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Low probability of detection underwater acoustic communications
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 22.77 MB | Adobe PDF |
Authors
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Abstract(s)
Low probability of detection (LPD) underwater acoustic communications are an essential
requirement for command and control of autonomous underwater vehicles (AUV) or
submarines performing covert missions, avoiding their detection while communicating.
Based on low power signals, these covert communications may also extend the autonomy
of battery-operated AUVs, and contribute to reducing the impacts of the environmental
noise level on marine life. The present thesis aims to develop LPD communications
based on modeled and real data from three shallow water experiments. Thus, a superimposed
training method has been proposed. A bitstream is created superimposing a
long probe to the message before transmission. Computationally simple, the algorithm
explores temporal diversity to increase the processing gain and uses a Wiener filter for
equalization. Experimental results presented bit-error rates (BER) < 10−2 for signal-tonoise
ratios (SNR) < −8 dB. To understand the effects of coastal upwelling phenomena
over low SNR communications, a study compares the acoustic propagation for different
sound speed profiles using a propagation model and analyzes data from the BioCom’19
experiment, performed off Cabo Frio Island (Brazil). Temporal and spatial coherence of
low power signals propagating in this harsh environment are estimated, and both a criterion
for multichannel combining and a double Wiener filter to improve equalization are
presented. Passive time-reversal (pTR) techniques have been widely employed for communications.
To address the pTR channel mismatch due to the environmental variability
between the probe and the data transmissions, this work proposes a superimposed training
pTR (STpTR) approach for single and multichannel systems. Despite the high noise
levels, varying from -5 to +6 dB, the STpTR combined with a Wiener filter achieved
BER < 10−2, for bit rates up to 220 bps. To improve covert communications for AUVs,
this work also presents a study about vector sensor multichannel combining. Using the
STpTR approach, results from an experiment on the coast of Algarve/Portugal indicate
that combining the pressure and particle velocity channels of a vector sensor may provide
an average SNR and mean squared-error gain of up to 9.4 and 3.1 dB, respectively,
compared to the pressure channel. Therefore, a better understanding of the environment
combined with the superimposed training pTR using a vector sensor may improve the
LPD communication system’s performance and robustness while keeping covertness.
No ´últimos anos, os trabalhos de investigação sobre comunicações acústicas submarinas com baixa probabilidade de deteção (BPD) tem sido incentivados pela indústria, pelos governos, e pela própria academia em razão de suas m´múltiplas aplicações. Na ´área militar, as comunicações BPD permitem que submarinos e veículos autónomos possam se comunicar sem serem detectados. Na ´área civil, permitem a economia de energia de sensores alimentados por baterias, aumentando o tempo de funcionamento, bem como contribui para reduzir os impactos sobre a vida marinha causados pelos altos n´ıveis de ru´ıdo submarino, entre outras aplica¸c˜oes. Neste contexto, esta tese pretende desenvolver comunica¸c˜oes BPD utilizando um modelo de propaga¸c˜ao ac´ustica e dados obtidos a partir de trˆes experimentos em ´aguas rasas. Este trabalho apresenta um m´etodo de treinamento superposto para comunica¸c˜oes submarinas em um ambiente com baixa rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo, e demonstra sua aplica¸c˜ao para comunica¸c˜oes BPD. Computacionalmente simples, o m´etodo foi desenvolvido para funcionar com um ´único projetor acústico, transmitindo com baixa potência, e um hidrofone, sem o ganho de um arranjo de sensores distribuídos no espaço. Antes da transmissão, uma longa sequência de comprimento m´máximo ´e somada `a mensagem para efeitos de