ITUB20155821A1 - Sistema acustico subacqueo a basso costo per la formazione di immagini tridimensionali in tempo reale - Google Patents
Sistema acustico subacqueo a basso costo per la formazione di immagini tridimensionali in tempo reale Download PDFInfo
- Publication number
- ITUB20155821A1 ITUB20155821A1 ITUB2015A005821A ITUB20155821A ITUB20155821A1 IT UB20155821 A1 ITUB20155821 A1 IT UB20155821A1 IT UB2015A005821 A ITUB2015A005821 A IT UB2015A005821A IT UB20155821 A ITUB20155821 A IT UB20155821A IT UB20155821 A1 ITUB20155821 A1 IT UB20155821A1
- Authority
- IT
- Italy
- Prior art keywords
- acoustic
- underwater
- rectilinear direction
- electro
- passive
- Prior art date
Links
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims description 9
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 28
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 25
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 20
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 19
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 16
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 6
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000006798 recombination Effects 0.000 claims description 5
- 238000005215 recombination Methods 0.000 claims description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 4
- 230000001934 delay Effects 0.000 claims description 3
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 4
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 2
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000003708 edge detection Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
- G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
- G01S7/56—Display arrangements
- G01S7/62—Cathode-ray tube displays
- G01S7/6245—Stereoscopic displays; Three-dimensional displays; Pseudo-three dimensional displays
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
- G01S7/52003—Techniques for enhancing spatial resolution of targets
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
DESCRIZIONE
"SISTEMA ACUSTICO SUBACQUEO A BASSO COSTO PER LA FORMAZIONE DI IMMAGINI TRIDIMENSIONALI IN TEMPO REALE"
SETTORE TECNICO DELL'INVENZIONE
La presente invenzione è relativa, in generale, ad un sistema acustico per la formazione di immagini di oggetti subacquei, ossia, utilizzando la corrispondente terminologia inglese ampiamente nota per un qualsiasi tecnico del settore, un sistema acustico subacqueo di "imaging".
In particolare, la presente invenzione concerne un sistema acustico subacqueo a basso costo per applicazioni di imaging tridimensionale (3D) in tempo reale.
La presente invenzione trova vantaggiosa, ma non esclusiva, applicazione in quegli scenari operativi in cui è fortemente limitato o addirittura impossibile l'uso di sistemi ottici subacquei (ad esempio a causa di scarsa visibilità in acqua).
STATO DELL'ARTE
Coiti'è noto, in alcune applicazioni tecniche è necessario esaminare oggetti subacguei con alta risoluzione (ad esempio per il recupero di reperti archeologici o relitti sommersi, oppure per il recupero di mezzi navali/sottomarini/anfibi affondati). Purtroppo, però, i sistemi acustici subacquei di imaging di tipo noto non sono in grado di fornire immagini 3D ad alta risoluzione in tempo reale ed a breve distanza.
OGGETTO E RIASSUNTO DELL'INVENZIONE
Pertanto, uno scopo della presente invenzione è quello di fornire una sistema acustico subacqueo di imaging in grado di:
• in generale , superare, almeno in parte , gli svantaggi tecnici dei sistemi acustici subacquei di imaging di tipo noto; ed,
* in particolare , fornire immagini 3D ad alta risoluzione di oggetti subacquei, convenientemente in tempo reale ed anche a breve distanza.
Questo ed altri scopi sono raggiunti dalla presente invenzione in quanto essa è relativa ad un sistema acustico per la formazione di immagini di oggetti subacquei, secondo quanto definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, il sistema secondo la presente invenzione comprende un'antenna ricetrasmittente subacquea di tipo elettro-acustico e messi di controllo ed elaborazione; in cui detti messi di controllo ed elaborazione sono configurati per eseguire una fase di formazione di immagini che include:
• trasmettere, per mezzo dell'antenna ricetrasmittente subacguea e per ogni angolo di azimut compreso in un predefinito intervallo di angoli di azimut, un corrispondente impulso acustico
utilizzando un fascio a ventaglio ( "fan beam") puntato in corrispondenza di detto angolo di azimut ed avente una predefinita larghezza in azimut ed una predefinita larghezza in elevazione, in cui detta predefinita larghezza in elevazione è maggiore di detta predefinita larghezza in azimut, ed
alimentando in ingresso all'antenna ricetrasmittente subacguea segnali di eccitazione tali da causare una ricombinazione coerente di corrispondenti segnali acustici trasmessi in acgua in corrispondenza di una regione tridimensionale di focalizzazione posizionata ad una predefinita distanza di focalizzazione dall'antenna ricetrasmittente subacguea, alla guaie predefinita distanza di focalizzazione è posizionato un oggetto subacqueo;
in cui gli impulsi acustici sono trasmessi variando il puntamento in azimut del fascio a ventaglio in modo tale da eseguire una scansione completa del predefinito intervallo di angoli di azimut;
• per ogni impulso acustico trasmesso, ricevere un corrispondente segnale di eco per mezzo dell'antenna ricetrasmittente subacquea;
• elaborare i segnali di eco ricevuti implementando una tecnica di formazione del fascio in modo tale da calcolare una mappa digitale tridimensionale di potenze associate ad una predefinita griglia di punti posizionati nella regione tridimensionale di focalizzazione; in cui i segnali di eco ricevuti sono elaborati formando fasci a matita ( "pend i beams") ciascuno dei quali è puntato verso un corrispondente punto di detta predefinita griglia; ed • elaborare la mappa digitale tridimensionale di potenze implementando una tecnica di riconoscimento dei contorni in modo tale da formare un'immagine dell'oggetto subacqueo.
