Флуктуации акустического импульсного отклика и когерентная звукоподводная связь в мелком море в осенних условиях

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты натурного эксперимента, направленного на оценку временной изменчивости импульсного отклика гидроакустического канала и эффективности когерентной звукоподводной связи с помощью придонных источников и приемников на частотах ~10 кГц на шельфе Черного моря в осенний период. В структуре импульсного отклика на протяжении всего эксперимента (~36 ч) наблюдались три выраженных максимума переменной амплитуды. Диапазон изменчивости уровня среднеквадратической ошибки декодирования составил ~11 дБ, доля битовых ошибок варьировалась в диапазоне от 0 до 0.10. Выявлена связь величин ошибок декодирования сигналов с амплитудой максимального прихода в структуре опорного импульсного отклика, соответствующего группе однократно отраженных от поверхности лучей, а также с коэффициентом вариации высокочастотных флуктуаций амплитуды этого прихода в мгновенной оценке импульсного отклика. С помощью численного моделирования подтверждена гипотеза о том, что в осенних условиях, характеризующихся отсутствием выраженного сезонного термоклина, основной гидрофизической причиной изменчивости амплитуды основного прихода и, как следствие, эффективности звукоподводной связи, является незначительное (доли градуса) изменение температуры в водном слое.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Шатравин

Институт Океанологии им. П.П. Ширшова РАН; Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: ashatravin@ocean.ru
Россия, Нахимовский проспект 36, Москва, 117997; ул. Вавилова 38, Москва, 119991

