Low probability of detection underwater acoustic communications - Louza, Fabio Barbosa (2022)
Nos últimos anos, os trabalhos de investigação sobre comunicações acústicas submarinas com baixa probabilidade de detecção (BPD) tem sido incentivados pela indústria, pelos governos, e pela própria academia em razão de suas múltiplas aplicações. Na área militar, as comunicações BPD permitem que submarinos e veículos autônomos 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 níveis de ruído submarino, entre outras aplicações. Neste contexto, esta tese pretende desenvolver comunicações BPD utilizando um modelo de propagação acústica e dados obtidos a partir de três experimentos em águas rasas. Este trabalho apresenta um método de treinamento superposto para comunicações sub- marinas em um ambiente com baixa relação sinal/ruído, e demonstra sua aplicação para comunicações BPD. Computacionalmente simples, o método 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 máximo é somada `a mensagem para efeitos de equalização e sin- cronismo. Os dois sinais são binários, modulados em fase e possuem 2047 bits. Porém, possuem amplitudes diferentes. Na realidade, a amplitude do sinal de treinamento é ligeira- mente superior `a da mensagem. Em um ambiente com baixa relação sinal ruído, um sinal de treinamento mais forte permite ocultar a mensagem a ser transmitida, bem como melhorar o ganho para a estimação da resposta impulsiva e para a sincronização do sistema. A men- sagem é composta por 3 bits nulos e 4 sequências de 511 bits. Delimitados por uma curta sequência de comprimento máximo de 31 bits, para dupla sincronização, os pacotes de dados possuem 480 bits e transportam o seguinte pangrama: (The Quick Brown Fox Jumps Over the Lazy Dog 0123456789!@#$). O método explora a diversidade temporal do canal, trans- mitindo a mesma sequência diversas vezes para aumentar o ganho de processamento do sinal e implementar a correção de erros através da soma coerente dos sinais. A resposta impulsiva do canal é estimada pela transformada rápida de Hadamard, e a equalização do sinal é feita por um filtro de Wiener. A remoção da interferência causada pelo sinal de treinamento é realizada pelo método “hyperslice cancellation by coordinate zeroing (HCC0)”, e a seguir a mensagem é decodificada. Resultados obtidos a partir de um experimento em águas 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 é um fenômeno oceanográfico dinâmico que modifica, profunda- mente, a estratificação de temperatura do oceano, influenciando diretamente na propagação acústica. Por outro lado, os crescentes níveis de ruído antropogênico não apenas reduzem o desempenho dos sistema de comunicação, corrompendo a informação transmitida, mas também afetam a vida marinha. Para compreender os efeitos da ressurgência costeira sobre as comunicações com baixa relação sinal/ruído, 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 propagação acústica, para diferentes perfis de velocidade do som, foram estimadas usando o modelo de propagação acústica “Monterey-Miami Parabolic Equation model (MMPE)”. Além disso, o desempenho do sistema de comunicações foi cor- relacionado com os perfis de temperatura durante o experimento. Os resultados obtidos indicam uma significativa redução da energia acústica nos receptores durante a ressurgência, degradando o desempenho do sistema. A coerência temporal e espacial dos sinais de baixa potência transmitidos no experimento BioCom’19 foi estimada, e um critério para combinação dos sinais, provenientes dos múltiplos hidrofones, foi proposto. Utilizando dados de um arranjo piramidal e um arranjo vertical linear, de 4 hidrofones cada, a coerência 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 coerência temporal pode ser utilizada como critério para combinar sinais consecutivos em um mesmo canal, enquanto a diversidade espacial permite a combinação múltiplos canais do arranjo de sensores. Sequências cuja coerência temporal esteja acima de um limite pré-definido são somadas. A coerência espacial entre canais foi estimada e comparada em termos da taxa de erro de bit. Para diferentes taxas de transmissão, as taxas de erro de bit estão em concordância com a evolução da coerência espacial. Quanto mais elevada a coerência, 