• autonomous underwater vehicles
• signal processing
• vector sensors
• direction of arrival estimation
• acoustic signature measurements
• autonomous behavior

Il crescente utilizzo di sistemi unmanned ha portato nuove sfide al processo di Test and Evaluation che diventa significativamente più complesso rispetto ai sistemi tradizionali. I sistemi unmanned mostrano una complessità in continua evoluzione e possono essere caratterizzati da diversi livelli di maturità. Queste nuove tecnologie richiedono specifici strumenti di Test and Evaluation durante il loro intero ciclo di vita. Il Centro di Supporto e Sperimentazione Navale (CSSN) della Marina Militare Italiana e il Centro Interuniversitario italiano - Centro sui sistemi integrati per l’ambiente marino (ISME) hanno fondato un laboratorio congiunto nel 2015, denominato SEALab (Laboratorio - Sistemi eterogenei autonomi), con l’obiettivo principale di sviluppare e gestire congiuntamente la ricerca applicata e le sperimentazioni di comune interesse nel campo dei sistemi autonomi marini eterogenei.
Inizialmente, la tesi offre una panoramica sulla filosofia del SEALab e sui principali temi di ricerca affrontati, approfondendo le tematiche relative ad applicazioni sonar. In questa tesi è stato affrontato il problema della detection e stima della Direction of Arrival (DoA) di bersagli subacquei, mediante tecnologia acustica passiva, utilizzando il vector sensor della sonoboa DIFAR (Directional Frequency Analysis and Recording). I metodi di elaborazione del segnale per determinare la DoA sono stati analizzati in tre diversi domini: tempo, frequenza e tempo-frequenza. Inoltre, vengono approfondite le tecniche di stima per determinare la DoA di sorgenti acustiche a partire dai segnali collezionati dal vector sensor. Sfruttando le caratteristiche di modularità tipiche degli AUV, il vector sensor è stato integrato a bordo dell’eFolaga AUV, un veicolo ibrido a basso costo, dotato di diverse modalità di navigazione. L’integrazione è stata realizzata attraverso la realizzazione di un payload acustico ad-hoc, modulare. Il vector sensor integrato sull’AUV è stato ampiamente testato in scenari reali, sia in acque molto basse che litorali. Vengono presentati gli esperimenti condotti in scenari Anti-Submarine Warfare (ASW) multistatici, nell’ambito della partecipazione al programma NATO Littoral Continuous Active Sonar (LCAS18).
La moltitudine di applicazioni in cui l’AUV equipaggiato di vector sensor può essere impiegato ha permesso di esplorarne l’uso in applicazioni di misure di segnatura acustica del rumore irradiato da Unità Navali. Il rumore irradiato delle navi, sia militari che civili, ha suscitato un forte interesse negli ultimi anni: il suo impatto sulla vita e sull’ecosistema marino è diventato un argomento molto delicato. Le campagne per la valutazione della segnatura delle navi hanno lo scopo di localizzare e quantificare le sorgenti di rumore a bordo a partire dalla propria segnatura acustica. Inoltre, sono fondamentali per valutare le condizioni dello scafo, dei macchinari e della propulsione, in quanto svolgono un ruolo chiave nel determinare l’efficienza della contro-rivelazione passiva. Infine, sono necessarie per verificare il rispetto dei requisiti stabiliti dalle specifiche contrattuali durante il processo di costruzione navale. In questa tesi viene presentato un approccio innovativo nelle misure di segnatura acustica delle navi, sfruttando l’AUV equipaggiato con il vector sensor. Viene data particolare enfasi alla rivelazione dei contributi tonali a banda stretta componenti lo spettro complessivo del rumore della nave.
Nell’ambito di questo lavoro di ricerca, inoltre, è stata indagata e sviluppata la capacità di inseguire autonomamente bersagli acustici mediante comportamenti autonomi dell’AUV. Un algoritmo per la stima della DoA in real-time è stato implementato, aprendo nuove possibilità e strategie in scenari di monitoraggio acustico passivo. I comportamenti autonomi adattivi sono stati integrati nel framework Robot Operating System (ROS) e installati sul payload acustico. L’intero sistema (AUV e vector sensor) utilizza tecnologie completamente passive: non c’è alcuna emissione attiva e la salute dei mammiferi marini è preservata. Il sistema ha dimostrato di essere molto efficace grazie alle sue capacità di monitoraggio, suggerendo nuove alternative in missioni in aree dove i SONAR convenzionali, montati a scafo, non possono essere utilizzati.
