Sistema de sonar y método que proporciona baja probabilidad de impacto sobre mamíferos marinos.

Un sistema de sonar (180) que comprende:

un generador de forma de onda (182) adaptado para generar una forma de onda de baja probabilidad de impacto en mamíferos marinos,

LPMMI, que tiene un componente de modulación, un componente de duración de tiempo, un componente de ancho de banda, y un componente de la frecuencia central; y

un transmisor de sonar (186) acoplado al generador de forma de onda y adaptado para transmitir una señal de sonido en el agua de acuerdo con la forma de onda LPMMI,

donde la forma de onda LPMMI comprende una forma de onda modulada por desplazamiento de baja probabilidad de intercepción, LPI, que tiene un espectro ensanchado, caracterizado por que la forma de onda LPMMI tiene un componente de frecuencia central en el rango de 2500 a 6000 Hertz, un componente de ancho de banda en el rango de 500 a 2500 Hertz, y un componente de duración de tiempo en el intervalo de 10 mseg a 1,5 segundos;

donde el componente de modulación de la forma de onda LPMMI se selecciona para hacer que la señal de sonido LPMMI asociada tenga un espectro de frecuencia de ancho relativamente estacionario que de ese modo suena diferente de una orca para reducir una respuesta de comportamiento a partir de un mamífero marino en comparación con la que se produciría cuando se transmite otra señal de sonido de acuerdo con otra forma de onda que tiene aproximadamente el mismo componente de duración de tiempo, aproximadamente el mismo componente de ancho de banda, y aproximadamente el mismo componente de frecuencia central de la forma de onda LPMMI pero que tiene un componente de modulación que comprende una modulación de frecuencia.

Sistema de sonar y método que proporciona baja probabilidad de impacto sobre mamíferos marinos Campo de )a invención

La presente invención se refiere en general a sistemas y métodos de sonar y, más particularmente, a sistemas y métodos de sonar activos que transmiten señales de sonido en el agua, que proporcionan un impacto reducido sobre los mamíferos marinos.

Antecedente de ia invención

Ha habido muchos casos de varamientos de mamíferos marinos que han sido local y temporalmente coincidentes con ejercicios navales en los que se utilizaron sistemas de sonar activos. Ha habido una percepción pública de que el sonido generado por los sistemas de sonar activos provoca daños en los tejidos de los mamíferos marinos, que tiende a hacer que los mamíferos marinos queden varados. Como es sabido, quedar varados ha causado la muerte en algunos mamíferos marinos.

Como resultado de la percepción negativa del público de sistemas de sonar activos navales, la Marina de los Estados Unidos ha invertido una gran cantidad de tiempo y dinero la realización de investigaciones científicas sobre los efectos del sonido submarino de baja frecuencia en los seres humanos y en los mamíferos marinos, que ha dado lugar a un declaración de impacto ambiental y las investigaciones en curso sobre las causas de estos incidentes de mamíferos marinos. Existe controversia pública sobre el uso del sistema de sonar activo naval y otros sistemas de sonar activo de frecuencia media.

Sería útil proporcionar un sistema de sonar activo que generalmente sea inocuo para los mamíferos marinos. Sin embargo, como el sistema aún debe cumplir con los requisitos de la misión de la Marina para la detección, localización y/o la clasificación de dianas submarinas.

Se ha generado una hipótesis que sobre el Impacto de los sistemas de sonar activo naval de frecuencia media en los mamíferos marinos. En particular, se ha planteado la hipótesis de que las señales de sonido activos de frecuencia modulada particulares transmitidos por los sistemas de sonar activo de frecuencia media comparten características de sonido similares con las señales de sonido naturales generadas por las oreas. La hipótesis sugiere, además, que cuando los mamíferos marinos detectan una o más de dichas señales de sonido de frecuencia modulada, en particular, las señales de sonido generadas por los sistemas de sonar a bordo de una pluralidad de buques navales que maniobran para triangular sobre una diana submarina, los mamíferos marinos pueden percibir señales de sonido que se generan por una manada de oreas que cazan presas. Esta percepción por los mamíferos marinos afectados puede provocar una respuesta conductual de "huida" para huir de la zona, lo que puede dar lugar a varamientos.

Se ha planteado la hipótesis, además, que las especies de ballenas picudas se ven particularmente afectadas por estas señales de sonido de frecuencia de frecuencia media modulada en particular y maniobras de triangulación. Como se sabe, aproximadamente una cuarta parte de las ochenta especies de ballenas y delfines del mundo pertenece a la familia de los zlflos (Zlphlldae), sin embargo, ya que muchos de estos mamíferos marinos prefieren un hábitat de aguas profundas, el estudio y el conocimiento de estos mamíferos marinos y sus comportamientos es relativamente nuevo.

