Компактный сонар Dolphin для улучшенного подводного акустического изображения

Гидролокаторы для подводных изображений являются важной технологией для исследования океана. Биомиметические гидролокаторы, вдохновленные морскими млекопитающими, такими как дельфины, являются новой разработкой в ​​этой области.

Группа ученых из Института тропических морских наук (TMSI) Национального университета Сингапура (NUS) разработала компактный гидролокатор, вдохновленный дельфинами, с новым методом обработки эха, который позволяет получать более четкие визуальные изображения под водой по сравнению с обычным методом обработки сигналов для визуализации.

Сонар включает в себя информацию о разреженности объектов, что помогает лучше интерпретировать звуковые эхо. Этот метод обработки основан на гипотезе о том, что дельфины используют предварительную информацию об окружающей среде, помимо широкополосных звуковых импульсов, для интерпретации своего эха.

По сравнению с другими гидролокаторами аналогичных размеров и назначений гидролокатор, разработанный командой NUS, обеспечивает лучший компромисс между четкостью изображения гидролокатора, количеством датчиков и размером используемой матрицы датчиков. Традиционные методы обработки звуковых эхо-сигналов обычно не работают, когда датчиков слишком мало или они разбросаны. Однако метод обработки сонара, разработанный исследователями NUS, сможет извлекать информацию и по-прежнему обеспечивать четкость изображения в таком сценарии.

Исследование было опубликовано в журнале Communications Engineering в 2022 году.

Интерпретация сонара в стиле дельфинов

Ученые заметили, что дельфины могут акустически сканировать объекты под водой и визуально выбирать подходящие объекты. Это продемонстрировало, что звуковое эхо дельфина, излучаемое объектом, содержит информацию о форме объекта. Затем они записали эхо дельфинов, излучаемое при сканировании объекта под водой.

Обработка с учетом разреженности обеспечивает более четкую визуализацию данных биомиметического сонара (изображения e и f), чем при использовании обычных методов обработки изображений (изображения c и d). Исходные объекты можно увидеть на а и б. Предоставлено: Национальный университет Сингапура.

Основываясь на своих наблюдениях, команда построила биомиметический гидролокатор, который имитировал сонар дельфина. Сонар шириной около 25 см и размером с голову дельфина предназначен для создания резких, импульсивных щелчков, похожих на эхолокацию дельфина. Три передатчика используются для передачи звуков с разных направлений. Затем исследователи обработали звуки как дельфина, так и их гидролокатора, чтобы визуализировать то, что эхо показало о форме объекта.

В дополнение к оборудованию команда разработала инновационное программное обеспечение, которое позволило гидролокатору улучшить визуализацию эхосигналов. Основываясь на гипотезе о том, что дельфины используют предварительную информацию для обработки своих эхо-сигналов, исследователи включили концепцию разреженности в программное обеспечение гидролокатора. Это предполагает, что из сканируемого пространства объект занимает лишь небольшой процент.

«Использование априорной информации, такой как идея разреженности, является интуитивным. Это то, что люди делают все время — мы превращаем наше понимание реальности в ожидания, которые могут ускорить наши выводы и решения. Например, в отсутствие другой информации , человеческий мозг и система зрения склонны предполагать, что на изображении свет на объект будет падать сверху», — сказал доктор Хари Вишну, старший научный сотрудник NUS TMSI.

Эффективность программного обеспечения была продемонстрирована, когда оно смогло визуализировать информацию от эхо-сигналов дельфинов при сканировании объекта, а также сигналы сонара, создаваемые их компактным гидролокатором. Традиционный подход к обработке обоих эхо-сигналов сонара приводил к зашумленным изображениям. Однако новый подход к обработке дал лучшее разрешение и, следовательно, более четкие изображения. Программное обеспечение также может генерировать визуализацию всего тремя щелчками мыши с сонара, что позволяет ему работать быстро.

Новый метод обработки гидролокатора может иметь потенциальные преимущества в подводных коммерческих или военных гидролокаторах. Например, его можно использовать для сканирования морского дна в поисках особенностей, которые можно использовать для облегчения навигации. Компактность гидролокатора также позволяет устанавливать его на подводных роботах для исследования океана.

Дополнительная информация: Хари Вишну и др. Компактный гидролокатор, вдохновленный дельфинами, для подводной акустической визуализации, Communications Engineering (2022). DOI: 10.1038/s44172-022-00010-х

 

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов

hello@technovery.com