DOLPHIN：声学系统的支持技术
DOLPHIN信号处理技术
声学能够实现许多核心海底能力。在无线电波不能很好地传播，光被快速吸收的地方，声信号可以帮助我们绘制，查看，定位和通信。采用声学的许多产品和技术都依赖于信号处理，因此新的处理方法可以影响许多应用。 QinetiQ北美（QNA）及其合作伙伴Optimal Systems Laboratory（OSL）开发了DOLPHIN - 一种使用模拟消除的专利方法，可消除接收器饱和并实现同时发送和接收。图1描述了这个概念。
图1：DOLPHIN的基本概念。图片：QinetiQ北美 在水下遥测中的应用
自从声学通信开始以来，现有技术一直局限于半双工信号：在接收器关闭的情况下发送然后关闭发射器并接收器接通并等待接收，因为源处的直接传输使接收器饱和接收器电子设备，如果它们同时启用
海洋物理学是固定的，但DOLPHIN技术实现了真正的全双工声学遥测。它实时取消接收器的发送信号。这消除了接收器自信号饱和，并且能够使用并置的换能器在相同频率上同时发送和接收。 DOLPHIN技术与频率和范围无关 - 从而为水下通信和传感器提供灵活的新方法。
实际上，可以根据数据吞吐量的变化（接收有意义信息的速度）来查看全双工通信与标准半双工通信的影响。这可以通过数据速率与范围一般来看。图2显示了DOLPHIN Comms与传统方法相比的优势。
图2：DOLPHIN接收速率与传统接收速率的关系。图片：QinetiQ北美
随着半双工（移动或静态）网络中节点数量的增加，积极的好处尤为明显。虽然增加节点会降低传统半双工网络的整体吞吐量，但建模和测试表明DOLPHIN Comms网络将保持一致的性能。这在移动节点的网络中更加明显，其中半双工网络通常不再使用两个以上的节点。但是，可以使用两个以上移动节点的全双工网络，并保持高数据吞吐量。这证明了DOLPHIN Comms技术在启用移动节点网络（如成群的UUV）方面的价值。
通过考虑两个UUV尝试使用Assured Data Communications进行通信的情况，可以看到更具体的益处示例。这在图3中示出。传统的半双工方法需要来自接收节点的针对发送的每个分组的确认，并且在该示例中花费20秒以在UUV之间传递数据消息。但使用DOLPHIN全双工方法可以将吞吐量提高400％。需要明确的是，这种改进完全归功于信号处理方法，声传输的总体局限仍然存在。或者说有点随便，而物理定律没有改变，DOLPHIN Comms提供了更好的律师。
图3：UUV案例研究的数据吞吐量改进。图片：QinetiQ北美 地图声纳测绘应用
同样的技术可以应用于侧扫声纳（SSS），这是一种非常常见的海底测绘和测量工具，合成孔径声纳（SAS）是一种新兴技术。通常，SSS在其提供的覆盖范围内呈现“间隙”，如图4所示。该间隙或“Nadir”将左侧声纳与右侧分开以避免干扰。
由于DOLPHIN可以同时在水柱中传输和接收许多信号，因此可以覆盖重叠。如图5所示，一组信号Sidescan A正在为与Sidescan B相同的区域进行隔离。在传统的声纳应用中，这将导致干扰和数据丢失。但是通过DOLPHIN处理，可以解释两个信号，从而填充最低点，如图5所示。
这提供了SSS或SAS的完整扫描覆盖，没有间隙。实际上，来自任一侧扫描（A或B）的前向散射可以被另一侧扫描（B或A）用于改善两侧重叠的区域中的分辨率。
除了改善覆盖范围的明显好处之外，DOLPHIN处理还可以为声纳系统提供其他优势，包括提高分辨率和对海洋哺乳动物安全等环境问题的适应性。
图4：典型的侧扫显示覆盖范围的差距。图片：QinetiQ北美 实验室和现场测试
