Presented To: ITEA

Presented By: Mr. Steven J. Barnett – ARL Penn State

Date: April 26, 2012

Acoustic Stimulation Test System (ASTS)for UUVs

• What is it?• History and Evolution

• Derivative of UWEF• Description• Conclusion

• Cost vs Benefit

Introduction

• Real‐Time Hardware‐In‐The‐Loop (SUT)• Sonar, Signal, and Tactical • 6 ¾”, 12 ¾”, and 21” fixtures

• Stimulation – Analog/DSP Subsystems• Active & Passive Targets• Multiple Highlights/Echoes• Reverberation• Emissions• Flow Noise

• Acoustic Controller Console• Program Target Dynamics• Input Torpedo Dynamics• Acoustic parameters to DSP Subsystem• Recordings/Display

• Autopilot Interface• Initiation • UUV kinematics

Block Diagram

• UWEF – Undersea Weapon Evaluation Facility• Installation approximately 1992 time‐frame• Support in‐water tests• Water‐filled pressure vessel allows full power transmit• Completely assembled units – Allow operation of engine, propulsor, actuators, and acoustic subsystems

• ASTS – Acoustic Stimulation Test System• Derivative of the UWEF acoustic subsystem• Installation approximately 1994 time‐frame• Support developmental in‐water tests• Water‐filled array enclosure – Standard atmospheric pressure• No engine, propulsor or actuators – Only acoustic subsystems

History

• Array and Enclosure• Approximately 10’ x 10’ x 10’ • Anechoic internally • Reverberant Externally

Array and Enclosure

• Projector Sensor ‐ Power Amplifier• Four inputs – DSP Subsystem

• (1) in‐band channel• (2) external channels• Control Interface – Filters, gain, tuning

• Selectable band‐pass sampling reconstruction filters

• 18‐bit D/A plus 0, 24, 48, 72 dB• One of four tuning networks 

• Receiver Sensor – Transmit Monitor• Isolated interface – Input and Output• Selectable band‐pass sampling filters• Programmable gain – (2) stages for noise optimization

Array Interface

• Acoustic Controller Console Interface• Target and SUT parameters from Acoustic Controller Console• Assign spatial, temporal, and spectral aspects of echoes and reverberation

• Executive Controller• Time‐base and associated signals• Data transfer between nodes• Analog subsystem control link

• Passive Generator• Generates passive target signals

• Audio• Provides audio sensory perception to target acoustic field

• Transmit Generator• Processes and stores SUT transmit signal• Provides echo and reverberation signals

• Target Projector (Summer)• Processes and  outputs composite target signal• Compensation – Minimizes amplitude and delay variations between channels

DSP Subsystem Nodes

• Receive kinematic variables from the UUV autopilot• Linear and Angular• Position and Velocity Vectors• Other – LAUNCH, Time, etc.

• Target – Updates kinematic variables based on user‐supplied GUI parameters

• Update – Display graphics• Calculate – Acoustic parameters based on target and UUVpositions and orientations to DSP Subsystem

• Provides user interface• Modify target parameters• Record data; Test• Visualization

Acoustic Controller Console

• Derivative of UWEF implemented in early 1990s• UWEF successfully supported in‐water evaluation tests

• ASTS successfully supported many technology developmentprograms at ARL Penn State prior to in‐water tests

• Reliable – Minimal maintenance for ~ 20 years • DURIP and Director provided for DSP subsystem upgrade  

• Acoustic OR Electrical interface a possibility

• Summary – Assume $100K per in‐water run/test• Less than (10) would provide complete upgrade plus ‐

• Huge amount of test data with varied parameters, i.e. what‐if scenarios, troubleshooting, AND

• Greatly improve UUV Guidance System performance andchances of success prior to even performing a range test

Conclusion

• Lynn A. Poole – Retired from ARL as Hardware/Systems Engr.• System Engineer, Architect, and Project Lead for Acoustic UWEF/ASTS

• Mentor & Teacher• Consultant – L.A. Poole Engineering

• Dr. Robert Marciniak – Program Manager at ARL Penn State• PM for the UWEF program

• Dr. Teresa McMullen – ONR Sponsor• Instrumental in supporting DURIP effort

• Dr. Russell Burkhardt – Office head of UWO at ARL Penn State• Supported DURIP effort at ARL

Acknowledgements

Questions

Backup Slides

+8°

Target Projector

Receiver Hydrophone+24°

- 8°

- 24°

+40°+24°+8°-8°-24°-40°

Topside Aerial View of the ASTS Array

Array

• Real‐Time Hardware In the Loop – System Under Test (SUT)• Sonar, Signal, & Tactical Processor• Autopilot – Internal or external• Non‐Intrusive ‐

