Acoustic detection of underwater targets

Abstract

The thesis work was part of a research project concerning the development of novel methods for detection of both underwater and surface targets, i.e. submarines and surface ships. The detection was to be based on acoustic underwater SONAR (Sound Navigation and Ranging) signals, collected by a pair of linear antennas, or hydrophone arrays, located on the seabed. The primary objective of this study was. to develop a real-time target detection method, that would increase the vigilance of the human system operator in case of any pre-defined activity in the recorded sonar signals.- This thesis will focus on the detection of submarines and surface ships by employing a novel target detection method based on LOFAR (Low Frequency Analysis and Recording) images and modified Radon transform. LOFAR images are, of fundamental nature, 2-D time-frequency images of power spectra, and they serve as a visual means of presenting the underwater activity information to the system operator. Radon transform, in turn, is a digital image processing technique, particularly suited for finding lines in images characterized by a large amount of noise. In this thesis, a modification of the Radon transform technique is employed to the detection of target emitted signatures in LOFAR images.- All the submarine signals used in this study were created by a MATLAB 5 -based simulator, whereas all the surface target signals were provided by a real pair of hydrophone arrays, located on the seabed. In order to demonstrate the performance of the proposed target detection method, a number of test cases - both simulated and real - was carried out and evaluated.

AB3:Työ oli osa tutkimusohjelmaa, jonka päämääränä oli kehittää uusia menetelmiä sukellusveneiden ja pintakohteiden varhaiseen ilmaisuun. Ilmaisumenetelmän tuli perustua vedenalaisiin akustisiin SONAR (Sound Navigation and Ranging) signaaleihin, joita merenpohjaan sijoitetut hydrofonijonot tuottavat. Tutkimuksen päätavoitteena oli kehittää reaaliaikainen kohteen ilmaisumenetelmä, joka toimisi rinnakkain ihmisoperaattorin kanssa. Järjestelmän tulisi hälyttää operaattori, mikäli tämän kuuntelema sonar-signaali sisältäisi ennaltamääritetyn kaltaista aktiviteettia.- Tämä työ keskittyy uuden, sukellusveneiden ja pintakohteiden havaitsemiseen tarkoitetun menetelmän kuvaukseen. Kehitetty ilmaisumenetelmä perustuu sekä LOFAR-kuviin (Low Frequency Analysis and Recording) että modifioituun Radon-muunnokseen. LOFAR-kuvat ovat luonteeltaan 2-ulotteisia aika-taajuuskuvaajia, jotka esittävät tehospektrin kehityksen ajan funktiona. Niitä käytetään visuaalisena keinona sonar-signaalien sisältämän informaation hahmottamiseksi ihmisoperaattorille. Radon-muunnos puolestaan on digitaalisessa kuvankäsittelyssä käytetty tekniikka, joka soveltuu erityisen hyvin suorien viivojen etsimiseen kohinaisista kuvista. Tässä työssä modifioitua Radon muunnosta käytetään kohdeperäisten spektrijälkien ilmaisuun LOFAR-kuvista.- Kaikki työssä käytetyt sukellusvenesignaalit luotiin MATLAB 5 -pohjaisella simulaattorilla, kun taas reaaliset pintamaalisignaalit saatiin meren pohjaan sijoitetulta hydrofonijonoparilta. Kehitetyn ilmaisumenetelmän testaamiseksi useita testitapauksia - sekä reaalisia että simuloituja - käytiin läpi ja evaluoitiin.