equalização e sincronismo. Os dois sinais são binários, modulados em fase e possuem 2047 bits. Porém, possuem amplitudes diferentes. Na realidade, a amplitude do sinal de treinamento ´e ligeiramente superior `a da mensagem. Em um ambiente com baixa rela¸c˜ao sinal ru´ıdo, um sinal de treinamento mais forte permite ocultar a mensagem a ser transmitida, bem como melhorar o ganho para a estima¸c˜ao da resposta impulsiva e para a sincroniza¸c˜ao do sistema. A mensagem ´e composta por 3 bits nulos e 4 sequˆencias de 511 bits. Delimitados por uma curta sequˆencia de comprimento m´aximo de 31 bits, para dupla sincroniza¸c˜ao, os pacotes de dados possuem 480 bits e transportam o seguinte pangrama: (The Quick Brown Fox Jumps Over the Lazy Dog 0123456789!@#$). O m´etodo explora a diversidade temporal do canal, transmitindo a mesma sequˆencia diversas vezes para aumentar o ganho de processamento do sinal e implementar a corre¸c˜ao de erros atrav´es da soma coerente dos sinais. A resposta impulsiva do canal ´e estimada pela transformada r´apida de Hadamard, e a equaliza¸c˜ao do sinal ´e feita por um filtro de Wiener. A remo¸c˜ao da interferˆencia causada pelo sinal de treinamento ´e realizada pelo m´etodo “hyperslice cancellation by coordinate zeroing (HCC0)”, e a seguir a mensagem ´e decodificada. Resultados obtidos a partir de um experimento em ´aguas rasas, utilizando uma fonte e um ´único hidrofone, apresentaram taxas de erro de bit menores que 10−2, para relações sinal/ruído inferiores a −8 dB. A ressurgência costeira ´e um fenómeno oceanográfico dinâmico que modifica, profundamente, a estratificação de temperatura do oceano, influenciando diretamente na propagação acústica. Por outro lado, os crescentes n´níveis de ruído antropogénico não apenas reduzem o desempenho dos sistema de comunicação, corrompendo a informação transmitida, mas tamb´em afetam a vida marinha. Para compreender os efeitos da ressurgˆencia costeira sobre as comunica¸c˜oes com baixa rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo, um estudo analisa os dados do experimento BioCom’19, realizado nas proximidades da Ilha do Cabo Frio, Rio de Janeiro (Brasil). As respostas impulsivas do canal e a propaga¸c˜ao ac´ustica, para diferentes perfis de velocidade do som, foram estimadas usando o modelo de propaga¸c˜ao ac´ustica “Monterey-Miami Parabolic Equation model (MMPE)”. Al´em disso, o desempenho do sistema de comunica¸c˜oes foi correlacionado com os perfis de temperatura durante o experimento. Os resultados obtidos indicam uma significativa redu¸c˜ao da energia ac´ustica nos receptores durante a ressurgˆencia, degradando o desempenho do sistema. A coerˆencia temporal e espacial dos sinais de baixa potˆencia transmitidos no experimento BioCom’19 foi estimada, e um crit´erio para combina¸c˜ao dos sinais, provenientes dos m´ultiplos hidrofones, foi proposto. Utilizando dados de um arranjo piramidal e um arranjo vertical linear, de 4 hidrofones cada, a coerˆencia foi estimada antes e depois do filtro de Wiener para mostrar o impacto do multicaminhamento sobre a taxa de erro de bit. Os resultados mostram que a coˆerencia temporal pode ser utilizada como crit´erio para combinar sinais consecutivos em um mesmo canal, enquanto a diversidade espacial permite a combina¸c˜ao de m´ultiplos canais do arranjo de sensores. Sequˆencias cuja coerˆencia temporal esteja acima de um limite pr´e-definido s˜ao somadas. A coerˆencia espacial entre canais foi estimada e comparada em termos da taxa de erro de bit. Para diferentes taxas de transmiss˜ao, as taxas de erro de bit est˜ao em concordˆancia com a evoluc˜ao da coerˆencia espacial. Quanto mais elevada a coerˆencia, melhor o desempenho e menor a taxa de erro de bit. Um duplo filtro de Wiener para melhorar a equaliza¸c˜ao dos sinais de baixa potˆencia, durante a ressurgˆencia, tambem foi proposto. Utilizando dados dos 4 hidrofones de um arranjo piramidal, as respostas impulsivas foram estimadas para observar a variabilidade das condi¸c˜oes de propaga¸c˜ao. Em uma condi¸c˜ao de perfil de temperatura isot´ermico, as respostas impulsivas apresentaram multicaminhamento curto, com chegadas mais fortes nos