Mientras que algunos han planteado la hipótesis de que los mamíferos marinos son fisiológicamente dañados por el sonido emitido por los sistemas de sonar activos navales, necropsias de ballenas picudas que han varado después de los ejercicios de sonar activos navales no han mostrado ninguna evidencia concluyente de hemorragia u otros daños fisiológicos resultantes de los sistemas de sonar activo, en particular, como resultado de los niveles de presión sonora asociados con los sistemas de sonar activos. Además, no ha habido evidencia de que los mamíferos marinos hayan experimentado el síndrome de descompresión (desgasificación de nitrógeno en la corriente de sangre debido a la despresurlzaclón rápida a partir de un cambio de profundidad rápido). Por lo tanto, los varamientos de ballenas picudas se cree que son el resultado de un comportamiento en respuesta a las señales sonoras de frecuencia modulada particulares generadas por los sistemas de sonar activos navales.

Haciendo referencia a las figuras 1-1B, una grabación sonora de una orea (ballena asesina) se presenta en una variedad de formatos gráficos. Haciendo referencia primero a la figura 1, un gráfico 10 tiene un eje horizontal en unidades de tiempo en segundos y un eje vertical en unidades de amplitud en unidades arbitrarlas. Una curva 12 es una forma de onda de tiempo Indicativa de una señal de sonido ejemplar generada por una orea. La forma de onda 12 se ha normalizado para contener amplitudes de pico que residen dentro de los límites de amplitud de +/- 1,0. Se puede observar a partir de este ejemplo de sonido generado por la orea que esta forma de onda tiene una duración de aproximadamente un segundo. La curva 12 tiene primera y una segunda parte 12a, 12b, respectivamente, que no son necesariamente características de todos los sonidos generados por las oreas.

Con referencia ahora a la figura 1A, un gráfico 20 tiene un eje horizontal en unidades de frecuencia en Hertz y un eje vertical en unidades de amplitud en decibelios. Una curva 22, que es un espectro de potencia, se calcula mediante el cálculo de un único registro de Transformada de Fourier sobre toda la duración de la transmisión de la orea que se muestra en la forma de onda 12 de la figura 1. La curva de espectro de potencia 22 se ha normalizado a tener un pico de cero decibelios. Un pico 22a se asocia con el ruido de fondo del océano. Un pico 22b es representativo de sonido generado por la orea.

Con referencia ahora a la figura 1B, un gráfico 30 incluye una escala horizontal en unidades de frecuencia y una escala vertical en unidades de tiempo en segundos. El gráfico 30 es un espectrograma representativo de la señal acústica generada por una orea de acuerdo con la forma de onda de tiempo 12 de la figura 1. Una primera curva 32a se extiende por un período de tiempo de aproximadamente un segundo. Una segunda curva 32b se extiende por un período de tiempo de aproximadamente 0,5 segundos. Una tercera curva 32c se extiende por un período de tiempo de aproximadamente 0,3 segundos. Las tres curvas 32a-32c corresponden a la forma de onda de tiempo 12 de la figura 1 y para el espectro de potencia 22 de la figura 1A. Cada una de las tres curvas 32a-32c tiene una frecuencia que cambia con respecto al tiempo, llegando a ser superior en frecuencia a medida que avanza el tiempo. Por lo tanto, cada una de las curvas 32a-32c es un barrido de frecuencia (también denominado aquí como un chirrido o una señal de sonido de frecuencia modulada) que tiende a aumentar en frecuencia con el tiempo.

Una tercera dimensión está representada en el gráfico 30 por una intensidad de cada una de las curvas 32a-32c, donde una porción más oscura de las curvas 32a-32c es representativa de un mayor poder de sonido.

El espectrograma 30 presentado en la figura 1B está normalizado (de acuerdo con el espectro de potencia de la figura 1 A) para contener un nivel de potencia máximo de 0 dB. Un piso de 40 dB fue empleado para limitar el rango dinámico de los niveles de la espectrograma de 30 a 40 dB. Se emplea el rango dinámico de 40 dB para permitir una representación del espectrograma 30 que podría Interpretarse visualmente sobre un mapa de color de valor 256.

Las curvas 32a-32c representan una señal de sonido complejo generada por la orea que Incluye componentes espectrales armónicamente espaciados que cambian de frecuencia como una función del tiempo en un amplio rango de frecuencias.

