الدلفين: تمكين التكنولوجيا للأنظمة الصوتية

الشكل 6: نتيجة محاكمة السونف دولفين ، ساس في سرعة ثلاث مرات Nyquist. الصورة: QinetiQ أمريكا الشمالية

تكنولوجيا معالجة إشارة الدلفين
الصوتيات تمكن العديد من قدرات البحر الأساسية. عندما لا تنتشر موجات الراديو جيدًا ، ويتم امتصاص الضوء بسرعة ، فإن الإشارات الصوتية تساعدنا في تحديد موقعها ورؤيتها وتحديد موقعها والتواصل معها. تعتمد العديد من المنتجات والتقنيات التي تستخدم الصوتيات على معالجة الإشارات ، وبالتالي يمكن أن تؤثر أساليب المعالجة الجديدة على العديد من التطبيقات. قامت شركة QinetiQ North America (QNA) وشريكتها Optimal Systems Laboratory (OSL) بتطوير DOLPHIN - وهي طريقة حاصلة على براءة اختراع باستخدام الإلغاء التمثيلي الذي يلغي تشبع المستقبل ويمكّن من الإرسال والاستقبال المتزامنين. يصف الشكل 1 هذا المفهوم.

الشكل 1: المفهوم الأساسي للدلافين. الصورة: تطبيق أمريكا الشمالية QinetiQ للقياس تحت الماء
منذ بداية الاتصالات الصوتية ، اقتصرت أحدث التقنيات على إشارات أحادية الاتجاه: قم بالإرسال باستخدام جهاز الاستقبال ثم قم بإيقاف تشغيل جهاز الإرسال والاستقبال وانتظر الاستقبال ، لأن الإرسال المباشر في المصدر يشبع الالكترونيات المتلقي إذا تم تمكينها في وقت واحد.

تم إصلاح فيزياء المحيط ، لكن تقنية DOLPHIN تتيح القياس عن بُعد الصوتي المزدوج الكامل. فإنه يلغي إشارة الإرسال في المتلقي في الوقت الحقيقي. هذا يلغي تشبع الإشارة الذاتية للمستقبل ويمكّن من الإرسال والاستقبال في نفس الوقت على نفس التردد ، مع محولات الطاقة المرتبطة. تعد تقنية DOLPHIN مستقلة عن التردد والمدى - مما ينتج عنه طرق جديدة مرنة للاتصالات وأجهزة الاستشعار تحت الماء.

في الممارسة العملية ، يمكن رؤية تأثير comms مزدوجة الاتجاه مقابل comms half duplex القياسية من حيث التغيير في سرعة نقل البيانات (سرعة استلام معلومات مفيدة). يمكن عرض ذلك بشكل عام من حيث معدل البيانات مقابل النطاق. يوضح الشكل 2 تعميم فوائد مقارنات DOLPHIN مقابل المقاربات التقليدية.

الشكل 2: معدلات تلقي الدلافين مقابل معدلات الاستلام التقليدية. الصورة: QinetiQ أمريكا الشمالية

تكون الفوائد الإيجابية واضحة بشكل خاص مع زيادة عدد العقد في شبكة اتصال أحادي الاتجاه (ثابت أو ثابت). في حين تؤدي زيادة العقد إلى انخفاض الإنتاجية الإجمالية للشبكات التقليدية ثنائية الاتجاه ، فإن النماذج والاختبار توضح أن شبكات DOLPHIN Comms ستحافظ على أداء ثابت. وهذا أكثر وضوحًا في شبكات العقد المتحركة حيث تتوقف الشبكات ثنائية الاتجاه عمومًا عن العمل مع أكثر من عقدتين. لكن الشبكات ثنائية الاتجاه لأكثر من عقدتين متحركتين ممكنة وتحافظ على سرعة نقل بيانات عالية. يوضح هذا قيمة تقنية DOLPHIN Comms في تمكين شبكات العقد المتحركة ، مثل أسراب UUVs.

يمكن رؤية مثال أكثر واقعية للفوائد من خلال النظر في حالة اثنين من UUVs تحاول الاتصال باستخدام اتصالات البيانات المؤكدة. يظهر هذا في الشكل 3. تتطلب الأساليب أحادية الاتجاه التقليدية إقرارًا من عقدة الاستقبال لكل حزمة يتم إرسالها وتستغرق 20 ثانية ، في هذا المثال ، لتسليم رسالة بيانات بين UUVs. لكن استخدام نهج DOLPHIN مزدوج الاتجاه يمكن أن يوفر ما يصل إلى 400٪ من الإنتاجية. لكي نكون واضحين ، فإن هذا التحسن يرجع بالكامل إلى نهج معالجة الإشارات ، حيث تظل القيود الكلية للإرسال الصوتي. أو بعبارة بسيطة ، بينما لم تتغير قوانين الفيزياء ، توفر DOLPHIN Comms محامين أفضل.

