O metodă obișnuită de obținere a informațiilor despre un obiect la distanță este de a ricoșa o undă din el. De exemplu, radarul funcționează prin transmiterea de impulsuri de unde radio și examinarea semnalului recepționat pentru ecourile de la aeronave. În sonar, undele sonore sunt transmise prin apă pentru a detecta submarinele și alte obiecte scufundate. Geofizicii au cercetat de mult pământul, declanșând explozii și ascultând ecourile de la straturi de piatră adânc îngropate. În timp ce aceste aplicații au un fir comun, fiecare are propriile probleme și nevoi specifice. Procesarea semnalelor digitale a produs schimbări revoluționare în toate cele trei domenii.

Radar

Radar este un acronim pentru RAdio Detection And Ranging. În cel mai simplu sistem radar, un emițător radio produce un impuls de energie cu frecvență radio, cu o lungime de câteva microsecunde. Acest impuls este trimis într-o antenă extrem de direcțională, unde undele radio rezultate se propagă cu viteza luminii. Avionul în calea acestor unde va reflecta o mică parte a energiei înapoi către o antenă de recepție, situată în apropierea locului de transmisie. Distanța față de obiect se calculează de la timpul scurs între impulsul transmis și ecoul primit. Direcția spre obiect se găsește mai simplu; știți unde ați orientat antena direcțională atunci când ați primit ecoul.

Domeniul de funcționare al unui sistem radar este determinat de doi parametri: cantitatea de energie din impulsul inițial și nivelul de zgomot al receptorului radio. Din nefericire, creșterea energiei în impuls necesită, de obicei, ca impulsul să fie mai lung. La rândul său, impulsul mai lung reduce acuratețea și precizia măsurării timpului scurs. Acest lucru are ca rezultat un conflict între doi parametri importanți: capacitatea de a detecta obiecte la distanță și capacitatea de a determina cu acuratețe distanța obiectului.

DSP a revoluționat radarul în trei domenii, toate legate de această problemă de bază. În primul rând, DSP poate comprima impulsul după primire, oferind o determinare mai bună a distanței fără a reduce gama de operare. În al doilea rând, DSP poate filtra semnalul recepționat pentru a reduce zgomotul. Aceasta mărește intervalul, fără a degrada determinarea distanței. În al treilea rând, DSP permite selectarea rapidă și generarea diferitelor forme și lungimi de impulsuri. Printre altele, acest lucru permite ca impulsul să fie optimizat pentru o anumită problemă de detectare. Acum, partea impresionantă: o mare parte a acestui lucru se face la o rată de eșantionare comparabilă cu frecvența radio utilizată, la o înălțime de câteva sute de megahertzi! Când vine vorba de radar, DSP este la fel de mult despre schema de hardware de mare viteză, deoarece este vorba despre algoritmi.

Sonar

Sonar este un acronim pentru SOund NAvigation and Ranging. Acesta este împărțit în două categorii, activ și pasiv. În sonarul activ, impulsuri de sunet între 2 kHz și 40 kHz sunt transmise în apă, iar ecourile rezultate sunt detectate și analizate. Utilizările sonarului activ includ: detectarea și localizarea corpurilor submarine, navigarea, comunicarea și cartografierea fundului de mare. Este tipic un interval de operare maxim de 10 până la 100 de kilometri. În comparație, sonarul pasiv ascultă pur și simplu sunete subacvatice, care includ: turbulențe naturale, viață marină și sunete mecanice de la submarine și nave de suprafață. Deoarece sonarul pasiv nu emite nici o energie, este ideal pentru operațiuni ascunse. Vrei să detectezi celălalt tip, fără ca el să te detecteze. Aplicația cea mai importantă a sonarului pasiv este în sistemele de supraveghere militară care detectează și urmăresc submarinele. Sonarul pasiv utilizează în mod obișnuit frecvențe mai joase decât sonarul activ, deoarece acestea se propagă prin apă cu o absorbție mai redusă. Intervalele de detecție pot fi de mii de kilometri.

DSP a revoluționat sonarul în multe din aceleași domenii ca și radarul: generarea de impulsuri, compresia impulsurilor și filtrarea semnalelor detectate. Într-o perspectivă, sonarul este mai simplu decât radarul din cauza frecvențelor mai mici implicate. Într-o altă perspectivă, sonarul este mai dificil decât radarul, deoarece mediul este mult mai puțin uniform și stabil. Sistemele sonar folosesc, de obicei, o gamă largă de elemente de transmisie și recepție, mai degrabă decât un singur canal. Prin controlul și mixarea corectă a semnalelor în aceste multe elemente, sistemul sonar poate direcționa impulsul emis la poziția dorită și poate determina direcția din care sunt primite ecourile. Pentru a trata aceste canale multiple, sistemele sonare necesită aceeași putere de calcul DSP masivă ca și radarul.

Propagarea undelor seismice

Încă din anii 1920, geofizicii au descoperit că structura crustei Pământului ar putea fi sondată cu sunet. Prospectorii ar putea să declanșeze o explozie și să înregistreze ecourile de la straturile de graniță cu mai mult de zece kilometri sub suprafață. Aceste seismograme de ecou au fost interpretate de ochiul brut pentru a cartografia structura subterană. Metoda seismică de reflecție a devenit rapid metoda primară pentru localizarea depozitelor de petrol și minerale și rămâne așa și azi.

În cazul ideal, un impuls sonor trimis în sol produce un singur ecou pentru fiecare strat de frontieră prin care trece impulsul. Din păcate, situația nu este, de obicei, atât de simplă. Fiecare ecou care se întoarce la suprafață trebuie să treacă prin toate celelalte straturi de graniță de deasupra locului unde a apărut. Acest lucru poate duce la ecou care sare între straturi, dând naștere unor ecouri ale ecourilor detectate la suprafață. Aceste ecouri secundare pot face semnalul detectat foarte complicat și dificil de interpretat. Procesarea semnalelor digitale a fost folosită pe scară largă încă din anii 1960 pentru a izola ecourile primare de cele secundare în seismogramele de reflecție. Cum au gestionat geofizicii timpurii fără DSP? Răspunsul este simplu: ei au privit în locuri ușoare unde au fost minimalizate reflexiile multiple. DSP permite ca petrolul să fie găsit în locații dificile, cum ar fi sub ocean.

Secțiunea următoare: Prelucrarea imaginilor