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 potência, durante a ressurgência, também foi proposto. Utilizando dados dos 4 hidrofones de um arranjo piramidal, as respostas impulsivas foram estimadas para observar a variabilidade das condições de propagação. Em uma condição de perfil de temperatura isotérmico, as respostas impulsivas apresentaram multicaminhamento curto, com chegadas mais fortes nos receptores. À medida que a ressurgência ocorria, foram observadas quedas abruptas de temperatura superiores a 10◦C, na posição dos hidrofones, acarretando uma forte refração da onda sonora para o fundo marinho. Em consequência, sinais mais fracos foram observados nos hidrofones. Os resultados obtidos com dados do BioCom’19 mostram que, para uma relação sinal/ruído variando entre −3.9 e 7.3 dB, o duplo filtro de Wiener forneceu um ganho do erro médio quadrático de at´e 2.8 dB, comparado com o filtro de Wiener simples. As técnicas de tempo reverso passivo (TRP) tem sido amplamente empregadas nas comunicações submarinas. Porém, as rápidas alterações das condições de propagação em canais submarinos variantes no tempo, durante as transmissões da sequência de treinamento e da mensagem, degradam o desempenho das técnicas TRP de equalização. Assim, esse trabalho propõe um método de TRP utilizando treinamento superposto, para sistemas com um ou múltiplos sensores. O método proposto utiliza uma sequência de treinamento, com o efeito Doppler corrigido, para estimar o canal e realizar o TRP. O método compara 3 diferentes estratégias para melhorar a performance do sistema de comunicação: a diversidade temporal devido aos sinais idênticos transmitidos continuamente, a diversidade espacial devido aos 2 arranjos de hidrofones, piramidal e linear, com 4 hidrofones cada um, além da combinação dos 2 arranjos (8 hidrofones). Neste método, a técnica de TRP com treinamento superposto minimiza o multicaminhamento e realiza a correção de erros através da soma coerente dos diferentes canais. A interferência intersimbólica residual é removida pelo filtro de Wiener. Resultados obtidos com dados do experimento BioCom’19 mostram que o método 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 método sem o TRP, usando apenas o filtro de Wiener. Neste contexto, o método de TRP utilizando treinamento superposto alcançou taxas de erro de bit < 10−2 para uma relação sinal ruído, na banda de transmissão, variando entre −5 a +6 dB. Focado em comunicações com baixa probabilidade de detecção para pequenos veículos submarinos, este trabalho também apresenta um estudo sobre a combinação dos canais de pressão e velocidade de partícula dos sensores vetoriais. Os sensores vetoriais possuem pequenas dimensões, adequadas `a utilização em veículos autônomos, e permitem obter um ganho de diversidade para as comunicações BPD. Para testar o método de treinamento superposto com o tempo reverso passivo utilizando sensores vetoriais, um experimento foi realizado, em águas rasas, na costa do Algarve/Portugal. Para reduzir a rela¸c˜ao sinal/ruído para uma faixa de 0 a −10 dB, foi adicionado ruído gravado no experimento. Os resultados experimentais indicam que a combina¸c˜ao dos canais podem fornecer um ganho da rela¸c˜ao sinal/ruído e do erro médio quadrático de até 9.4 e 3.1 dB, respectivamente, comparados com os resultados do sensor de pressão. Portanto, as principais contribuições dessa tese são (i) a proposta do método de treina- mento superposto para comunicações com baixa probabilidade de detecção, (ii) a com- preensão dos efeitos da ressurgência costeira sobre as comunicações, e seus impactos sobre a coerência temporal e espacial, (iii) o método de treinamento superposto em conjunto com o tempo reverso passivo para lidar com a variação do canal entre o tempo de recepção do sinal de treinamento e da mensagem, e (iv) a combinação dos múltiplos canais dos sensores veto- riais para comunicações BPD. Dessa forma, uma melhor compreensão do canal submarino e a utilização dos métodos propostos combinados com sensores do estado da arte, como os sensores vetoriais, se configura como um avanço neste campo do conhecimento, permitindo aumentar a robustez do sistema BPD, bem como reduzir a probabilidade de detecção, man- tendo a ocultação das comunicações.