Sistema y método de sonar autónomo.

Un sistema autónomo de procesamiento de señales acústicas (50),

que comprende:

un conformador de haces verticales (60) acoplado para recibir una pluralidad de señales de hidrófonos a partirde una pluralidad correspondiente de hidrófonos sensibles al sonido en el agua, donde el conformador dehaces verticales (60) está configurado para conformar una pluralidad de señales de haces de recepciónverticales, siendo la pluralidad de señales de haces de recepción verticales representativa de una pluralidadrespectiva de haces de recepción acústicos no direccionales en acimut y direccionales en elevación;

un conformador de haces acimutales (70) acoplado para recibir la pluralidad de señales de haces de recepciónverticales y configurado para conformar una pluralidad de señales de haces de recepción direccionales, siendola pluralidad de señales de haces de recepción direccionales representativa de una respectiva pluralidad dehaces de recepción acústicos direccionales en acimut y direccionales en elevación;

un módulo de detección de diana ruidosa (78) acoplado para recibir la pluralidad de señales de haces derecepción direccionales y configurado para generar detecciones y para determinar las direcciones de una omás dianas ruidosas asociadas con la pluralidad de señales de haces de recepción direccionales; y

un módulo de matriz (84) acoplado para recibir la pluralidad de señales de haces de recepción verticales,acoplado para recibir las detecciones de la una o más dianas ruidosas, acoplado para recibir las direcciones dela una o más dianas ruidosas, configurado para generar una matriz de covarianza de acuerdo con la pluralidadde señales de haces de recepción verticales, caracterizado por que dicho módulo de matriz está configuradoademás para generar una matriz de covarianza modificada colocando dos fuentes ruidosas sintéticas en ocerca de una dirección angular de una diana ruidosa detectada de acuerdo con las detecciones y direccionesde las dianas ruidosas, por lo que la anchura de nulo de una señal de recepción de haces direccionales dirigidahacia la diana ruidosa es ajustable.

Sistema y método de sonar autónomo

Campo de la invención La presente invención se refiere, en general, a sistemas y método de sonar y, más particularmente, a un sistema y método de sonar autónomo, que puede realizar un complejo procesamiento de señales de sonar sin ayuda humana.

Antecedentes de la invención Se sabe que una embarcación bajo el agua (es decir, un submarino) genera sonido a medida que viaja a través del agua. El sonido es generado por una diversidad de fuentes, incluyendo, pero sin limitarse a, el sonido generado por un sistema de propulsión de submarinos, sonido generado por una hélice del submarino, y el sonido generado por

un generador de energía eléctrica del submarino. Se sabe que los diseñadores de submarinos intentan reducir estas y otras fuentes de sonido con el fin de hacer que un submarino sea difícil de detectar por medios acústicos pasivos, manteniéndose por tanto tan encubierto como sea posible.

Algunos sistemas de sonares antisubmarina NAV (ASW) tratan de detectar el sonido bajo el agua generada por un submarino. Algunos otros sistemas de sonares ASW intentan tanto detectar el sonido como también localizar y/o hacer seguimiento del submarino. La localización se utiliza para identificar una posición del submarino enemigo en acimut, y/o en alcance, y/o en profundidad. Los sistemas convencionales que localizan y hacen seguimiento a una fuente de sonido requieren una cantidad sustancial de ayuda humana.

Algunos sistemas de sonares conocidos utilizan porciones autónomas. Por ejemplo, los sistemas de sonoboyas utilizan una o más sonoboyas, que son unidades de flotación libre autónomas, algunos tipos de los que son capaces de proporcionar el procesamiento de conformación de haces para generar haces de recepción. El documento US

5.305.286 enseña un sistema de sonar de aguas poco profundas para garantizar una cobertura completa de columna de agua por el uso de reflejos superficiales para minimizar la sombra causada por la topografía del fondo en relieve alto. Las sonoboyas convencionales proporcionan señales de salida representativas solamente del sonido en el agua, pero, no son capaces, por sí mismas, de detectar, localizar, hacer seguimiento, o clasificar dianas en el agua. Por otra parte, en general, el haz de recepción proporcionado por una sonoboya está estáticamente dirigido solo a los ángulos acimutal o vertical fijos.

