Senzori acustici pentru aplicații de navigație aeriană și de suprafață

Rohan Kapoor

1 Școală de inginerie, Universitatea RMIT, Inginerie aerospațială și disciplină aeriană, Bundoora VIC 3083, Australia; [email protected] (R.K.); [email protected] (S.R.); [email protected] (A.G.)

Subramanian Ramasamy

Alessandro Gardi

Ron Van Schyndel

2 Scoala de Stiinte, Universitatea RMIT, Informatica si Disciplina Tehnologiei Informatiei, Melbourne 3000, Australia; [email protected]

Roberto Sabatini

Abstract

1. Introducere

Direcționalitatea undelor acustice a fost folosită mult timp pentru localizare de către ființe umane. Termenul „ecolocație” a fost inventat de Donald R. Griffin [1], unde discută căpitanii de nave care exploatează sunetul pentru a stabili împrejurimile navei și a evita obstacolele în medii cu vizibilitate redusă. Senzorii acustici oferă o soluție de dimensiune, greutate și putere redusă (SWaP), care este cost redus, scalabilă și robustă. Mai mult, senzorii acustici au capacitatea de a furniza informații spațiale de înaltă rezoluție la distanțe scurte. Tehnicile de localizare bazate pe radio, cum ar fi sistemele globale de navigație prin satelit (GNSS), sunt predispuse la degradarea datelor în medii urbane dense și în interior [2]. Pe de altă parte, tehnicile electromagnetice suferă de interferențe din alte surse, precum și din structuri metalice. Senzorii de navigație optică sunt, de asemenea, relativ scumpi, iar performanța lor se deteriorează în condiții de vizibilitate degradată, precum și în medii constând din obiecte optic transparente sau opace.

2. Ecolocalizarea în natură

Animalele, în special mamiferele, cum ar fi liliecii și delfinii, utilizează unde acustice care variază în frecvență, durata semnalului și intensitate, pentru navigație și urmărire. În plus, liliecii arată capacitatea de a detecta și, atunci când este necesar, de a compensa schimbarea Doppler. Câteva observații interesante din ecolocalizarea liliecilor sunt enumerate mai jos:

Liliecii își pot reduce intensitatea apelului în timp ce se apropie de obiecte puternic reflectorizante pentru a împiedica nivelul de presiune acustică a ecoului să devină prea mare. Liliecii pot prezenta o rezoluție foarte mare de detectare a țintei cu discriminări de diferență de timp de 10-12 nanosecunde [3,6,7]. Durata ecolocației poate varia considerabil, clicurile individuale fiind aproximativ

Semnalele de 50–100 μs cu frecvență constantă, care depășesc 30 ms. Tabelul 1 listează diferite specii de lilieci și tipul lor de apel, pe baza dietei lor.

tabelul 1

Tipuri de apeluri de ecolocație pentru diferite specii de lilieci pe baza dietei [11,12].

DietEcholocation Tip de apel Specii de lilieci

Fructe	Clicuri de bandă largă de scurtă durată	Liliac cu fructe egiptene
Molii, gândaci, muște și alte insecte	Bandă îngustă cu armonică fundamentală dominantă	Liliac roșu de est
Insecte zburătoare și fructe mici	Bandă îngustă multiharmonică, slab audibilă pentru oameni	Liliac de mormânt cu barbă neagră
Insecte acvatice, cum ar fi mușchi, muște macara și muște negre	Scurt, în bandă largă, cu armonica fundamentală dominantă	Liliacul lui Daubenton
Insecte mari, păianjeni și vertebrate mici	Banda largă scurtă, multiharmonică	Liliac vampir fals mai mare
Molii	Bandă largă, multiharmonică	Liliacul cu piciorul fraier Madagascar
Fluture, molii și gândaci	Frecvență constantă (CF) și frecvență modulată (FM)	Liliac de potcoavă mai mare
Gândaci, molii, muște, viespi și furnici zburătoare	Bandă îngustă FM măturată în jos	Liliac mare maro
Gândaci, molii, muște și insecte mici	Bandă largă FM	Liliacul cu urechi mari al lui Townsend