Vector sensors for underwater acoustic communications

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Bozzi, Fabricio de Abreu
• Orientador(a): Sérgio Manuel Machado Jesus
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Instituição de defesa: University of Algarve
• Palavras-chave em Português: Acústica submarina; Sensor acústico vetorial; Comunicação submarina; Processamentos de sinais acústicos
• Link de acesso: https://www.repositorio.mar.mil.br/handle/ripcmb/846342

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.