Se presume que sólo una orea contribuyó a la señal de sonido representada por las curvas 12, 22, 32a-32c de las figuras 1, 1 A, y 1B, respectivamente. Esta presunción se basa en las características de las tres curvas 32a-32c de la figura 1B, que tiene pendientes de frecuencia versus tiempo similares. Estas tres curvas 32a-32c también comienzan simultáneamente. La probabilidad de mamíferos independientes que produzcan el sonido representado por las curvas 32a-32c, que tienen tiempos de Inicio concurrentes, frecuencia similar en comparación con pistas de tiempo, y estén espaciadas armónicamente, se considera que es muy baja.

Los componentes armónicos evidentes en la figura 1B parecen estar producidos naturalmente por la orea y no son probablemente el resultado de la grabación de la señal o de artefactos de procesamiento de la señal. Si el contenido de armónicos se introdujo en el proceso de grabación en lugar de por parte de la orea, el contenido armónico sería... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de sonar (180) que comprende:

un generador de forma de onda (182) adaptado para generar una forma de onda de baja probabilidad de impacto en mamíferos marinos, LPMMI, que tiene un componente de modulación, un componente de duración de tiempo, un componente de ancho de banda, y un componente de la frecuencia central; y

un transmisor de sonar (186) acoplado al generador de forma de onda y adaptado para transmitir una señal de sonido en el agua de acuerdo con la forma de onda LPMMI,

donde la forma de onda LPMMI comprende una forma de onda modulada por desplazamiento de baja probabilidad de intercepción, LPI, que tiene un espectro ensanchado, caracterizado por que la forma de onda LPMMI tiene un componente de frecuencia central en el rango de 2500 a 6000 Hertz, un componente de ancho de banda en el rango de 500 a 2500 Hertz, y un componente de duración de tiempo en el intervalo de 10 mseg a 1,5 segundos;

donde el componente de modulación de la forma de onda LPMMI se selecciona para hacer que la señal de sonido LPMMI asociada tenga un espectro de frecuencia de ancho relativamente estacionario que de ese modo suena diferente de una orea para reducir una respuesta de comportamiento a partir de un mamífero marino en comparación con la que se produciría cuando se transmite otra señal de sonido de acuerdo con otra forma de onda que tiene aproximadamente el mismo componente de duración de tiempo, aproximadamente el mismo componente de ancho de banda, y aproximadamente el mismo componente de frecuencia central de la forma de onda LPMMI pero que tiene un componente de modulación que comprende una modulación de frecuencia.

2. El sistema de sonar de la reivindicación 1, donde la forma de onda LPI comprende al menos una de una señal codificada de fase pseudoaleatoria de secuencia M, una señal codificada de fase de código Barker, una señal codificada de fase de código Welti, una señal de fase codificada de código Gold, o una señal codificada de fase de algoritmo genético.

3. El sistema de sonar de la reivindicación 2, donde la forma de onda LPI tiene un componente de frecuencia central de aproximadamente 3.500 Hertz, un componente de ancho de banda de alrededor de 1.000 Hertz, y un componente de tiempo de duración de aproximadamente un segundo.

4. El sistema de sonar de la reivindicación 2, donde la forma de onda LPI comprende una señal codificada de fase de algoritmo genético, donde se selecciona el algoritmo genético para mejorar una correlación de una señal de sonido recibida.

5. El sistema de sonar de la reivindicación 2, donde la forma de onda LPI genética comprende una señal codificada de fase de algoritmo genético, donde el algoritmo genético se selecciona para mejorar una precisión de detección, una precisión de localización, una precisión de seguimiento, o una precisión de clasificación proporcionada por el sistema de sonar.

6. El sistema de sonar de la reivindicación 2, donde la forma de onda LPI comprende una señal codificada de fase de algoritmo genético, donde el algoritmo genético se selecciona para aumentar la probabilidad de detección del sistema de sonar o para reducir una tasa de falsas alarmas del sistema de sonar.

7. El sistema de sonar de la reivindicación 2, donde la forma de onda LPI comprende una señal codificada de fase de algoritmo genético, donde se selecciona el algoritmo genético para reducir una potencia acústica transmitida por el sistema de sonar.

8. El sistema de sonarde la reivindicación 1, que comprende además:

un receptor sonar (200) adaptado para recibir una señal de sonido asociada con la señal de sonido transmitida y para generar una señal de conformidad con la señal de sonido recibida acondicionada; y

un procesador de correlación (212) adaptado para correlacionar la señal acondicionada con una versión de la forma de onda LPI y para generar una señal correlacionada en consecuencia; y

al menos uno de un procesador de detección (216) adaptado para detectar una diana (196) y para proporcionar una señal de detección en respuesta a la señal correlacionada, un procesador de localización (220) adaptado para localizar la diana (196) en respuesta a la detección del objetivo, o procesador de clasificación (222) adaptado para clasificar un objetivo (196) en respuesta a la detección de la diana.