Los sistemas de sonoboyas no solo incluyen la una o más sonoboyas autónomas, sino que también deben incluir otro activo, por ejemplo, una aeronave, con capacidades de procesamiento más avanzadas para recibir las señales procedentes de la una o más sonoboyas. Es el otro activo, por ejemplo, la aeronave, el que se configura para detectar, localizar, hacer seguimiento y clasificar las dianas. Dentro de la aeronave, la detección, localización, seguimiento y clasificación se realizan con ayuda humana sustancial.

Al igual que con los sistemas de sonoboyas, algunos sistemas de sonares pasivos convencionales a bordo pueden conformar haces, detectar, localizar, hacer seguimiento y clasificar un submarino. Sin embargo, estos sistemas no son autónomos y dependen de una gran cantidad de ayuda humana. Por ejemplo, un tipo de sistema de sonar a bordo de embarcaciones convencional puede conformar haces con un sistema de antenas acústicas, por ejemplo,

un sonar de remolque, procesar parcialmente las señales conformadas por haces, y proporcionar en un monitor de ordenador una pantalla de visualización con la información parcialmente procesada. La pantalla de visualización puede tener una diversidad de formas. Una de estas formas de visualización es una pantalla de dominio de la frecuencia en cascada. Un operador humano puede detectar visualmente un submarino (es decir, hacer una detección y una clasificación) a través de la pantalla de visualización, por ejemplo, mediante el reconocimiento visual de patrones de línea espectrales representativos de una frecuencia de sonido de banda estrecha generada por el submarino. El operador humano puede entonces ayudar en la localización y el seguimiento del submarino.

Se apreciará que la identificación (detección) del submarino relativamente silencioso desde dentro de un gran número de embarcaciones relativamente ruidosas en la misma área puede ser un problema formidable.

Adicionalmente, se apreciará que la localización, el seguimiento, y clasificación del submarino una vez detectado es también un problema formidable.

Aún a distancias relativamente cortas, la localización en profundidad y alcance no es posible generalmente con los sistemas de sonares pasivos convencionales, incluso con ayuda humana. Esto se debe a que para cualquier haz de recepción y ángulo vertical asociado que apunta hacia un submarino, el submarino se puede posicionar en un número esencialmente infinito de profundidades y alcances a lo largo del ángulo de dirección del haz vertical.

A alcances más largos, la localización del submarino en alcance y profundidad se hace aún más difícil por una diversidad de factores, incluyendo pero sin limitarse a, la tendencia del sonido generado por el submarino a doblarse 65 (es decir, refractarse) , principalmente en una dirección vertical, ya que el sonido se propaga a través del agua. Por lo tanto, el ángulo de llegada vertical, al que la mayor cantidad de sonido llega al sistema de sonar, que está

relacionado con un ángulo de haz vertical de recepción particular, no apunta necesariamente directamente hacia el submarino.

Con ayuda humana, (es decir, en disposiciones no autónomas) una diversidad de técnicas de procesamiento se utilizan por los sistemas de sonares pasivos convencionales. Por ejemplo, algunos sistemas de sonares pasivos utilizan el procesamiento espacial de banda estrecha. El procesamiento de campo coincidente de banda estrecha es una técnica conocida y utilizada para localizar un submarino en alcance y en profundidad. El procesamiento de banda estrecha requiere generalmente una gran larga matriz de sonar, lo que no es práctico para muchas aplicaciones. El procesamiento de campo coincidente de banda estrecha sufre también los efectos de la refracción de sonido descrita anteriormente.

En otro ejemplo, con la ayuda humana, algunos sistemas de sonares pasivos utilizan el procesamiento de banda ancha. El procesamiento de autocorrelación de banda ancha es una técnica conocida en la que una señal recibida por un elemento de sonar (es decir, transductor de sonar) , o una matriz de sonar, se autocorrelaciona para identificar

un retardo de tiempo relativo entre el sonido que llega al elemento de sonar en una trayectoria de sonido directa y el sonido que llega al elemento de sonar en una trayectoria de sonido reflejada en la superficie. El retardo de tiempo relativo se puede utilizar para calcular el alcance y la profundidad. Sin embargo, el rendimiento de esta técnica puede degradarse en gran medida en estados moderado a de alta mar (es decir, cuando la superficie marítima tiene olas de gran tamaño) debido a la dispersión del sonido reflejado desde la superficie, lo que hace que la autocorrelación se degrade.

