Migliorare il rilevamento sonar con array a croce di Mills

I sistemi sonar sono strumenti importanti usati per capire gli ambienti sottomarini. Aiutano le persone a prendere decisioni migliori e a stare al sicuro quando navigano in queste aree. Rilevando, tracciando e classificando obiettivi, i sonar sono utili sia in ambito civile che militare, inclusa la guerra alle mine.

I metodi sonar tradizionali si basano spesso su sistemi a singolo array e test statistici standard per rilevare obiettivi. Tuttavia, questi metodi hanno dei limiti, specialmente in ambienti complessi con dati rumorosi. Recenti progressi nella tecnologia hanno spinto verso modi più efficaci di rilevare obiettivi utilizzando più array di ricezione.

Questo documento discute un approccio innovativo per la rilevazione sonar usando un sistema con due array di ricezione disposti in un layout a croce di Mills. Utilizzando nuove tecniche per analizzare i segnali ricevuti, miriamo a migliorare le capacità di rilevamento in ambienti impegnativi con Rumore Impulsivo e ingombro.

#Contesto e Motivazione

I sonar a visione frontale sono cruciali per percepire ostacoli sottomarini e minacce potenziali. Con l’aumento della domanda di decisioni autonome e maggiore sicurezza nella navigazione, questi sistemi sono diventati importanti. Forniscono risultati affidabili per identificare vari obiettivi sottomarini, che siano in superficie, nella colonna d’acqua o sul fondo marino.

I recenti sviluppi nella tecnologia sonar attingono spesso a concetti dei sistemi radar, che hanno stabilito metodi per gestire ambienti di segnale complessi. Anche se sono stati fatti alcuni lavori preliminari nei sistemi sonar, le tecniche sviluppate per i sistemi radar devono ancora essere pienamente sfruttate.

L'obiettivo di questo studio è dimostrare come i metodi di rilevamento adattivo possano migliorare le prestazioni dei sistemi sonar utilizzando più array. In particolare, ci concentriamo su un metodo di rilevamento che utilizza tecniche di modellazione statistica, consentendo un'identificazione più accurata degli obiettivi anche in condizioni non ideali.

#Panoramica del Sistema Sonar

Il sistema sonar utilizzato in questo studio è il SEAPIX, un ecoscandaglio multibeam tridimensionale. Questo sistema è composto da due array lineari, ciascuno con 64 sensori. Questi array sono disposti in una configurazione a croce di Mills, che offre versatilità nel catturare dati da vari angoli.

Il sistema SEAPIX è ampiamente usato in diverse applicazioni, tra cui pesca, idrografia e monitoraggio ambientale. Genera segnali acustici che possono coprire sia aree trasversali (da lato a lato) che longitudinali (davanti e dietro), permettendo una visione completa dell'ambiente sottomarino.

#Impostazione dell'Esperimento

Nei nostri esperimenti, il sistema SEAPIX è montato sull'Uncrewed Surface Vehicle (USV) DriX, inclinato per catturare dati in direzione anteriore. Questa configurazione aiuta a rilevare obiettivi sottomarini mentre l'USV si muove nell'acqua. Il sonar emette impulsi modulati in frequenza lineare che vengono elaborati per raccogliere dati sull'ambiente sottomarino.

Ogni impulso cattura segnali dai due array, che vengono poi analizzati per determinare la presenza di obiettivi. Una fase di pre-elaborazione ben progettata aiuta a migliorare la qualità dei dati raccolti, assicurando risultati di rilevamento più affidabili.

#Metodologia di Rilevamento

Per rilevare adattivamente obiettivi in ambienti sottomarini, utilizziamo una metodologia di rilevamento in due fasi. La prima fase consiste nel derivare un rilevatore basato su caratteristiche di rumore noto. Nella seconda fase, sostituiamo questi parametri noti con stime derivate dai dati stessi.

#Fase 1: Test del rapporto di verosimiglianza generalizzato

Il Test del Rapporto di Verosimiglianza Generalizzato (GLRT) funge da base per il nostro approccio di rilevamento. Ci permette di confrontare due ipotesi: la presenza di un obiettivo vs. l'assenza di un obiettivo. Analizzando il rapporto delle funzioni di verosimiglianza associate a ciascuna ipotesi, possiamo derivare un processo decisionale che migliora le prestazioni di rilevamento.

#Fase 2: Stima Adattiva

Poiché i dati sonar del mondo reale sono spesso influenzati dal rumore, dobbiamo stimare adattivamente le caratteristiche del rumore in base ai dati raccolti. Questo passaggio è cruciale per mantenere capacità di rilevamento accurate in ambienti che potrebbero non conformarsi a condizioni ideali.

Il proposto stimatore della matrice di covarianza è progettato per operare efficacemente in ambienti non gaussiani, che sono comuni nei veri scenari sottomarini. Accogliendo distribuzioni di rumore non standard, il rilevatore può mantenere prestazioni robuste.

#Valutazione delle Prestazioni

Per valutare l'efficacia dei nuovi metodi di rilevamento, sono state condotte diverse simulazioni e analisi dei dati. I risultati indicano che i rilevatori proposti superano significativamente gli approcci tradizionali, specialmente in ambienti impegnativi con rumore impulsivo.

#Ambiente Gaussiano

In un ambiente gaussiano controllato, le prestazioni dei rilevatori vengono valutate in base a vari metriche, come la Probabilità di rilevamento e i tassi di falsi allarmi. I risultati mostrano che i nostri rilevatori mantengono prestazioni costanti, rilevando efficacemente obiettivi riducendo al minimo i falsi allarmi.

#Ambiente Non Gaussiano

La valutazione delle prestazioni continua in ambienti non gaussiani, dove la presenza di rumore impulsivo presenta una maggiore sfida. I risultati dimostrano che i metodi proposti si adattano bene a queste condizioni, mostrando la loro robustezza e affidabilità.

#Validazione con Dati Reali

Infine, le prestazioni dei rilevatori vengono validate utilizzando dati sonar reali raccolti durante esperimenti nella baia di La Ciotat. L'uscita dai test di rilevamento viene analizzata per confermare l'efficacia dei rilevatori nell'identificare obiettivi reali. I risultati indicano che i nuovi metodi di rilevamento hanno un notevole potenziale per applicazioni pratiche negli ambienti sottomarini.

#Conclusione

Lo studio presenta un approccio robusto per il rilevamento nei sistemi sonar a croce di Mills, concentrandosi sull'adattare le tecniche di rilevamento per gestire vari ambienti di rumore. Sfruttando più array di ricezione e modelli statistici avanzati, i rilevatori proposti migliorano la capacità di identificare accuratamente obiettivi sottomarini.

I risultati mostrano significativi miglioramenti nelle prestazioni di rilevamento rispetto ai metodi tradizionali, specialmente in ambienti complessi con caratteristiche di rumore imprevedibili. Questo lavoro pone le basi per future ricerche nel rilevamento sonar, con potenziali applicazioni che si estendono a vari campi che richiedono osservazioni sottomarine affidabili.

#Lavoro Futuro

Le ricerche future mireranno a perfezionare le basi teoriche del comportamento matrix-CFAR dei rilevatori proposti. Inoltre, questo lavoro può essere ampliato per includere sistemi con configurazioni diverse, migliorando ulteriormente la flessibilità e l'utilità della tecnologia di rilevamento sonar. Continuando a costruire su questi progressi, speriamo di migliorare la sicurezza e il processo decisionale nell'esplorazione e nel monitoraggio sottomarino.