DOLPHIN: Possibilitando Tecnologia para Sistemas Acústicos

Figura 6: Resultado do teste DOLPHIN Sonar, SAS a três vezes a velocidade de Nyquist. Imagem: QinetiQ North America

Tecnologia de processamento de sinal de golfinho
A acústica permite muitos recursos submarinos centrais. Onde as ondas de rádio não se propagam bem e a luz é absorvida rapidamente, os sinais acústicos nos ajudam a mapear, ver, localizar e comunicar. Os muitos produtos e tecnologias que empregam a acústica dependem do processamento de sinais, portanto, novas abordagens de processamento podem afetar muitos aplicativos. A QinetiQ North America (QNA) e seu parceiro Optimal Systems Laboratory (OSL) desenvolveram DOLPHIN - um método patenteado usando cancelamento analógico que elimina a saturação do receptor e permite a transmissão e recepção simultâneas. A figura 1 descreve esse conceito.

Figura 1: O conceito básico do GOLFINHO. Imagem: Aplicação da QinetiQ na América do Norte para a telemetria subaquática
Desde o início das comunicações acústicas, a tecnologia de ponta tem sido limitada a sinais half-duplex: transmitir com o receptor desligado e depois desligar e ligar o transmissor e esperar para recebê-lo, porque a transmissão direta na fonte satura a eletrônica do receptor se eles estiverem ativados simultaneamente.

A física oceânica é fixa, mas a tecnologia DOLPHIN permite a verdadeira telemetria acústica full-duplex. Ele cancela o sinal de transmissão no receptor em tempo real. Isso elimina a saturação do sinal automático do receptor e permite a transmissão e recepção simultâneas na mesma frequência, com transdutores colocados. A tecnologia DOLPHIN é independente de frequência e alcance - proporcionando assim novas abordagens flexíveis para comunicações e sensores subaquáticos.

Na prática, o impacto de comutadores full duplex versus comms semiduplex padrão pode ser visto em termos da mudança na taxa de transferência de dados (velocidade de recebimento de informações significativas). Isso pode ser visto genericamente em termos de taxa de dados versus intervalo. A Figura 2 mostra uma generalização dos benefícios do DOLPHIN Comms versus abordagens tradicionais.

Figura 2: Taxa de Recebimento do GOLFINHO vs. Taxas de Recebimento Convencionais. Imagem: QinetiQ North America

Os benefícios positivos são particularmente claros como o número de nós em um aumento de rede half-duplex (móvel ou estático). Enquanto o aumento de nós degrada a taxa de transferência geral de redes convencionais half-duplex, a modelagem e o teste mostram que as redes DOLPHIN Comms manterão um desempenho consistente. Isso é ainda mais evidente em redes de nós móveis, em que as redes half-duplex geralmente param de funcionar com mais de dois nós. Mas redes full-duplex de mais de dois nós em movimento são possíveis e mantêm alta taxa de transferência de dados. Isso demonstra o valor da tecnologia DOLPHIN Comms na ativação de redes de nós em movimento, como enxames de UUVs.

Um exemplo mais concreto dos benefícios pode ser visto considerando o caso de dois UUVs tentando se comunicar usando comunicações de dados garantidas. Isso é mostrado na Figura 3. As abordagens half-duplex tradicionais exigem uma confirmação do nó receptor para cada pacote enviado e levam 20 segundos, neste exemplo, para entregar uma mensagem de dados entre os UUVs. Mas o uso de uma abordagem full-duplex DOLPHIN pode fornecer uma melhoria de até 400% na taxa de transferência. Para ser claro, esta melhoria é inteiramente devido à abordagem de processamento de sinal, as limitações globais da transmissão acústica permanecem. Ou para colocá-lo um pouco casualmente, enquanto as leis da física não mudaram, DOLPHIN Comms oferece melhores advogados.

