Sonar Processing Methods for Reverberation-Limited Undersea Environments

I rapporten presenteras resultat från en studie av lovande metoder vilka har potential att förbättra prestanda för aktiv sonar-system i reverberationsbegränsade miljöer. Till att börja med har två metoder för blekning av reverberation implementerats och utvärderats med data från simuleringar och från fältförsök. Den optimala sonarmottagaren är formulerad för störningar (reverberation i grunda vatten) som är spektralt vita och en förprocessering som bleker -- eller vitar -- störningarna bör följaktligen kunna ge bättre resultat. Den första metoden bygger på en anpassning av det matchade filtret i sonarmottagaren, som bleker reverberationen. Anpassningen görs för varje avståndslucka med hjälp av ett estimat av reverberationens kovariansmatris. En något bättre detektionsförmåga erhålls med simulerad reverberation i form av rosa brus, men till en mycket hög kostad i form av beräkningar. Den andra metoden bygger på autoregressiv (AR) modellering av reverberationen i en avståndslucka och modellens parametrar används därefter för att bleka reverberationen i nästa avståndslucka. Den här metoden gav väsentligt bättre detektionsprestanda då den applicerades på data från ett fältförsök, och till en rimlig beräkningskostnad. Vidare, Space-Time Adaptive Processing (STAP) är en lovande signalbehandlingsteknik som ger god undertryckning av spatio-temporala störningar som reverberation och störare. Följaktligen underlättar den detektion av svaga och långsamma mål vars egenskaper ligger nära störningarnas. Den största nackdelen med STAP jämfört med konventionell processering ligger i en betydande ökning av antalet frihetsgrader, vilket leder till stora beräkningskrav och till behov av stora träningsdatamängder. De senare finns inte alltid tillgängliga. I rapporten föreslås en hierarkisk tillvägagång med kraftigt reducerad komplexitet för att komma till rätta med problemen, och vi visar att den ger betydligt bättre prestanda än vanlig STAP för små träningsdatamängder. Slutligen, syntetisk apertur-sonar (SAS), vilken används i avancerade minjaktssonarer, appliceras här vid lägre frekvenser för övervakningsändamål. SAS-processeringen läggs här till som ett komplement till en konventionell rörlig övervakningssonar med syftet att öka upplösningen i sonarbilden i sonarens rörelseriktning. Det här skulle kunna ge en mer korrekt och detaljerad bild av undervattensmiljön, exempelvis flera mål i högre upplösning, och upptäckt och åskådliggörande av målskuggor i bottenreverberationen. Simuleringar av bevakning under ideala omständigheter, speciellt konstant ljudhastighet (både i rummet och i tiden) och försumbara fel i positioneringen av sonaren visar att bra resultat kan erhållas för användbara avstånd och frekvenser. Andra än ideala omständigheter har också undersökts, exempelvis fel i navigeringsdata för sonaren och flervägsutbredning.