Preferibilmente, i mezzi di controllo ed elaborazione sono configurati per eseguire la fase di formazione di immagini alimentando in ingresso all'antenna ricetrasmittente subacquea segnali di eccitazione ad onda quadra aventi predefiniti ritardi tali da causare una ricombinazione coerente di corrispondenti segnali acustici trasmessi in acqua in corrispondenza della regione tridimensionale di focalizzazione.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Per una migliore comprensione della presente invenzione, alcune forme preferite di realizzazione, fornite a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, verranno ora illustrate con riferimento ai disegni allegati (non in scala), in cui:
• la Figura 1 illustra schematicamente un sistema acustico per la formazione di immagini di oggetti subacquei secondo una forma preferita di realizzazione della presente invenzione;
• la Figura 2 illustra schematicamente un esempio di scenario operativo del sistema di Figura 1;
• la Figura 3 mostra una forma preferita di realizzazione di un gruppo antenna subacquea del sistema di Figura 1, in cui detto gruppo antenna subacquea è realizzato secondo i dettami di un primo aspetto della presente invenzione;
• la Figura 4 illustra schematicamente una forma preferita di realizzazione di un metodo per la formazione di immagini di oggetti subacquei secondo un secondo aspetto della presente invenzione;
• la Figura 5 mostra un esempio di segnale d'eco ricevuto durante una fase di rilevamento del metodo di Figura 4;
• la Figura 6 mostra un esempio di campioni di potenza media calcolati durante detta fase di rilevamento del metodo di Figura 4, ed anche un esempio di funzione esponenziale di pesatura utilizzata durante detta fase di rilevamento;
• la Figura 7 mostra un esempio di campioni pesati calcolati durante detta fase di rilevamento;
• la Figura 8 mostra esempi di trasmissione di un fascio a ventaglio e di formazione, in ricezione, di un fascio a matita durante una fase di formazione di immagini del metodo di Figura 4; e
• la Figura 9 mostra un esempio di immagine formata eseguendo detta fase di formazione di immagini.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI FORME PREFERITE DI REALIZZAZIONE
DELL' INVENZIONE
In Figura 1 è indicato nel suo insieme con 1 un sistema acustico subacgueo di imaging secondo una forma preferita di realizzazione della presente invenzione.
In particolare, come schematicamente illustrato in Figura 1, il sistema 1 include:
• un gruppo antenna subacquea 11 secondo un primo aspetto della presente invenzione; e
mezzi di controllo ed elaborazione 12 configurati per controllare il funzionamento in trasmissione e ricezione di detto gruppo antenna subacquea il e per elaborare i segnali ricevuti tramite 1'implementazione di un metodo per la formazione di immagini di oggetti subacquei secondo un secondo aspetto della presente invenzione.
Il sistema 1 può essere vantaggiosamente impiegato per applicazioni di ricerca, individuazione, riconoscimento e recupero di oggetti subacquei (quali, ad esempio, reperti archeologici o relitti sommersi , mezzi navali/sottomarini/anfibi affondati, ecc.).
A tal riguardo, la Figura 2 illustra schematicamente un esempio di scenario operativo del sistema 1, in cui viene impiegata una nave 2 collegata al gruppo antenna subacquea 11 tramite uno o più cavi 3 passanti attraverso una boa 4.
Preferibilmente, i mezzi di controllo ed elaborazione 12 sono realizzati con un'architettura distribuita. In particolare, detti mezzi di controllo ed elaborazione 12 possono convenientemente includere:
• mezzi di eccitazione (non illustrati), che sono accoppiati al gruppo antenna subacquea 11 per azionarlo in trasmissione;
• mezzi di acquisizione (non illustrati), che sono accoppiati al gruppo antenna subacquea 11 per acquisire i segnali ricevuti da quest ultimo e per eseguire elaborazioni preliminari dei segnali ricevuti (ad esempio amplificazione, filtraggio, conversione analogico-digitale, ecc.); ed
• un'unità centrale di controllo ed elaborazione (non illustrata), che può, ad esempio, essere installata sulla nave 2 ed essere collegata a detti mezzi di eccitazione e di acguisizione attraverso detto/ i cavo/i 3 e che è programmata (ad esempio per mezzo di uno o più opportuni codici software) per controllare il funzionamento dell'intero sistema 1 e per elaborare i segnali ricevuti (a valle della pre-elaborazione eseguita dai mezzi di acguisizione) al fine di formare immagini 3D di oggetti subacguei.
In particolare, nell'esempio di Figura 2 il sistema 1 è impiegato al fine di ricercare, individuare, riconoscere e recuperare un reperto archeologico sommerso 5.
La Figura 3 mostra una forma preferita di realizzazione del gruppo antenna subacguea 11 secondo il primo aspetto della presente invenzione.