DOLPHIN Comms和Sonar概念验证（POC）演示已成功完成。在先前报道的坦克和港口试验中，DOLPHIN Comms取得了成功的结果。该系统能够在高度混响的实验室水箱中展示65+ dB的模拟消除。在坦克试验之后，开发计划转向开放水域。该测试包括全向传感器，实际频率和带宽，有用距离，在高混响条件下。该测试展示了在困难和动态环境中80 dB的模拟消除，以及使用商用设备扩展到有用距离的能力，同时保持稳健，可靠的全双工通信。该测试以6％功率（60 mW或160 dB）进行，并展示了其预期的1.6 Kbits / sec数据速率，全双工遥测。
在声纳测试中，DOLPHIN也显示出了希望。到目前为止，工作模拟了100％重建图像（最低点填充），并在实验室环境中展示了DOLPHIN SSS和SAS。它还展示了DOLPHIN SONAR在具有原型设备的实验室环境中的操作。迄今为止的测试案例使用了1米范围内的3米水箱，频率为2 MHz。
此外，QNA还证明了DOLPHIN SAS能够超越典型的SAS Nyquist速度限制。传统的SAS只能根据SAS的规格以奈奎斯特速度的速度前进。如果超过奈奎斯特速度，则传统的SAS图像完全失效。使用DOLPHIN SAS，可以超过奈奎斯特速度而不会丢失信号。因此，当声纳超过奈奎斯特速度的2倍时，图像将优雅地降级（模糊）。换句话说，DOLPHIN SAS至少可以使标准SAS速度提高一倍。它甚至可以提高速度，尽管模糊的图像越来越多。图6是在一个测试槽中创建的，其中一个简单的DOLPHIN SAS以奈奎斯特速度运行3倍。
2018年，QNA获得了巴拿马城巴拿马城海军水面作战中心（NSWC PCD）的合同，以展示先进的低功率侧扫声纳技术。第1阶段已完成，结果将在未来的出版物中公布。
图5：与DOLPHIN™处理重叠的两个声纳条带填充了典型的最低点间隙。图片：QinetiQ北美 实际应用
DOLPHIN处理技术可应用于通信，声纳和遥测系统。在实践中，这将为许多市场和应用带来益处。军事行动将受益于网络，秘密通信，提高吞吐量以及增加对困难声学条件的容忍度。人们可以设想启用DOLPHIN的无人系统网络能够更快，更可靠地在深水区和冲浪区找到并中和地雷。商业上的石油和天然气以及较小程度的海上可再生能源正在寻求海底居民系统的安装和检查，维护和维修（IMR）。这些水下应用将极大地受益于公用事业，位置导航和定时（PNT）以及数据连接，这些都被连接到传统卫星和无线电网络的移动设备视为理所当然。
这些市场也将受益于改进的声纳。随着声纳提前速度的加快，矿井狩猎覆盖率将会提高，系统将无需进行两次调查以填补SSS / SAS“差距”。能源基础设施将快速映射到支持运营和维护需求。海洋科学和勘探将受益于更高的测绘覆盖率。到目前为止，DOLPHIN将改进有限的海洋测绘覆盖范围。
DOLPHIN Comms是一种转型技术，可实现全双工声学水下通信和改进的声纳系统。该技术已在现场试验中得到验证。在国防应用中计划正在进行的应用和开发项目。
商业和科学应用和试验引起了极大的兴趣。虽然核心技术已经准备就绪，但产品的多层次和“系统系统”的发展将随着时间的推移而发展。硬件制造商，软件开发商和最终用户的强大生态系统必须围绕底层的支持技术成熟。通过适当的协作努力，可以合理地假设许多产品和应用程序将成为DOLPHIN。
作者简历
贾斯汀曼利是一名技术专家和执行官，拥有创业，公共公司，学术和公共部门的经验。在麻省理工学院担任专业职务，支持NOAA和私营部门后，他于2015年创立了Just Innovation Inc.，以支持各种专注于无人和海底系统的客户。
Michael Murphree是QinetiQ北美海事系统的通信和监视技术经理。 Michael在海底系统工程，软件和自动化方面拥有丰富的经验，以及他目前在声学通信方面的工作。
Greg Folts是QinetiQ北美海事系统业务开发总监。作为美国海军的工程师和项目经理，他在无人系统和水雷战方面拥有30多年的经验。 Greg自2007年以来一直专注于私营部门防御社区，专注于无人系统和声纳技术。
