DOLPHIN：音響システムの実現技術

図6：ドルフィンソナーの試験結果、SASの3倍のナイキスト速度。画像：QinetiQ北米

ドルフィン信号処理技術
音響学は、多くの中核的な海中能力を可能にします。電波がうまく伝播せず、光が素早く吸収される場合は、音響信号によって地図の作成、確認、検索、通信ができます。音響を使用する多くの製品や技術はすべて信号処理に依存しているため、新しい処理方法は多くのアプリケーションに影響を与えます。 QinetiQ North America（QNA）とそのパートナーであるOptimal Systems Laboratory（OSL）は、アナログキャンセレーションを使用した特許取得済みの方法であるDOLPHINを開発しました。図1はこの概念を説明しています。

図1：ドルフィンの基本概念画像：QinetiQ北米の 水中遠隔測定への応用
音響通信の開始以来、最先端技術は半二重信号に限定されてきました。受信機をオフにして送信し、送信機をオフにして受信機をオンにして受信を待つのです。同時に有効になっている場合は、受信機の電子機器

海洋物理学は固定されていますが、DOLPHIN技術は真の全二重音響テレメトリーを可能にします。それはリアルタイムで受信機で送信信号をキャンセルします。これにより、受信機の自己信号飽和が解消され、並置されたトランスデューサーを使用して、同じ周波数で同時に送受信することが可能になります。 DOLPHIN技術は周波数と範囲に依存しないため、水中通信とセンサーに柔軟で新しいアプローチをもたらします。

実際には、全二重通信と標準的な半二重通信の影響は、データスループットの変化（意味のある情報の受信速度）の観点から見ることができます。これはデータレート対範囲の観点から一般的に見ることができます。図2は、ドルフィンコムの利点と従来のアプローチの一般化を示しています。

図2：ドルフィン受信率と従来の受信率画像：QinetiQ北米

半二重（モバイルまたはスタティック）ネットワークのノード数が増えるにつれて、プラスの利点が特に明らかになります。ノード数が増えると、従来の半二重ネットワークの全体的なスループットが低下しますが、モデリングとテストの結果、DOLPHIN Commsネットワークでは一貫したパフォーマンスが維持されることがわかりました。これは、半二重ネットワークが一般に３つ以上のノードで機能することをやめる移動ノードのネットワークにおいてさらに明白である。しかし、３つ以上の移動ノードの全二重ネットワークも可能であり、高いデータスループットを維持する。これは、UUVの群れのように、移動ノードのネットワークを可能にするというDOLPHIN Commsテクノロジの価値を示しています。

2つのUUVがAssured Data Communicationsを使用して通信しようとしている場合を検討することで、メリットのより具体的な例を見ることができます。これを図3に示します。この例では、UUV間でデータメッセージを配信するために、送信されるパケットごとに受信ノードからの確認応答が必要で、20秒かかります。しかし、DOLPHIN全二重方式を使用すると、スループットが最大400％向上します。明らかに、この改善は完全に信号処理アプローチによるものであり、音響伝送の全体的な制限は残る。あるいは、少し気軽に言うと、物理法則は変わっていませんが、DOLPHIN Commsはより優れた弁護士を提供しています。

図3 UUVのケーススタディにおけるデータスループットの向上画像：QinetiQ北米の マッピングソナーへの応用
これと同じ技術を海底マッピングと調査のための非常に一般的なツールであるサイドスキャンソナー（SSS）や、新しい技術である合成開口ソナー（SAS）に適用することができます。通常、SSSは、図4に示すように、提供するカバレッジに「ギャップ」を表示します。このギャップ、つまり「Nadir」は、干渉を避けるために左側のソナーを右側から分離します。

DOLPHINは水柱内で同時に多数の信号の送信と受信を可能にするので、それはカバレッジが重なることを可能にします。図5に示すように、1組の信号、サイドスキャンAは、サイドスキャンBと同じ領域の一部を再生しています。従来のソナーアプリケーションでは、これにより干渉が発生し、データが失われます。しかし、DOLPHIN処理を使用すると、両方の信号を解釈して、図5のように最下部のギャップを埋めることができます。

これにより、SSSまたはSASを完全にカバーすることができます。実際、どちらかのサイドスキャン（AまたはB）からの前方散乱をもう一方のサイドスキャン（BまたはA）で使用して、両側が重なる領域の解像度を向上させることができます。
改善されたカバレッジの明らかな利点に加えて、ドルフィン処理はソナーシステムに解像度の向上と海洋哺乳類の安全性のような環境問題への適応性を含む他の利点を提供することができます。

図4：典型的なサイドスキャンはカバレッジのギャップを表示します。画像：QinetiQ北米 ラボアンドフィールドテスト
DOLPHIN CommsとSonarの概念実証（POC）デモンストレーションは成功裏に完了しました。以前に報告されたタンクと港の試験で、ドルフィンコムズは成功した結果をもたらしました。このシステムは、非常に反響の大きい実験室用タンクで65+ dBのアナログキャンセルを示すことができました。タンクの試運転の後、開発計画はオープンウォーターに移行しました。このテストには、全方向性トランスデューサー、現実的な周波数と帯域幅、有効な残響距離、非常に残響の多い条件でのテストが含まれていました。このテストでは、堅牢で信頼性の高い全二重通信を維持しながら、困難で動的な環境で80 dBのアナログキャンセレーションと、商用機器を使用して有効距離に拡張できることが実証されました。テストは6％の電力（60 mWまたは160 dB）で実行され、予想される1.6 Kbpsのデータレート、全二重テレメトリを実証しました。