In particolare, come mostrato in Figura 3, il gruppo antenna subacquea 11 comprende:
• un'antenna trasmittente che include due schiere di trasduttori elettro-acustici attivi SI e S2 che giacciono su uno stesso piano PI, ed
• un'antenna ricevente che include càngue schiere di trasduttori elettro-acustici passivi RI, R2, R3, R4 e R5 che giacciono su detto piano PI;
in cui:
• una prima schiera di trasduttori elettro-acustici passivi RI si estende principalmente lungo una prima direzione rettilinea di che giace su detto piano PI ed individua una direzione di elevazione;
• le due schiere di trasduttori elettro-acustici attivi SI e S2 si estendono principalmente lungo una seconda direzione rettilinea d2 che giace su detto piano PI, è perpendicolare alla prima direzione rettilinea di ed interseca detta prima direzione rettilinea di in un punto 111 che individua un centro di fase del gruppo antenna subacquea 11;
• la seconda direzione rettilinea d2 identifica una direzione di azimut;
• le due schiere di trasduttori elettro-acustici attivi SI e S2 si estendono lungo la seconda direzione rettilinea d2, ciascuna da una rispettiva parte rispetto al centro di fase 111;
• la prima schiera di trasduttori elettro-acustici passivi RI si estende attraverso il centro di fase 111 e da entrambe le parti rispetto a detto centro di fase 111 lungo la prima direzione rettilinea di;
una seconda e terza schiera di trasduttori elettroacustici passivi R2 e R3 si estendono principalmente lungo una terza direzione rettilinea d3 che giace su detto piano PI, passa per il centro di fase 111 ed è inclinata di 45° rispetto sia alla prima direzione rettilinea di che alla seconda direzione rettilinea d2;
• la seconda e terza schiera di trasduttori elettroacustici passivi R2 e R3 si estendono lungo la terza direzione rettilinea d3, ciascuna da una rispettiva parte rispetto al centro di fase 111;
• una guarta e guinta schiera di trasduttori elettroacustici passivi R4 e R5 si estendono principalmente lungo una guarta direzione rettilinea d4 che giace su detto piano PI, passa per il centro di fase 111 ed è inclinata di 45° rispetto sia alla prima direzione rettilinea di che alla seconda direzione rettilinea d2 e di 90° rispetto alla terza direzione rettilinea d3; e
• la guarta e guinta schiera di trasduttori elettroacustici passivi R4 e R5 si estendono lungo la quarta direzione rettilinea d4, ciascuna da una rispettiva parte rispetto al centro di fase 111.
Preferibilmente, i rispettivi trasduttori elettroacustici attivi di ciascuna delle due schiere SI e S2 sono distanziati tra loro secondo una prima legge di distanziamento, mentre i rispettivi trasduttori elettroacustici passivi di ciascuna delle cinque schiere RI, R2, R3, R4 e R5 sono distanziati tra loro secondo una seconda legge di distanziamento, che può coincidere con, oppure essere diversa da, detta prima legge di distanziamento. Convenientemente, la prima legge di distanziamento prevede che, in ciascuna delle due schiere trasmittenti S1 e S2, il distanziamento tra i baricentri di trasduttori elettro-acustici attivi adiacenti aumenti all'aumentare della distanza dal centro di fase 111 secondo una prima legge non lineare, preferibilmente una prima legge logaritmica.
Di nuovo convenientemente , la seconda legge di distanziamento prevede che, in ciascuna delle càngue schiere riceventi RI, R2, R3, R4 e R5, il distanziamento tra i baricentri di trasduttori elettro-acustici passivi adiacenti aumenti all'aumentare della distanza dal centro di fase 111 secondo una seconda legge non lineare, preferibilmente una seconda legge logaritmica.
Preferibilmente, i trasduttori elettro-acustici attivi e passivi (ad esempio di tipo piezoelettrico) operano nel range di 650-750 kHz.
Convenientemente, le schiere SI, S2, RI, R2, R3, R4 e R5 sono alloggiate/disposte/fissate su una struttura di base atta a smorzare le vibrazioni.
Sempre convenientemente, il gruppo antenna subacguea 11 comprende anche mezzi di copertura di materiale acusticamente trasparente disposti a protezione delle schiere SI, S2, RI, R2, R3, R4 e R5.
La Figura 4 illustra schematicamente una forma preferita di realizzazione del metodo di imaging (indicato nel suo complesso con 6) implementato, in uso, dai mezzi di controllo ed elaborazione 12, ossia del metodo per la formazione di immagini di oggetti subacguei secondo il secondo aspetto della presente invenzione.
In particolare, il metodo 6 include:
• una fase di rilevamento (ossia di detection blocco 61) volta a rilevare la presenza di oggetti subacguei ed a determinare, per ogni oggetto rilevato, una rispettiva distanza in range di detto oggetto dal gruppo antenna subacguea 11; ed
• una fase di formazione di immagini (ossia di imaging - blocco 62) volta a ricostruire un'immagine dell'oggetto rilevato, in particolare un'immagine dei contorni di detto oggetto rilevato.
In particolare, la fase di rilevamento (blocco 61) comprende:
• trasmettere impulsi acustici isotropi, ossia non focalizzati, azionando in trasmissione trasduttori elettroacustici attivi disposti in una regione centrale del gruppo antenna subacguea 11; e,
• per ogni impulso acustico isotropo trasmesso, ricevere un corrispondente segnale di eco azionando in ricezione trasduttori elettroacustici passivi disposti nella regione centrale del gruppo antenna subacquea 11, calcolare potenze medie di campioni di detto segnale di eco utilizzando una finestra mobile di integrazione del quadrato delle ampiezze dei campioni di detto segnale di eco,
pesare le potenze medie calcolate tramite una funzione esponenziale di compensazione dell'attenuazione per divergenza sferica, rilevare uno o più oggetti subacguei sulla base delle potenze medie pesate e di una soglia di rilevazione, che può essere impostata manualmente da un operatore (ad esempio tramite un'opportuna interfaccia utente accoppiata ai mezzi di controllo ed elaborazione 12), o che è preferibilmente calcolata automaticamente da detti mezzi di controllo ed elaborazione 12, e determinare, per ogni oggetto rilevato, una rispettiva distanza di detto oggetto dal gruppo antenna subacguea 11.