Figura 3: Melhorias no throughput de dados para o estudo de caso de UUV. Imagem: Aplicativo QinetiQ North America para mapeamento de sonar
Essa mesma tecnologia pode ser aplicada ao sonar de varredura lateral (SSS), uma ferramenta muito comum para o mapeamento e levantamento de fundo marinho, e sonar de abertura sintética (SAS), uma tecnologia emergente. Normalmente, o SSS apresenta uma “lacuna” na cobertura que oferece, como na Figura 4. Essa lacuna, ou “Nadir”, separa o sonar do lado esquerdo da direita para evitar interferência.

Como o GOLFIN permite a transmissão e recepção de muitos sinais na coluna de água simultaneamente, permite que a cobertura se sobreponha. Como mostrado na Figura 5, um conjunto de sinais, Sidescan A, está ensonando uma parte da mesma área que o Sidescan B. Em aplicações tradicionais de sonar isso resultaria em interferência e perda de dados. Mas com o processamento do GOLFINHO é possível interpretar ambos os sinais e, assim, preencher a lacuna do nadir como na Figura 5.

Isso fornece cobertura de faixa completa de um SSS ou SAS sem intervalo. De fato, a dispersão para a frente a partir de uma das faces laterais (A ou B) pode ser usada pela outra face lateral (B ou A) para melhorar a resolução na área em que ambos os lados se sobrepõem.
Além do benefício óbvio da cobertura melhorada, o processamento DOLPHIN pode fornecer outras vantagens aos sistemas de sonar, incluindo maior resolução e adaptabilidade às preocupações ambientais, como a segurança dos mamíferos marinhos.

Figura 4: O Side-scan típico exibe uma lacuna na cobertura. Imagem: Laboratório QinetiQ North America e testes de campo
Demonstrações de provas de conceito (POC) de DOLPHIN Comms e Sonar foram concluídas com sucesso. Em testes de tanques e portos, previamente relatados, o DOLPHIN Comms forneceu resultados de sucesso. O sistema foi capaz de demonstrar 65 + dB de cancelamento analógico em um tanque de laboratório altamente reverberante. Após os testes de tanques, o programa de desenvolvimento mudou-se para águas abertas. Este teste incluiu transdutores omnidirecionais, frequências realistas e larguras de banda, distâncias de alcance úteis, em condições altamente reverberantes. O teste demonstrou 80 dB de cancelamento analógico em um ambiente difícil e dinâmico e a capacidade de escalar a distâncias úteis usando equipamento comercial, enquanto mantém comunicações full-duplex robustas e confiáveis. O teste foi realizado com uma potência de 6% (60 mW ou 160 dB) e demonstrou a sua taxa de dados esperada de 1,6 Kbits / segundo, telemetria full-duplex.

No teste de sonar, o DOLPHIN também se mostrou promissor. Até hoje, o trabalho modelou 100% de reconstrução de uma imagem (preenchimento do nadir) e demonstrou DOLPHIN SSS e SAS em um ambiente de laboratório. Também demonstrou a operação DOLPHIN SONAR em um ambiente de laboratório com protótipos de equipamentos. O caso de teste até o momento usou um tanque de 3 metros a uma faixa de 1 metro com uma frequência de 2 MHz.

Além disso, a QNA demonstrou a capacidade do DOLPHIN SAS de exceder as limitações típicas de velocidade do Nyquist do SAS. O SAS convencional só pode avançar tão rápido quanto a velocidade de Nyquist, com base nas especificações do SAS. Se uma exceder a velocidade de Nyquist, a imagem SAS convencional falhará completamente. Com um GOLFINHO SAS, pode-se ultrapassar a velocidade de Nyquist sem perder o sinal. Como resultado, a imagem degradará graciosamente (desfoque) quanto mais o sonar exceder 2x a velocidade de Nyquist. Em outras palavras, o DOLPHIN SAS pode pelo menos dobrar a velocidade padrão do SAS. Pode até aumentar a velocidade, embora com uma imagem borrada crescente. A Figura 6 foi criada em um tanque de teste com um DOLPHIN SAS simples operando a 3x a velocidade de Nyquist.