receptores. `A medida que a ressurgˆencia ocorria, foram observadas quedas abruptas de temperatura superiores a 10◦C, na posi¸c˜ao dos hidrofones, acarretando uma forte refra¸c˜ao da onda sonora para o fundo marinho. Em consequˆencia, sinais mais fracos foram observados nos hidrofones. Os resultados obtidos com dados do BioCom’19 mostram que, para uma rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo variando entre −3.9 e 7.3 dB, o duplo filtro de Wiener forneceu um ganho do erro m´edio quadr´atico de at´e 2.8 dB, comparado com o filtro de Wiener simples. As t´ecnicas de tempo reverso passivo (TRP) tem sido amplamente empregadas nas comunica¸c˜oes submarinas. Por´em, as r´apidas altera¸c˜oes das condi¸c˜oes de propaga¸c˜ao em canais submarinos variantes no tempo, durante as transmiss˜oes da sequˆencia de treinamento e da mensagem, degradam o desempenho das t´ecnicas TRP de equaliza¸c˜ao. Assim, esse trabalho prop˜oe um m´etodo de TRP utilizando treinamento superposto, para sistemas com um ou m´ultiplos sensores. O m´etodo proposto utiliza uma sequˆencia de treinamento, com o efeito Doppler corrigido, para estimar o canal e realizar o TRP. O m´etodo compara 3 differentes estrat´egias para melhorar a performance do sistema de comunica¸c˜ao: a diversidade temporal devido aos sinais idˆenticos transmitidos continuamente, a diversidade espacial devido aos 2 arranjos de hidrofones, piramidal e linear, com 4 hidrofones cada um, al´em da combina¸c˜ao dos 2 arranjos (8 hidrofones). Neste m´etodo, a t´ecnica de TRP com treinamento superposto minimiza o multicaminhamento e realiza a corre¸c˜ao de erros atrav´es da soma coerente dos diferentes canais. A interferˆencia intersimb´olica residual ´e removida pelo filtro de Wiener. Resultados obtidos com dados do experimento BioCom’19 mostram que o m´etodo proposto pode fornecer um ganho do erro médio quadrático de até 1.62 dB para canais independentes, e 3.13 dB, para canais combinados, comparativamente ao m´etodo sem o TRP, usando apenas o filtro de Wiener. Neste contexto, o m´etodo de TRP utilizando treinamento superposto alcan¸cou taxas de erro de bit < 10−2 para uma rela¸c˜ao sinal ru´ıdo, na banda de transmiss˜ao, variando entre −5 a +6 dB. Focado em comunica¸c˜oes com baixa probabilidade de detec¸c˜ao para pequenos ve´ıculos submarinos, este trabalho tamb´em apresenta um estudo sobre a combina¸c˜ao dos canais de press˜ao e velocidade de part´ıcula dos sensores vetoriais. Os sensores vetoriais possuem pequenas dimens˜oes, adequadas `a utilizac˜ao em ve´ıculos autˆonomos, e permitem obter um ganho de diversidade para as comunica¸c˜oes BPD. Para testar o m´etodo de treinamento superposto com o tempo reverso passivo utilizando sensores vetoriais, um experimento foi realizado, em ´aguas rasas, na costa do Algarve/Portugal. Para reduzir a rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo para uma faixa de 0 a −10 dB, foi adicionado ru´ıdo gravado no experimento. Os resultados experimentais indicam que a combina¸c˜ao dos canais podem fornecer um ganho da rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo e do erro m´edio quadr´atico de at´e 9.4 e 3.1 dB, respectivamente, comparados com os resultados do sensor de press˜ao. Portanto, as principais contribui¸c˜oes dessa tese s˜ao (i) a proposta do m´etodo de treinamento superposto para comunica¸c˜oes com baixa probabilidade de detec¸c˜ao, (ii) a compreens ˜ao dos efeitos da ressurgˆencia costeira sobre as comunica¸c˜oes, e seus impactos sobre a coerˆencia temporal e espacial, (iii) o m´etodo de treinamento superposto em conjunto com o tempo reverso passivo para lidar com a varia¸c˜ao do canal entre o tempo de recep¸c˜ao do sinal de treinamento e da mensagem, e (iv) a combina¸c˜ao dos m´ultiplos canais dos sensores vetoriais para comunica¸c˜oes BPD. Dessa forma, uma melhor compreens˜ao do canal submarino e a utiliza¸c˜ao dos m´etodos propostos combinados com sensores do estado da arte, como os sensores vetoriais, se configura como um avan¸co neste campo do conhecimento, permitindo aumentar a robustez do sistema BPD, bem como reduzir a probabilidade de detec¸c˜ao, mantendo a ocultação das comunicações.