Come appena spiegato, nella fase di rilevamento (blocco 61) sono impiegati solo pochi trasduttori elettro-acustici attivi disposti nella regione centrale del gruppo antenna subacguea 11 così da riuscire a trasmettere impulsi acustici isotropi, ossia non focalizzati.
Convenientemente, nella fase di rilevamento (blocco 61) i trasduttori elettro-acustici attivi disposti in detta regione centrale del gruppo antenna subacguea 11 vengono alimentati in ingresso con segnali di eccitazione ad onda guadra.
Preferibilmente, la durata degli impulsi trasmessi durante la fase di rilevamento (blocco 61) è maggiore della durata degli impulsi trasmessi durante la fase di formazione di immagini (blocco 62).
Convenientemente, ai segnali di eco ricevuti durante la fase di rilevamento (blocco 61) è applicata un'opportuna conversione analogico-digitale.
Preferibilmente, i segnali di eco ricevuti durante la fase di rilevamento (blocco 61) vengono analizzati con un filtro stimatore della potenza media di rumore. Detta potenza media del rumore può essere, guindi, convenientemente utilizzata per stimare in maniera adattiva la soglia di rilevazione.
Un esempio di segnale d'eco ricevuto durante la fase di rilevamento (blocco 61) è mostrato in Figura 5 dove si nota che la ricezione è abilitata soltanto dopo un tempo corrispondente ad una predefinita distanza cieca ed è interrotta, per semplicità, prima dell'arrivo dell'eco dal fondo o dalla superficie del mare.
Come precedentemente spiegato, le potenze medie dei campioni di un segnale di eco ricevuto durante la fase di rilevamento (blocco 61) (ad esempio il segnale mostrato in Figura 5) sono calcolate utilizzando una finestra mobile di integrazione del guadrato delle ampiezze dei campioni, ottenendo così la seguente successione di campioni di potenza media:
P(h)=<eP1⁄2“io)>∑ (*0*-*))<2>h ≥ 3⁄4 '
dove tGindica il suddetto tempo legato alla predefinita distanza cieca.
Convenientemente, la finestra mobile comprende un numero Ncdi campioni legato alla durata dell'impulso trasmesso e viene traslata con una sovrapposizione del 751.
I campioni di potenza media sono, guindi, pesati attraverso una funzione esponenziale che tiene conto dell'attenuazione per divergenza sferica del livello di riverbero in funzione della distanza e, perciò, del tempo. A tal riguardo, in Figura 6 sono mostrati campioni di potenza media di esempio, nonché un esempio di funzione esponenziale di pesatura; inoltre i corrispondenti campioni pesati sono illustrati in Figura 7.
Una volta ottenuti i campioni di potenza media pesati, la fase di rilevamento (blocco 61) può convenientemente procedere nel seguente modo:
• si memorizzano le ampiezze ed i tempi relativi ai primi M campioni di potenza più elevata, distanti nel tempo più di Q volte la durata dell'impulso (ad esempio M=2 e Q=4);
• si trascurano tali campioni e quelli adiacenti per un'estensione di B (ad esempio B=4) e sui restanti campioni si ricerca il valore massimo;
• i due valori massimi di potenza sono attribuiti a echi provenienti da un bersaglio se superano di 4 dB il valore mediano;
• se uno solo dei massimi supera il test, il corrispondente tempo permette di determinare la distanza; se entrambi superano il test, viene considerato il massimo cui corrisponde il tempo minore; se, invece, nessuno dei due supera il test, si assume che non vi siano bersagli per 1'impulso trasmesso.
La distanza può essere convenientemente determinata in uno dei seguenti tre modi:
a) elaborando in maniera completamente automatica le potenze dei segnali secondo quanto descritto in precedenza; oppure
b) lasciando ad un operatore la decisione di individuare il tempo dell'eco di un eventuale target sulla base delle potenze ricevute; oppure
c) il dato relativo alla distanza può essere fornito direttamente da un operatore senza alcuna relazione con il segnale ricevuto.
Per quanto riguarda, invece, la fase di formazione di immagini (blocco 62), quest'ultima comprende:
• trasmettere, per ogni angolo di azimut compreso in un predefinito intervallo di angoli di azimut, un corrispondente impulso acustico
utilizzando un fascio "a ventaglio" ( "fan beam") molto stretto in azimut (ad esempio con larghezza in azimut anche minore di 1°), in cui detto fascio a ventaglio è puntato in corrispondenza di detto angolo di azimut ed ha una predefinita larghezza in elevazione che è molto maggiore della larghezza in azimut (ad esempio una predefinita larghezza in elevazione di 40°), ed
alimentando in ingresso ai trasduttori elettroacustici attivi segnali di eccitazione ad onda quadra tali da causare una ricombinazione coerente dei corrispondenti segnali acustici trasmessi in acqua in corrispondenza di una regione tridimensionale di focalizrazione posizionata ad una data distanza di focalizzazione dal gruppo antenna subacquea 11, alla quale data distanza di focalizzazione è stato rilevato un oggetto;
in cui gli impulsi acustici sono trasmessi variando, per ogni nuovo impulso acustico da trasmettere , il puntamento in azimut del fascio a ventaglio in modo tale da eseguire una scansione completa del predefinito intervallo di angoli di azimut;
• per ogni impulso acustico trasmesso, ricevere un corrispondente segnale di eco azionando in ricezione i trasduttori elettro-acustici passivi;
• elaborare i segnali di eco ricevuti implementando una tecnica di formazione del fascio ( "beamforming") in modo tale da calcolare una mappa digitale tridimensionale di potenze associate ad una predefinita griglia di punti posizionati nella regione tridimensionale di focalizzazione; in cui i segnali di eco relativi ad uno stesso puntamento in azimut sono elaborati formando fasci "a matita" ( "pend i beams"), ciascuno dei quali è puntato verso un corrispondente punto di detta predefinita griglia; ed
• elaborare la mappa digitale tridimensionale di potenze implementando una tecnica di riconoscimento dei contorni (”edge detection") (ad esempio a doppia soglia) in modo tale da formare un'immagine dei contorni dell'oggetto rilevato .
