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Repositório Institucional da Produção Científica da Marinha do Brasil (RI-MB)

Please use this identifier to cite or link to this item: https://www.repositorio.mar.mil.br/handle/ripcmb/846342
Title: Vector sensors for underwater acoustic communications
Authors: Bozzi, Fabricio de Abreu
metadata.dc.contributor.advisor: Sérgio Manuel Machado Jesus
Keywords: Acústica submarina
Sensor acústico vetorial
Comunicação submarina
Processamentos de sinais acústicos
DGPM knowledge areas: Acústica submarina
Issue Date: 2023
Publisher: University of Algarve
Description: Sensores vetoriais acústicos (em inglês, acoustic vector sensors) são dispositivos que medem, além da pressão acústica, a velocidade de partı́cula. Esta última, é uma medida que se refere a um eixo, portando, está associada a uma direção. Ao combinar pressão acústica com componentes de velocidade de partı́cula pode-se estimar a direção de uma fonte sonora utilizando apenas um sensor vetorial. Na realidade, “um” sensor vetorial é composto de um sensor de pressão (hidrofone) e um ou mais sensores que medem componentes da velocidade de partı́cula. Como podemos notar, o aspecto inovador está na medição da velocidade de partı́cula, dado que os hidrofones já são conhecidos. As duas tecnologias mais utilizados para medição da velocidade de partı́cula são: via gradiente de pressão ou via sensores inerciais, onde a primeira provem uma estimativa e a segunda uma medida verdadeira. A partir destes tipos de tecnologias, dão-se os nomes mais conhecidos dos sensores vetoriais, chamados de pressure-gradient ou accelerometer-based vector sensors. Obviamente que cada tecnologia possui vantagens e desvantagens, mas resumidamente, pode-se dizer que o modelo baseado em gradiente de pressão é mais adequado para instalações fixas, dado que ele é mais imune ao movimento e ao ruı́do de arraste, enquanto que sua faixa dinâmica de operação é limitada. Por outro lado, os baseados em acelerômetros possuem uma banda de operação mais ampla e são frequentemente utilizados para baixa frequência (< 1 kHz), mas possuem problemas de ruı́do de arraste, por isso são mais adequados para instalações como em boias à deriva. A partir da compreensão básica dos sensores vetoriais, que como percebemos, consiste na informação direcional “extra”, resta perguntar como tirar proveito desta informação para as comunicações. O problema das comunicações consiste na baixa relação sinal ruı́do (SNR), que está relacionado com a atenuação do sinal transmitido ao longo do meio, ou seja, a perda por propagação, e na interferência intersimbólica (ISI), que está relacionado com a distorção que o canal acústico causa no sinal recebido. A literatura tem mostrado que os componentes de pressão e velocidade de partı́cula tem sido utilizados de forma independentes em estruturas “padrões” de comunicação. Observou-se que como os canais direcionais estão arranjados de forma ortogonal, os sinais recebidos podem ser diversos, em amplitude e fase, o que lembra o conceito de diversidade espacial, já utilizado em arranjos de sensores de pressão. Portanto, de forma similar, a ideia é que quanto mais diversos e maior o número canais disponı́veis, maior a probabilidade de recuperar e decodificar o sinal recebido. Entretanto, o que ainda não se compreende completamente é como explicitamente tirar proveito dos canais direcionais. Neste sentido questiona-se, qual abordagem utilizar, seja via filtro casado (ou combinação passiva de tempo reverso), ou equalizadores de múltiplos canais, ou conformação de feixes. Outro aspecto que se coloca se refere às estruturas receptoras já utilizadas para arranjos de pressão que poderiam ser propriamente adaptadas para as caracterı́sticas dos componentes direcionais. Além disso, as vantagens ou limitações de cada método ainda não foram comparativamente demonstradas. Portanto, estas questões elencadas serviram devi base para o desenvolvimento do doutorado, que tencionou a responder, ainda que de forma particular, cada uma delas.
Abstract: Acoustic vector sensors measure acoustic pressure and directional components separately. A claimed advantage of vector sensors over pressure-only arrays is the directional informa- tion in a collocated device, making it an attractive option for size-restricted applications. The employment of vector sensors as a receiver for underwater communications is rela- tively new, where the inherent directionality, usually related to particle velocity, is used for signal-to-noise gain and intersymbol interference mitigation. The fundamental ques- tion is how to use vector sensor directional components to benefit communications, which this work seeks to answer and to which it contributes by performing: analysis of acoustic pressure and particle velocity components; comparison of vector sensor receiver structures exploring beamforming and diversity; quantification of adapted receiver structures in dis- tinct acoustic scenarios and using different types of vector sensors. Analytic expressions are shown for pressure and particle velocity channels, revealing extreme cases of correla- tion between vector sensors’ components. Based on the correlation hypothesis, receiver structures are tested with simulated and experimental data. In a first approach, called vector sensor passive time-reversal, we take advantage of the channel diversity provided by the inherent directivity of vector sensors’ components. In a second approach named vector sensor beam steering, pressure and particle velocity components are combined, re- sulting in a steered beam for a specific direction. At last, a joint beam steering and passive time-reversal is proposed, adapted for vector sensors. Tested with two distinct experimental datasets, where vector sensors are either positioned on the bottom or tied to a vessel, a broad performance comparison shows the potential of each receiver struc- ture. Analysis of results suggests that the beam steering structure is preferable for shorter source-receiver ranges, whereas the passive time-reversal is preferable for longer ranges. Results show that the joint beam steering and passive time-reversal is the best option to reduce communication error with robustness along the range.
Access: Open access
URI: https://www.repositorio.mar.mil.br/handle/ripcmb/846342
Type: Doctoral thesis
Appears in Collections:Ciência, Tecnologia e Inovação: Coleção de Teses

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