Список литературы

  1. Rudnick D. L. Ocean research enabled by underwater gliders // Annual review of marine science. 2016. V. 8. P. 519–541.
  2. Островский А.Г. и др. Автономный мобильный аппаратно-программный комплекс вертикального зондирования морской среды на заякоренной буйковой станции // Океанология. 2013. Т. 53. № 2. С. 259–259.
  3. Krishfield R. et al. Automated ice-tethered profilers for seawater observations under pack ice in all seasons // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2008. V. 25. № 11. P. 2091–2105.
  4. Roemmich D., Owens W. The Argo project: Global ocean observations for understanding and prediction of climate variability // Oceanography. 2000. V. 13. № 2. P. 45–50.
  5. Ostrovskii A.G. et al. Automated tethered profiler for hydrophysical and bio-optical measurements in the Black Sea carbon observational site // J. Marine Science and Engineering. 2022. V. 10. № 3. P. 322.
  6. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1982.
  7. Fisher F.H., Simmons V.P. Sound absorption in sea water // J. Acoust. Soc. Am. 1977. V. 62. № 3. P. 558–564.
  8. Sozer E.M., Stojanovic M., Proakis J.G. Underwater acoustic networks // IEEE J. Oceanic Engineering. 2000. V. 25. № 1. P. 72–83.
  9. Chitre M., Shahabudeen S., Stojanovic M. Underwater acoustic communications and networking: Recent advances and future challenges // Marine Technology Soc. J. 2008. V. 42. № 1. P. 103–116.
  10. González-García J. et al. Autonomous underwater vehicles: Localization, navigation, and communication for collaborative missions // Applied sciences. 2020. V. 10. № 4. P. 1256.
  11. Ali M.F. et al. Recent advances and future directions on underwater wireless communications // Archives of Computational Methods in Engineering. 2020. V. 27. P. 1379–1412.
  12. Zia M.Y. I., Poncela J., Otero P. State-of-the-art underwater acoustic communication modems: Classifications, analyses and design challenges // Wireless personal communications. 2021. V. 116. P. 1325–1360.
  13. Sendra S., Lloret J., Jimenez J.M. and Parra L. Underwater acoustic modems // IEEE Sensors J. 2015. V. 16. № 11. P.4063–4071.
  14. Акуличев В.А., Каменев С.И., Моргунов Ю.Н. Применение сложных акустических сигналов в системах связи и управления подводными объектами // Докл. Акад. наук. 2009. Т. 426. № 6. С. 821–823.
  15. Моргунов Ю.Н., Буренин А.В., Безответных В.В., Голов А.А. Распространение импульсных псевдослучайных сигналов из шельфа в глубокое море в зимних гидрологических условиях Японского моря // Акуст. журн. 2017. Т. 63. № 6. С. 646–650.
  16. Моргунов Ю.Н., Безответных В.В., Голов А.А., Буренин А.В., Лебедев М.С., Петров П.С. Экспериментальное исследование импульсной характеристики волновода Японского моря с использованием псевдослучайных последовательностей в приложении к навигации удаленных объектов // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 3. С. 291–297.
  17. Song H.C. et al. Long-range acoustic communication in deep water using a towed array // J. Acoust. Soc. Am. 2011. V. 129. № 3. P. EL71–EL75.
  18. Shimura T. et al. Long-range time reversal communication in deep water: Experimental results // J. Acoust. Soc. Am. 2012. V. 132. № 1. P. EL49–EL53.
  19. Freitag L., Stojanovic M. Basin-scale acoustic communication: A feasibility study using tomography m-sequences // MTS/IEEE Oceans 2001. An Ocean Odyssey. Conference Proc. (IEEE Cat. No. 01CH37295). IEEE, 2001. V. 4. P. 2256–2261.
  20. Sklar B. Digital Communications. NJ, Englewood Cliffs: Prentice-Hall, 2001.
  21. Proakis J. Digital Communications. NY USA: McGraw-Hill, 2001.
  22. Jeruchim M.C., Balaban P., Shanmugan K.S. Simulation of communication systems: modeling, methodology and techniques. Springer Science & Business Media, 2006.
  23. Stojanovic M. Underwater acoustic communications: Design considerations on the physical layer // 2008 Fifth Annual Conf. on Wireless on Demand Network Systems and Services, 2008 Jan 23. P. 1–10. IEEE, 2008.
  24. Kilfoyle D.B. and Baggeroer A.B. The state of the art in underwater acoustic telemetry // IEEE J. Oceanic Engineering. 2000. V. 25. № 1. P. 4–27.
  25. Stojanovic M. and Preisig J. Underwater acoustic communication channels: Propagation models and statistical characterization // IEEE Communications Magazine. 2009. V. 47. № 1. P. 84–89.
  26. Yang T.C. Properties of underwater acoustic communication channels in shallow water // J. Acoust. Soc. Am. 2012. V. 131. № 1. P. 129–145.
  27. Бобровский И.В., Яготинец В.П. Экспериментальные исследования акустической системы связи в условиях мелководья // Акуст. журн. 2013. Т. 59. № 6. С. 667–667.