No ´últimos anos, os trabalhos de investigação sobre comunicações acústicas submarinas com baixa probabilidade de deteção (BPD) tem sido incentivados pela indústria, pelos governos, e pela própria academia em razão de suas m´múltiplas aplicações. Na ´área militar, as comunicações BPD permitem que submarinos e veículos autónomos possam se comunicar sem serem detectados. Na ´área civil, permitem a economia de energia de sensores alimentados por baterias, aumentando o tempo de funcionamento, bem como contribui para reduzir os impactos sobre a vida marinha causados pelos altos n´ıveis de ru´ıdo submarino, entre outras aplica¸c˜oes. Neste contexto, esta tese pretende desenvolver comunica¸c˜oes BPD utilizando um modelo de propaga¸c˜ao ac´ustica e dados obtidos a partir de trˆes experimentos em ´aguas rasas. Este trabalho apresenta um m´etodo de treinamento superposto para comunica¸c˜oes submarinas em um ambiente com baixa rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo, e demonstra sua aplica¸c˜ao para comunica¸c˜oes BPD. Computacionalmente simples, o m´etodo foi desenvolvido para funcionar com um ´único projetor acústico, transmitindo com baixa potência, e um hidrofone, sem o ganho de um arranjo de sensores distribuídos no espaço. Antes da transmissão, uma longa sequência de comprimento m´máximo ´e somada `a mensagem para efeitos de equalização e sincronismo. Os dois sinais são binários, modulados em fase e possuem 2047 bits. Porém, possuem amplitudes diferentes. Na realidade, a amplitude do sinal de treinamento ´e ligeiramente superior `a da mensagem. Em um ambiente com baixa rela¸c˜ao sinal ru´ıdo, um sinal de treinamento mais forte permite ocultar a mensagem a ser transmitida, bem como melhorar o ganho para a estima¸c˜ao da resposta impulsiva e para a sincroniza¸c˜ao do sistema. A mensagem ´e composta por 3 bits nulos e 4 sequˆencias de 511 bits. Delimitados por uma curta sequˆencia de comprimento m´aximo de 31 bits, para dupla sincroniza¸c˜ao, os pacotes de dados possuem 480 bits e transportam o seguinte pangrama: (The Quick Brown Fox Jumps Over the Lazy Dog 0123456789!@#$). O m´etodo explora a diversidade temporal do canal, transmitindo a mesma sequˆencia diversas vezes para aumentar o ganho de processamento do sinal e implementar a corre¸c˜ao de erros atrav´es da soma coerente dos sinais. A resposta impulsiva do canal ´e estimada pela transformada r´apida de Hadamard, e a equaliza¸c˜ao do sinal ´e feita por um filtro de Wiener. A remo¸c˜ao da interferˆencia causada pelo sinal de treinamento ´e realizada pelo m´etodo “hyperslice cancellation by coordinate zeroing (HCC0)”, e a seguir a mensagem ´e decodificada. Resultados obtidos a partir de um experimento em ´aguas rasas, utilizando uma fonte e um ´único hidrofone, apresentaram taxas de erro de bit menores que 10−2, para relações sinal/ruído inferiores a −8 dB. A ressurgência costeira ´e um fenómeno oceanográfico dinâmico que modifica, profundamente, a estratificação de temperatura do oceano, influenciando diretamente na propagação acústica. Por outro lado, os crescentes n´níveis de ruído antropogénico não apenas reduzem o desempenho dos sistema de comunicação, corrompendo a informação transmitida, mas tamb´em afetam a vida marinha. Para compreender os efeitos da