Per una migliore comprensione del metodo per la formazione di immagini di oggetti subacguei secondo il secondo aspetto della presente invenzione , la Figura 8 mostra :
• un esempio di trasmissione , tramite il gruppo antenna subacquea 11 (in particolare durante la scansione in azimut eseguita nella suddetta fase di formazione di immagini - blocco 62 ), di un fascio a ventaglio molto stretto in azimut che irradia una corrispondente porzione (una sorta di "fetta") di una statua sommersa 7; ed anche • un esempio di formazione , sulla base del corrispondente segnale di eco ricevuto dal gruppo antenna subacquea 11, di un fascio a matita puntato verso un punto di detta porzione della statua sommersa 7.
Inoltre, la Figura 9 mostra un esempio di immagine della statua sommersa 7 formata eseguendo la suddetta fase di formazione di immagini (blocco 62).
Al contrario della fase di rilevamento (blocco 61) in cui sono impiegati solo pochi trasduttori elettro-acustici attivi e passivi disposti nella regione centrale del gruppo antenna subacquea 11, nella fase di formazione di immagini (blocco 62) vengono impiegati tutti i trasduttori elettroacustici attivi e passivi del gruppo antenna subacquea 11.
Convenientemente , le schiere trasmittenti SI e S2, durante la fase di formazione di immagini (blocco 62), trasmettono impulsi acustici di breve durata (ad esempio una durata di 5 cicli di portante), in particolare di durata inferiore rispetto agli impulsi trasmessi durante la fase di rilevamento (blocco 61).
Per ogni impulso trasmesso durante la fase di formazione di immagini (blocco 62), il tempo di ascolto è legato ad una prefissata finestra temporale intorno al tempo corrispondente alla distanza di focalizzazione.
Convenientemente, anche ai segnali di eco ricevuti durante la fase di formazione di immagini (blocco 62) è applicata un'opportuna conversione analogico-digitale.
Come precedentemente spiegato, durante la fase di formazione di immagini (blocco 62) i trasduttori elettroacustici attivi sono alimentati con segnali di eccitazione ad onda guadra opportunamente ritardati e con il primo semi-periodo opportunamente parzializzato rispetto alla predefinita griglia di punti posizionati nella regione tridimensionale di focalizzazione , in modo tale da trasmettere in acqua armoniche fondamentali di opportuna fase che si ricombinano coerentemente in corrispondenza di detta regione tridimensionale di focalizzazione , dove viene, guindi, prodotta un'onda di ampiezza pari a Nsvolte 1'ampiezza della fondamentale.
In particolare, in trasmissione i ritardi temporali fra gli impulsi e le fasi delle portanti armoniche sono determinate sulla base della distanza di focalizzarione e dell' angolo di azimut di puntamento, mentre in ricezione le matrici di indici di ritardo da applicare ai campioni dei segnali di eco ricevuti sono determinate in funzione della distanza e degli angoli di azimut ed elevazione.
Peraltro si richiama 1'attenzione sul fatto che l'uso di un'eccitazione ad onda guadra, poiché implica 1'uso di elementi di eccitazione (come degli interruttori elettronici ) molto semplici e guindi molto economici, è una soluzione più economica rispetto all' uso di un'eccitazione sinusoidale, che, invece, implica 1'utilizzo di elementi di eccitazione più sofisticati e, guindi, più costosi.
Inoltre, 1'uso di un'eccitazione ad onda quadra consente anche di eliminare completamente lo stadio di amplificazione di potenza normalmente impiegato in tutti i sistemi acustici subacquei di imaging di tipo noto.
Peraltro è importante notare anche il fatto che l'uso di un' eccitazione ad onda quadra potrebbe essere vantaggioso anche per sistemi acustici subacquei non di tipo imaging, ad esempio per sistemi di tipo sonar.
Inoltre, è importante sottolineare anche che la geometria del gruppo antenna subacquea 11 consente un notevole risparmio del numero di operazioni necessario per 1'elaborazione di formazione del fascio.
L'uso combinato di entrambi gli aspetti della presente invenzione (ossia 1'uso combinato del gruppo antenna subacguea secondo il primo aspetto e del metodo per la formazione di immagini di oggetti subacguei secondo il secondo aspetto) risulta particolarmente vantaggioso, così come precedentemente spiegato in dettaglio.
In ogni caso, è molto importante evidenziare il fatto che ciascuno dei due aspetti distintivi della presente invenzione può essere vantaggiosamente implementato indipendentemente dall'altro.