• External Interface – Autopilot or Tactical Controller• Test Fixture – 6 ¾”, 12 ¾”, 21”

• Real‐Time Hardware In the Loop – ASTS• Provides realistic spatial, temporal, and spectral acoustic field• Active, passive, reverberation, and target emissions• Programmed target parameters from console

Overview

• User Inputs “Mode” from ACC• Adapt ‐

• NOT during tests• Performed independently on eachchannel ‐ 10‐seconds

• Weights stored in ACC workstation• Filter then uses weights as FIRin “Normal” mode

• Removes projector channel variations in amplitude and time‐delay

Target Projector Node – Adapt Mode

DSP Subsystem Components

• (1) per projector element •Receives Executive Controller Broadcasts

• Complex• Passive, Active, Reverb

• Doppler Shift• Active – Target & UUV velocity• Reverb ‐ UUV velocity

• Angle – Scalar multiplier based on• Target angle• Projector definition

• Level – Scalar multiplier based on• Target range• Power amp discrete gain

• Summation of signal components• Passive, Active, Reverb, Ext.

• 256‐Tap Complex FIR – Translate• Compensation/Equalization FIR• Power Amplifier

External (In-Band)

Target Projector Node– Normal/Run Mode

DSP Subsystem Components

• (1) per  receiver element• 16‐bit digitizer• 256‐Tap Complex FIR ‐ Decimate• Doppler Shift – UUV velocity at transmit• Transmit Generator  ACC Interface

• Transmit detection• Target assignment – Based on spatiallocation of transmitted pulse (TransmitGenerator) AND target

• Reverberation assignment – Based onspatial location of transmitted pulse(Transmit Generator) 

• Status• Active target model

• Up to (8) user‐defined• Amplitude and delay coefficientsoperate on received pulse 

• Summation of results • Reverberation model

• Up to (8) user‐defined• Time‐varying weights based on realin‐water data

• Sparse FIR implementation – 16 taps • Random dither in level, angle, Doppler

Transmit Generator Node

DSP Subsystem Components

• Time‐base• Programmable base‐band, carrier, A/D, and D/A controlsignals

• Counter provides time‐slot information• Interfaces to, and responsible for, data transfer between allsubsystem nodes

• Reads data from nodes• Broadcast data to all nodes

• Process, format, and send control words over link to allanalog subsystem components

Executive Controller Node

DSP Subsystem Components

• Real‐Time Hardware In the Loop ‐ ASTS•Receiver senses, conditions, processes, and stores pulsetransmitted by SUT

• DSP Subsystem • Reverberation –

•User defined models• Spatial coverage determined by receiver sensors ensonified during transmit and subsequent heading

• Doppler• Randomness from dither applied to level, angle, doppler  

• Target Echoes –• User defined models• Output at appropriate time based on target controller ofAcoustic Controller Console (ACC)

Overview (Cont.)

• Projector outputs reverberation as well as target echoes, emissions, and radiated noise

• SUT processes projected field and provides steering commandsto autopilot

• Autopilot provides UUV kinematic updates from DigitalBody Simulator to ACC.

• ACC updates UUV and target parameters • No timely and costly turnaround allows repeated “what‐if” tests• SUT open‐loop tests too

Overview (Cont.)

Projector Sensor - Power Amplifier

• One in‐band Channel ‐ Synchronous• 18‐bit D/A Converter• Selectable Band‐Pass Filter (4) each

• Two in‐band or out‐of‐band inputs • Asynchronous• 18‐bit D/A Converter each• Selectable Band‐Pass Filter – (2) each• Variable gain – 0 to 96 dB, .375 dBper step; Mute

• Summation• Variable gain – 0 dB, 24 dB, 48 dB, OR72 dB

• Power Amplifier• One of four tuning networks 

(2)

Array Interface

Receiver Sensor – Transmit Monitor

• Isolated I/O with fixed gain plus ‐• Programmable Gain

• Nominal 46 dB per stage• Placement allows optimizationfor noise

• Selectable Frequency Bands• (4) boards in motherboard• (2) LC filters per board  8• (1) Active filter per board  4• Combined LC and Active

Array Interface (Cont.)

Flow-Noise Generator

• Selectable base frequency – 8 bits• 48‐tap PRN w/FIR• Programmable gain • (8) independent channels

• (4) channels per board• (2) boards 

Array Interface (Cont.)