  28. Курьянов Б.Ф., Пенкин М.М. Цифровая акустическая связь в мелком море для океанологических применений // Акуст. журн. 2010. Т. 56. № 2. С. 245–255.
  29. Rodionov A.Y., Kulik S.Y. and Unru P.P. Some trial results of the hydro acoustical communication system operation for AUV and ASV group control and navigation // In OCEANS 2016, September. MTS/IEEE Monterey. P. 1–8. IEEE, 2016.
  30. Qarabaqi P. and Stojanovic M. Statistical characterization and computationally efficient modeling of a class of underwater acoustic communication channels // IEEE J. Oceanic Engineering. 2013. V. 38. № 4. P. 701–717.
  31. Preisig J.C. Performance analysis of adaptive equalization for coherent acoustic communications in the time-varying ocean environment // J. Acoust. Soc. Am. 2005. V. 118. № 1. P. 263–278.
  32. Chitre M. A high-frequency warm shallow water acoustic communications channel model and measurements // J. Acoust. Soc. Am. 2007. V. 122. № 5. P. 2580–2586.
  33. Siderius M., Porter M.B., Hursky P., McDonald V. and KauaiEx Group. Effects of ocean thermocline variability on noncoherent underwater acoustic communications // J. Acoust. Soc. Am. 2007. V. 121. № 4. P. 1895–1908.
  34. Qarabaqi P. and Stojanovic M. Modeling the large scale transmission loss in underwater acoustic channels // In 49th Annual Allerton Conf. on Communication, Control, and Computing (Allerton), 2011, September. P. 445–452. IEEE, 2011.
  35. Song A., Badiey M., Newhall A.E., Lynch J.F., DeFerrari H.A. and Katsnelson B.G. Passive time reversal acoustic communications through shallow-water internal waves // IEEE J. Oceanic Engineering. 2010. V. 35. № 4. P. 756–765.
  36. Yang T.C. The effect of internal waves on low-frequency underwater acoustic communications // J. Acoust. Soc. Am. 2004. V. 115. № 5. P. 2469–2469.
  37. Carbone N.M. and Hodgkiss W.S. Effects of tidally driven temperature fluctuations on shallow-water acoustic communications at 18 kHz // IEEE J. Oceanic Engineering. 2000. V. 25. № 1. P. 84–94.
  38. Song A., Badiey M., Song H.C., Hodgkiss W.S., Porter M.B. and the KauaiEx Group. Impact of ocean variability on coherent underwater acoustic communications during the Kauai experiment (KauaiEx) // J. Acoust. Soc. Am. 2008. V. 123. № 2. P. 856–865.
  39. Preisig J. Acoustic propagation considerations for underwater acoustic communications network development // ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review. 2007. V. 11. № 4. P. 2–10.
  40. van Walree P.A. et al. The watermark benchmark for underwater acoustic modulation schemes // IEEE J. Oceanic Engineering. 2017. V. 42. № 4. P. 1007–1018.
  41. Зацепин А.Г., Островский А.Г., Кременецкий В.В. и др. Подспутниковый полигон для изучения гидрофизических процессов в шельфово-склоновой зоне Черного моря // Изв. Рос. Акад. наук. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50. № 1. С. 16.
  42. Rife D.D., Vanderkooy J. Transfer-function measurement with maximum-length sequences // J. Audio Engineering Society. 1989. V. 37. № 6. P. 419–444.
  43. Stojanovic M., Proakis J.G., Catipovic J.A. Performance of high-rate adaptive equalization on a shallow water acoustic channel // J. Acoust. Soc. Am. 1996. V. 100. № 4. P. 2213–2219.
  44. Del Grosso V.A. New equation for the speed of sound in natural waters (with comparisons to other equations) // J. Acoust. Soc. Am. 1974. V. 56. № 4. P. 1084–1091.
  45. Porter M.B. The bellhop manual and user’s guide: Preliminary draft // Heat, Light, and Sound Research, Inc., La Jolla, CA, USA, Tech. Rep. 2011. V. 260.
  46. Katsnelson B., Petnikov V. and Lynch J. Fundamentals of shallow water acoustics. V. 1. New York: Springer, 2012.
  47. Волков М.В., Григорьев В.А., Жилин И.В., Луньков А.А., Петников В.Г., Шатравин А.В. Мелководный акустический волновод арктического типа как канал для передачи информации при звукоподводной связи // Акуст. журн. 2018. Т. 64. № 6. С. 676–681.
  48. Hamilton E.L. Compressional-wave attenuation in marine sediments // Geophysics. 1972. V. 37. № 4. P. 620–646.
  49. Akal T. The relationship between the physical properties of underwater sediments that affect bottom reflection // Marine Geology. 1972. V. 13. № 4. P. 251–266.
  50. Григорьев В.А., Кучер К.М., Луньков А.А., Макаров М.М., Петников В.Г. Акустические характеристики дна озера Байкал // Акуст. журн. 2020. Т. 66. № 5. С. 517–526.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема постановки автономных гидроакустических приемо-излучающих станций на полигоне в районе бухты Рыбацкой (Голубой) близ Геленджика. Звездочками отмечены положения станций, красным кружком — место постановки доплеровского профилографа скорости течения (ADCP). Цифрами показаны отметки глубин. Расстояние между станциями ~ 1 км.