ressurgˆencia costeira sobre as comunica¸c˜oes com baixa rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo, um estudo analisa os dados do experimento BioCom’19, realizado nas proximidades da Ilha do Cabo Frio, Rio de Janeiro (Brasil). As respostas impulsivas do canal e a propaga¸c˜ao ac´ustica, para diferentes perfis de velocidade do som, foram estimadas usando o modelo de propaga¸c˜ao ac´ustica “Monterey-Miami Parabolic Equation model (MMPE)”. Al´em disso, o desempenho do sistema de comunica¸c˜oes foi correlacionado com os perfis de temperatura durante o experimento. Os resultados obtidos indicam uma significativa redu¸c˜ao da energia ac´ustica nos receptores durante a ressurgˆencia, degradando o desempenho do sistema. A coerˆencia temporal e espacial dos sinais de baixa potˆencia transmitidos no experimento BioCom’19 foi estimada, e um crit´erio para combina¸c˜ao dos sinais, provenientes dos m´ultiplos hidrofones, foi proposto. Utilizando dados de um arranjo piramidal e um arranjo vertical linear, de 4 hidrofones cada, a coerˆencia foi estimada antes e depois do filtro de Wiener para mostrar o impacto do multicaminhamento sobre a taxa de erro de bit. Os resultados mostram que a coˆerencia temporal pode ser utilizada como crit´erio para combinar sinais consecutivos em um mesmo canal, enquanto a diversidade espacial permite a combina¸c˜ao de m´ultiplos canais do arranjo de sensores. Sequˆencias cuja coerˆencia temporal esteja acima de um limite pr´e-definido s˜ao somadas. A coerˆencia espacial entre canais foi estimada e comparada em termos da taxa de erro de bit. Para diferentes taxas de transmiss˜ao, as taxas de erro de bit est˜ao em concordˆancia com a evoluc˜ao da coerˆencia espacial. Quanto mais elevada a coerˆencia, melhor o desempenho e menor a taxa de erro de bit. Um duplo filtro de Wiener para melhorar a equaliza¸c˜ao dos sinais de baixa potˆencia, durante a ressurgˆencia, tambem foi proposto. Utilizando dados dos 4 hidrofones de um arranjo piramidal, as respostas impulsivas foram estimadas para observar a variabilidade das condi¸c˜oes de propaga¸c˜ao. Em uma condi¸c˜ao de perfil de temperatura isot´ermico, as respostas impulsivas apresentaram multicaminhamento curto, com chegadas mais fortes nos receptores. `A medida que a ressurgˆencia ocorria, foram observadas quedas abruptas de temperatura superiores a 10◦C, na posi¸c˜ao dos hidrofones, acarretando uma forte refra¸c˜ao da onda sonora para o fundo marinho. Em consequˆencia, sinais mais fracos foram observados nos hidrofones. Os resultados obtidos com dados do BioCom’19 mostram que, para uma rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo variando entre −3.9 e 7.3 dB, o duplo filtro de Wiener forneceu um ganho do erro m´edio quadr´atico de at´e 2.8 dB, comparado com o filtro de Wiener simples. As t´ecnicas de tempo reverso passivo (TRP) tem sido amplamente empregadas nas comunica¸c˜oes submarinas. Por´em, as r´apidas altera¸c˜oes das condi¸c˜oes de propaga¸c˜ao em canais submarinos variantes no tempo, durante as transmiss˜oes da sequˆencia de treinamento e da mensagem, degradam o desempenho das t´ecnicas TRP de equaliza¸c˜ao. Assim, esse trabalho prop˜oe um m´etodo de TRP utilizando treinamento superposto, para sistemas com um ou m´ultiplos sensores. O