In particolare, il gruppo antenna subacguea secondo il primo aspetto della presente invenzione può essere vantaggiosamente utilizzato, senza necessità di modifiche, in combinazione con gualsiasi tecnica/metodologia per la formazione di immagini di oggetti subacguei.
Allo stesso modo, anche il metodo per la formazione di immagini di oggetti subacguei secondo il secondo aspetto della presente invenzione può essere vantaggiosamente utilizzato, senza necessità di modifiche, in combinazione con gualsiasi antenna ricetrasmittente subacguea di tipo elettro-acustico .
Dalla precedente descrizione sono immediatamente evidenti gli innumerevoli vantaggi della presente invenzione.
In particolare, è importante sottolineare il fatto che la presente invenzione garantisce prestazioni e risoluzioni d'immagine adeguate per applicazioni di ricerca, individuazione , riconoscimento e recupero di oggetti subacguei (guali, ad esempio, reperti archeologici o relitti sommersi, mezzi navali/sottomarini/ anfibi affondati, ecc. ).
Inoltre, a differenza dei sistemi acustici subacguei di imaging di tipo noto, il sistema acustico subacgueo di imaging secondo la presente invenzione è un sistema a basso costo in grado di fornire immagini 3D ad alta risoluzione di oggetti subacquei , convenientemente in tempo reale ed anche a breve distanza .
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema acustico per la formazione di immagini di oggetti subacguei (1) comprendente un'antenna ricetrasmittente subacguea (11) di tipo elettro-acustico e mezzi di controllo ed elaborazione (12) configurati per eseguire una fase di formazione di Immagini (blocco 62) che include: • trasmettere, per mezzo dell'antenna ricetrasmittente subacguea (11) e per ogni angolo di azimut compreso in un predefinito intervallo di angoli di azimut, un corrispondente impulso acustico utilizzando un fascio a ventaglio ("fan beam") puntato in corrispondenza di detto angolo di azimut ed avente una predefinita larghezza in azimut ed una predefinita larghezza in elevazione, in cui detta predefinita larghezza in elevazione è maggiore di detta predefinita larghezza in azimut, ed alimentando in ingresso all'antenna ricetrasmittente subacguea (11) segnali di eccitazione tali da causare una ricombinazione coerente di corrispondenti segnali acustici trasmessi in acgua in corrispondenza di una regione tridimensionale di focalizzazione posizionata ad una predefinita distanza di focalizzazione dall'antenna ricetrasmittente subacguea (11), alla quale predefinita distanza di focalizzazione è posizionato un oggetto subacqueo (5;7); in cui gli impulsi acustici sono trasmessi variando il puntamento in azimut del fascio a ventaglio in modo tale da eseguire una scansione completa del predefinito intervallo di angoli di azimut; • per ogni impulso acustico trasmesso, ricevere un corrispondente segnale di eco per mezzo dell'antenna ricetrasmittente subacquea (il); • elaborare i segnali di eco ricevuti implementando una tecnica di formazione del fascio in modo tale da calcolare una mappa digitale tridimensionale di potenze associate ad una predefinita griglia di punti posizionati nella regione tridimensionale di focalizzazione; in cui i segnali di eco ricevuti sono elaborati formando fasci a matita ("pencil beams"), ciascuno dei quali è puntato verso un corrispondente punto di detta predefinita griglia; ed • elaborare la mappa digitale tridimensionale di potenze implementando una tecnica di riconoscimento dei contorni in modo tale da formare un'immagine dell'oggetto subacqueo (5;7).
- 2. Il sistema della rivendicazione 1, in cui i mezzi di controllo ed elaborazione (12) sono configurati per eseguire la fase di formazione di immagini (blocco 62) alimentando in ingresso all'antenna ricetrasmittente subacquea (il) segnali di eccitazione ad onda quadra aventi predefiniti ritardi tali da causare una ricombinazione coerente di corrispondenti segnali acustici trasmessi in acqua in corrispondenza della regione tridimensionale di focalizzazione.
- 3. Il sistema secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i mezzi di controllo ed elaborazione (12) sono configurati per eseguire anche una fase di rilevamento (blocco 61) che include: • azionare 1'antenna ricetrasmittente subacquea (11) per trasmettere impulsi acustici isotropi e ricevere corrispondenti segnali di eco; • calcolare potenze medie di campioni di detti segnali di eco utilizzando una finestra mobile di integrazione del quadrato delle ampiezze dei campioni di detti segnali di eco; • pesare le potenze medie calcolate tramite una funzione esponenziale di compensazione dell'attenuazione per divergenza sferica; e • rilevare un oggetto subacqueo (5;7) sulla base delle potenze medie pesate e di una soglia di rilevazione.
- 4. Il sistema della rivendicazione 3, in cui i mezzi di controllo ed elaborazione (12) sono configurati per eseguire la fase di rilevamento (blocco 61) alimentando in ingresso all'antenna ricetrasmittente subacquea (11) segnali di eccitazione ad onda quadra.
- 5. Il sistema secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui in cui i mezzi di controllo ed elaborazione (12) sono inoltre configurati per: • calcolare una distanza, dall'antenna ricetrasmittente subacquea (il), di un oggetto subacqueo (6) rilevato nella fase di rilevamento (61); ed • eseguire la fase di formazione di immagini (blocco 62) utilizzando detta distanza calcolata come predefinita distanza di focalizzazione.