Inoltre, la tesi offre una rassegna, tramite lo studio dello stato dell’arte, del ruolo dei droni marini nelle applicazioni di sorveglianza subacquea, intesa come il controllo e il monitoraggio di un’area di competenza finalizzata all’identificazione di potenziali minacce a sostegno della difesa del territorio, antiterrorismo, protezione della forza e smaltimento degli ordigni esplosivi. Tale ricerca esplora, separatamente, droni per l’identificazione e la classificazione delle minacce sui fondali, e sistemi robotici antintrusione. L’attuale e principale sfida scientifica viene identificata in termini di miglioramento dell’autonomia e delle capacità di missione di squadra/sciame, necessitando di una sempre maggiore interoperabilità tra veicoli robotici e capacità di networking rappresentata dai limiti di larghezza di banda e latenza della messaggistica subacquea
acustica. Concludendo, questa tesi fornisce un’analisi sulle principali frontiere di ricerca nella sorveglianza subacquea, offrendo un quadro dello stato dell’arte attuale delle principali sfide nel dominio sottomarino e tracciando la strada da percorrere verso un sempre maggiore coinvolgimento dei droni in tali applicazioni.



The increasing use of unmanned systems brought substantial and new challenges to the Test & Evaluation (T&E) process that becomes significantly more complicated than traditional systems. Unmanned systems have continuously increasing complexity and capabilities. These technologies necessitate specific T&E tools throughout the whole program life cycle. For the above reasons, the Naval Support and Experimentation Centre (CSSN) of the Italian Navy and the Italian Interuniversity Center on Integrated Systems for the Marine Environment (ISME) founded a joint laboratory in 2015, called SEALab (Laboratory on marine heterogeneous and autonomous systems), with the main goal to jointly develop and manage applied research and experimentation activities of common interest in the field of heterogeneous and autonomous marine systems.
An overview of the SEALab philosophy and the main research topics addressed within the laboratory context is provided, deepening the issue related to passive sonar applications. The problem of passive acoustic detection and DoA estimation has been approached in this thesis by using the DIFAR (Directional Frequency Analysis and Recording) vector sensor. Acoustic intensity processing methods are investigated in three different domains: time, frequency and joint time-frequency. Estimation techniques for determining the DoA of acoustic sources from signals received by the DIFAR vector sensor are shown. Exploiting the modularity characteristics typical of AUVs, the DIFAR vector sensor has been integrated on board the Italian eFolaga, a low-cost hybrid vehicle capable of different navigation modes. The integration was accomplished through the realization of an ad-hoc modular payload. The AUV mounted vector sensor has been extensively tested in real scenarios, both in very shallow and littoral water. Experiments conducted in real multistatic Anti-Submarine Warfare (ASW) scenarios within the NATO Littoral Continuous Active Sonar (LCAS18) program are described.
The multitude of ways and applications in which an AUV mounted vector sensor could be employed has made it possible to explore its use in acoustic signature applications. Radiated noise from ships, both military and civilian, has raised interest in recent years: its impact on marine life and the ocean ecosystem has become a very delicate issue. Surveys for the assessment of the ship’s signature have the purpose of localizing and quantifying the noise sources on board the ship starting from its own acoustic signature. Furthermore, they are fundamental for evaluating the state of the vessel before and after maintenance, assessing the conditions of the hull, the machinery and the propulsion system, as they play a key role in determining the efficiency of passive counter-detection. Finally, they are necessary to check compliance with the contract requirements during the shipbuilding process. An innovative approach for ship acoustic signature measurements has been suggested by exploiting the AUV fitted with the AVS. Particular emphasis has been given to the detection of the narrowband contributions to the overall spectra of ship noise.
The ability to autonomously follow acoustic targets through autonomous behaviors has been approached. A real-time DoA estimation algorithm and adaptive behaviors have been developed within the Robot Operating System (ROS) framework and integrated into the acoustic payload. The whole system uses fully passive equipment: there are no underwater emissions and the health of marine mammals is preserved. The built-in passive system (AUV and vector sensor) has proven to be very effective due to its monitoring capability, suggesting new alternatives to challenging survey areas where conventional hull-mounted sonar cannot be used.
Also, the thesis offers a review of the role of marine robots, in particular unmanned vehicles, in underwater surveillance applications, i.e. the control and monitoring of an area of competence aimed at identifying potential threats in support of homeland defense, antiterrorism, force protection and Explosive Ordnance Disposal. Such review explores separately robotic missions for identification and classification of threats lying on the seabed and anti-intrusion robotic systems. The current main scientific challenge is identified in terms of enhancing autonomy and team/swarm mission capabilities by improving interoperability among robotic vehicles and providing communication networking capabilities, a non-trivial task, giving the severe limitations in bandwidth and latency of acoustic underwater messaging.
Concluding, this thesis provides the main research frontiers in underwater surveillance, offering a picture of the current state of the art of the main challenges in the underwater domain and tracing the road ahead towards a large-scale use of robots in such applications.