ソナーテストでドルフィンはまた有望性を示しています。これまでの研究では、画像の100％再構成（最下点充填）をモデル化し、実験室環境でDOLPHIN SSSとSASを実証しました。プロトタイプ機器を備えた実験室環境でのDOLPHIN SONARの動作も実証されています。これまでのテストケースでは、2メートルの周波数で1メートルの範囲で3メートルのタンクを使用していました。

さらに、QNAはドルフィンSASが典型的なSASナイキスト速度制限を超えることができることを実証しました。従来のＳＡＳは、ＳＡＳの仕様に基づいて、ナイキスト速度と同じくらい速く進むことしかできない。ナイキスト速度を超えると、従来のSASイメージは完全に失敗します。 DOLPHIN SASを使えば、信号を失うことなくナイキスト速度を超えることができます。その結果、ソナーがナイキスト速度の2倍を超えると、画像は適切に劣化（ぼかし）します。言い換えれば、DOLPHIN SASは少なくとも標準SAS速度の2倍にすることができます。ぼやけた画像が増えても、速度を上げることさえできます。図6は、ナイキスト速度の3倍の速度で動作する単純なDOLPHIN SASを搭載したテストタンクで作成されました。

2018年、QNAはフロリダ州パナマシティのパナマシティ部（NSWC PCD）の海上陸上戦センターから、高度で低消費電力のサイドスキャンソナー技術を実証する契約を受けました。フェーズ1は完了しており、結果は今後の出版物に掲載される予定です。

図5：DOLPHIN™処理と重なる2つのソナースワスが典型的な最下部のギャップを埋めます。画像：QinetiQ北米 実用アプリケーション
ドルフィン処理技術は、通信、ソナー、およびテレメトリシステムに適用できます。実際には、これは多くの市場やアプリケーションに利益をもたらします。軍事作戦は、ネットワーキング、秘密通信、スループットの向上、および困難な音響条件に対する耐性の向上から恩恵を受けます。 DOLPHINによって、無人システムのネットワークがより迅速かつ確実に、深海やサーフゾーンの地雷を見つけて無力化できるようになることを想像できます。商業的には石油とガス、そしてそれほどではないが沖合の再生可能エネルギーは、設置と検査、保守と修理（IMR）の両方のために海底居住者システムを探しています。これらの水中用途は、従来の衛星および無線ネットワークに接続されたモバイル機器によって当然のこととされるユーティリティ、位置ナビゲーションおよびタイミング（ＰＮＴ）およびデータ接続性から非常に恩恵を受けるであろう。

これらの市場はまた改善されたソナーから利益を得るでしょう。地雷探査のカバレッジ率は、ソナーの早送り速度が速いほど高くなり、システムはSSS / SASの「ギャップ」を埋めるために2回調査する必要がなくなります。海洋科学と探査は、マッピングカバレッジ率の向上から恩恵を受けるでしょう。ドルフィンはこれまでの限られた海洋マッピングの適用範囲を改善します。

DOLPHIN Commsは、全二重音響水中通信と改良されたソナーシステムを可能にする変革技術です。この技術は実地試験で検証済みです。防衛アプリケーションで計画されている進行中のアプリケーションと開発プロジェクトがあります。

商業的および科学的な用途と試験は非常に興味深いものです。コアテクノロジーの準備ができている間、製品の多くの層と「システムのシステム」開発は時間とともに進化します。ハードウェア製造元、ソフトウェア開発者、およびエンドユーザーの強力なエコシステムは、基盤となる実現可能なテクノロジを中心に成熟しなければなりません。適切な共同作業により、多くの製品やアプリケーションがドルフィン対応になると考えるのは妥当です。

著者の経歴
Justin Manleyは、スタートアップ、公社、学術、および公共部門での経験を持つ技術者およびエグゼクティブです。 MITでの職務、NOAAおよび民間部門のサポートを経て、2015年にJust Innovation Inc.を設立し、無人および海中システムを中心にさまざまなクライアントをサポートしました。

Michael Murphreeは、QinetiQ North Americaの海事システムの通信および監視テクノロジマネージャです。 Michaelは、海底システム工学、ソフトウェアおよび自動化、ならびに音響通信に関する現在の仕事において豊富な経験を持っています。

Greg Foltsは、QinetiQ North AmericaのMaritime Systems事業開発ディレクターです。彼は、アメリカ海軍の技術者およびプログラム管理者として、無人システムおよび地雷戦で30年以上の経験を持っています。グレッグは2007年以来、無人システムとソナー技術に焦点を当てて、民間部門の防衛コミュニティに取り組んできました。