Acoustic impulse response fluctuations and coherent underwater acoustic communication in shallow waters under autumn conditions

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

The paper presents the results of a full-scale experiment aimed at assessing the temporal variability of the impulse response of a hydroacoustic channel and the efficiency of coherent underwater acoustic communications using bottom transmitters and receivers at frequencies of ~10 kHz on the Black Sea shelf in autumn. Three prominent maxima of variable amplitude were observed in the impulse response structure throughout the experiment (~36 h). The range of variability of the root-mean-square decoding error was ~11 dB, the bit error ratio varied from 0 to 0.10. We found a a strong relationship of the values of decoding errors with the amplitude of the maximum arrival in the structure of the reference impulse response corresponding to a group of rays with one reflection off the surface, as well as with the variation coefficient of high-frequency fluctuations of the amplitude of this arrival in the instantaneous estimate of the impulse response. Using numerical modeling, the hypothesis was confirmed that in autumn conditions, characterized by the absence of a pronounced seasonal thermocline, the main hydrophysical cause of the variability of the amplitude of the main arrival, and, as a consequence, the effectiveness of underwater acoustic communications, consisted in an insignificant (fractions of a degree) change of temperature in the upper layer of sea water.

Авторлар туралы

A. Shatravin

Shirshov Institute оf Oceanology, Russian Academy of Sciences; Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences

Email: ashatravin@ocean.ru
Moscow, 117997 Russia; st. Vavilova 38, Moscow, 119991 Russia

Әдебиет тізімі

  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 // In49th 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.Физикаатмосферыиокеана. 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.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу

© Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».