• Processor Engine• Commercial board from LSI• Single Motorola DSP56001 @ 20Mhz• 32K x 24 Each Program RAM; X‐Data RAM; Y‐Data RAM• (2) A/Ds and (2) D/As• Synchronous Serial Interface (SSI) – Independent transmitand receive SPI ports 

• Daughter Board• Custom‐designed by ARL• (3) Motorola DSP56200 FIR ICs• 2K x 24 Ping‐Pong RAM

DSP Subsystem Overview

• Daughter Board mated to Processor Engine• Fundamental building block of subsystem ‐Modularity• Used for ‐

• Sensor Processing – Projector and Receiver• Internal Subsystem Data Transfer between nodes• External Subsystem Data Transfer to Acoustic ControllerConsole and Analog Subsystem

• Passive • Auxiliary – Recording/Display

• Code Implementation – Assembler for real‐time operation• Three primary rates – Base‐band (fb); Carrier (fc); Time‐slot (ft)

DSP Subsystem Overview

Node

• Standard rack mount• (2) AT Backplanes for Node communication

• Processor Engine• Daughterboard

• Expandable – Requires (2) expansion adapters

DSP Subsystem Overview (Cont.)

Chassis

• Interface with Acoustic Controller Console (ACC)• SUT parameters

• Position • Attitude or Orientation• Linear velocity• Angular rates

• Target parameters• Active, passive, and emission levels – Based on loss modelsin ACC

• Horizontal and Vertical Target Angles• Doppler 

Acoustic Controller Console Interface (ACCI) Node

DSP Subsystem Components

• Original system implemented in early 1990s• Obsolescence; Aging• Limited funds for maintenance and upgrades sincethat time

• Technology enhancements – Bandwidth, Console• Awarded DURIP 2008

• Scope limited to DSP Subsystem and Console• DURIPs primarily limited to material – NOT labor• DSP boards – PCI/PCI‐X with PMC interface fromBittware

• A/D boards – General Standards w/PMC interface

Upgrade

Overview

• Processor Engine• (4) Analog Devices TigerSHARC processors @ 600Mhz• 64M x 64 Cluster bus; ¾ M x 32 Internal• Virtex‐II FPGA provides flexible off‐board routing• (4) link‐ports per processor ‐ (2) per processor routed toRocket I/O board connectors; (2) internal communications

• Local PCI communications• Daughter Board

• A/D – General Standards OR• Custom ‐ FPGA with I/O drivers to support SPI peripherals;FIR 

DSP Subsystem

Upgrade

• Original interfaces kept in‐tact to the extent possible• Analog subsystem interfaces• Allows use of available custom test fixtures

• DSP Subsystem architecture• Similar to original – (1) processor per node

• ACCI, Executive Controller, passive, audio, and sensor(s)• (4) nodes per board• Local PCI facilitates communications between boards

• Uses DMA Controllers

Upgrade

DSP Subsystem (Cont.)

• Level‐of‐Effort• (2) Custom boards – Low‐to‐Medium• FPGA development – Medium‐to‐High

• Two unique developments of Spartan III• Modifications of Virtex‐II Pro

• Software development – Largest task• Generate requirements based on existing assemblercode

• Implementation of C‐code for 28 processors• Integration and Test

• (8) months – Ready for integration pending preliminarymaintenance work at ASTS facility

Upgrade

DSP Subsystem (Cont.)

• Dell PC Workstation w/WinXP• CAN Interface for UUV autopilot communications• Custom PCI board for interface to DSP subsystem• Code development environment

• C/C++• Qt – Graphical User Interface (GUI)

• Level‐of‐Effort• Software development in C++ – Large

• Generate requirements for acoustic parameterprocessing, formatting, interface to DSPsubsystem, and GUI

• Implementation• (8) months – Integrated to DSP subsystem

Upgrade

Acoustic Controller Console

Receivers Power Amplifiers DSP Subsystem

Conditioned AC Power

ASTS/UWEF Pictures

• 21” Test Fixture Collar• Heavyweight• Tubing w/Experiment

Cables• Noise Ring Assembly

Side View

ASTS/UWEF Pictures

• 21” Test Fixture Collar• Heavyweight• Tubing w/Experiment

Cables• Noise Ring Assembly

Bottom View

ASTS/UWEF Pictures

GUI Input – Circular Geometry

ASTS Upgrade

Acoustic Controller Console

ASTS UpgradeAcoustic Controller Console

GUI Display -Circular Geometry

GUI Input – Straight-Line Geometry

Acoustic Controller Console

ASTS Upgrade

ASTS Upgrade

Acoustic Controller Console

GUI Display –Straight-Line Geometry

GUI Input – Wake Follow Geometry

ASTS Upgrade

Acoustic Controller Console

ASTS Upgrade

Acoustic Controller Console

GUI Display –Wake Follow Geometry