Скачать (155KB)
Метаданные
3. Рис. 2. (a) — Схема конструкции донных приемо-излучающих гидроакустических станций, (б) — пример записи принятых одной из станций сигналов: прямоугольником “1” отмечен сигнал, излученный той же станцией, прямоугольником “2” — сигнал, излученный второй станцией.

Скачать (157KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Характерные примеры импульсного отклика канала. Синяя кривая — оценка по сигналу, излученному через 5.5 ч от начала эксперимента, коричневая кривая — через 30.51 ч. По горизонтальной оси отложено время задержки в мс, по вертикальной оси — модуль комплексной огибающей оценки импульсного отклика в относительных единицах. Обе оценки нормированы на общий коэффициент, приводящий к единице максимум амплитуды отклика в момент 30.51 ч (коричневая кривая). Сигналы приняты станцией А (см. рис. 1).

Скачать (164KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Примеры мягких решений декодирования (действительная и мнимая часть) по двум алгоритмам для одного сигнала. Синие и красные точки обозначают символы, в исходной последовательности имеющие значение −1 и 1, соответственно. (a) — Без применения эквализации, доля битовых ошибок декодирования BER = 0.04, с.к.з. ошибка декодирования −3.3 дБ, (б) — с эквализацией MMSE-DFE, доля битовых ошибок декодирования BER = 0.014, с.к.з. ошибка декодирования −6 дБ.

Скачать (210KB)
Метаданные
6. Рис. 5. (a) — Зависимость амплитуды функции импульсного отклика канала от времени. По горизонтальной оси — время в часах от начала эксперимента, по вертикальной оси — задержка распространения в мс. Цифрами 0, 1, 2 и 3 справа вдоль вертикальной оси отмечены задержки групп лучей 0, 1, 2 и 3 раза отраженных от поверхности, соответственно. Уровень амплитуды показан цветом, шкала в дБ относительно условных единиц. (б) — Вертикальные профили температуры и скорости звука вблизи акустической трассы перед началом эксперимента. (в) — Лучевая картина распространения звука для профиля на панели (б).

Скачать (559KB)
Метаданные
7. Рис. 6. (a) — Эмпирические плотности распределения амплитуд приходов групп лучей с одним (обозначены как П1, синие столбцы), двумя (П2, коричневые столбцы) и тремя (П3, желтые столбцы) отражениями от поверхности. Амплитуды всех приходов нормированы на общий коэффициент, приводящий максимальную зарегистрированную амплитуду прихода П1 к единице. (б) — Зависимость амплитуды прихода П2 от амплитуды прихода П1. (в) — Зависимость амплитуды прихода П3 от амплитуды прихода П1. Все амплитуды относятся к опорной оценке импульсного отклика.

Скачать (347KB)
Метаданные
8. Рис. 7. (а) — Изменчивость доли битовых ошибок (BER) декодирования сигналов, принятых станцией А (см. рис. 1), в течение эксперимента: красные точки — результат декодирования без применения эквализации, синие точки — с применением MMSE-DFE. По горизонтальной оси отложено время от начала эксперимента. Прямоугольниками отмечены периоды повышения BER 3.5–7 ч, 15–17 ч и 17.1–21 ч от начала эксперимента. (б) — Соответствующие эмпирические функции распределения BER. (в) — Эмпирические функции плотности распределения уровня с.к.з. ошибки декодирования (RMSE): красные столбцы — без применения эквализации, синие столбцы — с применением MMSE-DFE. (г), (д), (е) — Аналогичные результаты для сигналов, принятых станцией Б.

Скачать (547KB)
Метаданные
9. Рис. 8. (а) — Амплитуда основного максимума в оценке импульсного отклика канала, соответствующего четверке лучей с однократным отражением от поверхности, уровень в дБ относительно условных единиц, сигналы приняты станцией А, (б) — уровень с.к.з. ошибки мягкого решения декодирования (RMSE) с применением алгоритма MMSE-DFE в дБ, сигналы приняты станцией А, (в) и (г) — аналогичные результаты для сигналов, принятых станцией Б. На всех панелях синие точки — измерения для единичных сигналов, коричневые кривые — скользящее среднее за 1 час.