- 6. Il sistema secondo una qualsiasi rivendicazione 3-5, in cui 1'antenna ricetrasmittente subacquea (il) comprende trasduttori elettro-acustici attivi e trasduttori elettroacustici passivi; ed in cui i mezzi di controllo ed elaborazione (12) sono configurati per eseguire la fase di rilevamento (blocco 61) azionando: • in trasmissione trasduttori elettro-acustici attivi disposti in una regione centrale di detta antenna ricetrasmittente subacquea (11); ed • in ricezione trasduttori elettro-acustici passivi disposti in detta regione centrale dell'antenna ricetrasmittente subacquea (11).
- 7 . Il sistema secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui l'antenna ricetrasmittente subacquea (11) comprende: • un'antenna trasmittente che include due schiere di trasduttori elettro-acustici attivi (S1,S2) che giacciono su uno stesso piano; ed • un'antenna ricevente che include cinque schiere di trasduttori elettro-acustici passivi (RI,R3,R3,R4,R5) che giacciono su detto piano; in cui: • una prima schiera di trasduttori elettro-acustici passivi (RI) si estende principalmente lungo una prima direzione rettilinea (di) giacente su detto piano; • le due schiere di trasduttori elettro-acustici attivi (SI,S2) si estendono principalmente lungo una seconda direzione rettilinea (d2) che giace su detto piano, è perpendicolare alla prima direzione rettilinea (di) ed interseca detta prima direzione rettilinea (di) in un punto (111) che individua un centro di fase dell'antenna ricetrasmittente subacquea (11); • le due schiere di trasduttori elettro-acustici attivi (S1,S2) si estendono lungo la seconda direzione rettilinea (d2), ciascuna da una rispettiva parte rispetto al centro di fase (111); • la prima schiera di trasduttori elettro-acustici passivi (RI) si estende attraverso il centro di fase (111) e da entrambe le parti rispetto a detto centro di fase (111) lungo la prima direzione rettilinea (di); • una seconda e terza schiera di trasduttori elettroacustici passivi (R2,R3) si estendono principalmente lungo una terza direzione rettilinea (d3) che giace su detto piano, passa per il centro di fase (111) ed è inclinata di 45° rispetto sia alla prima direzione rettilinea (di) che alla seconda direzione rettilinea (d2); • la seconda e terza schiera di trasduttori elettroacustici passivi (R2,R3) si estendono lungo la terza direzione rettilinea (d3), ciascuna da una rispettiva parte rispetto al centro di fase (111); • una quarta e quinta schiera di trasduttori elettroacustici passivi (R4,R5) si estendono principalmente lungo una quarta direzione rettilinea (d4) che giace su detto piano, passa per il centro di fase (111) ed è inclinata di 45° rispetto sia alla prima direzione rettilinea (di) che alla seconda direzione rettilinea (d2) e di 90° rispetto alla terza direzione rettilinea (d3); e • la quarta e quinta schiera di trasduttori elettroacustici passivi (R4,R5) si estendono lungo la quarta direzione rettilinea (d4), ciascuna da una rispettiva parte rispetto al centro di fase (111).
- 8. Il sistema della rivendicazione 7, in cui ciascuna delle due schiere di trasduttori elettro-acustici attivi (S1,S2) include rispettivi trasduttori elettro-acustici attivi distanziati tra loro secondo una prima legge di distanziamento; ed in cui ciascuna delle cinque schiere di trasduttori elettroacustici passivi (RI,R2,R3,R4,R5) include rispettivi trasduttori elettro-acustici passivi distanziati tra loro secondo una seconda legge di distanziamento.
- 9. Il sistema della rivendicazione 8, in cui: in ciascuna delle due schiere di trasduttori elettroacustici attivi (SI,S2), il distanziamento tra i baricentri di trasduttori elettro-acustici attivi adiacenti aumenta all'aumentare della distanza dal centro di fase (111) secondo una prima legge non lineare; ed • in ciascuna delle cingue schiere di trasduttori elettro-acustici passivi (RI,R2,R3,R4,R5), il distanziamento tra i baricentri di trasduttori elettro-acustici passivi adiacenti aumenta all'aumentare della distanza dal centro di fase (111) secondo una seconda legge non lineare.