الشكل 3: تحسينات الإنتاجية البيانات لدراسة حالة UUV. الصورة: تطبيق أمريكا الشمالية QinetiQ لرسم الخرائط Sonar
يمكن تطبيق هذه التقنية نفسها على السونار المسح الجانبي (SSS) ، وهي أداة شائعة جدًا لرسم خرائط قاع البحر ومسحها ، وسونار الفتحة الاصطناعية (SAS) وهي تقنية ناشئة. عادةً ، يقدم SSS "فجوة" في التغطية التي يقدمها ، كما في الشكل 4. هذه الفجوة ، أو "نادر" تفصل السونار في الجانب الأيسر عن اليمين لتجنب التداخل.

لأن DOLPHIN يتيح نقل واستقبال العديد من الإشارات في عمود الماء في وقت واحد ، فإنه يسمح للتغطية بالتداخل. كما هو مبين في الشكل 5 ، هناك مجموعة من الإشارات ، Sidescan A ، تتكلف جزءًا بنفس منطقة Sidescan B. في تطبيقات السونار التقليدية ، قد ينتج عن ذلك تداخل وبيانات مفقودة. لكن مع معالجة DOLPHIN ، من الممكن تفسير كلتا الإشارات وبالتالي ملء فجوة النظير كما في الشكل 5.

هذا يوفر تغطية كاملة من SSS أو SAS مع عدم وجود فجوة. في الواقع ، يمكن استخدام الجانب الأمامي الآخر (B أو A) على الانتثار الأمامي من الجانبين (A أو B) لتحسين الدقة في المنطقة التي يتداخل فيها كلا الجانبين.
بالإضافة إلى الفائدة الواضحة لتحسين التغطية ، يمكن أن توفر معالجة DOLPHIN مزايا أخرى لأنظمة السونار بما في ذلك زيادة الدقة والقدرة على التكيف مع المخاوف البيئية مثل سلامة الثدييات البحرية.

الشكل 4: المسح الجانبي النموذجي يعرض فجوة في التغطية. الصورة: مختبر أمريكا الشمالية QinetiQ والاختبار الميداني
تم الانتهاء بنجاح من العروض التوضيحية لـ DOLPHIN Comms و Sonar. في تجارب الدبابات والمرافئ ، التي تم الإبلاغ عنها مسبقًا ، حققت DOLPHIN Comms نتائج ناجحة. كان النظام قادرًا على إثبات 65+ ديسيبل من الإلغاء التمثيلي في خزان مختبر قوي. بعد تجارب الدبابات ، انتقل برنامج التطوير لفتح المياه. تضمن هذا الاختبار محولات متعددة الاتجاهات ، ترددات واقعية وعروض نطاق ، مسافات المدى المفيدة ، في ظروف ترددية للغاية. أظهر الاختبار 80 ديسيبل من الإلغاء التمثيلي في بيئة صعبة وديناميكية والقدرة على التوسع إلى مسافات مفيدة باستخدام المعدات التجارية ، مع الحفاظ على اتصالات ثنائية الاتجاه قوية وموثوقة. تم إجراء الاختبار بنسبة 6٪ من الطاقة (60 ميجاوات أو 160 ديسيبل) وأظهر معدل البيانات المتوقع البالغ 1.6 كيلوبت / ثانية ، والقياس عن بُعد المزدوج.

في اختبار السونار ، أظهر DOLPHIN أيضًا وعدًا. لقد صمم العمل حتى الآن إعادة بناء الصورة بنسبة 100٪ (حشو nadir) وأظهر DOLPHIN SSS و SAS في بيئة معملية. لقد أظهرت أيضًا عملية DOLPHIN SONAR في بيئة معملية باستخدام معدات النموذج الأولي. استخدمت حالة الاختبار حتى الآن خزانًا طوله 3 أمتار في نطاق متر واحد بتردد MHz 2.

بالإضافة إلى ذلك ، أثبتت QNA قدرة DOLPHIN SAS على أن تكون قادرة على تجاوز قيود SAS Nyquist النموذجية. لا يمكن لـ SAS التقليدية التقدم إلا بنفس سرعة Nyquist ، بناءً على مواصفات SAS. إذا تجاوز المرء سرعة Nyquist ، تفشل صورة SAS التقليدية تمامًا. مع DOLPHIN SAS ، يمكن للمرء أن يتجاوز سرعة Nyquist دون فقدان الإشارة. نتيجة لذلك ، ستتدهور الصورة بأمان (طمس) كلما تجاوز السونار 2x سرعة Nyquist. بمعنى آخر ، يمكن DOLPHIN SAS مضاعفة سرعة SAS القياسية على الأقل. يمكن أن تزيد من السرعة ، حتى مع زيادة الصورة الضبابية. تم إنشاء الشكل 6 في خزان اختبار مع DOLPHIN SAS بسيطة تعمل بسرعة 3x Nyquist.