Em 2018, a QNA recebeu um contrato do Naval Surface Warfare Center, Divisão da Cidade do Panamá, (NSWC PCD), Cidade do Panamá, FL para demonstrar tecnologia de sonar sidescan de baixa potência e avançada. A fase 1 está completa e os resultados serão apresentados em futuras publicações.

Figura 5: Duas faixas de sonar que se sobrepõem com o processamento de DOLPHIN ™ preenchem a lacuna de nadir típica. Imagem: QinetiQ North America Practical Applications
A tecnologia de processamento DOLPHIN pode ser aplicada a sistemas de comunicação, sonar e telemetria. Na prática, isso trará benefícios para muitos mercados e aplicações. As operações militares se beneficiarão de redes, comunicações clandestinas, rendimento melhorado e maior tolerância para condições acústicas difíceis. Poder-se-ia imaginar redes de sistemas não tripulados habilitados por DOLPHIN, de forma mais rápida e confiável, encontrando e neutralizando minas em águas profundas e na zona de arrebentação. Comercialmente, o petróleo e o gás e, em menor medida, as energias renováveis offshore, estão a procurar sistemas residentes no fundo do mar para instalação e inspecção, manutenção e reparação (IMR). Estas aplicações subaquáticas beneficiarão imensamente da utilidade, navegação e sincronização de posição (PNT) e conectividade de dados, assumidas por dispositivos móveis conectados a redes convencionais de satélite e rádio.

Esses mercados também se beneficiarão do aprimoramento do sonar. As taxas de cobertura de caça de minas aumentarão com velocidade de avanço de sonar mais rápida e os sistemas não precisarão fazer pesquisas duas vezes para preencher as lacunas de SSS / SAS. A infraestrutura de energia será rapidamente mapeada para suportar as necessidades de operações e manutenção. A ciência e a exploração oceânica serão beneficiadas pelo aumento da taxa de cobertura do mapeamento. O DOLPHIN irá melhorar a cobertura limitada do mapeamento oceânico até à data.

O DOLPHIN Comms é uma tecnologia de transformação que permite a comunicação subaquática acústica full duplex e sistemas de sonar aprimorados. A tecnologia foi validada em testes de campo. Existem aplicativos em andamento e projetos de desenvolvimento planejados em aplicações de defesa.

Aplicações comerciais e científicas e ensaios são de grande interesse. Enquanto a tecnologia principal está pronta, as várias camadas de desenvolvimento de produtos e sistemas de sistemas evoluirão ao longo do tempo. Um ecossistema robusto de fabricantes de hardware, desenvolvedores de software e usuários finais deve amadurecer em torno da tecnologia subjacente e capacitadora. Com um esforço de colaboração apropriado, é razoável supor que muitos produtos e aplicativos se tornarão ativados pelo DOLPHIN.

Biografias do autor
Justin Manley é um tecnólogo e executivo com experiência nos setores de startups, empresas públicas, acadêmicos e públicos. Depois de desempenhar funções profissionais no MIT, apoiando a NOAA e no setor privado, fundou a Just Innovation Inc. em 2015 para apoiar uma variedade de clientes com foco em sistemas não tripulados e submarinos.

Michael Murphree é Gerente de Tecnologia de Comunicações e Vigilância para Sistemas Marítimos na QinetiQ North America. Michael tem uma vasta experiência em engenharia de sistemas submarinos, software e automação, bem como em seu trabalho atual com comunicações acústicas.

Greg Folts é diretor de desenvolvimento de negócios para sistemas marítimos na QinetiQ North America. Ele tem mais de 30 anos de experiência em sistemas não tripulados e na guerra de minas como engenheiro e gerente de programas da Marinha dos EUA. Greg está envolvido na comunidade de defesa do setor privado, com foco em sistemas não tripulados e tecnologia de sonar desde 2007.