estados Unidos. Greg ha participado en la comunidad de defensa del sector privado, con un enfoque en sistemas no tripulados y tecnología de sonar desde 2007.