في عام 2018 ، تم منح شركة QNA عقدًا من مركز Naval Surface Warfare ، قسم مدينة بنما ، (NSWC PCD) ، مدينة بنما ، فلوريدا لإظهار تكنولوجيا السونار المتطورة ، منخفضة الطاقة ، السونار. المرحلة 1 كاملة وسيتم تقديم النتائج في المنشورات المستقبلية.

الشكل 5: تملأ مساحات السونار المتداخلة مع معالجة DOLPHIN ™ فجوة النظير التقليدية. الصورة: تطبيقات QinetiQ أمريكا الشمالية العملية
يمكن تطبيق تكنولوجيا معالجة DOLPHIN على أنظمة الاتصالات والسونار والقياس عن بعد. في الممارسة العملية ، سيؤدي ذلك إلى فوائد للعديد من الأسواق والتطبيقات. سوف تستفيد العمليات العسكرية من الشبكات ، والاتصالات السرية ، وتحسين الإنتاجية ، وزيادة التسامح مع الظروف الصوتية الصعبة. يمكن للمرء أن يتصور شبكات تمكين DOLPHIN من أنظمة غير المأهولة بسرعة أكبر وبشكل موثوق العثور على الألغام وتحييدها في المياه العميقة ومنطقة الأمواج. من الناحية التجارية ، يبحث النفط والغاز ، وبدرجة أقل من مصادر الطاقة المتجددة البحرية ، عن أنظمة المقيمين في قاع البحر من أجل التركيب والتفتيش والصيانة والإصلاح (IMR). ستستفيد هذه التطبيقات تحت الماء بشكل كبير من الأداة المساعدة والتنقل في المواضع وتوقيتها (PNT) واتصال البيانات ، وهو أمر مسلم به من قبل الأجهزة المحمولة المتصلة بالشبكات الساتلية والإذاعية التقليدية.

سوف تستفيد هذه الأسواق أيضًا من السونار المحسّن. ستزداد معدلات تغطية مناجم الصيد مع زيادة سرعة السونار بشكل أسرع ولن تضطر الأنظمة إلى المسح مرتين لملء "فجوات" SSS / SAS. سيتم تعيين البنية التحتية للطاقة بسرعة لدعم احتياجات التشغيل والصيانة. سوف تستفيد علوم المحيطات واستكشافها من زيادة معدل تغطية الخرائط. سوف تتحسن شركة DOLPHIN بعد تغطية محدودة لرسم خرائط المحيط حتى الآن.

DOLPHIN Comms هي تقنية تحويلية تتيح الاتصال الصوتي المزدوج الكامل تحت الماء وأنظمة السونار المحسنة. تم التحقق من صحة التكنولوجيا في التجارب الميدانية. هناك تطبيقات مستمرة ومشاريع تطوير مخطط لها في تطبيقات الدفاع.

التطبيقات التجارية والعلمية والتجارب ذات أهمية كبيرة. في حين أن التكنولوجيا الأساسية جاهزة ، فإن العديد من طبقات تطوير المنتجات و "أنظمة النظم" ستتطور مع مرور الوقت. يجب أن ينضج النظام الإيكولوجي القوي لمصنعي الأجهزة ومطوري البرمجيات والمستخدمين النهائيين حول التكنولوجيا الأساسية المواتية. من خلال الجهد التعاوني المناسب ، من المنطقي أن نفترض أن العديد من المنتجات والتطبيقات ستعمل على تمكين DOLPHIN.

السيرة الذاتية للمؤلف
جاستن مانلي خبير تقني ومدير تنفيذي يتمتع بخبرة في مجال الشركات الناشئة والمؤسسات العامة والأكاديمية والعامة. بعد أدوار محترفة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ودعم نوا وفي القطاع الخاص أسس جست إنوفيشن إنك في عام 2015 لدعم مجموعة متنوعة من العملاء مع التركيز على أنظمة غير مأهولة وبحر.

مايكل مورفري هو مدير تقنية الاتصالات والمراقبة للأنظمة البحرية في QinetiQ أمريكا الشمالية. يتمتع مايكل بخبرة واسعة في هندسة النظم والبرمجيات والأتمتة تحت سطح البحر بالإضافة إلى عمله الحالي في مجال الاتصالات الصوتية.

جريج فولتس هو مدير تطوير الأعمال للأنظمة البحرية في QinetiQ أمريكا الشمالية. لديه أكثر من 30 عامًا من الخبرة في الأنظمة غير المأهولة وحرب الألغام كمهندس ومدير برنامج للبحرية الأمريكية. يعمل Greg في مجتمع دفاع القطاع الخاص ، مع التركيز على أنظمة بدون طيار وتكنولوجيا السونار منذ عام 2007.