Resumen de Modelo de propagación acústica subacuática y su aplicación en sistemas de posicionamiento
- español
La presente tesis doctoral surge con el objetivo de realizar contribuciones en el ámbito del modelado de la propagación acústica en entornos subacuáticos, así como en los sistemas de posicionamiento en dichos entornos. Los modelos de propagación son una herramienta clave para el estudio de sistemas que hacen uso de señales acústicas, como son por ejemplo los sistemas de posicionamiento acústico, debido a la dificultad que entraña la realización de pruebas experimentales en este medio. Estos modelos aportan por tanto información de gran valor sobre el funcionamiento de dichos sistemas bajo distintas condiciones del canal subacuático. En la actualidad, la gran mayoría de modelos de propagación existentes se encuentran limitados en su rango de aplicación, ya sea considerando únicamente cierto tipo de entornos, como los de aguas poco profundas, o utilizando un conjunto de ecuaciones que restringen su uso para entornos particulares. Adicionalmente, el código fuente de dichos modelos no está disponible generalmente para ser modificado, lo que justifica la necesidad de desarrollar un modelo propio. Esta tesis aborda tres importantes aspectos en las temáticas mencionadas. En primer lugar se presenta un nuevo modelo de propagación acústica para entornos subacuáticos. Este modelo se basa en la técnica de trazado de rayos, que es la más indicada para señales acústicas que presenten cierto ancho de banda y superen los 200-500 Hz de frecuencia. En virtud de las ecuaciones consideradas para representar los distintos fenómenos físicos, el modelo es válido para un amplio rango de frecuencias, desde los 200 Hz hasta 1 MHz, y se puede usar para representar la propagación acústica en entornos diversos, desde aguas poco profundas a aguas profundas, así como aquellos en los que la profundidad depende de la distancia. Adicionalmente, el modelo contempla el efecto dinámico del oleaje generado por el viento como fuente de desvanecimiento y ensanchamiento Doppler en las señales reflejadas en la superficie del mar, siendo la inclusión de este efecto una novedad importante respecto a los modelos existentes.
En segundo lugar se abordan distintos análisis para estudiar el comportamiento de señales acústicas codificadas en entornos subacuáticos. La experiencia previa del grupo de investigación en sistemas de posicionamiento ultrasónico y en la propagación de ultrasonidos en aire ha permitido seleccionar dos esquemas de codificación que pueden ser adecuados en estos entornos. Los estudios realizados utilizando estos esquemas han servido para analizar la influencia de distintos efectos del canal, como el desvanecimiento, multicamino y el efecto del ruido, en una señal codificada. Este estudio ha permitido por tanto seleccionar el mejor esquema de codificación entre los dos estudiados, según su comportamiento en este medio, así como identificar los principales fenómenos que provocan un error en la detección de estas señales codificadas, tanto cualitativa como cuantitativamente. Finalmente, el modelo desarrollado se ha utilizado para el estudio de un sistema de posicionamiento acústico subacuático basado en señales GPS y señales acústicas codificadas para localizar un nodo sumergido, propuesto dentro de esta tesis. Este sistema presenta las ventajas de ser fácilmente desplegable y no necesitar una costosa fase de calibración, así como una mayor tolerancia al ruido y menor error en las detecciones de las señales acústicas que otros sistemas de similares características, gracias al uso de la codificación. Adicionalmente, se ha caracterizado el funcionamiento de dicho sistema para diversos algoritmos de posicionamiento, considerando los efectos de distintas configuraciones y fenomenología presente en el canal sobre la posición estimada del nodo sumergido. En cumplimiento de la normativa regulada por el Real Decreto RD 99/2011 para la concesión de la mención de “Doctor Internacional”, en el apéndice C se encuentra una versi´on resumida de esta tesis en lengua inglesa, incluyendo el apartado de conclusiones.
- English
The main goal of this PhD thesis is to make contributions to underwater acoustic propagation models, as well as to underwater positioning systems. Underwater acoustic propagation models are crucial to study different systems that make use of acoustic technology, like acoustic positioning systems, due to the fact that performing experimental tests in this medium is a complex task. Propagation models provide very useful information about the performance of these systems under different underwater channel conditions. Nowadays, most propagation models are limited in their range of validity. This limitation is imposed because they only consider a certain kind of environments, such as shallow waters, or they model physical phenomena with equations that cannot be applied in all kind of environments. Additionally, the source code of these models is not usually available to be changed. Therefore, the development of a new progation model is justified. This PhD thesis can be divided into three main parts. In the first one, a new underwater acoustic propagation model is presented. This propagation model is based on the ray-tracing technique, which is the best one to represent the propagation of acoustic signals with frequencies over 200-500 Hz and a certain bandwidth. The proposed propagation model can be used for a wide range of acoustic frequencies, from 200 Hz to 1 MHz, by means of the set of equations considered to evaluate the different physical phenomena. It can be also used to study the acoustic propagation in all kind of scenarios, from shallow to deep waters, as well as scenarios with a variable depth with range. In addition, the propagation model considers the dynamic effect of wind-generated waves in the sea-surface reflected signals, which causes signal fading and Doppler spread. This effect is not included in the existing propagation models. In the second part, several statistical analyses are performed to study the behavior of acoustic coded signals in underwater environments. The knowledge gathered through the last years by the research group on ultrasonic positioning systems and airborne sound propagation allowed choosing two coding schemes suitable for underwater environments.
The influence of fading, multipath and noise on these coding schemes have been assessed by means of these statistical analyses. Therefore, these studies allowed to choose the best coding scheme among the ones considered, identifying which channel effects have a larger impact on the correct signal detection. Finally, the developed propagation model has been used to study an underwater positioning system, which has been also proposed in this thesis. This positioning system is based on GPS and acoustic signals, and it is designed to locate a submerged node. The advantages of the proposed positioning system over already existing ones are the deployment facility and lack of calibration process, as well as a better detection of the acoustic signals and noise tolerance by means of signal coding. A characterization process has been performed for this positioning system considering several configurations and underwater channel effects, with different positioning algorithms. In order to get the “International Doctor” mention, and following the regulations given by Real Decreto RD 99/2011, an extended abstract of this thesis written in English can be found in appendix C, which includes the conclusions section.
