Physical modelling of acoustic shallow-water communication channels

Sammanfattning: Akustiska kanaler för undervattenskommunikation är flervägskanaler där ljudet reflekteras från havets yta och botten och bryts vid ljudhastighetsförändringar. I grunt vatten är impulssvaret långt jämfört med symbolernas tidslängd i ett utskickat meddelande. Detta orsakar intersymbolinterferens, vilket gör det svårt att återskapa meddelandet.Denna avhandling behandlar fysikalisk modellering av kommunikationskanalen. Sådan modellering kan öka insikten om de svårigheter som finns vid design av kommunikationssystem och kan vara till hjälp vid utveckling av lämpliga modulationstekniker och avkodningsalgoritmer. Ljudutbredningen simuleras med en strålgångsmetod med reflektionskoefficienter beräknade för plana vågor. I artikel 4 och 5 utvidgas modellen till en algoritm för gaussisk strålsummation.De viktigaste vetenskapliga bidragen är följande.Artikel 1:Aktuell kunskap om impulssvaret hos kommunikationskanalen gör det betydligt lättare att tolka det mottagna meddelandet. I denna artikel studeras tidsvariabiliteten hos impulssvaret i termer av bitfelssannolikhet när ett gammalt impulssvar används för kanalutjämning. Tidsvariabiliteten visar sig variera avsevärt med mottagarpositionen, inte bara när det gäller avståndet till sändaren, utan även när det gäller placeringen i djupled.Artikel 2:En hybridmetod presenteras, där strålgång i ett avståndsberoende medium kombineras med lokal fullfältsmodellering av interaktionen med havsbottnen. Metoden används för simuleringar av akustisk kommunikation i grunt vatten.Artikel 3:För att kunna göra tillförlitliga simuleringar av ljudutbredning behöver man god kunskap om mediets ljudhastighetsprofil --- information som inte alltid är tillgänglig. I denna artikel används den hybrida strålgångsmetoden från artikel 2 för att skatta ljudhastighetsprofilen från kommunikationsdata. Miljöparametrarna som beräknats genom inversionen minskar avvikelsen mellan simulerade och observerade skattningar av impulssvaret jämfört med avvikelsen då en uppmätt, två dagar gammal ljudhastighetsprofil används vid simuleringen. Miljömodellen används också för en genomgång av alternativa käll- och mottagarpositioner.Artikel 4:Gaussisk strålsummation är en vågutbredningsmodell som liknar strålgång men kan ge korrekta resultat i strålgångens singulära områden, som skuggzoner och kaustikor. I denna artikel diskuteras hur några olika val av den komplexa strålparametern $epsilon$ fungerar i grunda vågledare. Bäst resultat erhålls om man väljer $epsilon$ så att strålen blir smal i punkten närmast mottagaren och får en plan vågfront där.Artikel 5:En adaptiv metod för gaussisk strålsummation i grunda vågledare presenteras. Algoritmen ger en noggrannhet som är bättre än eller minst lika bra som strålgångens, även i grunda vågledare med en starkt djupberoende ljudhastighet.