Underwater Acoustic simulations with a time variable acoustic propagation model

The Time Variable Acoustic Propagation Model (TV-APM) was developed to simulate underwater acoustic propagation in time-variable environments. Such environment variability induces a strong Doppler channel spread, which is an important factor to test and evaluate the performance of equalization algorithms. In current simulations, Doppler spread is usually included a posteriori in a stationary Acoustic Propagation Model (APM), and is designed for specific environmental parameters such as source-receiver range variability or surface motion. However, environmental variations affect Doppler spread in a complex manner, and an accurate TV-APM simulation for time varying channels, being performed at the same sampling rate as the transmitted signal, would require a large number of runs at high frequencies. A strategy in the current implementation of the TV-APM was developed to reduce the number of runs, while preserving the variable-channel Doppler spread. Simulations were done to draw a performance map for a given equalizer in a given environment and the results revealed that the TV-APM is a useful prediction tool of communication equalizers performance

Low probability of detection underwater acoustic communications

Low probability of detection (LPD) underwater acoustic communications are an essential requirement for command and control of autonomous underwater vehicles (AUV) or submarines performing covert missions, avoiding their detection while communicating. Based on low power signals, these covert communications may also extend the autonomy of battery-operated AUVs, and contribute to reducing the impacts of the environmental noise level on marine life. The present thesis aims to develop LPD communications based on modeled and real data from three shallow water experiments. Thus, a superimposed training method has been proposed. A bitstream is created superimposing a long probe to the message before transmission. Computationally simple, the algorithm explores temporal diversity to increase the processing gain and uses a Wiener filter for equalization. Experimental results presented bit-error rates (BER) < 10−2 for signal-tonoise ratios (SNR) < −8 dB. To understand the effects of coastal upwelling phenomena over low SNR communications, a study compares the acoustic propagation for different sound speed profiles using a propagation model and analyzes data from the BioCom’19 experiment, performed off Cabo Frio Island (Brazil). Temporal and spatial coherence of low power signals propagating in this harsh environment are estimated, and both a criterion for multichannel combining and a double Wiener filter to improve equalization are presented. Passive time-reversal (pTR) techniques have been widely employed for communications. To address the pTR channel mismatch due to the environmental variability between the probe and the data transmissions, this work proposes a superimposed training pTR (STpTR) approach for single and multichannel systems. Despite the high noise levels, varying from -5 to +6 dB, the STpTR combined with a Wiener filter achieved BER < 10−2, for bit rates up to 220 bps. To improve covert communications for AUVs, this work also presents a study about vector sensor multichannel combining. Using the STpTR approach, results from an experiment on the coast of Algarve/Portugal indicate that combining the pressure and particle velocity channels of a vector sensor may provide an average SNR and mean squared-error gain of up to 9.4 and 3.1 dB, respectively, compared to the pressure channel. Therefore, a better understanding of the environment combined with the superimposed training pTR using a vector sensor may improve the LPD communication system’s performance and robustness while keeping covertness.No ´últimos anos, os trabalhos de investigação sobre comunicações acústicas submarinas com baixa probabilidade de deteção (BPD) tem sido incentivados pela indústria, pelos governos, e pela própria academia em razão de suas m´múltiplas aplicações. Na ´área militar, as comunicações BPD permitem que submarinos e veículos autónomos 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 n´ıveis de ru´ıdo submarino, entre