Algunos sonidos en el agua tienden a modularse en amplitud por el campo de sonido emitido por las hélices de una embarcación. En particular, el sonido de banda ancha recibido por el sistema de sonar pasivo puede modularse en amplitud en una forma relacionada con las características de la hélice.

Para otro ejemplo adicional, algunos sistemas de sonares pasivos utilizan la modulación de amplitud del sonido recibido con el fin de identificar las características de la hélice, por ejemplo, velocidad de giro y el número de palas de la hélice. Con esta información, los sistemas de sonares pasivo, con ayuda humana, pueden ser capaces de clasificar el tipo de embarcación, incluyendo, pero sin limitarse a, si la embarcación es una embarcación de superficie o un submarino. El procesamiento puede ser de un tipo conocido como "detección de modulación de envolvente de ruido". Un tipo convencional de detección de modulación de envolvente de ruido se denomina convencionalmente como DEMON.

Además, algunos sistemas de sonares pasivos utilizan la conformación de haces adaptativa, donde se dirigen los haces de recepción para reducir su respuesta en las direcciones de las fuentes de ruido en el agua, por ejemplo, embarcaciones de superficie, que no son de interés.

Sería deseable proporcionar un sistema autónomo que pueda conformar haces de forma adaptativa, y también detectar, localizar, hacer seguimiento y clasificar el sonido generado por dianas en el agua, todo sin ayuda humana.

Sumario de la invención La invención se define en las reivindicaciones... [Seguir leyendo]

1. Un sistema autónomo de procesamiento de señales acústicas (50) , que comprende:

un conformador de haces verticales (60) acoplado para recibir una pluralidad de señales de hidrófonos a partir de una pluralidad correspondiente de hidrófonos sensibles al sonido en el agua, donde el conformador de haces verticales (60) está configurado para conformar una pluralidad de señales de haces de recepción verticales, siendo la pluralidad de señales de haces de recepción verticales representativa de una pluralidad respectiva de haces de recepción acústicos no direccionales en acimut y direccionales en elevación; un conformador de haces acimutales (70) acoplado para recibir la pluralidad de señales de haces de recepción verticales y configurado para conformar una pluralidad de señales de haces de recepción direccionales, siendo la pluralidad de señales de haces de recepción direccionales representativa de una respectiva pluralidad de haces de recepción acústicos direccionales en acimut y direccionales en elevación; un módulo de detección de diana ruidosa (78) acoplado para recibir la pluralidad de señales de haces de recepción direccionales y configurado para generar detecciones y para determinar las direcciones de una o más dianas ruidosas asociadas con la pluralidad de señales de haces de recepción direccionales; y un módulo de matriz (84) acoplado para recibir la pluralidad de señales de haces de recepción verticales, acoplado para recibir las detecciones de la una o más dianas ruidosas, acoplado para recibir las direcciones de la una o más dianas ruidosas, configurado para generar una matriz de covarianza de acuerdo con la pluralidad de señales de haces de recepción verticales, caracterizado por que dicho módulo de matriz está configurado además para generar una matriz de covarianza modificada colocando dos fuentes ruidosas sintéticas en o cerca de una dirección angular de una diana ruidosa detectada de acuerdo con las detecciones y direcciones de las dianas ruidosas, por lo que la anchura de nulo de una señal de recepción de haces direccionales dirigida hacia la diana ruidosa es ajustable.

2. El sistema autónomo de la reivindicación 1, que comprende además:

un conformador de haces acimutales adaptativo (128) acoplado para recibir la matriz de covarianza modificada, acoplado para recibir la pluralidad de señales de haces de recepción verticales, y configurado para conformar una pluralidad de señales de haces de recepción adaptativamente direccionales de acuerdo con la matriz de covarianza modificada, donde la pluralidad de señales de haces de recepción adaptativamente direccionales son representativas de una pluralidad respectiva de haces de recepción adaptativamente direccionales acústicos direccionales en acimut y direccionales en elevación con una pluralidad respectiva de nulos adaptativamente direccionales, donde la pluralidad de nulos adaptativamente direccionales son adaptativamente dirigidos hacia las direcciones de la una o más dianas ruidosas; y un módulo de detección de diana silenciosa (132) acoplado para recibir la pluralidad de señales haces de recepción adaptativamente direccionales y configurado para generar detecciones de y direcciones de una o más dianas silenciosas asociadas con la pluralidad de señales de haces de recepción adaptativamente direccionales.

