Técnicas acústicas no lineales para las comunicaciones submarinas

Abstract

[SPA] Las comunicaciones en entornos submarinos se han convertido en un campo de investigación de gran interés en los últimos años por sus múltiples aplicaciones como, por ejemplo, monitorizar el medio marino para mantener la biodiversidad, perfilar el subfondo marino y avanzar en su conocimiento, controlar la navegación y el tránsito naval, defensa y seguridad, entre otros. Dado que la ondas acústicas presentan ciertas ventajas para su propagación en el medio marino, el desarrollo de transductores acústicos submarinos ha experimentado un aumento significativo como tecnologías de transmisión para sistemas de comunicación subacuática. Sin embargo, la propagación de las ondas en el mar tiene limitaciones, debido a la atenuación y absorción de la señal en el medio, la presencia de ruido, y especialmente, el efecto multicamino; mecanismos que pueda llegar a provocar una importante distorsión en la que se registra la señal en el receptor respecto a la que fue emitida. En aras de salvar este efecto, en esta tesis se plantean métodos de comunicación basados en el fenómeno de propagación no lineal llamado efecto paramétrico, que permite una comunicación directiva mediante el uso de transductores de alta frecuencia y alta intensidad cuyas ondas no lineales dan lugar, en su propagación, a la aparición de bajas frecuencias en el medio. Con esto, se prevén varias ventajas: comunicarse solo en la dirección deseada, y disminuir en su mayoría las múltiples reflexiones que podrían empeorar la calidad de la comunicación en aguas poco profundas. Además, en la presente tesis se aborda una forma particular de modulación basada en la concatenación de señales de banda ancha tipo sweep, en contraste con las técnicas clásicas de modulación tipo seno. Este tipo de modulación, estudiada desde el punto de vista del efecto paramétrico, permitirá un elevado grado de detección y disminución de tasas de error mejorando, aún más, las prestaciones de la comunicación. A pesar de las múltiples aplicaciones de este fenómeno en las comunicaciones acústicas, sus aplicaciones en otros ámbitos de la ingeniería no están lo suficientemente extendidas debido a que la conversión de energía del paramétrico es ineficaz. Sin embargo, en los últimos años, debido a la diversidad de nodos en las redes de (UAC1) y al aumento de la empleabilidad de equipos no tripulados (UUV2) de gran tamaño, se empiezan a abordar los problemas de suministro de energía. Por lo tanto, las comunicaciones acústicas paramétricas generan mayor interés en su estudio y aplicación, utilizándose tanto en aplicaciones de detección y en comunicaciones submarinas, como para otros propósitos y desarrollos. Esta tesis consiste en 5 capítulos. El primero, trata de los fundamentos teóricos de la acústica no lineal prestando atención a aquellos fenómenos que conciernen a la generación paramétrica y sus características, aplicando al presente problema de las comunicaciones, sentando las bases para su entendimiento y, posteriormente, utilizarlo en el desarrollo de esta tesis. En segundo lugar, se estudian las técnicas de modulación empleadas en las comunicaciones acústicas submarinas y su implementación mediante el efecto paramétrico. El tercer capítulo, aborda las técnicas de detección y procesado de señales acústicas utilizadas para analizar las señales medidas y extracción de sus características principales. En cuarto lugar, se caracteriza el campo acústico generado por el transductor submarino utilizado en los experimentos, tanto su componente lineal como no lineal (efecto paramétrico). Por último, en el quinto capítulo, se presentan los resultados obtenidos de utilizar las diferentes modulaciones estudiadas, tanto las clásicas basadas en senos como las propuestas mediante sweeps, todas ellas bajo el fenómeno de propagación no-lineal y, así, obtener su capacidad de detección y calidad de cada una de las comunicaciones estudiadas.

[ENG] Communications in underwater environments have become a field of research of great interest in recent years due to its applications, such as, for example, monitoring the marine environment to maintain biodiversity, profiling the seabed and advancing its knowledge, controlling the navigation and naval traffic, defense and security, among others. Since acoustic waves have certain advantages for their propagation in the marine environment, the development of underwater acoustic transducers has experienced a significant increase as transmission technologies for underwater communication systems. However, underwater acoustic has several limitations, due to the attenuation and absorption of the signal in the medium, the presence of noise, and especially, the multipath effect; mechanisms that can cause a significant distortion in which the signal is registered in the receiver with respect to which it is emitted. In order to overcome this effect, in this work communication methods based on the phenomenon of non-linear propagation called the parametric effect are proposed, that allows directive communication by using of high-frequency and high intensity transducers whose non-linear waves give rise, in their propagation, to the occurrence of low frequencies in the middle. With this, several advantages are foreseen: communicating only in the desired direction, and mostly reducing the multiple reflections that could worsen the quality of communication in shallow waters. Furthermore, this work deals with a particular form of modulation based on the concatenation of broadband sweep signals, in contrast to the classic techniques of sine-type modulation. This type of modulation, studied from the point of view of the parametric effect, will allow a high degree of detection and a reduction in error rates, further improving communication performance.