outras aplica¸c˜oes. Neste contexto, esta tese pretende desenvolver comunica¸c˜oes BPD utilizando um modelo de propaga¸c˜ao ac´ustica e dados obtidos a partir de trˆes experimentos em ´aguas rasas. Este trabalho apresenta um m´etodo de treinamento superposto para comunica¸c˜oes submarinas em um ambiente com baixa rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo, e demonstra sua aplica¸c˜ao para comunica¸c˜oes BPD. Computacionalmente simples, o m´etodo 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 m´máximo ´e somada `a mensagem para efeitos de equalização e sincronismo. Os dois sinais são binários, modulados em fase e possuem 2047 bits. Porém, possuem amplitudes diferentes. Na realidade, a amplitude do sinal de treinamento ´e ligeiramente superior `a da mensagem. Em um ambiente com baixa rela¸c˜ao sinal ru´ıdo, um sinal de treinamento mais forte permite ocultar a mensagem a ser transmitida, bem como melhorar o ganho para a estima¸c˜ao da resposta impulsiva e para a sincroniza¸c˜ao do sistema. A mensagem ´e composta por 3 bits nulos e 4 sequˆencias de 511 bits. Delimitados por uma curta sequˆencia de comprimento m´aximo de 31 bits, para dupla sincroniza¸c˜ao, os pacotes de dados possuem 480 bits e transportam o seguinte pangrama: (The Quick Brown Fox Jumps Over the Lazy Dog 0123456789!@#$). O m´etodo explora a diversidade temporal do canal, transmitindo a mesma sequˆencia diversas vezes para aumentar o ganho de processamento do sinal e implementar a corre¸c˜ao de erros atrav´es da soma coerente dos sinais. A resposta impulsiva do canal ´e estimada pela transformada r´apida de Hadamard, e a equaliza¸c˜ao do sinal ´e feita por um filtro de Wiener. A remo¸c˜ao da interferˆencia causada pelo sinal de treinamento ´e realizada pelo m´etodo “hyperslice cancellation by coordinate zeroing (HCC0)”, e a seguir a mensagem ´e decodificada. Resultados obtidos a partir de um experimento em ´aguas 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 ´e um fenómeno oceanográfico dinâmico que modifica, profundamente, a estratificação de temperatura do oceano, influenciando diretamente na propagação acústica. Por outro lado, os crescentes n´níveis de ruído antropogénico não apenas reduzem o desempenho dos sistema de comunicação, corrompendo a informação transmitida, mas tamb´em afetam a vida marinha. Para compreender os efeitos da ressurgˆencia costeira sobre as comunica¸c˜oes com baixa rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo, 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 propaga¸c˜ao ac´ustica, para diferentes perfis de velocidade do som, foram estimadas usando o modelo de propaga¸c˜ao ac´ustica “Monterey-Miami Parabolic Equation model (MMPE)”. Al´em disso, o desempenho do sistema de comunica¸c˜oes foi correlacionado com os perfis de temperatura durante o experimento. Os resultados obtidos indicam uma significativa redu¸c˜ao da energia ac´ustica nos receptores durante a ressurgˆencia, degradando o desempenho do sistema. A coerˆencia temporal e espacial dos sinais de baixa potˆencia transmitidos no experimento BioCom’19 foi estimada, e um crit´erio para combina¸c˜ao dos sinais, provenientes dos m´ultiplos hidrofones, foi proposto. Utilizando dados de um arranjo piramidal e um arranjo vertical linear, de 4 hidrofones cada, a coerˆencia 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 coˆerencia temporal pode ser utilizada como crit´erio para combinar sinais consecutivos em um mesmo canal, enquanto a diversidade espacial permite a combina¸c˜ao de m´ultiplos canais do arranjo de sensores. Sequˆencias cuja coerˆencia temporal esteja acima de um limite pr´e-definido s˜ao somadas. A coerˆencia espacial entre canais foi estimada e comparada em termos da taxa de erro de bit. Para diferentes taxas de transmiss˜ao, as taxas de erro de bit est˜ao em concordˆancia com a evoluc˜ao da coerˆencia espacial. Quanto mais elevada a coerˆencia, 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 potˆencia, durante a ressurgˆencia, tambem foi proposto. Utilizando dados dos 4 hidrofones de um arranjo piramidal, as respostas impulsivas foram estimadas para observar a variabilidade das condi¸c˜oes de propaga¸c˜ao. Em uma condi¸c˜ao de perfil de temperatura isot´ermico, as respostas