Vector sensors for underwater : acoustic communications

Acoustic vector sensors measure acoustic pressure and directional components separately. A claimed advantage of vector sensors over pressure-only arrays is the directional information in a collocated device, making it an attractive option for size-restricted applications. The employment of vector sensors as a receiver for underwater communications is relatively new, where the inherent directionality, usually related to particle velocity, is used for signal-to-noise gain and intersymbol interference mitigation. The fundamental question is how to use vector sensor directional components to bene t communications, which this work seeks to answer and to which it contributes by performing: analysis of acoustic pressure and particle velocity components; comparison of vector sensor receiver structures exploring beamforming and diversity; quanti cation of adapted receiver structures in distinct acoustic scenarios and using di erent types of vector sensors. Analytic expressions are shown for pressure and particle velocity channels, revealing extreme cases of correlation between vector sensors' components. Based on the correlation hypothesis, receiver structures are tested with simulated and experimental data. In a rst approach, called vector sensor passive time-reversal, we take advantage of the channel diversity provided by the inherent directivity of vector sensors' components. In a second approach named vector sensor beam steering, pressure and particle velocity components are combined, resulting in a steered beam for a speci c direction. At last, a joint beam steering and passive time-reversal is proposed, adapted for vector sensors. Tested with two distinct experimental datasets, where vector sensors are either positioned on the bottom or tied to a vessel, a broad performance comparison shows the potential of each receiver structure. Analysis of results suggests that the beam steering structure is preferable for shorter source-receiver ranges, whereas the passive time-reversal is preferable for longer ranges. Results show that the joint beam steering and passive time-reversal is the best option to reduce communication error with robustness along the range.Sensores vetoriais acústicos (em inglês, acoustic vector sensors) são dispositivos que medem, alem da pressão acústica, a velocidade de partícula. Esta ultima, é uma medida que se refere a um eixo, portando, esta associada a uma direção. Ao combinar pressão acústica com componentes de velocidade de partícula 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 partícula. Como podemos notar, o aspecto inovador está na medição da velocidade de partícula, dado que os hidrofones já são conhecidos.(...)This PhD thesis was supported by the Brazilian Navy Postgraduate Study Abroad Program Port. 227/MB-14/08/2019

Análise da geração de energia elétrica a partir de ondas do mar e máquina de indução

Este trabalho se baseia no sistema de geração de energia elétrica a partir das ondas do mar desenvolvido pelo Laboratório de Tecnologia Submarina (LTS), COPPE/UFRJ. O princípio de funcionamento deste sistema consiste na movimentação dos flutuadores pela ação das ondas do mar, que através de braços mecânicos em forma de alavanca, acionam bombas hidráulicas. Estas bombas estão ligadas a uma base fixa e injetam água num sistema hidráulico a alta pressão, armazenando a energia intermitente extraída das ondas. Uma válvula fixa ao sistema hidráulico controla um jato d„água com pressão e vazão suficiente para acionar uma turbina Pelton e um gerador elétrico.Neste trabalho, a partir da modelagem analítica detalhada do sistema de armazenamento (acumulador hidropneumático e câmara hiperbárica) e da turbina, analisou-se o comportamento da tensão e potência gerada por uma máquina de indução rotor gaiola de esquilo conectada diretamente à rede elétrica. É apresentado um estudo prévio da máquina de indução para auxiliara análise das oscilações de tensão e potência que surgem devido ao torque variável no eixo do rotor e para compreender o comportamento da máquina atuando como gerador (análise da região de operação).A capacidade da rede à qual a máquina é conectada também foi um ponto de análise. Um modelo equivalente do sistema elétrico foi desenvolvido onde a relação de curto-circuito foi alterada de forma a avaliar os efeitos quanto à qualidade da energia.A partir da modelagem do sistema hidráulico, mecânico e elétrico,as simulações foram implementadas utilizando-se o programa PSCAD-EMTDC. Os resultados são apresentados para diferentes parâmetros hidráulicos e elétricos. O comportamento da flutuação da tensão de acordo com a relação de curto-circuito foi analisado verificando pontos críticos da geração e a variação da potência relacionada com o dimensionamento do sistema hidráulico. As influências nos limites de geração e na qualidade da energia são analisadas