Channel sounding for acoustic communications : techniques and shallow-water examples

Denne rapporten omhandler kanalmålinger, det vil si målinger av den tidsvarierende impulsrespon- sen til et propagasjonsmedium. Fokuset er på den undervannsakustiske kanalen. Karakterisering av slike kanaler er blitt stadig viktigere for å støtte utviklingen i det hurtig voksende feltet undervannskommunikasjon og nettverk. Kanalmålinger muliggjør øket forståelse av kanalfysikk og modemytelse, validering av kanalmodeller, og understøttelse for iverksetting av standard testkana- ler. Kanalmodeller er av stor betydning i kommunikasjonssendere, -mottakere og kanalsimulatorer. Rapporten belyser risikoen for målefeil, som folding og forvrengning på grunn av kopling mellom tidsforsinkelse og Doppler, og relaterer disse til probesignalets egenskaper. Videre defineres kanalparametre, og en rekke eksempler på gruntvanns-kanaler gjennomgås. Det er mange konklusjoner, den viktigste er muligens at det ikke eksisterer noen typisk eller gjennomsnitts akustisk kanal. Variasjonen i statistiske egenskaper, tidsspredning og Dopplerspredning, er enorm. Disse variasjonene finnes ikke bare mellom ulike geografiske områder og årstider, men også på mindre skalaer. For eksempel kan et vindkast eller et passerende skip fullstendig forandre spredeegenskapene til en kanal. Dopplerspektra er studert for både bredbånds- og smalbåndsbølgeformer. Formen på målte spektra viser seg å kunne beskrives godt ved en strukket/komprimert eksponentiell funksjon. Dette er i samsvar med de tidligere resultatene våre. Den spektrale bredden øker med frekvens, noe en bør være oppmerksom på ved anvendelse av smalbåndsmetoder og modeller på bredbåndssignaler. En empirisk sammenheng er etablert, som reduserer antall parametre i det eksponentielle spektret til en enkelt parameter. Rapporten kan benyttes på flere måter: Den kan brukes som en guide for å gjøre kanalmålinger i sjøen, inkludert basis signalbehandling og beregning av kanalparametre. Den kan også være til hjelp for å gjenkjenne målefeil og andre feller. Parametrisering av Doppler spektra er nyttig for stokastisk kanalmodellering. Men viktigst er det at samplingen av eksempler viser den store variasjonen som finnes i akustiske propagasjonskanaler. Eksemplene illustrerer utfordringen ved å konstruere kommunikasjonssystemer som er robuste og effektive med hensyn på det akustiske miljø, og kanalsimulatorer som troverdig reproduserer disse miljøene. På den annen side er eksemplene i denne rapporten valgt for å vise variasjonsbredden i akustiske kanaler som funksjon av område, årstid, værforhold, og lokale forstyrrelser: det er lite sannsynlig at en møter alle disse kanalene i en gitt anvendelse eller misjon.