9. El sistema de sonarde la reivindicación 1, donde la forma de onda de un generador(182) está adaptada además para generar otra forma de onda LPMMI que tiene al menos uno de: un componente de modulación diferente, un componente de tiempo de duración diferente, un componente de ancho de banda diferente, o un componente de frecuencia central diferente, y donde el transmisor sonar está configurado además para transmitir otra señal de sonido en el agua de acuerdo con dicha otra forma de onda.

10. Un método de detección de dianas por el sonar, que incluye las etapas de

generar al menos una baja probabilidad de Impacto en mamíferos marinos, LPMMI, teniendo la forma de onda un componente de modulación, un componente de duración de tiempo, un componente de ancho de banda, y un componente de la frecuencia central; y

transmitir una señal de sonido LPMMI en el agua de acuerdo con la forma de onda LPMMI,

donde la forma de onda LPMMI comprende una forma de onda de modulación por desplazamiento de fase de baja probabilidad de Intercepción, LPI, que tiene un espectro ensanchado, y

donde la forma de onda LPMMI tiene un componente de frecuencia central en el rango de 2.500 a 6.000 Hertz, un componente de ancho de banda en el rango de 500 a 2500 Hertz, y un componente de duración de tiempo en el Intervalo de 10 mseg a 1,5 segundos,

donde se selecciona el componente de modulación de la forma de onda LPMMI para causar la señal de sonido LPMMI asociada para tener un espectro de frecuencia ancho relativamente estacionario resonancia que de ese modo suena diferente de una orea para reducir una respuesta de comportamiento a partir de un mamífero marino en comparación con la que se produciría cuando se transmite otra sonido señal de acuerdo con otra forma de onda que tiene aproximadamente el mismo componente de duración de tiempo, aproximadamente el mismo componente de ancho de banda, y aproximadamente el mismo componente de frecuencia como centro de la forma de onda LPMMI pero que tiene un componente de modulación que comprende una modulación de frecuencia.

11. El método de la reivindicación 10, donde la forma de onda LPI comprende al menos una de una señal codificada de fase pseudoaleatoria de secuencia M, una señal codificada de fase de código Barker, una señal codificada de fase de código Welti, una señal codificada de fase de código Gold, o una señal codificada de fase de algoritmo genético.

12. El método de la reivindicación 11, donde la forma de onda LPI tiene un componente de frecuencia central de aproximadamente 3.500 Hertz, un componente de ancho de banda de alrededor de 1.000 Hertz, y un componente de tiempo de duración de aproximadamente un segundo.

13. El método de la reivindicación 11, donde la forma de onda LPI comprende una señal codificada de fase de algoritmo genético, donde el algoritmo genético se selecciona para optimizar una correlación de una señal de sonido recibida.

14. El método de la reivindicación 11, donde la forma de onda LPI comprende una señal codificada de fase de algoritmo genético, donde el algoritmo genético se selecciona para mejorar una precisión de detección, una precisión de localización, una precisión de seguimiento, o una precisión de la clasificación proporcionada por el sistema de sonar.

15. El método de la reivindicación 11, donde la forma de onda LPI comprende una señal codificada de fase de algoritmo genético, donde el algoritmo genético se selecciona para aumentar la probabilidad de detección del sistema de sonar o para reducir una tasa de falsa alarma.

16. El método de la reivindicación 11, donde la forma de onda LPI comprende una señal codificada de fase de algoritmo genético, donde se selecciona el algoritmo genético para reducir una potencia acústica transmitida.

17. El método de la reivindicación 10, que comprende además las etapas de:

recibir una señal de sonido asociada con la señal de sonido transmitida; generar una forma de onda recibida de conformidad con la señal de sonido recibida;

correlacionar la forma de onda recibida con una versión de la forma de onda LPI para proporcionar una señal de

correlación; y al menos uno de:

detectar una diana y proporcionar una señal de detección en respuesta a la señal de correlación; localizar una diana en respuesta a la detección de la diana, o; clasificar una diana en respuesta a la detección de la diana.

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

generar otra forma de onda LPMMI que tiene al menos uno de un componente de modulación diferente, un componente de tiempo de duración diferente, un componente de ancho de banda diferente, o un componente de frecuencia central diferente; y

transmitir otra señal de sonido en el agua, de acuerdo con la citada otra forma de onda LPMMI.