impulsivas apresentaram multicaminhamento curto, com chegadas mais fortes nos receptores. `A medida que a ressurgˆencia ocorria, foram observadas quedas abruptas de temperatura superiores a 10◦C, na posi¸c˜ao dos hidrofones, acarretando uma forte refra¸c˜ao da onda sonora para o fundo marinho. Em consequˆencia, sinais mais fracos foram observados nos hidrofones. Os resultados obtidos com dados do BioCom’19 mostram que, para uma rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo variando entre −3.9 e 7.3 dB, o duplo filtro de Wiener forneceu um ganho do erro m´edio quadr´atico de at´e 2.8 dB, comparado com o filtro de Wiener simples. As t´ecnicas de tempo reverso passivo (TRP) tem sido amplamente empregadas nas comunica¸c˜oes submarinas. Por´em, as r´apidas altera¸c˜oes das condi¸c˜oes de propaga¸c˜ao em canais submarinos variantes no tempo, durante as transmiss˜oes da sequˆencia de treinamento e da mensagem, degradam o desempenho das t´ecnicas TRP de equaliza¸c˜ao. Assim, esse trabalho prop˜oe um m´etodo de TRP utilizando treinamento superposto, para sistemas com um ou m´ultiplos sensores. O m´etodo proposto utiliza uma sequˆencia de treinamento, com o efeito Doppler corrigido, para estimar o canal e realizar o TRP. O m´etodo compara 3 differentes estrat´egias para melhorar a performance do sistema de comunica¸c˜ao: a diversidade temporal devido aos sinais idˆenticos transmitidos continuamente, a diversidade espacial devido aos 2 arranjos de hidrofones, piramidal e linear, com 4 hidrofones cada um, al´em da combina¸c˜ao dos 2 arranjos (8 hidrofones). Neste m´etodo, a t´ecnica de TRP com treinamento superposto minimiza o multicaminhamento e realiza a corre¸c˜ao de erros atrav´es da soma coerente dos diferentes canais. A interferˆencia intersimb´olica residual ´e removida pelo filtro de Wiener. Resultados obtidos com dados do experimento BioCom’19 mostram que o m´etodo 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 m´etodo sem o TRP, usando apenas o filtro de Wiener. Neste contexto, o m´etodo de TRP utilizando treinamento superposto alcan¸cou taxas de erro de bit < 10−2 para uma rela¸c˜ao sinal ru´ıdo, na banda de transmiss˜ao, variando entre −5 a +6 dB. Focado em comunica¸c˜oes com baixa probabilidade de detec¸c˜ao para pequenos ve´ıculos submarinos, este trabalho tamb´em apresenta um estudo sobre a combina¸c˜ao dos canais de press˜ao e velocidade de part´ıcula dos sensores vetoriais. Os sensores vetoriais possuem pequenas dimens˜oes, adequadas `a utilizac˜ao em ve´ıculos autˆonomos, e permitem obter um ganho de diversidade para as comunica¸c˜oes BPD. Para testar o m´etodo de treinamento superposto com o tempo reverso passivo utilizando sensores vetoriais, um experimento foi realizado, em ´aguas rasas, na costa do Algarve/Portugal. Para reduzir a rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo para uma faixa de 0 a −10 dB, foi adicionado ru´ıdo gravado no experimento. Os resultados experimentais indicam que a combina¸c˜ao dos canais podem fornecer um ganho da rela¸c˜ao sinal/ru´ıdo e do erro m´edio quadr´atico de at´e 9.4 e 3.1 dB, respectivamente, comparados com os resultados do sensor de press˜ao. Portanto, as principais contribui¸c˜oes dessa tese s˜ao (i) a proposta do m´etodo de treinamento superposto para comunica¸c˜oes com baixa probabilidade de detec¸c˜ao, (ii) a compreens ˜ao dos efeitos da ressurgˆencia costeira sobre as comunica¸c˜oes, e seus impactos sobre a coerˆencia temporal e espacial, (iii) o m´etodo de treinamento superposto em conjunto com o tempo reverso passivo para lidar com a varia¸c˜ao do canal entre o tempo de recep¸c˜ao do sinal de treinamento e da mensagem, e (iv) a combina¸c˜ao dos m´ultiplos canais dos sensores vetoriais para comunica¸c˜oes BPD. Dessa forma, uma melhor compreens˜ao do canal submarino e a utiliza¸c˜ao dos m´etodos propostos combinados com sensores do estado da arte, como os sensores vetoriais, se configura como um avan¸co neste campo do conhecimento, permitindo aumentar a robustez do sistema BPD, bem como reduzir a probabilidade de detec¸c˜ao, mantendo a ocultação das comunicações.I am also grateful for the sponsorship provided by the Brazilian Navy through the Postgraduate Study Abroad Program, Grant No. Port.227/MB/2019

