Vedenalaisen akustisen datan keräys äänilähteen suunnan estimointia varten

The rising military strategic significance of the Baltic Sea region makes underwater surveillance in the area increasingly important. To efficiently observe territorial waters, be able to monitor regions that are of interest at any time, and detect possible threats in the water, an autonomous surveillance system consisting of multiple units would be beneficial. This swarm of autonomous robots could acoustically detect the locations of unknown objects and report them to enable further investigations. This thesis is a part of a project titled "Detection of underwater threats by autonomous robots" which aims to develop such a system, a CoastalBot float robot swarm. The purpose of this thesis is to evaluate if the direction of an underwater sound source can be estimated from acoustic data collected with a hydrophone array. The findings of this thesis could later be used in developing the acoustic perception for the CoastalBots. An underwater acoustic data acquisition system was designed, built and tested. The system has four hydrophones and other necessary hardware and software to collect data with. The hydrophones are attached to a frame that mimics the outside of a float. Acoustic data was collected in a water tank. The direction of arrival was estimated from the collected data by finding the time difference of arrival of the signals with cross-correlation. It was observed, that the direction could be estimated, but further work is needed to improve the system. The system needs to be modified, for example, to have less noise, and new tests are required to be conducted in a more realistic environment.Kasvanut Itämeren alueen sotilaallinen merkitys tekee alueen vedenalaisesta valvonnasta entistä tärkeämpää. Useista yksiköistä koostuva autonominen valvontajärjestelmä olisi hyödyllinen aluevesien tehokkaaseen valvontaan, kiinnostavien alueiden seurantaan ja mahdollisten uhkien havainnointiin. Tällainen autonomisten robottien parvi voisi akustisesti havaita tuntemattomien kohteiden sijainnit ja raportoida ne eteenpäin lisätutkimuksia varten. Tämä diplomityö on osa projektia nimeltä "Vedenalaisten uhkien havainnointi autonomisilla roboteilla", jonka tavoitteena on kehittää edellä mainittu järjestelmä, CoastalBot-robottiparvi. Tämän diplomityön tarkoitus on arvioida, pystytäänkö vedenalaisen äänilähteen suunta havainnoimaan hydrofoniryhmällä kerätystä akustisesta datasta. Työn tuloksia voidaan myöhemmin hyödyntää CoastalBot-parven akustisen havainnoinnin kehittämisessä. Työssä suunniteltiin, rakennettiin ja testattiin vedenalaisen akustisen datan keräysjärjestelmä. Järjestelmään kuuluu neljä hydrofonia sekä muut tarvittavat laitteistot ja ohjelmistot datan keräämistä varten. Hydrofonit on kiinnitetty kehikkoon, joka jäljittelee CoastalBot-robotin pintaa. Akustista dataa kerättiin vesialtaassa. Tulosuuntaa estimoitiin kerätystä datasta signaalien saapumisaikaerojen perusteella, jotka saatiin ristikorrelaatiolla. Tuloksista nähdään, että suunta pystytään estimoimaan, mutta lisää työtä tarvitaan järjestelmän parantamiseksi. Järjestelmää pitää muokata esimerkiksi kohinan vähentämiseksi, ja uusia testejä täytyy suorittaa realistisemmassa ympäristössä