m´etodo proposto utiliza uma sequˆencia de treinamento, com o efeito Doppler corrigido, para estimar o canal e realizar o TRP. O m´etodo compara 3 differentes estrat´egias para melhorar a performance do sistema de comunica¸c˜ao: a diversidade temporal devido aos sinais idˆenticos transmitidos continuamente, a diversidade espacial devido aos 2 arranjos de hidrofones, piramidal e linear, com 4 hidrofones cada um, al´em da combina¸c˜ao dos 2 arranjos (8 hidrofones). Neste m´etodo, a t´ecnica de TRP com treinamento superposto minimiza o multicaminhamento e realiza a corre¸c˜ao de erros atrav´es da soma coerente dos diferentes canais. A interferˆencia intersimb´olica residual ´e removida pelo filtro de Wiener. Resultados obtidos com dados do experimento BioCom’19 mostram que o m´etodo proposto pode fornecer um ganho do erro médio quadrático de até 1.62 dB para canais independentes, e 3.13 dB, para canais combinados, comparativamente ao m´etodo sem o TRP, usando apenas o filtro de Wiener. Neste contexto, o m´etodo de TRP utilizando treinamento superposto alcan¸cou taxas de erro de bit < 10−2 para uma rela¸c˜ao sinal ru´ıdo, na banda de transmiss˜ao, variando entre −5 a +6 dB. Focado em comunica¸c˜oes com baixa probabilidade de detec¸c˜ao para pequenos ve´ıculos submarinos, este trabalho tamb´em apresenta um estudo sobre a combina¸c˜ao dos canais de press˜ao e velocidade de part´ıcula dos sensores vetoriais. Os sensores vetoriais possuem pequenas dimens˜oes, adequadas `a utilizac˜ao em ve´ıculos autˆonomos, e permitem obter um ganho de diversidade para as comunica¸c˜oes BPD. Para testar o m´etodo de treinamento superposto com o tempo reverso passivo utilizando sensores vetoriais, um experimento foi realizado, em ´aguas rasas, na costa do Algarve/Portugal. Para reduzir a rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo para uma faixa de 0 a −10 dB, foi adicionado ru´ıdo gravado no experimento. Os resultados experimentais indicam que a combina¸c˜ao dos canais podem fornecer um ganho da rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo e do erro m´edio quadr´atico de at´e 9.4 e 3.1 dB, respectivamente, comparados com os resultados do sensor de press˜ao. Portanto, as principais contribui¸c˜oes dessa tese s˜ao (i) a proposta do m´etodo de treinamento superposto para comunica¸c˜oes com baixa probabilidade de detec¸c˜ao, (ii) a compreens ˜ao dos efeitos da ressurgˆencia costeira sobre as comunica¸c˜oes, e seus impactos sobre a coerˆencia temporal e espacial, (iii) o m´etodo de treinamento superposto em conjunto com o tempo reverso passivo para lidar com a varia¸c˜ao do canal entre o tempo de recep¸c˜ao do sinal de treinamento e da mensagem, e (iv) a combina¸c˜ao dos m´ultiplos canais dos sensores vetoriais para comunica¸c˜oes BPD. Dessa forma, uma melhor compreens˜ao do canal submarino e a utiliza¸c˜ao dos m´etodos propostos combinados com sensores do estado da arte, como os sensores vetoriais, se configura como um avan¸co neste campo do conhecimento, permitindo aumentar a robustez do sistema BPD, bem como reduzir a probabilidade de detec¸c˜ao, mantendo a ocultação das comunicações.
Description
Keywords
Comunicações submarinas Baixa probabilidade de detecção Filtro de wiener Coerência Tempo reverso passivo Sensores vetoriais