TS-MUWSN: Time synchronization for mobile underwater sensor networks

Time synchronization is an important, yet challenging, problem in underwater sensor networks (UWSNs). This challenge can be attributed to: 1) messaging timestamping; 2) node mobility; and 3) Doppler scale effect. To mitigate these problems, we present an acoustic-based time-synchronization algorithm for UWSN, where we compare several message time-stamping algorithms in addition to different Doppler scale estimators. A synchronization system is based on a bidirectional message exchange between a reference node and a slave one, which has to be synchronized. Therefore, we take as reference the DA-Sync-like protocol (Liu et al., 2014), which takes into account node's movement by using first-order kinematic equations, which refine Doppler scale factor estimation accuracy, and result in better synchronization performance. In our study, we propose to modify both time-stamping and Doppler scale estimation procedures. Besides simulation, we also perform real tests in controlled underwater communication in a water test tank and a shallow-water test in the Mediterranean Sea.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

OFDM demodulation in underwater time-reversed shortned channels

This work addresses the problem of OFDM transmission in dispersive underwater channels where impulse responses lasting tens of miliseconds cannot be reliably handled by recently proposed methods due to limitations of channel estimation algorithms. The proposed approach relies on passive time reversal for multichannel combining of observed waveforms at an array of sensors prior to OFDM processing, which produces an equivalent channel with a shorter impulse response that can be handled much more easily. A method for tracking the narrowband residual phase variations of the channel after Doppler preprocessing is proposed. This is a variation of an existing technique that can improve the spectral efficiency of OFDM by reducing the need for pilot symbols. This work also examines techniques to handle sparse impulse responses and proposes a channel estimation method where an l1 norm is added to the standard least-squares cost function to transparently induce sparseness in the vector of channel coefficients. Algorithms are assessed using data collected during the UAB’07 experiment, which was conducted in Trondheim fjord, Norway, in September 2007. Data were transmitted with bandwidths of 1.5 and 4.5 kHz, and recorded at a range of about 800 m in a 16-hydrophone array. Significant multipath was observed over a period of at least 30 ms.FC

Arrival-based equalizer for underwater communication systems

One of the challenges in the present underwater acoustic communication systems is to combat the underwater channel effects which results in time and frequency spreading of the transmitted signal. The time spreading is caused by the multipath effect while the frequency spreading is due to the time variability of the underwater channel. The passive Time Reversal (pTR) equalizer has been used in underwater communications because of its time focusing property which minimizes the time spreading effect of the underwater channel. In order to compensate for the frequency spreading effect, an improved version of pTR was proposed, called Frequency shift passive time reversal (FSpTR). FSpTR tries to compensate for the frequency spreading by applying a frequency shift in the estimated channel impulse response (IR). In the multipath environment, multiple replicas of the transmitted signal reaches the receiver through different paths where each path is affected differently by environmental variations. In such cases, a single frequency shift fails to compensate for the environmental variations on each path, resulting in degradation in the performance. In this paper, an arrival-based equalizer is proposed to compensate for the environmental variations on each path. The concept of beamforming is integrated with FSpTR equalizer, in this paper, to compensate each arrival separately for the environmental variations. The proposed equalizer is tested with the real data and the results showed that the proposed approach outperforms pTR and FSpTR equalizers and provides a mean MSE gain of 4.9 dB and 4.2 dB respectively.This work is supported by Portuguese Foundation for Science Technology under PHITOM (PTDC/EEATEL/71263/2006) and COGNAT (PTDC/MAR/112446/2009) projects. This work was also supported by European Community’s Sixth Framework Program through the grant to the budget of the Integrated Infrastructure Initiative HYDRALAB III within the Transnational Access Activities, Contract no. 022441

Path specific Doppler compensation in time-reversal communications

Passive time reversal (pTR) is a low complexity receiver scheme that uses multichannel probing for time signal refocusing, thus reducing time spreading and improving inter-symbol interference. Recognizing that signals traveling through different paths are subject to arrival-angle-related Doppler displacements, this letter proposes a further improvement to pTR that applies correcting frequency shifts optimized for beams formed along each specific path arrival angle. The proposed channel equalizer is tested with real data, and the results show that the proposed approach outperforms both pTR and the modified pTR channel combiners providing an MSE gain of 4.9 and 4.2 dB, respectively. © 2015 Acoustical Society of America

UNDERWATER COMMUNICATIONS WITH ACOUSTIC STEGANOGRAPHY: RECOVERY ANALYSIS AND MODELING

In the modern warfare environment, communication is a cornerstone of combat competence. However, the increasing threat of communications-denied environments highlights the need for communications systems with low probability of intercept and detection. This is doubly true in the subsurface environment, where communications and sonar systems can reveal the tactical location of platforms and capabilities, subverting their covert mission set. A steganographic communication scheme that leverages existing technologies and unexpected data carriers is a feasible means of increasing assurance of communications, even in denied environments. This research works toward a covert communication system by determining and comparing novel symbol recovery schemes to extract data from a signal transmitted under a steganographic technique and interfered with by a simulated underwater acoustic channel. We apply techniques for reliably extracting imperceptible information from unremarkable acoustic events robust to the variability of the hostile operating environment. The system is evaluated based on performance metrics, such as transmission rate and bit error rate, and we show that our scheme is sufficient to conduct covert communications through acoustic transmissions, though we do not solve the problems of synchronization or equalization.Lieutenant, United States NavyApproved for public release. Distribution is unlimited