- 10. Prodotto informatico comprendente porzioni di codice software che sono: • eseguibili da mezzi elettronici di elaborazione di un sistema acustico subacgueo che comprende un'antenna ricetrasmittente subacguea (11); e • tali da causare che, guando eseguite, detti mezzi elettronici di elaborazione diventino configurati come i mezzi di controllo ed elaborazione (12) del sistema (1) rivendicato in una gualsiasi rivendicazione precedente.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ITUB2015A005821A ITUB20155821A1 (it) | 2015-11-23 | 2015-11-23 | Sistema acustico subacqueo a basso costo per la formazione di immagini tridimensionali in tempo reale |
| EP16200368.5A EP3171200B1 (en) | 2015-11-23 | 2016-11-23 | Low-cost underwater acoustic system for real-time three-dimensional imaging |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ITUB2015A005821A ITUB20155821A1 (it) | 2015-11-23 | 2015-11-23 | Sistema acustico subacqueo a basso costo per la formazione di immagini tridimensionali in tempo reale |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ITUB20155821A1 true ITUB20155821A1 (it) | 2017-05-23 |
Family
ID=55538376
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ITUB2015A005821A ITUB20155821A1 (it) | 2015-11-23 | 2015-11-23 | Sistema acustico subacqueo a basso costo per la formazione di immagini tridimensionali in tempo reale |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP3171200B1 (it) |
| IT (1) | ITUB20155821A1 (it) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10203403B2 (en) * | 2017-02-15 | 2019-02-12 | Leonardo S.P.A. | Low-cost underwater acoustic system for real-time three-dimensional imaging |
| CN113053342A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-06-29 | 厦门大学 | 一种突破衍射极限的水下声准直器 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220373678A1 (en) | 2021-05-21 | 2022-11-24 | Navico Holding As | Steering assemblies and associated methods |
| US11796661B2 (en) | 2021-05-21 | 2023-10-24 | Navico, Inc. | Orientation device for marine sonar systems |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3784805A (en) * | 1972-10-04 | 1974-01-08 | Us Navy | Sonar image converter |
| US5200931A (en) * | 1991-06-18 | 1993-04-06 | Alliant Techsystems Inc. | Volumetric and terrain imaging sonar |
| US5797845A (en) * | 1996-11-04 | 1998-08-25 | Barabash; Leonid S. | Ultrasound apparatus for three dimensional image reconstruction |
| US20090310438A1 (en) * | 2008-06-13 | 2009-12-17 | Coda Octopus Group, Inc. | Method of representation of sonar images |
| EP2299292A1 (en) * | 2009-09-15 | 2011-03-23 | Oceanscan Limited | Scanning apparatus and method |
-
2015
- 2015-11-23 IT ITUB2015A005821A patent/ITUB20155821A1/it unknown
-
2016
- 2016-11-23 EP EP16200368.5A patent/EP3171200B1/en active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3784805A (en) * | 1972-10-04 | 1974-01-08 | Us Navy | Sonar image converter |
| US5200931A (en) * | 1991-06-18 | 1993-04-06 | Alliant Techsystems Inc. | Volumetric and terrain imaging sonar |
| US5797845A (en) * | 1996-11-04 | 1998-08-25 | Barabash; Leonid S. | Ultrasound apparatus for three dimensional image reconstruction |
| US20090310438A1 (en) * | 2008-06-13 | 2009-12-17 | Coda Octopus Group, Inc. | Method of representation of sonar images |
| EP2299292A1 (en) * | 2009-09-15 | 2011-03-23 | Oceanscan Limited | Scanning apparatus and method |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| KNUDSEN D C ED - INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS: "A NEW DIGITAL BEAMFORMER FOR ACOUSTIC IMAGING", ACOUSTICS, ARCTIC STUDIES. SEATTLE, SEPT. 18 - 21, 1989; [PROCEEDINGS OF THE OCEANS CONFERENCE], NEW YORK, IEEE, US, vol. -, 18 September 1989 (1989-09-18), pages 1021 - 1026, XP000130437 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10203403B2 (en) * | 2017-02-15 | 2019-02-12 | Leonardo S.P.A. | Low-cost underwater acoustic system for real-time three-dimensional imaging |
| CN113053342A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-06-29 | 厦门大学 | 一种突破衍射极限的水下声准直器 |
| CN113053342B (zh) * | 2021-03-29 | 2023-08-18 | 厦门大学 | 一种突破衍射极限的水下声准直器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP3171200A1 (en) | 2017-05-24 |
| EP3171200B1 (en) | 2021-06-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10203403B2 (en) | Low-cost underwater acoustic system for real-time three-dimensional imaging | |
| EP2317336B1 (en) | Method for estimating target range error and sonar system thereof | |
| US9354312B2 (en) | Sonar system using frequency bursts | |
| RU2589368C2 (ru) | Способ и устройство для измерения расстояния от узла до поверхности в сети акустических узлов | |
| Alcocer et al. | Study and implementation of an EKF GIB-based underwater positioning system | |
| US9348028B2 (en) | Sonar module using multiple receiving elements | |
| KR101257097B1 (ko) | 선 배열 소나 및 이의 표적방위 검출방법 | |
| ITUB20155821A1 (it) | Sistema acustico subacqueo a basso costo per la formazione di immagini tridimensionali in tempo reale | |
| CN109239712B (zh) | 基于水下声场和声能流的噪声探测方法 | |
| WO2008105932A3 (en) | System and method for forward looking sonar | |
| RU2634787C1 (ru) | Способ обнаружения локального объекта на фоне распределенной помехи | |
| US7738319B2 (en) | Determining angles of arrival using multipaths | |
| KR101021674B1 (ko) | 신호원 방향 추적 장치 및 방법 | |
| KR101086304B1 (ko) | 로봇 플랫폼에 의해 발생한 반사파 제거 신호처리 장치 및 방법 | |
| RU137126U1 (ru) | Гидроакустический комплекс надводного корабля | |
| RU2158430C2 (ru) | Способ определения пеленга на источник излучения и устройство для его осуществления | |
| Valente et al. | Real-time TDOA measurements of an underwater acoustic source | |
| CA2639963A1 (en) | Swimmer detection sonar network | |
| CN105372644B (zh) | 一种基于动态重修正的自适应波束形成方法及系统 | |
| CN104316906B (zh) | 基于双参考源的高速运动目标航迹估计系统 | |
| JP6148166B2 (ja) | 水中探知装置及び水中探知方法 | |
| RU2402785C2 (ru) | Способ определения курсового угла на источник излучения с подвижного подводного объекта и устройство для его осуществления | |
| JP5625771B2 (ja) | 水中目標物検出装置、該検出装置に用いられる目標物検出方法及び目標物検出プログラム | |
| JP2017227480A (ja) | 音波監視装置および航走体 | |
| RU2735630C1 (ru) | Система шумопеленгования гидроакустического комплекса подводной лодки |