Скачать (452KB)
Метаданные
10. Рис. 9. (а) — Зависимость с.к.з. ошибки декодирования с использованием эквалайзера MMSE-DFE от амплитуды основного максимума опорной оценки импульсного отклика, соответствующего четверке однократно отраженных от поверхности лучей. Оценки амплитуды максимума получены по всему сигналу без учета высокочастотных флуктуаций. (б) — Зависимость коэффициента вариации флуктуаций основного максимума в мгновенной оценке импульсного отклика от амплитуды основного максимума опорной оценки импульсного отклика. (в) — Зависимость коэффициента с.к.з. ошибки декодирования с использованием эквалайзера MMSE-DFE, от коэффициента вариации основного максимума мгновенной оценки импульсного отклика. Цветом показана локальная относительная плотность точек, соответствующих индивидуальным посылкам сигналов связи.

Скачать (400KB)
Метаданные
11. Рис. 10. (а) — Зависимость с.к.з. ошибки декодирования с использованием эквалайзера MMSE-DFE от амплитуды прихода группы лучей с двумя отражениями от поверхности (П2). Оценки амплитуды получены по всему сигналу без учета высокочастотных флуктуаций. (б) — Зависимость коэффициента с.к.з. ошибки декодирования с MMSE-DFE от коэффициента вариации амплитуды прихода П2 в мгновенной оценке импульсного отклика. (в) — Зависимость коэффициента вариации флуктуаций прихода П2 в мгновенной оценке импульсного отклика от амплитуды П2 в опорной оценке импульсного отклика. (г), (д), (е) — Аналогичные зависимости для прихода группы лучей с тремя отражениями от поверхности (П3). Цветом показана локальная относительная плотность точек, соответствующих индивидуальным посылкам сигналов связи.

Скачать (563KB)
Метаданные
12. Рис. 11. (а) — Профили скорости звука, рассчитанные на основе измерений СТД зондом в окрестности трассы распространения сигналов. (б) — Зависимость амплитуды основного максимума в оценке огибающей импульсного отклика от пористости жидкого дна для тех же профилей скорости звука в водном слое (в дБ относительно условных единиц). Пунктирными линиями обозначены значения пористости, для которых проводилось моделирование влияния изменчивости профиля скорости течения (рис. 12).

Скачать (196KB)
Метаданные
13. Рис. 12. (а) — Изменчивость компоненты скорости течения в направлении от станции Б к станции А по данным измерений ADCP, на горизонтальной оси точками отмечены отсчеты времени, для которых было проведено моделирование влияния течения на изменчивость импульсного отклика (см. рис. 12). (б) — Осредненная по глубине скорость течения в направлении от станции Б к станции А, синяя кривая — измерения профилографом ADCP, коричневая кривая — результат восстановления по разности задержек главного прихода в огибающей оценки импульсного отклика, соответствующего группе лучей с однократным отражением от поверхности. (в) — Пример экстраполяции вертикального профиля скорости течения, сплошная линия — измеренный профиль в слое 1.5–19.5 м, точками отмечены горизонты измерений; пунктирная линия — сегменты экстраполяции до поверхности и до дна. (г) — Профиль скорости звука, рассчитанный на основе СТД измерений (сплошная линия), и тот же профиль с поправками на течение, соответствующими приведенному на панели (в) профилю при распространении в противоположных направлениях (пунктирные линии). (д) — Зависимость средней по глубине скорости течения в слое 1.5–19.5 м (данные измерений) от средней по глубине скорости в экстраполированных профилях.

Скачать (462KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Диапазон изменчивости амплитуды главного максимума в опорной оценке импульсного отклика, обусловленной добавлением к вертикальному профилю скорости звука поправки на скорость течения. (a) — При распространении сигнала от станции Б к станции А, (б) — при распространении в противоположном направлении. Номера профилей скорости звука соответствуют рис. 11. Временные отсчеты рассмотренных профилей скорости течения показаны на рис. 12а.

Скачать (206KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025