3. El sistema de la reivindicación 2, que comprende además al menos un módulo de estimación de ángulos de llegada verticales (88, 144) acoplado para recibir la pluralidad de señales de haces de recepción direccionales o la pluralidad de señales de haces de recepción adaptativamente direccionales, y configurado para generar estimaciones de los ángulos de llegada verticales del sonido recibido desde la una o más dianas ruidosas o desde la 45 o más dianas silenciosas.

4. El sistema de la reivindicación 3, que comprende además al menos un módulo de estimación de rumbo/alcance/profundidad (92, 136) acoplado para recibir la pluralidad de señales de haces de recepción direccionales o la pluralidad de señales de haces de recepción adaptativamente direccionales, acoplado para recibir las estimaciones de los ángulos de llegada verticales del sonido recibido, y configurado para generar alcances estimados, profundidades estimadas, y rumbos estimados de la una o más dianas ruidosas o de la una o más dianas silenciosas.

5. El sistema de la reivindicación 4, que comprende además un módulo de detección bidimensional (104) acoplado

para recibir los alcances estimados y los rumbos estimados de la una o más dianas ruidosas o de la una o más dianas silenciosas, configurado para generar seguimientos bidimensionales de la una o más dianas ruidosas o de la una o más dianas silenciosas en rumbo y en alcance , configurado para procesar los seguimientos bidimensionales, y configurado para generar detecciones de la una o más dianas ruidosas o de la una o más dianas silenciosas de acuerdo con una característica de los seguimientos bidimensionales.

6. El sistema de la reivindicación 5, que comprende además un módulo de seguimiento tridimensional (108) acoplado para recibir seguimientos bidimensionales, acoplado para recibir las detecciones desde el módulo de detección bidimensional, acoplado para recibir las profundidades estimadas de la una o más dianas ruidosas o las profundidades estimadas de la una o más dianas silenciosas, y configurado para generar seguimientos 65 tridimensionales de la una o más dianas ruidosas o de la una o más dianas silenciosas en rumbo acimutal, en alcance, y en profundidad.

7. El sistema de la reivindicación 6, que comprende además un módulo de procesamiento de datos (112) acoplado para recibir los seguimientos tridimensionales, donde el módulo de procesamiento de datos está configurado para procesar seguimientos tridimensionales y para asignar una clasificación respectiva a uno de los seguimientos tridimensionales de acuerdo con el procesamiento.

8. El sistema de la reivindicación 7, que comprende además al menos uno de:

(a) un módulo de modelo de propagación (114) configurado para convertir los niveles de señal recibidos dentro de la pluralidad de señales de haces de recepción direccionales o dentro de la pluralidad de señales de haces de recepción adaptativamente direccionales asociadas con los seguimientos tridimensionales correspondientes en niveles de la fuente respectivos, donde el módulo de procesamiento de datos está configurado para combinar los niveles de la fuente con las clasificaciones; o

(b) un módulo DEMON (148) acoplado para recibir la pluralidad de señales de haces de recepción direccionales o la pluralidad de señales de haces de recepción adaptativamente direccionales, y configurado

para identificar las frecuencias de una o más líneas espectrales acústicas indicativas de una hélice asociada con la uno o más dianas ruidosas o con la una o más dianas silenciosas, donde el módulo de procesamiento de datos está acoplado además para recibir las frecuencias de una o más líneas espectrales acústicas asociados con la hélice, y donde el módulo de procesamiento de datos está configurado además para calcular la probabilidad de que uno de los seguimientos tridimensionales esté asociado con un submarino en base a las frecuencias identificadas de la una o más líneas espectrales acústicas asociadas con la hélice; o (c) un módulo de clasificación y presentación de informes (118) acoplado para recibir la clasificación y para generar un informe de clasificación, y un módulo de comunicaciones (122) acoplado para recibir el uno o más informes de clasificación y configurado para comunicar el informe de clasificación a una estación de recepción.

9. Un método implementado por ordenador de procesamiento autónomo de señales acústicas, que comprende:

formar una pluralidad de señales de haces de recepción verticales utilizando una pluralidad de señales de hidrófonos, siendo la pluralidad de señales de haces de recepción verticales representativa de una pluralidad respectiva de haces de recepción acústicos no direccionales en acimut y direccionales en elevación; formar una pluralidad de señales de haces de recepción direccionales utilizando la pluralidad de señales de haces de recepción verticales, siendo la pluralidad de señales de haces de recepción direccionales representativa de una pluralidad respectiva de haces de recepción acústicos direccionales en acimut y direccionales en elevación; generar detecciones de y direcciones de una o más dianas ruidosas asociadas con la pluralidad de señales de haces de recepción direccionales; generar una matriz de covarianza de acuerdo con la pluralidad de señales de haces de recepción verticales;

caracterizado por

generar una matriz de covarianza modificada colocando dos fuentes ruidosas sintéticas en o cerca de una dirección angular de una diana ruidosa detectada de acuerdo con las detecciones de y las direcciones de las dianas ruidosas, por lo que la anchura de un nulo de una señal de haz de recepción direccional dirigida hacia la diana ruidosa es ajustable.

10. El método de la reivindicación 9, que comprende además:

formar una pluralidad de señales de haces de recepción adaptativamente direccionales de acuerdo con la matriz de covarianza modificada, donde la pluralidad de señales de haces de recepción adaptativamente direccionales es representativa de una pluralidad respectiva de haces de recepción adaptativamente direccionales que son direccionales en acimut y direccionales en elevación con una pluralidad respectiva de nulos adaptativamente direccionales, donde la pluralidad de nulos adaptativamente direccionales es adaptativamente dirigida hacia las direcciones de la una o más dianas ruidosas; y generar las detecciones de y las direcciones de la una o más dianas silenciosas asociadas con la pluralidad de señales de haces de recepción adaptativamente direccionales.

11. El método de la reivindicación 10, que comprende además generar estimaciones de ángulos de llegada 55 verticales del sonido recibido de la una o más dianas ruidosas o de la una o más dianas silenciosas.

12. El método de la reivindicación 11, que comprende además generar alcances estimados, profundidades estimadas, y rumbos estimados de la una o más dianas ruidosas o de la una o más dianas silenciosas.

13. El método de la reivindicación 12, que comprende además:

generar seguimientos bidimensionales de la una o más dianas ruidosas o de la una o más dianas silenciosas en rumbo y en alcance; procesar los seguimientos bidimensionales; y

detectar la una o más dianas ruidosas o la una o más dianas silenciosas de acuerdo con una característica de los seguimientos bidimensionales.

14. El método de la reivindicación 13, que comprende además generar seguimientos tridimensionales de la una o más dianas ruidosas o de la una o más dianas silenciosas en rumbo, en alcance, y en profundidad.

15. El método de la reivindicación 14, que comprende además: 5

(a) procesar los seguimientos tridimensionales; y asignar una clasificación respectiva a uno de los seguimientos tridimensionales de acuerdo con el procesamiento, y al menos uno de:

(b) medir los niveles de señales recibidos dentro de la pluralidad de señales de haces de recepción

direccionales o dentro de la pluralidad de señales de haces de recepción adaptativamente direccionales asociadas con los seguimientos tridimensionales; convertir los niveles de señales recibidos medidos en niveles de la fuente correspondientes; y utilizar los niveles de la fuente, junto con la velocidad de diana medida, para generar la clasificación; o (c) identificar las frecuencias de una o más líneas espectrales acústicas indicativas de una hélice asociada con la una o más dianas ruidosas o asociada con la una o más dianas silenciosas; y utilizar las frecuencias de la una o más líneas espectrales para generar la clasificación; o (d) generar un informe de clasificación de acuerdo con la clasificación y comunicar el informe de clasificaciones a una estación de recepción.